QPSK/DQPSK 调制解调系统仿真

一、目的

1、掌握多进制数字调制与解调的概念；

2、掌握 QPSK 调制及解调的原理及实现方法；

3、了解 QPSK 调制的 A 方式及 B 方式，并观测对应的星座图；

4、了解 QPSK 的相位模糊情况，并思考解决办法；

5、了解 DQPSK 的差分编码和译码算法。

二、原理

1 多进制数字调制与解调

在二进制数字调制系统中，每个码元只传输 1bit 信息，其频带利用率不高。为提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息。这就是多进制数字调制体制。

多进制数字调制与二进制数字调制相比，多进制数字调制具有以下两个特点。

（1）在相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率显然比二进制系统的高。

（2）在相同的信息速率下，由于多进制码元传输速率比二进制的低，因而多进制信号码元的持续时间要比二进制的长。显然，增大码元宽度，就会增加码元的能量，并能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。

2 QPSK 调制

QPSK又叫四相绝对相移调制，利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。把组成双比特码元的前一信息比特用I代表，后一信息比特用 Q 代表。双比特码元中两个信息比特 IQ 通常是按格雷码排列的。

3 QPSK 解调

由于 QPSK 可以看作是两个正交 2PSK 信号的叠加，可以采用与 2PSK 信号类似的解 调方法进行解调，即由两个 2PSK 信号相干解调器构成

4 DQPSK 调制

5 差分码编码原理

对采用正交方式实现的 QPSK 调制，采用格雷差分编码可以归纳为如下两种情况：

若上次输出满足 $I_{o u t}^{n-1} \oplus Q_{o u t}^{n-1}=0$ , 则此次输出为:

$$\left\{\begin{array}{c} I_{\text {out }}^{n}=I_{\text {in }}^{n} \oplus I_{\text {out }}^{n-1} \\ Q_{\text {out }}^{n}=Q_{\text {in }}^{n} \oplus Q_{\text {out }}^{n-1} \end{array}\right.$$

若上次输出满足 $I_{o u t}^{n-1} \oplus Q_{o u t}^{n-1}=1$ , 则此次输出为:

$$\left\{\begin{array}{l} I_{\text {out }}^{n}=Q_{\text {tn }}^{n} \oplus I_{\text {out }}^{n-1} \\ Q_{\text {out }}^{n}=I_{\text {in }}^{n} \oplus Q_{\text {out }}^{n-1} \end{array}\right.$$

差分编译码的过程，解调 1 对应的正确解调情况，解调 2 对应的是有相位模糊的情况

三、相关问题

1、什么是 QPSK 调制？与 BPSK 调制相比，有什么区别和优势？

QPSK又叫四相绝对相移调制，利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。

区别和优势：

（1）在相同的码元传输速率下，QPSK的信息传输速率显然比BPSK的高。

（2）在相同的信息速率下，QPSK码元的持续时间比BPSK的长，且QPSK由于信道特性引起的码间干扰的影响比BPSK小。

2、画出 DQPSK 正交调制框图和采用相干解调的完整框图。

3、什么是差分编码？通信系统中差分编码的作用是什么？

差分编码是把绝对相位调制变成相对相位调制，利用载波相位的相对跳变来传递信息。

作用：即使载波恢复时出现相位模糊的情况也不会影响正确解调。

4、设四进制符号的二进制序列为 00，11，01，10，11，10，11，11，以不归零的单极性矩形脉冲为基带波形，画图表示原信号、串并转换后 I 路信号和 Q 路信号。

5、设四进制符号（绝对码）的二进制序列为 10，10，10，10，10，10，10，10，初始参考符号为 00 。参考表 4，列表表示绝对码的格雷码表示、差分编码后（相对码）的格雷码表示、相对码的二进制表示。

绝对码	00	10	10	10	10	10	10	10	10
绝对码 （格雷码）	0	3	3	3	3	3	3	3	3
相对码 （格雷码）	0	3	2	1	0	3	2	1	0
相对码 （二进制）	00	10	11	01	00	10	11	01	00

四、步骤

1.QPSK 调制观测

(1) 基带数据设置及时域观测

使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8，使用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为 “15-PN”“128K”，点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化，理解并掌握基带数据设置的基本方法。

（2）基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据4TP5，和2P6 基带数据进行对比，分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5和4TP6，观测其在时间上是否对齐。

（3）I、Q 两路基带信号符号映射观测

使用示波器分别观测“I 符号-4VT12”和“Q 符号-4VT13”输出，分别和 I 路基带数据和 Q 路基带数据进行对比，观测符号映射前后，信号的变化情况，分析该变化是否满足 B 方式 下 I，Q 的数据映射关系。

