7.QPSK调制解调实验 - 移动通信实验报告

计算机与信息工程学院验证性实验报告

一、实验目的

1.了解QPSK技术在移动通信系统中的应用

2.掌握QPSK调制解调数据传输过程；

3.了解QPSK的载波恢复和位定时恢复的基本方法

4.掌握QPSK解调数据传输过程；

1. 掌握升余弦成形滤波原理

二、预备知识

1. 数字信号传输的工作方式与工作过程

2. QPSK的基本工作原理

3. 升余弦成形滤波软件

4. QPSK解调的基本工作原理

5. 载波同步和位同步的基本方法

三、实验仪器

1、移动通信实验箱一台；

2、台式计算机一台；

3、示波器一台；

四、实验原理

QPSK调制解调的实现原理框图如图。

J

图4.2.8 QPSK 调制解调原理框图

A 点为发送数据；

B 串/并变换

发送数据长度为128bit ，经过交织器输出的数据为一路串行数据，需要进行串/并变换，产生两路并行数据各为64bit 。 C 差分编码：

为了防止相位模糊现象，采用差分编码，并进行QPSK 映射。

差分编码的公式：n n n n n n b a b a Q I =>--11 QPSK 映射采用如下方式：

图4.2.9 QPSK 映射图

D 滤波与调制模块

方波会在时间上扩展，造成码间干扰，导致接收机在检测一个码元时发生错误的概率增大。所以在调制系统中需要对信号进行滤波，以减少失真和符号间干扰（ISI ）。每一支路在进行调制之前进行Nyquist 成形滤波使QPSK 信号的功率谱限制在分配的带宽内。在这里，选择具有均方升余弦滚降特性的滤波器。具有升余滚降特性的H （ω）可表示为：

⎪⎪⎩⎪

⎪⎨⎧-+=0

)]

sin(1[2)(w T T T w H s s s

π，抽样作卷积。

将滤波器的冲击响应函数列表，33个样值。

取不同的窗函数，滤波器的频谱特性不同。这里选择哈明窗作为窗函数，这样可以避免产生吉布斯现象。取滚降系数α=0.5，抽样步长Ts=Tc/10，每个码元采样10个点，阶数N=33。图4.2.10为滤波器特性的仿真示意。

图4.2.10 成形滤波器特性

滤波后信号调制到25kHz 的载波上，两路相加从而完成信号调制。 E 接收到的已调信号

为了实现正交解调，需要进行希尔伯特变换，获得两个分量I 和Q 。

cos sin sin cos n c n c n c n c I a t b t Q a t b t

ωωωω=+=-

F 能量判决与载波恢复

在接收端能量判决，当超过设定的门限值后，可判断接收到有效信号。 通过发送的训练序列来进行载波同步。图4.2-11显示载波同步的过程，载波误差逐渐收敛。

图4.2.11 载波同步误差角度收敛图

在这里，我们简单的讨论一下同相正交解调的原理，来说明载波同步的方法。设两个正交的滤波器的输出为()I t 和()Q t ，那么正交解调的过程用数学公式表示如下：

()()cos()()sin()()cos ()sin ()()sin()()cos()()sin ()cos c c c c A t I t t Q t t a t b t B t I t t Q t t a t b t ϖϕωϕϕϕ

ϖϕωϕϕϕ=⨯++⨯+=-=⨯+-⨯+=+ 4.2.2

若没有经过载波同步，本地载波与调制信号的载波会存在相位误差，这里设为ϕ，计算可知：

()()cos ()sin ()()cos ()sin b t B t A t a t A t B t ϕϕϕϕ

=-=+ 4.2.3

若载波已同步，即ϕ为0，那么()()b t B t =，()()a t A t =，从而得到解调的结果；

若0ϕ≠，我们可以在训练阶段，使发送的an 与bn 相同，即上式中的

()()a t b t =，则可得到()()

()()

B t A t tg B t A t ϕ-=

+这一重要的结果。

通过这个结果我们可以求出ϕ，调整载波相位，从而实现载波同步。 G 位定时

位定时也即码同步。这里需要从每个码元的10个抽样点中选择合适的判决时刻。位定时误差的提取时刻可依据基带信号过零点。继载波同步训练序列之后，发送位定时训练序列（倒相序列）。采用下面位定时误差提取法：

图4.2.12 位定时误差提取示意图

)]

2()2()[()(+--=n S n S n S n e b ，

如果)(n e b >0，则定时抽样脉冲向前调整；反之应向后调整。 H 信号同相正交解调 当发送序列为

{1,1,1,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1}，对应的解调后得到的波形图4.2-13。

图4.2.13 解调的结果

五、实验步骤

1. 启动实验箱，在主界面上选择实验“QPSK调制”，进入“QPSK调制”界

面。

2. 点击“系统模型”按钮，弹出“QPSK调制原理框图”窗口，熟悉QPSK调制

原理；关闭该窗口。

3. 输入原始数据。原始数据产生方式有两种：自动和手动。选中“自动”方式时，

原始数据由系统自动生成；未选中“自动”方式时，将会出现数据输入窗口，根据窗口提示输入16进制原始数据，点击“返回”按钮完成输入。

4. 点击“初始化”按钮，调制过程开始；

5. 根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发

送数据的波形，点击字母“A”），观察调制过程中信号点的波形；可通过页面下方按钮选择“放大”、“缩小”或“移动”观察波形。

6. 也可以选择通过示波器观察各信号点。先将示波器的输入端与实验板上“观察

端M”（在实验箱最右边偏上的位置，为D/A转换器的输出口）连接，根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），在示波器上观察调制过程中信号点的波形。