PI4-QPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

(完整word版)PI4-QPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)(完整word版)PI4-QPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)PAGEIIPAGEI(完整word版)PI4-QPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)大學(xué)生本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：PI/4—QPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)專業(yè)電子與通信工程類別計(jì)算機(jī)模擬日期05年5月PAGE40PAGE35摘要在以前的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，往往采用FSK、ASK、PSK等調(diào)制方式.隨著數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)調(diào)制和數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越高，許多優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中PI/4—QPSK技術(shù)是無線通信中比較突出的一種二進(jìn)制調(diào)制方法。本文首先介紹了數(shù)字相位調(diào)制的一般原理；然后對(duì)PI/4—QPSK的調(diào)制原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)影響調(diào)制性能的濾波器進(jìn)行了分析與研究;最后重點(diǎn)研究了PI/4—QPSK的三種解調(diào)方法并通過用Matlab對(duì)這一過程進(jìn)行編程,得出信號(hào)在不同信噪比下模擬傳輸?shù)臅r(shí)域圖、頻域圖及功率譜密度曲線等，并在相同信道條件下通過眼圖和誤碼率曲線圖對(duì)PI/4—QPSK的三種解調(diào)方法進(jìn)行了性能比較，得出了基帶差分解調(diào)性能最差、中頻差分解調(diào)性能次之、鑒頻器解調(diào)性能最優(yōu)的結(jié)論。關(guān)鍵詞PI/4—QPSK；同相信道；正交信道；調(diào)制；差分解調(diào)AbstractPreviousdigitalhoneycombsystemoftenadoptmodulationwayofFSK,ASK，PSKetc.Alongwithdevelopmentofdigitalhoneycombsystemthetec-hnicalcriterionofmodulationanddemodulationwillbeadjustedtomeethig—herrequirement.Alotofexcellentmodulationtechnologyhasemergedasthetimesrequire,thePI/4—QPSKisoneofthemostoutstandingtechnologyinradiocommunication。Thispaperintroducesthemodemtheoryandprocessofthedigitalphasemodulationfirst.ThenstudiedthedetectionmethodofPI/4-QPSKandanalyzedthefilterwhichcaninfluencethesystem’sperformance.Finally,theprocessofthreedemodulatemethodsofthePI/4-QPSKwasemulated。ItalsoaddressesamethodforprogrammingwithMatlabtoanalyzethePI/4—QPSKsystemanddescrybeeshowtoemulatethesystemseparatelyviaidealsignalchannelandinterferedchannelswithdifferentsignaltonoiseratio。ThearticleanalysesthedynamicandstaticbehaviorsofthePI/4-QPSKsystemaswellastheperformanceagainstnoiseundertheconditionofGaussnoisechanne1。ThecomparisonismadeontheeyepatternandcurveofbiterrorratebetweenPI/4—DQPSK’sthreedemodulatemethodsunderthesamechannel.TheresultofsimulationshowsthattheperformanceofthebasebanddifferentialdetectorislessthantheIF—banddifferentialdetector’s,theperformanceoftheFM-discriminatordetectoristhebest。KeywordsPI/4-QPSK，In-phasechannel,Quadraturechannel,Modulation,Differentialdemodulation目錄TOC\o”1—3”\h\zHYPERLINK\l”_Toc138821380”摘要 IHYPERLINK\l”_Toc138821381"Abstract IIHYPERLINK\l”_Toc138821382”第1章緒論 1HYPERLINK\l”_Toc138821383”1。1課題背景 11.2PI/4-QPSK研究現(xiàn)狀 1_Toc138821386"1。4PI/4—QPSK的優(yōu)點(diǎn) 3HYPERLINK\l”_Toc138821387"1。5本文主要研究?jī)?nèi)容和具體工作 3HYPERLINK\l”_Toc138821388”第2章數(shù)字相位調(diào)制概述及性能比較 5_Toc138821390”2。1.1四相QPSK的一般原理 5HYPERLINK\l”_Toc138821391”2.1。2偏移QPSK的一般原理 6_Toc138821394”2.3PI/4—QPSK與GMSK的性能比較 9第3章PI/4-QPSK的調(diào)制 113。