OQPSK调制与解调系统实验资料

目录
一、实验要求及开发环境 (1)
二.实验原理 (2)
2.1调制方式简介 (2)
2.2OQPSK的含义 (3)
2.3C OSTAS环 (5)
三.实验仿真 (7)
3.1C OSTAS环单独仿真 (7)
3.2OQPSK调制解调仿真 (9)
3.2.1 科斯塔斯环 (9)
3.2.2 串并转换和并串转换 (12)
3.2.3误码率测试 (12)
四.实验结论 (14)
五.待解决问题 (14)
六.实验总结 (14)
八.参考文献 (15)
一、实验要求及开发环境
实验要求：1. 数字相关器子系统
2. 仿真结果分析
实验目的：1.了解PSK直序扩频通信系统的基本原理
2.掌握Systemview的使用
开发环境：PC机开发软件：Systemview
Systemview简介
Systemview是一个用于现代工程与科学系统设计及仿的动态系统分析平台。

从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真。

直到一般系统的数学模型建立等各个领域，systemview在友好且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。

利用systemview，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统．可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

其特色是，利用它可以从各种不同角度、以不同方式，拉要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器的各种指标一如幅频待件(波特图)、传递函数、根轨迹图等之间的转换。

它还可以实时地仿真各种位真的DSP结构，并进行各种系统的时域和频域分析、诺、谱分析，以及对各种逻辑电路、射频／模拟电
路(混领器、放大器、RLC电路、运放电路等)进行理论分析和失真分析等。

二.实验原理
2.1调制方式简介
在通信原理中把通信信号按调制方式可分为调频、调相和调幅三种。

数字传输的常用调制方式主要分为：
正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。

键控移相调制（QPSK）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。

残留边带调制（VSB）：抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播。

编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。

世广数字卫星广播系统的下行载波的调制技术采用TDM QPSK调制体制。

它比编码正交频分多路复用（COFDM）调制技术更适合卫星的大面积覆盖。

通信的最终目的是在一定的距离内传递信息。

虽然基带数字信号可以在传输距离相对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。

为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。

如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。

它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。

理论上，数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都是属正弦波调制。

但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。

在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK)中，就频带利用率和抗噪声性
能（或功率利用率）两个方面来看，一般而言，都是PSK系统最佳。

所以PSK
在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。

OQPSK是PSK调制方式中的一种。

解调是调制的逆过程。

调制方式不同，解调方法也不一样。

与调制的分类相
对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。

正弦波
解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信
号解调、残留边带信号解调等。

同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲
相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。

对于多重调制需要配以多重解调。

2.2 OQPSK的含义
OQPSK也称为偏移四相相移键控（offset-QPSK），是QPSK的改进型。

它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。

不同
点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。

由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生
两支路码元极性同时翻转的现象。

因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。

OQPSK信号可采用正交相干解调方式解调，其原理如图5-49所示。

由图看出，它与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号抽样判决
时间比I支路延迟了/2，这是因为在调制时Q支路信号在时间上偏移了/2，所以
抽样判决时刻也应偏移/2，以保证对两支路交错抽样。

OQPSK克服了QPSK的l80°的相位跳变，信号通过BPF后包络起伏小，性能
得到了改善，因此受到了广泛重视。

但是，当码元转换时，相位变化不连续，存
在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。

QPSK数据码元对应的相位变化如图1-1所示，OQPSK数据码元对应相位变化
如图1-2所示。

(1)
(1)
图1-1 QPSK 相位变化图 图1-2 OQPSK 相位变化图
对于QPSK 数据码元对 的相位变换由图1-1求得为：
可见，在QPSK 中存在过零点的180°跃变。

对于OQPSK 数据码元对的相位变化由图1-2求得为：
可见，在OQPSK 中，仅存在小于＝90°的相位跃变，而不存在过零点跃变。

所以OQPSK 信号的带限不会导致信号包络经过零点。

OQPSK 包络的变化小多了，因此对OQPSK 的硬限幅或非线性放大不会再生出严重的频带扩展，OQPSK 即使再非线性放大后仍能保持其带限的性质。

OQPSK 的调制和相干解调框图如图1-3、图1-4所示
图1-3 OQPSK 调制器框图
(1,-1)(1,1)(1,-1)(1,-1)
(-1,1)()
4
-
()
34
(
)
4
()
4
-
(
)
34
()
4
-
2
π
-
2
π
-
π
π
π
码元对
相位及相位变化：
(1,1)(-1,-1)
()
4-码元对相位及相位变化：(1,-1)
(1,1)
(-1,-1)
()4
π-)34
π-2π
-()34
π()4
π()4
π-
()4
()4
-()4()4()
4
0°0°2
π
-2π-2π
-2π-2π-2π-2π-
图1-4 OQPSK相干解调器框图
当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。

