PSK调制与解调系统实验

目录

1. 实验要求及开发环境…………… 3 2.

二、课程设计软件说明 ............................................................................................................ 7 三、基本原理 .............................................................................................................................. 2

3.1调制方式简介 .............................................................................................................. 2 3.2 OQPSK的含义 ............................................................................................................ 3 3.3同相正交环法（科斯塔斯环） ............................................................................... 5 四、实验框图原理说明 .......................................................................................................... 13

4.1实验总框图介绍 ........................................................................................................ 13 4.2五个子部分的介绍 ..................................................................................................... 7 4.2.1串并转换 .............................................................................................................. 7 4.2.2载波调制 .............................................................................................................. 9 4.2.3 科斯塔斯环解调 ............................................................................................. 17 4.2.4 抽样判决 ........................................................................................................... 19 4.2.5 并串转换 ........................................................................................................... 20

五、实验结论 ............................................................................................................................ 20

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六、调试报告 ............................................................................................................................ 22

6.1 频率调制器FM参数设置 ....................................................................................... 22 6.2 低通滤波器参数设置 .............................................................................................. 22 6.3 脉冲串的参数设置 ................................................................................................... 23 七、实验心得 ............................................................................................................................ 24 八、参考文献 ............................................................................................................................ 25

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

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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。

2PSK信号的调制与解调

1、 二进制相移键控（2PSK）

二进制相移键控又称为BPSK，通常用载波的相位0表示信号1，用载波相位π来表示信号-1（或者用相位0表示-1，用相位π表示1）

其表达式可写成：

SBPSK(t)[an为双极性码元。

anng(tnTs)]cosct

用Systemview仿真得到的BPSK波形如下

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信息码如上图所示

由上图可以看出BPSK信号相位为0时表示1相位为π时 表示-1

BPSK信号调制器如下： 通常有两种调制方法 （1）相乘法：

双极性 二进制信号 BPSK已调信号 cosct

（2）相位选择法

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开关电路 0 cosct BPSK已调信号 π 180移相 s(t)

2PSK信号的解调通常采用相干解调法，其原理框图如下：

e2PSK(t)输出 带通 滤波器 cosct 低通 滤波器 抽样 判决器 定时脉冲

其中相干解调中如何得到与接收的信号同频同向的相干载波是一个关键点，将在后面Costas环中提及这里不再赘述。 通过systemview仿真解调过程如下所示：

其中随机码发生器频率为10kHz 调制载波与相干载波频率为100kHz

低通滤波截止频率为50kHz其余参数默认

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双极性码如下：

通过BPSK调制后波形如下：

通过相干解调后波形如下：

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经过低通滤波器后恢复出原始信号如下：

设源信号为s(t)通过调制后信号为s(t)cosct 经过想干解调后信号为

11s(t)cos2ct=s(t)s(t)cos2ct

221

通过低通滤波后信号变为s(t)

2

由上图可见通过想干解调后经过滤波正确的恢复出了原信号但是幅度变为原信号一半与理论相符

要恢复出与原信号相同幅度的信号只需加入一个2倍的增益放大器即可。

OQPSK调制与解调系统的设计

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一、课程设计目的

1、了解Systemview的运行环境及应用领域；

2、通过本课程设计掌握OQPSK调制及解调的原理及方法。

二、课程设计软件说明

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。使用它，用户可以用图符（Token）去描述自己的系统，无需与复杂的程序语言打交道，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。

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，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

SystemView的图符资源十分丰富，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。还可进行CDMA通信系统和数字电视业务的分析；用户还可以自己用C语言编写自己的用户自定义库。

三、基本原理 3.1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。

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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

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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。

3.2 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。

Q信道(－1,1)＋1(1,1)(－1,1)Q信道＋1(1,1)－10＋1I信道－10＋1I信道(－1, .学习帮手. －1)－1(1,－1)(－1,－1)－1(1,－1).专业整理.

