电子与信息工程毕业论文：基于软件无线电的QPSK码调制方案的实现.doc

1、本 科 毕 业 设 计基于软件无线电的 QPSK 码调制方案的实现所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要现代通信系统要求通信距离远，通信容量大，传输质量好。关键技术之一的调制解调技术是人们研究的一个重要方向。从模拟调制到数字调制，从二进制发展到多进制调制，虽然调制方式多种多样，但都是朝着使通信系统更高速的方向发展。一个系统的通信质量，依赖它的调制方式。因此，对调制方式的研究，将直接决定着通信系统质量的好坏。由于大多数实际信号都是带通型的，所以必须先用数字基带信号对载波进行调制，形成数字调制信号再进行传输，因而，调制解调技术是实现现代通信的重

2、要手段。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制。在多进制数字调制中，QPSK 的调制方式能够传输高速数据。一般而言，用的相对较多的调制方式是BPSK，但是其调制效率不高，而 QPSK 是用于提高 BPSK 的调制效率而产生的一种新的调制方式。QPSK(四相移相键控)是一种常见的多进制调制方式。其基本的调制原理是对输入的二进制序列，首先必须分组，每两位码元一组。然后根据组合情况，用载波的四种相位表征它们。QPSK 信号实际上是两路正交双边带信号。解调原理是可以用平方法或者用科斯塔斯环法（COSTAS）从调制信号中分离出载波，进行相干调制。用两个正交的相干载波分别检测 A 和

3、 B 两个分量，然后还原成串行二进制数字信号。本文根据 QPSK 调制与解调的基本原理基于软件无线电对调制与解调电路进行实现与仿真研究。关键词：软件无线电；QPSK 调制；解调IIAbstractRequirements of modern communication distance communication system, communication capacity, transmission quality. One of the key technologies of modem technology is an important direction for researcher

4、s. Modulation from the analog to digital modulation, developed from binary to multi-ary modulation, although the modulation of a variety of ways, but they are moving in the direction of more rapid communication system development. A system of communication quality, dependent on its modulation. There

5、fore, modulation of the study, will directly determine the quality of the communication system is good or bad. Since most of the actual signal is band-pass type, it must first digital baseband signal to modulate the carrier, formation of further transmission of digitally modulated signals, and thus,

6、 modulation and demodulation technique is an important means of modern communication.In order to make the digital signal is transmitted with a communication channel to be with digital signal carrier modulation. In the multi-band digital modulation, QPSK modulation to transmit high-speed data. In gen

7、eral, the use of the relatively large modulation is BPSK, but the modulation efficiency is not high, BPSK and QPSK modulation is used to improve the efficiency of generating a new modulation.QPSK (quadrature phase shift keying) is a common ary modulation. The basic principle is the modulation of the

8、 input binary sequence, we must first group, each two yards per group. Then combinations with the four phases characterized by their carrier. QPSK signal is actually two orthogonal double sideband signal. Demodulation method can be used flat or with Costas loop method (COSTAS) isolated from the modu

9、lated carrier signal, the coherent modulation. Coherent carrier with two orthogonal A and B were detected by two components, and then reduced to a serial binary digital signals.Based on QPSK modulation and demodulation based on software radio on the basic principles of modulation and demodulation ci

10、rcuit can be simplified.Key words: software radio; QPSK modulation; demodulationIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 软件无线电概述 .11.2 软件无线电的应用现状 .11.3 基于软件无线电实现 QPSK 的优势 .21.4 本文的主要工作 .3第 2 章 调制技术 .42.1 调制技术的产生和分类 .42.2 线性调制技术 .52.3 QPSK 调制与解调基本内容 .6第 3 章 基于软件无线电的 QPSK 调制与解调电路的设计 .103.1 实验箱介绍 .103.2 QPSK 调制 .143.2.1 Q