说明：在调制器中，完成串并转换后，并不会直接和载波相乘，一般会根据实际情况进行二次处理。例如：如果需要基带成型，则需经过成型滤波器，对于 A,B 两种方式，也会进行不同的电平转换。在实验中为了便于观测，内容设置选择了 B 方式，并且没有进行成型滤波。

（4）调制载波观测

用示波器观测调制载波 4VT11，点击“载波频率”按钮，通过旋钮调整载波频率，观测载波频率的变化。

（5）I，Q 两路调制观测

用示波器分别观测“I 符号”和“I 路调制”；“Q 符号”和“Q 路调制”，观测 I、Q 两路 调制前后的对应关系； 说明：为了便于观察较为明显的调制相位关系，可以在观测时将载波频率降到基带信号 速率的 2 倍或 4 倍，如：基带信号 64K，载波频率 128K 或 256K。

（6）QPSK 调制信号时域观测

用示波器同时观测“I 路调制-4VT14”，“Q 路调制-4VT15”，“QPSK 调制-4TP2”，分析 3 路 调制信号的对应关系。 同时观测“基带信号-2P6”和“QPSK 调制-4TP2”，分析基带信号和调制信号载波相位对应关系；

（7）QPSK 调制信号频谱观测

采用示波器的 FFT 功能，观测分析 QPSK 调制信号 4TP2 的频谱特性；

通过“载波频率”旋钮修改载波频率，观察频谱特性的变化。

修改基带信号时钟速率的设置，设置为 64K，128K，观测调制信号的频谱变化。

和基带信号频谱结合，分析基带信号经 QPSK 调制后，频谱的变化情况。分析 QPSK 调制信号的带宽与基带信号速率、载波频率的关系。

2. QPSK 解调观测

（1）载波观测

设置基带数据为全“0”，用示波器通道 1 观测调制载波 5TP1，作为同步通道；通道 2 观测载波输出 5VT11；改变调制端载波频率，观测解调端 5VT11 的频率变化；

（2）判决前信号及对应星座图观测

用示波器分别观测 I 路判决前信号 5TP6 和 Q 路判决前信号 5TP7，观察其时域特性，分析其是否正确。

将示波器调到“XY”模式，两个通道分别调节到“交流”模式，然后将双通道分别接 5TP6 与 5TP7，通道幅度调节到星座图在屏幕上大小合适的状态，观测 QPSK 星座图。

（3）I，Q 两路判决后信号观测

I 路信号判决观测：用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP6，作为同步通道；通道 2 观测 判决后信号 5TP4，观测分析判决后信号是否正确。

Q 路信号判决观测：用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP7，作为同步通道；通道 2 观测 判决后信号 5TP5，观测判决前后信号是否正确。

一般情况下，判决电平为可调量，实验中为了方便，将判决电平设置为固定值，其值为判决前信号的中间电平。

（4）QPSK 解调及相位模糊观察

由于 QPSK 有 4 种相位情况，解调时，解调端提取的同步载波有可能与 4 种相位中的任意一种实现同向。解调时如果本地载波和调制信号载波有相位差，则解调端会出现相位模糊情况，对应 QPSK 的 4 种相位情况，只有 1 种情况可以正确解调，其他 3 种均会出现相位模糊情况（分别为 I 路反向，Q 路反向，I 和 Q 路信号交换），实验中我们用下面方法观测相位模糊的现象。

操作方法：由于相位模糊是有一定概率出现的，因此实验中通过多次断开 5TP1 上的调制信号，有可能出现相位模糊的现象。或者通过框图中的： 按钮，人为调节当前载波相位，产生相位模糊情况。通过点击两个：按钮，切换 I,Q 通道的互换。

在观测 I，Q 两路相位模糊时，为了便于观测，可将 16bit 基带数据设置为一组较为特殊 的数值，如：“1111100010101001”，串并转换后：I 路数据为：11101110，Q 路数据为：11000001， 可以清楚的判断数据是否出现反转。

I 路解调信号观测:用示波器分别，观测 I 路判决 5TP4.Q 路判决数据 5TP5，观测其解调输出是否相同或反向？

用示波器分别观测调制前基带信号 2P6 和解调后信号 5TP3，分析其是否相同。

使用上述方法，通过多次尝试，分别观测到 3 种相位模糊的现象，并思考如何解决相位模糊的现象

3. DQPSK 观测

（1）基带数据设置及时域观测

使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8，使用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为 “15-PN”“128K”，点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化，理解并掌握基带数据设置的基本方法。

（2）基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5，和 2P6 基带数据进行对比，分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5 和 4TP6。