1PI/4—QPSK調(diào)制原理 11_Toc138821399"3.1。2PI/4—QPSK的調(diào)制原理 113.2PI/4-QPSK調(diào)制過程中濾波器的選取與研究 15_Toc138821402"3.2。2濾波器的設(shè)計(jì)與選擇 164.1PI/4—QPSK解調(diào)原理 18_Toc138821407”4。1。2中頻差分解調(diào) 20HYPERLINK\l”_Toc138821408"4.1.3鑒頻器解調(diào) 21HYPERLINK\l”_Toc138821409”4.2非相干解調(diào)與相干解調(diào)性能比較 214.4PI/4-QPSK的誤碼性能分析 24HYPERLINK\l”_Toc138821412"4。5本章小結(jié) 25HYPERLINK\l”_Toc138821413"第五章試驗(yàn)仿真結(jié)果與分析 26HYPERLINK\l”_Toc138821414”5。1PI/4-QPSK的調(diào)制仿真結(jié)果與分析 26HYPERLINK\l”_Toc138821415”5。2PI/4-QPSK的解調(diào)仿真結(jié)果與分析 29HYPERLINK\l”_Toc138821416”5。2。1基帶差分解調(diào) 30_Toc138821418"5。2。3鑒頻器解調(diào) 33HYPERLINK\l”_Toc138821419”5.3不同解調(diào)方式下性能分析 35_Toc138821421”5。3.2從誤碼率曲線對(duì)比分析 37結(jié)論 39附錄1 42HYPERLINK\l”_Toc138821426"致謝 45第1章緒論1.1課題背景無線通信在現(xiàn)代社會(huì)中起著舉足輕重的作用。從日常生活到航空航天，從工商業(yè)運(yùn)作到軍事領(lǐng)域，無線通信得到了越來越廣泛的應(yīng)用。自十九世紀(jì)末馬可尼發(fā)明無線電報(bào)以來，無線通信己經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，形成了各種各樣的通信模式與體制,如衛(wèi)星通信系統(tǒng),微波中繼通信系統(tǒng),蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，無線尋呼系統(tǒng)，集群通信系統(tǒng)等等。調(diào)制方式更是種類繁多，如模擬調(diào)制的AM、DSB、SSB、FM等;數(shù)字調(diào)制的ASK、PSK、FSK等。數(shù)字調(diào)制的三大類還包含許多適用于不同場(chǎng)合的具體調(diào)制技術(shù)?，F(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，使得傳輸速率和頻譜的利用率進(jìn)一步得到提高，功率更加節(jié)省.在相同的碼元速率下，多進(jìn)制系統(tǒng)的信息傳輸速率顯然比二進(jìn)制系統(tǒng)高，但信息速率的提高是以犧牲功率為代價(jià)的。顯然增大碼元寬度，就會(huì)增加碼元的能量，同時(shí)也減少了由于信道特性引起的碼間串?dāng)_等。恒包絡(luò)調(diào)制適用于限帶非線性信道中，能有效地防止非線性引起的幅頻效應(yīng),節(jié)省功率，提高頻譜的利用率。多進(jìn)制調(diào)制和恒包絡(luò)調(diào)制這兩種技術(shù)結(jié)合在一起能取得更好的調(diào)制效果。對(duì)于數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，調(diào)制技術(shù)決定了每km用戶數(shù)、發(fā)送率和頻帶利用率(指信道帶寬上每秒每赫茲可發(fā)送的bits數(shù)目)。當(dāng)選擇相配的蜂窩調(diào)制技術(shù)時(shí),一定要考慮高功率效率、高帶寬利用率、低輸出邊帶輻射、對(duì)多徑衰落低靈敏度、常數(shù)包絡(luò)、低成本、實(shí)現(xiàn)容易等因素.當(dāng)然不可能選擇一種具有所有優(yōu)點(diǎn)的調(diào)制方法，實(shí)際上每種方法都有一定的局限性,并且相互制約.比如說高的帶寬利用率需要很大的信號(hào)裝置，并且在信號(hào)發(fā)送時(shí)需要加大發(fā)射功率。而PI/4-QPSK調(diào)制解調(diào)在性能上要優(yōu)于FSK、ASK、PSK等調(diào)制方式。1.2PI/4-QPSK研究現(xiàn)狀PI/4—QPSK是一種線性窄帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)。由于它具有頻譜利用率高、頻譜特性好等突出特點(diǎn)，在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用。PI/4-QPSK已被確定為北美第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)D-AMPS和日本的JDC蜂窩系統(tǒng)中的調(diào)制方式(歐洲的GSM系統(tǒng)為GMSK)。PI/4—QPSK與GMSK等恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)相比有更高的頻譜利用率和抗衰落性能。最近,美國Qualcomm公司推出的全球第一個(gè)實(shí)用的CDMA商用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱Q-CDMA系統(tǒng))也將PI/4—QPSK作為它的調(diào)制方式。利用PI/4—QPSK調(diào)制技術(shù)和先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化。這樣的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)升級(jí)方便、更加適合我國半導(dǎo)體芯片落后的國情而且便于大規(guī)模生產(chǎn)。相信PI/4-QPSK調(diào)制技術(shù)一定會(huì)在帶限信道中顯示出它的巨大潛力.