11、PSK 调制的基本原理 .143.2.2 QPSK 调制的电路原理图 .173.2.3 调制电路的程序 .173.2.4 调制电路仿真结果 .173.3 QPSK 解调 .203.3.1 QPSK 解调的基本原理 .203.3.2 QPSK 解调的电路原理图 .203.3.3 解调电路的程序 .213.3.4 解调电路的仿真结果 .21小结 .24致谢 .24参考文献 .25附录 1 QPSK 调制程序 .27附录 2 QPSK 解调程序 .321第 1 章 绪论1.1 软件无线电概述软件无线电（Software Radio）,也称软件定义的无线电（Software defined Radio

12、）,是一种既能够兼容多种制式的无线通信设备，也能够满足未来个性化通信需求的无线通信体系结构及技术 【1】 。20 世纪 90 年代初，美国 MITER 公司的首席科学家 J.Mitola【2】 首先提出软件无线电的概念。软件无线电最初指一种宽频段多模式的无线电台，利用加载在一定硬件上的软件来实现所需的无线通信功能。现在软件无线电是指将模块化，标准化和通用化的硬件单元以总线或交换方式连接起来构成通用平台，通过在这种平台上加载模块化，标准化和通用化的软件实现各种无线通信功能的一种开放体系结构及技术。软件无线电提出了一种崭新的设计，制造和使用无线通信系统与设备的思想，它摆脱了面向用途而完全依赖硬件的

13、传统无线电设计思路，通过一种模块化的通用硬件平台，把系统提供的业务从长期依赖于固定电路的方式中解救出来，利用软件可编程，易修改和成本低(硬件投入少)的优势，把无线通信技术水平提升到一个新的高度。当无线通信系统的硬件和软件实现了模块化，标准化忽然通用化，其主要功能由软件来确定和完成，工作参数具有可编程特性（包括可编程的无线频段，信道接入方式，信号调制解调类型和数据传输速率等） ，并且由软件提供操作，控制，管理，和维护功能时，软件无线电的技术思想就得到了实现，这样的系统即可称为软件无线电系统。因此，软件无线电是与原来单纯由硬件电路构成的无线通信系统完全不同，也与用软件方式控制的数字无线通信系统不尽

14、相同的一种信息处理和传输的体系结构与技术。1.2 软件无线电的应用现状从 20 世纪 70 年代起，随着数字处理技术的发展和成熟，传统的移动通信设备从系统控制，信源信道编解码，硬件技术等多方面都实现了聪模拟到数字的过渡。微电子技术的发展使得器件的集成度越来越高，各种数字电路和数字芯片广泛应用于通信设备中，使移动通信设备的体积，重量和功耗得到减小，而在功能和性能方面有了长足的进步。在此期间，人们研究提出了全数字化电台的概念，就是将电台中的绝大部分电路由数字电路来替代或实现。这是无线传输设备本质上的一次飞跃，也为软件无线电的出现奠定了基础。在全数字化电台的基础上，如果能让其功能的实现摆脱对硬件的依

15、赖性，使得移动通信设备能够通过软件配置应用于多种通信系统中，同时在系统更新换代的情况下使新旧设备能够保持一定的兼容性，从而满足不同体制，新旧系统之间的互联互通功能。那么这种设备就能够满足未来移动通信的要求。移动通信所要达到的目标是：任何人在任何时间、任何地点都可以和其他任何人进行任何种类（语音、数据、图像等）的通信。人们越来越大的通信需求，一方面使得通信产2品的生存周期缩短，开发费用上升；另一方面，新旧体制通信共存，各种通信系统之间的互联的实现变得更加的复杂和困难。所以寻求一种既能满足新一代移动通信要求，又能够兼容旧体制，而且具有扩展能力的移动通信体系结构称为人们努力的方向。软件无线电正好提供