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：

相位及相位变化：(码元对(1,-1)(-1,1)(1,1)(1,-1)(-1,1)(1,-1)4)3(4)2(4)2(4)(34)(4)(1,-1)码元对

相位及()相位变化：4

(-1,-1)32()24(-1,1)3()24(1,1)(1,1)(1,1)(1,-1)()24(-1,-1)32()4(-1,1)32()4(1,1)2()4(1,-1))40°0°2()()()444(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

二进制信息 .学习帮手. 电平产生I(t)载波发生器Acost串并变换延时Ts/2OQPSK信号移相90°.专业整理.

图1-3 OQPSK调制器框图

OQPSK信号载波发生器移相90o整形判决位定时恢复延时Ts/2二进制信息并串变换整形判决 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。

3.3同相正交环法（科斯塔斯环）

利用锁相环提取载波的另一种常用方法如图所示。 加于两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号正交信号

和它的

，因此，通常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯

塔斯（Costas）环。

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图 同相正交环法提取载波

设输入的抑制载波双边带信号为

经低通后的输出分别为

，则

(7-4)

(7-5)

乘法器的输出为

(7-6)

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式中是压控振荡器输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。当较小时，式（7-6）可以近似地表示为

式（7-7）中的大小与相位误差成正比，因此，它就相当于一个鉴相器的输出。用去调整压控振荡器输出信号的相位，最后就可以使稳态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要提取的载波。

(7-7)

四、实验框图原理说明

4.1实验总框图介绍

OQPSK调制与解调系统总框图

从上面的实验总框图可以看出，一是发射端，发射端包括串并转换和载波调制两部分；二是信道，信道中加了高斯白噪声，模拟真实；三是接收端，接收端包括科斯塔斯环解调、抽样判决和并串转换三个部分。

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4.2五个子部分的介绍

4.2.1串并转换

如上图所示，首先介绍一下，信源以PN序列充当，它的频率为10Hz，周期性脉冲的频率为5Hz。串并转换主要是通过两个采样保持器（图符3和4），同时利用频率为信源频率一半的脉冲作为时钟，对信源进行采样。值得说明的是，下面一路的时钟脉冲较上一路多经过了一个码元周期（T=1/f=1/10=100ms）的延迟，这样做的目的在于保证上下两路采样的数据分别为信源序列的单数和偶数个码元，从而实现了串并转换。

另外，我们可以看到，上面路采样保持后经过了一个码元周期的延迟（图符55），其目的在于保证上下两路信号能对齐。

这部分相关图符的参数设置如下：

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①图符0（PN码随机序列）： ②图符2（脉冲串，也即采样时钟）： ③图符3、4（采样保持）：

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④图符5、55（采样保持）：

4.2.2载波调制

如上图所示，载波调制部分没什么需要介绍的，就是把两路信号分别与

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COS和SIN的两路载波相乘，将数据调制到载波上进行传输。

载波的参数设置如下：

4.2.3 科斯塔斯环解调

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。

但是它的参数设置却是一个很难搞的部分。具体如何设置会在后面的调试

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报告中进行说明。

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）： .学习帮手.

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4.2.4 抽样判决

抽样判决部分的实现与前面的串并转换的结构比较相似，也是利用脉冲串（Q路有一个码元周期的延迟），作为时钟脉冲，分别对解调出来的I、Q两路信号进行抽样判决，再通过图符24、27进行整流，将-1变为0,1保持不变。参数设置与前面串并转换部分相同。

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4.2.5 并串转换

如图，并串转换的实现方法是利用脉冲串分别与I、Q两路信号相乘，其中，脉冲串的频率为5Hz，同时将Q路经过一个码元周期的延迟，延迟的目的在于是I、Q两路序列错开，相当于插空，使两个序列在后面相加后能恢复出原始序列。其中的参数与前面设置相同。

