基于systemview的qpsk全数字调制解调器的设计与实现

基于systemview的qpsk全数字调制解调器的设计与实现内容摘要：

(2)按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。 (3)按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。 数字通信解调设备的构成如图 12 所示，主要包括解调单元、信码再生单元和译码单元。 其中，载波同步和定时同步是解调器的 2 个核心单元，它们直接决定着解调器的误码性能。 图 12 数字通信解调系统框图 在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是用模拟处理方法和器件实现的。 其中，共同之处在于使用了模拟滤波器、鉴相器 (乘法器 )和压控振荡器 (VOC)。 这种传统的模拟解调单元电路体积大、形式复杂，调试周期长而且受人为因素影响大：器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性 差，因此，这种传统的接收机不能完全发挥数字通信的优势，不能实现数字信号处理的最佳接收。 解调单元的载波同步和定时同步将完全在数字部分完成，而模数转换器的位置决定了接收机的数字化程度。 在全数字解调中，几乎所有的模拟解调单元和器件都可以对应地找到它的数字化形式，如数已调信号 数字信号 编码后数据 数字化 编码单元 调制单元 模拟信号 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 字滤波器 (FM或 FIR)、全数字乘法器和数控振荡器 （ NCO） 等。 但全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全部数字化，它具有以下的特点： (1)电路结构简单，易于调试； (2)可以使用复杂的算法，从而实现最佳的接收； (3)便于计算机辅助设计，实现电子 设计自动化 (EDA)； (4)易于集成和大规模生产，价格低廉。 课题的主要研究工作 研究 QPSK 的基本原理； 在此原理基础上来研究 QPSK 解调的中频数字下变频、载波同步和位同步； 掌握 systemview 软件的使用方法 ， 完成 QPSK 中频调制解调器各个模块基于systemview 的仿真 ； 解决调制器的安全性和可靠性问题，分析系统性能问题； 对 系统误码率和眼图 分析，从而判定系统的性能； 探讨 QPSK 在实际生活中的应用。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 第 2 章 QPSK 调制解调 原理及系统组成 QPSK 调制解调原理及系统组成 相移键控是目前扩频系统中大量使用的调制方式，也是和扩频技术结合最成熟的调制技术，原则上看是一种线性调制。 从基带变换到中频以及射频，中间的频谱搬移和信号放大需要一个要求较高的线性信道，因而，设计要求较高。 相移键控系统中，有待传输的基带数字脉冲控制着载波相位的变化，从而形成振幅与频率不变，而相位取离散值变化的己调波。 QPSK 调制器可以看成由两个 2PSK 调制器构成，输入的串行二进制序列经过串并转换后，分成两路速率减半的序列，然后经过极性转换后变成两路双极 性二电平信号， )(tI 和 )(tQ ，然后跟 t0cos 和 t0sin 相乘进行调制，相加后即得到 QPSK 信号。 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。 二进制相移键控 对于二进制相移 键控 （ 2PSK） 来说，通常用初始相位 0和  分别表示二进制“ 1”和“ 0”。 tnTtgaSn snps k 02 c os])([   （ 21） 式（ 21）中， )(tg 是脉宽为 sT 的单个矩形脉冲， na 为二进制数字，   pa n 11 p1 概率为 概率为 四相相移键控 四相相移键控是利用载波四个不同的相位来表征数字信息的调制方式。 QPSK信号可表示为： )c os (])([0 nn sQ P S K tnTtgS    （ 22） 式 （ 22） 中， 0 是载波的角频率， n 是第 n个码元的载波相位取值， sT 是发送一码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一， )(tg 是发送码元的波形函数。 n 是可以取区间 (0 ， 2 )任何离散值的随机变量，可取的个数由调制方式的进制来决定石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 在 QPSK调制系统中，发送端可取的相位值为四个。 将式（ 22）展开，得到： tnTtgtnTtgtSn nsn nsQ P S K 00 s i n]s i n)([c os]c os)([)(    (23) 令 nnX cos ， nnY sin ，则 两者 的取值是随机的离散值，和选定的相位有关， 在星座 图的映射中对应同相和正交分量，反映其在映射图中的矢量位置。 对于四种相位的选择，存在 2/ 体系和 4/ 体系。 2/ 体系对应 0n ， 2/ ， ， 2/3 四个离散值。 4/ 体系对应 4/n ， 4/3 ， 4/5 ， 4/7 四个离散值。 从式 (23)可以看出，四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二进制幅度调制信号之和。 