16、了解决这一问题的技术途径，成为了移动通信系统研究的热点。软件无线电把常用硬件作为无线通信的通用平台，使其尽可能地脱离通信体制，而信号波形以及通信功能尽可能多地使用软件来实现。这样的无线通信系统具有更好的通用性、灵活性，而且系统升级也变得非常方便。现在移动通信已经从第一代模拟蜂窝移动通信系统（FDMA）发展到第二代数字蜂窝移动通信系统（GSM、CDMA ） ，目前正在向第三代移动通信系统发展(WCDMA、cdma2000、TD-SDMA)。软件无线电技术在 4G 网络中也起到了重要的作用 【3】 。由于各种技术的交迭有利于减少开发的风险，所以未来的 4G 技术需要适应不同种类的产品的要求。而软件

17、无线电技术则是适应产品多样性的基础。它不仅能减少开发风险，还更易于开发系列型产品。此外，它还减少了硅芯片的容量，从而削减了运算器的价格，其开放的结构也会允许多方运营的介入；同时，由于 DPS 的使用，也弥补了廉价 RF 产品所造成的不足。在实际应用中，RF 部分是昂贵而缺乏灵活性的，宽带的 RF 是非线性的，而通过使用 SDR 技术可弥补其在灵活性上的不足。在广播系统中广泛应用到了软件无线电，它主要用在电视广播系统中的数字电视广播系统中的传输子系统。这种基于软件无线电的数字电视广播系统将系统的主要功能用软件来实现，可以使用于不同的传输媒介（如无线、有线电缆和卫星数字电视） 、产生不同制式的数字

18、信号、进行不同码率的编码，而且具有很强的系统升级能力。软件无线电还有在更多的领域得到应用，如在数字调幅广播、无线定位系统、雷达系统、卫星通讯、电子对抗、软件无线电引信、监测、高速铁路通信等等。1.3 基于软件无线电实现 QPSK 的优势软件无线电的基本思想就是把带宽数模变换器（A/D ）以及模数变化器（D/A ）尽可能的靠近射频天线，建立模型通用的，开放的硬件平台，可以再这个平台上尽可能的利用软件技术来实现信号的各种模块的转换以及传输过程 【4】 。最初使用的 BPSK 调制与解调是建立在软件无线电的平台之上的，但是其调制的方法和调制的结果并不十分理想，虽然技术已经趋于成熟，但是已经不能满足大

19、容量数字信息的传输了，这是 QPSK 调制技术就应运而生了，而 QPSK 调制与解调正是建立于软件无线电的硬件平台，利用 DSP 技术对信号进行调制。QPSK 调制信号时抑制载波的信号，无法用常规的锁相环或窄带滤波器直接提取参考载波，但是它又不同于一些连续相位调制信号，其载波相位变化只能取有限的几个离散值，着就隐含了参考载波的相位信息，所以，可以通过非线性处理，消除信号中的调制信息，产生与原载波相位有一定关系的分量，然后再提纯该信号，恢复已被抑制的载波信号，进而完成信号的想干解调 【5】 。在双向 HFC 网络中，回传信号的调制方式大都选择抗干扰性能强的四相相移监控 QPSK 调制方式，许多

20、Cable modem 设备中都选择 QPSK 调制技术。3理论分析和实验证明 【6】 ，在恒参信道下，QPSK 调制技术与传统的 FSK,2PSK,ASK 调制技术相比较，不但抗干扰能力强，而且更加科学，更加有效地利用频带和带宽，适合回传通道的技术要求，因此 QPSK 的应用非常广泛，在很多方面都得到了充分的利用。1.4 本文的主要工作本课题是针对 QPSK 的调制方案的实现进行的设计和验证，其中的主要工作包括:1首先对达盛科技的实验箱进行了了解和研究，对整个调制与解调的过程和基于软件无线电的原理进行了解。其实，通过本文的验证方法，验证 QPSK 的调制原理，以及解调原理，验证 DSP 各个