（3）DQPSK 差分编码观测

使用示波器观测差分编码后信号：4VT11 和 4VT12，和差分前信号（4TP5 和 4TP6）对比，分析差分编码输出是否正确

（4）DQPSK 解调及相位模糊观察

之前在 QPSK 实验中，我们知道 QPSK 解调存在相位模糊的情况，下面分析一下 DQPSK 的相位模糊情况。

操作方法：由于相位模糊是有一定概率出现的，因此实验中通过多次断开 5TP1 上的调制信号，有可能出现相位模糊的现象。或者通过框图中的： 按钮，人为调节当前载波相位，产生相位模糊情况。通过点击两个： 按钮，切换 I,Q 通道的互换。

在观测 I，Q 两路相位模糊时，为了便于观测，可将 16bit 基带数据设置为一组较为特殊 的数值，如：“1111100010101001”，串并转换后：I 路数据为：11101110，Q 路数据为：11000001， 可以清楚的判断数据是否出现反转。

I 路解调信号观测:用示波器分别，观测 I 路判决 5VT13.Q 路判决数据 5VT14，观测其解调输出是否相同或反向？再观测差分译码后信号：5TP4 和 5TP5，和调制前 I、Q 数据对比，分析其是否相同。

用示波器分别观测调制前基带信号 2P6 和解调后信号 5TP3，分析其是否相同。

使用上述方法，通过多次尝试，分别观测到 3 种相位模糊的现象，观察解调数据，思考 DQPSK 是否解决了相位模糊的问题。

五、具体内容

1.QPSK 调制观测

(1) 基带数据设置及时域观测

使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8，使用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为 “15-PN”“128K”，点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化，理解并掌握基带数据设置的基本方法。

这里按照要求设置基带数据如下所示：

（2）基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据4TP5，和2P6 基带数据进行对比，分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5和4TP6，观测其在时间上是否对齐。

实验结果如上所示，I路是奇数位再加偶数位，其中奇数位为00111101，偶数位为0110010。Q路是偶数位0110010再加奇数位00111101。基带信号速率为128kHz，I、Q路的信号速率是其一半，为64kHz。并且4TP5和4TP6在时间上并不对齐，相差8个时钟周期

（3）I、Q 两路基带信号符号映射观测

使用示波器分别观测“I 符号-4VT12”和“Q 符号-4VT13”输出，分别和 I 路基带数据和 Q 路基带数据进行对比，观测符号映射前后，信号的变化情况，分析该变化是否满足 B 方式 下 I，Q 的数据映射关系。

说明：在调制器中，完成串并转换后，并不会直接和载波相乘，一般会根据实际情况进行二次处理。

例如：如果需要基带成型，则需经过成型滤波器，对于 A,B 两种方式，也会进行不同的电平转换。在实验中为了便于观测，内容设置选择了 B 方式，并且没有进行成型滤波。

实验结果如上图所示，其中通道一：I符号 通道二：Q符号 通道三：I数据 通道四：Q数据。

I符号	0	0	1	1
Q符号	0	1	0	1
I数据	负	负	正	正
Q数据	负	正	负	正

通过验证可知，满足B方式下I，Q的数据映射关系。

（4）调制载波观测

用示波器观测调制载波 4VT11，点击“载波频率”按钮，通过旋钮调整载波频率，观测载波频率的变化。

这里调整载波频率从128KHZ到1024KHZ变化，实验结果如下：

128KHZ

1024KHZ

（5）I，Q 两路调制观测

用示波器分别观测“I 符号”和“I 路调制”；“Q 符号”和“Q 路调制”，观测 I、Q 两路 调制前后的对应关系； 说明：为了便于观察较为明显的调制相位关系，可以在观测时将载波频率降到基带信号 速率的 2 倍或 4 倍，如：基带信号 64K，载波频率 128K 或 256K。

载波频率 128K

载波频率256K

通过上图可知，在基带信号电平突变时，调制信号的相位也突变至反相。

（6）QPSK 调制信号时域观测

用示波器同时观测“I 路调制-4VT14”，“Q 路调制-4VT15”，“QPSK 调制-4TP2”，分析 3 路 调制信号的对应关系。 同时观测“基带信号-2P6”和“QPSK 调制-4TP2”，分析基带信号和调制信号载波相位对应关系；

同时观测I 路调制、Q 路调制、QPSK 调制

通过上图可以验证，对于QPSK 调制=I 路调制 + Q 路调制。

同时观测基带信号和QPSK 调制

通过上图可以验证，基带信号和调制信号载波相位对应关系大致为：00：225度、01：135度、10：315度、11：45度。

（7）QPSK 调制信号频谱观测

采用示波器的 FFT 功能，观测分析 QPSK 调制信号 4TP2 的频谱特性；

通过“载波频率”旋钮修改载波频率，观察频谱特性的变化。

修改基带信号时钟速率的设置，设置为 64K，128K，观测调制信号的频谱变化。 和基带信号频谱结合，分析基带信号经 QPSK 调制后，频谱的变化情况。分析 QPSK 调制信号的带宽与基带信号速率、载波频率的关系。