这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。

提取载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法；另一类是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。

2.3Costas环
Costas环用来提取同步载波，又称为同相正交环，其原理框图如下：
在科斯塔斯环中，误差信号V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。

压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90°移相后的信号。

两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。

现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明。

设输入调制信号为
t
t
m
cos
)
(
，则
)]2cos()[cos (21
)cos(cos )(3θωθθωω++=+=t t m t t t m V c c c )]2sin()[sin (21
)sin(cos )(4θωθθωω++=
+=t t m t t t m V c c c
经低通滤波器后的输出分别为： θcos )(215t m V =
θsin )(21
6t m V =
将
5V 和6V 在相乘器中相乘得到
7V =5V 6V =θ
2sin )(812
t m
其中θ是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当θ较小时
7
V θ)(412
t m ≈
上式中的
7V 大小与相位误差θ成正比，它就相当于一个鉴相器的输出。

用7V 去调整压控振
荡器输出信号的相位，最后使稳定相位误差减小到很小的数值。

这样压控振荡器的输出就是所需提取的载波。

在systemview 上的仿真如下：
1.在systemview 器件库中可以直接调出一个Costas 环仿真图符，只需设置相应的参数即可。

该器件图标如左图示。

参数设置窗口如下：
在“VCO Freq ” 栏输入锁相环的压控振荡器频率，一般设置为与要提取载波频率非常接近的值“Mod Gain ”为锁相环VCO 的频率调制增益，另外还需在“Loop Fltr a/b ”栏输入锁相环低通滤波器的传输函数的两个系数。

三.实验仿真
3.1Costas环单独仿真
下面通过连接器件来进行仿真模拟Costas环。

其中PN码发生（图符17）频率为10Hz，调制载波（图符16）为200Hz
IQ两路低通滤波器（图符7和5）频率设置为100Hz。

环路滤波（图符9）频率设置为180Hz。

增益（图符11）为4，增益(图符4)为2。

Fm频率调制器件（图符3）参数设置为，VCO调制增益为20Hz/V
频率在194Hz至206Hz之间均可以解调出来原始信号。

相位与调制信号相同均为0。

其功
能函数为
)
)
)
(
(
2
sin(
)(θ
α
α
π+
+
=⎰t
t
c
start
d
x
G
t f
A
t
y
通过调整增益G的大小来改变频率范
围，当超过这一频率范围则不能恢复出原始信号。

当Fm频率为203Hz时仿真波形如下：
原始信号为
通过解调后波形为
信号基本被恢复出来。

若用Pm器件进行解调，使频率与调制载波相同，而相位不同。

其功能函数为
)
))
(
(
2
sin(
)(θ
π+
+
=t
Gx
t f
A
t
y
c
通过调整增益G的大小可以调整相位范围，当超过该相位范围则不能解调出原始信号。

这里不再做仿真。

3.2 OQPSK调制解调仿真
OQPSK调制与解调系统总框图
该实验的仿真过程为用一路频率为10HZ的PN序列作为输入信号，经过串并转换一路变两路，然后分别用同一频率但相互正交的载波对两路信号分别进行调制，变为模拟信号，调制后的信号通过一模拟的加性高斯白噪声信道，然后用一科斯塔斯环进行接收解调，对解调后的信号进行抽样判决再并串转换之后得到最终解调信号。

另外还添加了器件对该系统的误码性能进行统计。

3.2.1 科斯塔斯环
如图所示，科斯塔斯环的工作原理在前面已经介绍过了，它主要是通过频率调制器Fm，即图符72，并不断滤除载波中2wc的高频部分，不断循环，从而使解调时能与发射端的载波同频同相，准确解调的目的。