21、模块的功能的正确性和可靠性。同时，对实验箱的功能和原理达到一定的熟知程度，最后，对实验中的调制结果进行分析，验证 QPSK 调制和解调是否满足参数设计的要求。2在完成了 QPSK 调制与解调的基础上借助 DSP 的仿真，对其进行仿真分析，通过达盛实验箱的 DSP 仿真，对仿真的过程和结果做分析。研究实验的原理，给出具体的程序和仿真图，对实验的程序进行分析。本文的主要内容包括：绪论，对软件无线电的知识以及研究现状进行阐述和了解。调制技术的一些相关技术，以及调制方式的产生和分类。文章的关键部分，QPSK 的调制， QPSK 的解调原理的阐述，实验原理，实验原理图，程序的相关部分，DSP 的仿真结果

22、的分析。4第 2 章 调制技术2.1 调制技术的产生和分类在人类刚刚使用电信来传送信号的时候，信号传输的质量在很大程度上会受传输距离的影响。这是因为信道的衰减与线路的长短成正比，线路越长，信号衰减越大 【7】 。为了解决这个问题，人们首先想到的就是提高接收机的灵敏度。但这样做的后果并不十分理想，接收到的信号，通常与原有的信号有较大的差别。到了 1856 年，英国科学家凯尔文（Keleven）首先解决了这个问题，它的基本思路是采用微分方程，频率较低的成分可以通过信道，而而频率高的成分则被衰减掉了。人们从凯尔文的发现中受到很大的启发，知道了信道对于频率成分具有选择性，并不是所有的频率成分都能通过信

23、道传输。这也使人们开始注意到，应找到有效提高信道中的信号传输质量的方法，这就导致了调制技术的出现 【8】 。实际上，信源产生的原始信号绝大部分需要经过调制，变换为适合于在信道内传输的信号，才能在线路中传输。把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形，这一变换过程称为调制。通常把原始信号称为调制信号，也称基带信号；被调制的高频周期性脉冲起运载原始信号的作用，因此也称载波。调制技术其实也就是实现了信源的频谱于信道的频带匹配。调制技术主要有以下三个方面的功能。频率变换：为了采用无线传送方式，如将（0.3MHz3.4kHz）有效带宽内的语音信号调制到高频段上去。实现信道复用：例如将多路信号互不干扰地安排

24、在同一物理信道中传输。提高抗干扰性：抗干扰性（即可靠性）与有效性相互制约，通常可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，如 FM 替代 AM。调制技术分类可以有以下几种。调制器的模型如图 2.1h(t)m(t)c(t)图 2.1 调制系统模型Sm(t)5在图 2.1 中，m(t)是源信号，通常用于调制载波 c(t)的幅度、频率、相位，也称为调制信号：Sm(t)是已调信号，可能是调幅信号，也可能是调频信号等。调制技术自从产生到现在为止，经历了很多代的变化，新型调制技术层出不穷。调制技术的分类方法有很多种，一般来将，可以从以下几个角度对调制技术进行分类如表 2.1所列。表 2.1 调制技术的分类模拟调制，特

25、点:m(t)是连续信号按信号 m(t)的不同分类数字调制,特点:m(t)是数字信号连续波调制,特点:c(t)连续,如 c(t)=cosct按载波信号 c(t)不同分脉冲调制,特点:c(t)为脉冲,如周期矩形脉冲序列幅度调制,特点:用 m(t)改变 c(t)的幅度,如AM,DSB,SSB,VSB频率调制,特点:用 m(t)改变 c(t)的频率,如 FM按调制器功能的功能分相位调制,特点:用 m(t)改变 c(t)的相位,如 PM线性调制,特点:调制前后的频谱呈线性搬移关系按调制器传输函数来分非线性调制,特点:无上述关系 ,且调制后产生许多新成份2.2 线性调制技术在线性调制技术中，发射信号 s(