从 nX 和 nY 的取值，容易发现两者具有一定的矢量约束关系，保证两者合成的矢量点在落在同一圆周上。 这个关系意味着，系统的非线形失真对 QPSK系统的可靠性影响很小。 在 QPSK 中，数字序列相继两个码元的 4 种组合对应 4 个不同相位的正弦载波，即 00、 0 11 分别对应 )4cos(0  tA， )4cos(0  tA， )43cos(0  tA， )43cos(0  tA ， 其中 Tt 20  ， T 为比特周期。 图 21(a)是 QPSK 相位矢量图，图中 I 表示同相信号， Q 表示正交信号。 图 21(b)是 QPSK 星座图，星座图中星座间的距离越大，信号的抗干扰能力就越强，接收端判决再生时就越不容易出现误码。 星座间的最小距离表示调制方式的欧几里德距离，欧几里德距离 d 可表示为信号平均功率S 的函数。 QPSK 信号的欧几里德距离与平均功率的 关系为 Sd 2。 (a) QPSK 相位矢量图 (b) QPSK 星座图 图 21 QPSK的矢量图和星座图 QPSK 调制的方案 (1)相位选择法。 直接用数字基带信号选择具有所对应相位的载波信号产生 QPSK石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 信号的方法称为相位选择法。 相位选择法使用的载波是方波。 实现框图如图 22，其调制器由串并变换电路、相位选择电路、 四 相载波发生器和带通滤波器组成，加上码型变换器就可以实现 QDPSK信号调制。 图 22 QPSK相位选择法调制框图 (2)直接调相法。 直接调相法也称为正交调制法。 图 23是直接调相法产生 QPSK信号的框图。 它由串并变换电路、相乘器、移相器、载波发生器和相加器组成。 而且在直接调相法的基础上增加差分编码器就可以产生 QDPSK信号。 直接调相法产生QDPSK信号的框图，采用了 2/ 体系。 按 2位二进制数组进行输入，串并变换器将 2位串行输入数掘转换为 2位并行数据 a、 b， a、 b码元宽度加倍并且在时间上同步。 差分编码器将绝对码 元 a、 b转换为相对码元然后通过极性变换器转换为双极性码元，进入相乘器最后经过相加器得到 QDPSK己调波信号 [1]。 图 23 QPSK直接调相法调制框图 由图 23 可知， QPSK 是由两路 2PSK 信号构成，且两路信号相互正交的，即相位差相差 090 ，两路 2PSK 信号相加，即得到 QPSK 信号。 该调制是比较常用的 QPSK石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 调制方式。 图 24 QDPSK直接调相法调制框图 (3)插入脉冲法。 通过在三 级级联分频器中插入受控脉冲改变分频状态来实现载波相位变化，插入脉冲法的载波也采用方波。 本文采用了直接调相法进行设计。 QPSK 解调原理及方案 QPSK信号的解调常用的有相干正交解调法和差分正交解调法两种： (1)相干 正交解调法。 由多相调制器工作原理可知， QPSK 信号可以看作是由两个正交 2PSK 信号合成得到的，相干正交解调法的原理是用两个正交的本地相干载波信号进行相干解调，其解调器框图如图 25 所示。 相干正交解调法也称为极性比较法，其解调器由带通滤波器、相乘器、相干载波发生器、移相器、低通滤波器 、抽样判决器和并串变换电路构成 [1]。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 图 25 QPSK相干正交解调法原理框图 图 25中， QPSK调制信号先通过带通滤波器滤除带外干扰信号，分为三路，一路进入相干载发生器提取本地相干载波，另外两路输入到相乘器。 相干载波发生器产生的相干载波 tocos 路直接进入相乘器与 QPSK调制信号相乘，另一路进入移相器进行了 2/ 移相，产生与相干载波 tocos 正交的载波信号 tosin ，进入第二个相乘器与QPSK调制信号相乘。 两个相乘器输出的两路信号通过低通滤波器和抽样判决器得到两路信号，然后通过并串变换电路还原出二进制数字基带信号。 相干解调中，正交路和同相路分别设置两个相关器 (或匹配滤波器 )，得到 )(tI 和)(tQ ，经电平判决和并串变换后即可恢复原始信息。 当然，如果调制端是差分编码的，那么解调中并串变换后还需一个差分解码。 假如已调信号为 ttQttItS ooQP S K  s i n)(c o s)()(  ， )(tI 、 )(tQ 分别为同相路和正交路， o 为载波频率，那么相干解调后，同相路相乘可得 tttQttItwtStI ooooQ P S K  c os]s i n)(c os)([c os)()(1  tttQttI ooo  c o ss i n)(c o s)( 2  （ 24） 2 )(2 2c os)(2 2s i n)( tIttIttQ oo   正交路为 tttQttIttStQ ooooQP S K  s i n]s i n)(c o s)([s i n)()(1  ttQtttI ooo  2s i n)(c o ss i n)(  （ 25） 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9 2 )(2 2c os)(2 2s i n)( tQttQttI oo   经低通滤波器后，可得 2)()(1 tItI  2 )()(1 tQtQ  （ 26） 经过判决电路后，由式（ 26），不难得到如下所示结果（同相电路和正交电路是经过极性转换的， 1对应于二进制数据 1， 1对应于二进制数据 0） 当 1)(,1)(  tQtI 时 )(1tI ＝ 2/1 ， 2/1)(1 tQ ，判决后 0)(,0)(  tQtI ；当1)(,1)(  tQtI ，时 2/1)(1 tI ， 2/1)(1 tQ ，判决后 1)(,0)(  tQtI ；1)(,1)(  tQtI 时， 2/1)(1 tI ， 2/1)(1 tQ ，判决后 0)(,1)(  tQtI ； 1)(,1)(  tQtI时， 2/1)(1 tI ， 2/1)(1 tQ ，判决后 1)(,1)(  tQtI。 