五、实验结论

1、原始输入与最终输出波形：

输入和输出波形除延迟外完全一致，说明整个调制解调过程是正确的。 2、串并转换后的I、Q两路波形：

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分别将I、Q两路序列波形与上面的输入波形对比，可以看出，I路是从原始输入序列的第一个码元开始，依次抽取序号为奇数的码元，Q路则相反，是依次抽取的序号为偶数的码元。

上一页图中的输入序列为101000110100100101111……，I路的序列为11010010011……，Q路序列为0001100111……，这也从数据的角度验证了串并转换的原理。

3、载波调制后的两路信号

4、调制后的I、Q两路信号：

从图中可以看出，当其中一路信号有值时，令一路信号就接近于零，这种现象表明解调成功。

5、并串转换后得到的两路信号以及相加后的结果：

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可以看出，上面两个信号相加就可以得到最下面的序列，最下面的序列即为最终的输出序列，与发送序列只有延迟的区别。

六、调试报告

6.1 频率调制器Fm参数设置

频率调制器的参数设置依据主要是载波的频率，因为最终的目的是为了达到与载波同频同相，所以频率调制器的频率应该与载波的频率相同。所以将其频率设置为1KHz。

6.2 低通滤波器参数设置

低通滤波器的参数设置不像频率调制器Fm那么严格，但它也不能随便设置，我们设置时必须保证噪声能被滤除，同时又用信息必须保留。所以我认为在设置低通滤波器的截止频率时，应使之比又用序列的频率略大。在本实验中，由于经过串并转换后的信息序列的频率为5Hz，所以我将低通滤波器的截止频率设置为

7Hz。之前设置了一个50Hz,发现无法得到正确的波形，设为50Hz时，解调后的两路信号如下：

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可以看出，此时解调后的波形有很多毛刺，说明有部分干扰没有滤除。

此时的输入输出序列的对比如下：

从这个对比图中可以看出明显的错误，验证了关于滤波器参数设置的说法。

6.3 脉冲串的参数设置

图中的三个脉冲串的参数设置有所不同，用于作为抽样时钟脉冲的两个脉冲串参数设置是一样的，如下：

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重点在于自动设置后，原本Pulse Width(sec)为100e-3，也就是0.1，但是如果不做修改就无法得到正确的波形。对此，我的理解是，自动设置的脉冲宽度与信息码元周期相等了，这样在跳变的边沿就可能无法准确判断抽样的信息是0还是1，或者是-1还是1。该脉冲宽度的范围在1e-3 -> 50e-3之间（不包括50e-3）都能满足，因为这个范围的抽样脉冲持续时间内不会有跳变沿，从而保证了抽样判决的准确性。

而用于并串转换的脉冲串的参数设置却与前面两个不同，如下所示：

可以看出，这个脉冲宽度为100e-3，之所以这样设置是为了使之与原始信源序列的码元周期相同，这样才能使I、Q两路信号与之相乘后变回信源的频率10Hz，将Q路延迟一个码元，使奇偶码元交错，再经过加法器恢复出原始序列。

七、实验心得

通过这次课程设计，更好的熟悉和掌握了systemview这个软件的使用和相

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关参数的设置，尤其是后者，感觉受益良多。同时，对OQPSK调制解调的原理的理解也更深入、更透彻了。

我设计的OQPSK调制与解调系统可能不够完善，因为在位同步方面还没做得完善，因为自己的只是还没掌握好，复杂的东西还是比较难弄出来，但是最后的实验结果还是实现了同步。通过这个可以看出自己的知识还不够扎实，还有待进一步的提高。

此次实验，虽然做出来了，但是自己还是没有花太多心思进去，也许是因为之前一段时间比较忙，也没来得及好好做，一直拖到最后，所以还是请老师见谅。

以后自己时间多了，确实应该好好重温一下这些专业方面的知识，毕竟以后毕业工作了，还是有用的东西。

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

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