26、t)的幅度随调制信号 a(t)线性变化.线性调制技术具有频道利用率高的优点,因而对无线通信系统的应用具有很大的吸引力 .在线性调制方案中,发射信号可表示成（2-1 ）()Re()xp2)()cos2)(sin2)stAatjftAatftatftcRIc 式中,A 为载波振幅; 为载波频率 .从上式可以看出,载波信号的包络随信号线性变化.线性调制通常不是恒包络调制.一些非线性调制可能具有线性或恒包络载波包络,这主要取决于基带波形的脉冲成形。假定每个符号的包络是矩形，即信号包络是稳定的。此时，已调制的频谱是无限宽。然而，实际信道的有限宽的，因此在发送 QPSK 信号时，经常会经过带通滤波。限带后

27、的 QPSK 信号已不能保持恒包络。相邻符号间发生变化时，经过限带后会出现包络值过零的现象 【9】 。6线性调制方案具有很好的频谱特性，它必须使用线性 RF 放大器发射，这时功率有效性较差。如使用功率有效性较高的非线性放大器，会导致严重的邻道干扰。目前，使用此较普遍的线性调制技术有脉冲成形 QPSK、OQPSK 和 QPSK 等。2.3 QPSK 调制与解调基本内容数字调制信号又称为键控信号，调制过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制，最基本的方法有4种：振幅键控（ ASK）、正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)载有基带信号的高频正弦波信号称

28、为载波，数学上准确表示正弦波时，经常采用振幅A、角频率 和相位 三要素 ,根据基带信号的值，改变三要素中的任何一种，就有了3种基本的调制方式：数字信号对载波振幅调制称为振幅键控，即ASK（Amplitude Shift Keying） ；对载波频率调制称为频移键控，即FSK（Frequency Shift Keying） ；对载波相位调制称为相移键控（相位键控） ，即PSK(Phase Shift Keying)【10】 。根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制(M 进制)多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高，在有限的信道频带内，能够传输高速数据。MPSK信号可以看成是两

29、个正交载波进行多电平双边带调制所得两路MASK信号的叠加。这样，就为MPSK信号的产生提供了依据，实际中，常用正交调制的方法产生MPSK信号.MPSK信号可以看成是载波互为正交的两路MASK信号的叠加，因此，MPSK信号的频带宽度应与 MASK时的相同。在相同的二进制信息速率及相同的M进制下，MASK、MPSK 、MQAM三种调制方式的频带利用率相同，然而，在相同的平均发射信号功率及噪声功率谱密度条件下，MPSK的抗噪声性能优于MASK。由于PSK系统抗噪声性能优于ASK和FSK，而且频带利用率较高，所以，在中、高速数字通信中被广泛采用。在某些调制解调器中用于数据传输的调制系统，在最简单的方式

30、中，二进制调制信号产生 0 和 1。载波相位来表示信号占和空或者二进制 1 和 O，即是 BPSK。对于有线线路上较高的数据传输速率，可能发生 4 个或 8 个不同的相移，即是 MPSK。BPSK 传输系统可以在加入噪声环境下进行各项指标测量,通过对 BPSK 调制信号眼图观测 (不匹配/匹配)、调制信号包络观察;相干载波相位模糊度观测、相干载波相位模糊度对解调数据的影响测量。多进制数字相位调制又称多相制，是二相制的推广 【11】 。它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）两种。

31、MDPSK 系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。利用不同的连续的相移键控，这个参考相位被按照相位改变而进行的编码数据所取代，并且通过将相位与前面的位进行比较来检测。 根据香农理论，在确定的带宽里面，对于给定的信号其传送的无差错数据速率存在着理论上的极限值，从另一个方面来理解这个理论，可以认为，在特定的数据速率下，信号的带宽和功率（或理解成 SNR）可以互相转换，这一理论成功地使用在传播状态极端恶劣的短波段，在这里具有活力的通信方式比快速方式更有实用意义。PSK 就是这一理论的成功应用。所谓 PSK 就是根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法 【12】 。产生 PSK 信号的两种方法：1、调相法：将基带数字信号（双极