相干正交解调法解调 4PSK 信号，由于在接收端也要恢复相干载波，因此存在相位模糊的问题，解决方法是采用多进制相对码来表示多进制数字基带信号，然后进行4PSK 绝对移相调制得到 4DPSK 信号；在解调器对 4DPSK 信号进行相干解调和差分译码恢复出原始数字基带信号。 (2)差分正 交解调法。 4DPSK 信号可以使用差分检测法对两个正交的相干载波进行差分检测来实现解调，这种方法也称为相位比较器。 4DPSK 差分解调器原理框图如图 26 所示。 调制器由带通滤波器、延迟器、移相器、低通滤波器、抽样判决器和并串变换器组成。 图 26 QPSK差分解调法原理框图 差分检测法解调 QPSK信号的原理是对输入的已调波信号 )(tSQPSK进行延迟和移相产生两路相互正交的相干载波信号，然后分别于己调波信号 )(tSQPSK相乘，之后通过低通滤波和抽样判决恢复出 A、 B信号，再进行并串变换电路得到二进制数字基带石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 信号 [1][3]。 解调过程中涉及到信号的采样、数字下变频、载波同步、位同步等关键技术。 本文在设计过程中采用相干正交解调法进行设计。 QPSK 解调的中频数字下变频、载波同步、位同步 数字下变频 数字下变频 DDC(Digital Down Converter)是随着数字信号处理技术的发展而出现的，目前大量使用在数字中频技术中，它的根本任务就是实现数字中 频到基带信号的变换。 数字下变频的组成与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡器(NCO)和低通滤波器 (LPF)三部分组成。 影响数字下变频器性能的主要因素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的 有限字长所引起的误差；二是数字本振相位分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。 也就是说，数字混频器和数字本振的数据位数不够宽，存在尾数截断的情况；数字本振相位的样本值存在近似的情况。 它主要涉及数振荡器 NCO，抽取滤波器等技术。 在数字通信系统中，解调器的任务是恢复出传输来的原始数据 系列。 解调器的构成方案通常可以分为两类：同步解调和异步解调。 两者的区别在于，同步解调需要一个相干同步的本地载波。 一般地说，同步解调性能较为优良。 但是，对于抑制载波分量的调制信号来说，要从接收的信号中恢复出参考载波，必须进行相应的处理。 在数字通信中，除了载波同步外，还需要位同步。 因为消息是一串连续的码元系列，解调时必须知道码元的起止时刻，即码同步。 位同步可分为自同步和外同步两种。 自同步是直接从接收的信号中提取位同步信息，而位同步是在发射端专门发射导频信号的。 例如，在基带信号频谱的零点，插入所需的导频信号， 在接收端，利用窄带滤波器，就可以从解调后的基带信号中提取所需的同步信息。 插入导频也可以使数字信号的包络，随同步信号的某种波形而变化。 在相移或频移键控时，在接收端只要进行包络检波就可得到同步信号。 载波同步 载波同步电路又称载波恢复电路，用来从接收信号中提取相干解调所需要的参考载波。 这个参考载波要求与接收到的信号中的被调载波同频同相。 接收端恢复相干载波的方法一般分为两类：一类是在发端，在发送数字信息流的同时发送载波或与它有关的导频信号，称为插入导频法；另一类是从接收的已调信号中提取出载波，称为直接 法。 载波同步系统的主要性能指标是高效率和高精度。 所谓高效率是为了获得载波石家庄铁道大学四方学院毕业设计 11 信号而尽量少消耗发送功率 [2]。 插入导频法分为频域插入导频和时域插入导频。 (1)频域插入导频 图 27 插入导频法的发送端方框图 )(tS 代表数字信号，由于基带信号中存在直流分量和极低频成分。 经调制后频谱将非常靠近载波，这样在载波处再加入载波导频将会受到干扰，使接收端提取纯净的载波有困难。 所以为了在载频位置插入导频，对发送的数字信号先进行变换，使其频谱中 的直流和相邻的低频信号滤除或衰减，然后经低通滤波器加给环型调制器，由带通滤波器取出上、下边带送给加法器。 同时送给加法器的还有载波移移 90度后得到的tsin。 发送端必须正交插入导频，不能加入 tcos 导频信号，否则接收端解调后会出现直流分量，这个直流分量无法用低通滤波器滤除，将对基带信号的提取产生影响。 接收端提取载波的方框图如图 28 所示。 接收端实际上收到的是 经过信道失真和噪声干扰后的信号。 接收信号中包含有导频的信号，用一窄带滤波器取出并移相 90度得到，再用它去解调输入信号 [3]。 图 28 接收端提取载波的方框图 (2)时域插入导频。 时域插入导频法的时间分配关系如图 29 所示。 在每一帧的数据结构中，除了有一定位数的数字信息外，还要传送为同步信号、帧同步信号和载波同步信号。 在接收端把载波标准提取出来，同本地振荡器进行比较。 若二者相位不同，则产生误差电压。