实验结果如下所示：

由上实验图可知，测试结果基本符合所设置的载波频率。并且随着载波频率的增加，中心频率有较为明显的右移。

由上实验图可知，设置载波频率为128K，改变基带信号的频率，当基带频率为64K时，如图所示，观测到频域主瓣第零点的频率为94.35K。

如图所示，设置基带频率为128K，此时观测到主瓣第一零点的频率为64.68K。并且通过观察发现随基带频率增加,调制输出频谱带宽变宽。

2.QPSK解调

（1）载波观测

设置基带数据为全“0”，用示波器通道 1 观测调制载波 5TP1，作为同步通道；通道 2 观测载波输出 5VT11；改变调制端载波频率，观测解调端 5VT11 的频率变化；

通过实验可知，解调的频率随调制载波频率增大而增大。

（2）判决前信号及对应星座图观测

用示波器分别观测 I 路判决前信号 5TP6 和 Q 路判决前信号 5TP7，观察其时域特性，分析其是否正确。

将示波器调到“XY”模式，两个通道分别调节到“交流”模式，然后将双通道分别接 5TP6 与 5TP7，通道幅度调节到星座图在屏幕上大小合适的状态，观测 QPSK 星座图。

通过上图可见，I路以及Q路判决前信号时域特性均与理论情况相符，示波器调到XY模式观察星座图， 15PN时存在4个点与B方式基本相符。

（3）I，Q 两路判决后信号观测

I 路信号判决观测：用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP6，作为同步通道；通道 2 观测 判决后信号 5TP4，观测分析判决后信号是否正确。

Q 路信号判决观测：用示波器通道 1 观测判决前信号 5TP7，作为同步通道；通道 2 观测 判决后信号 5TP5，观测判决前后信号是否正确。

一般情况下，判决电平为可调量，实验中为了方便，将判决电平设置为固定值，其值为判决前信号的中间电平。

由实验图可知，判决前后信号是反相的。

（4）QPSK 解调及相位模糊观察

由于 QPSK 有 4 种相位情况，解调时，解调端提取的同步载波有可能与 4 种相位中的任意一种实现同向。解调时如果本地载波和调制信号载波有相位差，则解调端会出现相位模糊情况，对应 QPSK 的 4 种相位情况，只有 1 种情况可以正确解调，其他 3 种均会出现相位模糊情况（分别为 I 路反向，Q 路反向，I 和 Q 路信号交换），实验中我们用下面方法观测相位模糊的现象。

I 路反向，Q 路正向的情况，其对应的解调信号如下：

I 路反向，Q 路反向的情况，其对应的解调信号如下：

I 路正向，Q 路反向的情况，其对应的解调信号如下

I 路正向，Q 路正向的情况，其对应的解调信号如下

通过实验结果可知，如果Q路反相后会出现严重的相位模糊情况，解决方法是采用DQPSK方式。

3. DQPSK 调制观测

（1）基带数据设置及时域观测

使用示波器分别观察 2P6 和 2TP8，使用鼠标点击“基带设置”按钮，设置基带速率为 “15-PN”“128K”，点击“设置”进行修改。观测基带数据的变化，理解并掌握基带数据设置的基本方法。

（2）基带数据串并转换后 I、Q 基带数据观测

用示波器分别观测串并转换后的 I 路基带数据 4TP6 和 Q 路基带数据 4TP5，和 2P6 基带数据进行对比，分析其对应关系及速率变化情况。同时观测 4TP5 和 4TP6。

I路为2P6的奇数位再加偶数位，Q路为2P6的偶数位再加奇数位；与基带信号相比，I、Q路的信号速率都减半。

（3）DQPSK 差分编码观测

使用示波器观测差分编码后信号：4VT11 和 4VT12，和差分前信号（4TP5 和 4TP6）对比，分析差分编码输出是否正确

使用示波器观测差分编码后信号：4VT11 和 4VT12，和差分前信号（4TP5 和 4TP6）对比，可见差分编码输出正确。

（4）DQPSK 解调及相位模糊观察

之前在 QPSK 实验中，我们知道 QPSK 解调存在相位模糊的情况，下面分析一下 DQPSK 的相位模糊情况。

由上图可知，左右二者相同，且无其他相位模糊情况，可见DQPSK解决了相位模糊的问题。