这部分中器件参数设置如下：
①图符72(频率调制器Fm)：
②图符59（增益）：
③图符69、70、71、73、74（低通滤波器）：
3.2.2 串并转换和并串转换
关键点在于两个方波脉冲频率设置均为5HZ，即串行数据的一半频率。

3.2.3误码率测试
该实验中影响误码率的关键因素为加性高斯噪声的大小，当噪声取不同的值时对应的误码率分别如下图
Std deviation =1 V Std deviation =2 V
Std deviation =3 V
可见随着噪声的加大误码率明显增大，并且当噪声增到到一定值时，信号完全被噪声掩盖，误码率达到极限不再增大。

四.实验结论
如图，解调结果和输入的PN序列相比波形几乎完全一致，只是产生了0.4s的时延，说明仿真成功。

五.待解决问题
全局关联变量的设置
当一个高斯噪声信道的RBE测试模型设置基本完毕后, 并不能绘出完整正确的RBE/RSN 曲线, 还必须将噪声增益控制与系统循环次数进行全局变量关联, 使信道的信噪比(R SN ) 由0 dB 开始逐步加大, 即噪声逐步减小, 噪声每次减小的步长与循环次数相关。

然而具体设置过程中却总是出现系统运行错误，从而无法完整绘制误码率曲线。

六.实验总结
这次实验主要内容是实现OQPSK的调制与解调，通过串并转换，正交载波调制及载波恢复和并串转换，其中还引入了科斯塔斯环使解调载波和调制载波同频同相从而正确解调出输入信号。

实验过程较为简单，但是需要注意的细节也不少，通过自己认真实践还是可以学到不少东西的。

在整个做实验的过程中，我搜集了许多资料，也请教过同学。

一开始总是不能仿真出正确的结果，调整参数遇到许多问题，最开始甚至连一些原件的参数都搞不懂是起什么作用。

通过不断的摸索仿真，对仿真波形的观察，逐步了解了每个元件的作用。

这次试验让我受益颇多，加深了自己对通信原理课程理论知识的认识程度和对实验的理解，学会了Systemview的操作。

在验收时通过老师的讲解，了解到了自己实验中不足的地
方，以及许多原理上的推导过程。

实验心得体会：
1善于查找资料
同样开始做一个实验，有一本好的指导书，就比别人起步要高，做实验也是事半功倍。

有很多不会的，不懂的问题都可以从书中找到答案，实在前任的基础上前进。

在做实验的过程中遇到的问题都可以到网上或查阅资料找寻答案。

在本次实验中，在网上找寻答案对我有很大的帮助。

2团队合作，善于交流
在做实验时，难免会遇到这样或那样的问题，又是网上可能没有给出解答。

这是就需要请教自己的同学或老师。

这样能更快的解决问题。

并且每个人的问题都不一样有可能这个问题你会，他不会，可以进行互补。

在本次实验中，和同一课题的其他同学进行交流，获益匪浅。

3勤于动手，注重实践
很多事情都是要自己动手去做，不是看着感觉会就行的。

就像这次实验中，设置参数和连线，感觉都是会的。

但是，做起了总是这样或那样的错误。

只有动手做了才会发现错误。

4注重原理
在做实验以前一定要把实验原理方面的问题搞懂，这样在实验过程中出现问题，才有可能解决，如果原理不清，出现问题后，就会无从下手，不知如何解决。

实验中的每一部分都有道理，搞懂原理才有可能改正甚至改进。

5建立模型，数学推导
在实验过程中遇到了很多带有数学的问题。

像PLL回路搜索器这种问题就需要先用数学公式推导一遍，这样整个过程就很清晰，出现问题也更容易解决。

八.参考文献
［1］张辉，曹丽娜．现代通信原理与技术．西安：西安电子科技大学出版社，2003．［2］陈如明．信号系统与高速无线数字传输．科学出版社，2000，1．
［3］Theodore S.Rappaport著，蔡涛译．无线通信原理与应用．电子工业出版社，1999. ［4］罗卫兵等编，Systemview动态系统分析及通信系统仿真设计.西安电子科技大学出版社.
［5］曹志刚，钱亚生．现代通信原理．北京：清华大学出版社，2002．
［6］青松，数字通信系统的SystemView仿真与分析. 北京航空航天大学出版。