在數(shù)字信號(hào)處理飛速發(fā)展的今天，采用DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)的PI/4—QPSK基帶調(diào)制解調(diào)器在技術(shù)要求等發(fā)面能滿足數(shù)字蜂窩系統(tǒng)發(fā)展的需求，其性能更優(yōu)于FSK、ASK、PSK等調(diào)制方式.PI/4—QPSK調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)過程中,利用查表技術(shù),避免了大量的計(jì)算工作，節(jié)省了時(shí)間，提高了調(diào)制與解調(diào)的速度，為數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展提供了更大的發(fā)展空間。針對(duì)TETRA系統(tǒng)的空中接口的標(biāo)準(zhǔn)，英國的CML公司專門設(shè)計(jì)了無線數(shù)字基帶處理器CMX980芯片，用于PI/4-QPSK調(diào)制解調(diào)的基帶處理。信號(hào)星座的轉(zhuǎn)換不經(jīng)過原點(diǎn),這樣就不會(huì)產(chǎn)生的瞬間變化，因而降低了PI/4-QPSK的包絡(luò)波動(dòng)并改善了頻譜特性。同樣其解調(diào)方式也得到了改進(jìn)，不僅可以使用相干解調(diào)，也可以使用非相干解調(diào)(差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)）.差分解調(diào)非常適合于需要快速同步的窄帶TDMA信道和突發(fā)工作模式的TDMA系統(tǒng)。由于鑒頻器解調(diào)既可用于模擬FM也可用于數(shù)字PI/4-QPSK的解調(diào)，因而可以較容易的實(shí)現(xiàn)雙模接收機(jī)，有利于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的平滑過度。1。3PI/4—QPSK信號(hào)的產(chǎn)生和定義具有窄的功率譜帶寬是對(duì)數(shù)字調(diào)制技術(shù)的基本要求，線性調(diào)制方式如QPSK、OQPSK等都具有相當(dāng)高的頻譜效率，這對(duì)于追求頻譜效率的現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)是很有吸引力的。然而實(shí)際信道都是帶限的，經(jīng)過帶通濾波后，QPSK信號(hào)已不能保持恒定的包絡(luò)。這是由于其相鄰符號(hào)間可能發(fā)生180度相移，限帶后會(huì)出現(xiàn)包絡(luò)為零的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在非線性信道中特別不希望出現(xiàn).例如，功率放大器的非線性將會(huì)使輸出信號(hào)的頻譜擴(kuò)展，被帶通濾波器濾掉的帶外分量又被恢復(fù)出來，稱為頻譜再生。PI/4-QPSK是在QPSK與OQPSK上發(fā)展起來的一種調(diào)制技術(shù)，它主要是將QPSK中的跳變降為/4，載波的相移限制為/4和/4，信號(hào)星座的轉(zhuǎn)換不經(jīng)過原點(diǎn)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生的瞬間變化，因而降低了QPSK的包絡(luò)波動(dòng)并改善了頻譜特性。同樣其解調(diào)方式也得到了改進(jìn)，不僅可以使用相干解調(diào)，也可以使用非相干解調(diào)(差分解調(diào)和限幅鑒頻）.差分解調(diào)非常適合于需要快速同步的窄帶TDMA信道和突發(fā)工作模式的TDMA系統(tǒng)。由于鑒頻器解調(diào)既可用于模擬FM也可用于數(shù)字/4—QPSK的解調(diào)，因而可以容易的實(shí)現(xiàn)雙膜接收機(jī)，有利于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的平滑過度。1.4PI/4-QPSK的優(yōu)點(diǎn)PI/4—QPSK具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1)PI/4—QPSK中載波相移限制為/4或/4，信號(hào)星座的轉(zhuǎn)換不經(jīng)過原點(diǎn),相位沒有瞬間的變化(如在QPSK中），因此其包絡(luò)波動(dòng)大大的降低了，具有更好的輸出頻譜特性；（2）在快衰落信道中,差分解調(diào)或鑒頻器解調(diào)誤比特率比相干解調(diào)的要低。相干系統(tǒng)在靜態(tài)加性高斯白噪聲(AWGN)環(huán)境下的性能較好。理論上的功率效率在瑞利衰落移動(dòng)系統(tǒng)中較高。但其性能在受到多徑衰落、多普勒頻移和其他形式的相位噪聲干擾時(shí)會(huì)急劇下降。這些效應(yīng)在設(shè)計(jì)相對(duì)窄帶的數(shù)字蜂窩和數(shù)字無線系統(tǒng)時(shí)受到越來越多的重視；(3)PI/4-QPSK差分解調(diào)避免了載波恢復(fù)的要求，獲得了快速同步。對(duì)需要快速同步的窄帶TDMA信道和突發(fā)工作模式的TDMA系統(tǒng)差分檢測(cè)都非常合適；（4)用鑒頻器檢測(cè)可以很容易的實(shí)現(xiàn)雙模接收機(jī)。由于鑒頻器既可以用于模擬FM也可用于數(shù)字PI/4—QPSK的解調(diào)，可以從模擬系統(tǒng)平滑地過渡到數(shù)字系統(tǒng)。正是由于PI/4-QPSK信號(hào)具有這些突出的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信中都得到了廣泛應(yīng)用。1。5本文主要研究?jī)?nèi)容和具體工作PI/4-QPSK調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代無線通信使用中日趨廣泛,本文主要研究了PI/4—QPSK的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，對(duì)不同的解調(diào)方式進(jìn)行研究分析，并應(yīng)用Matlab對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)仿真.具體工作如下:首先鑒于PI/4—QPSK調(diào)制技術(shù)是QPSK和OQPSK調(diào)制技術(shù)的折衷，為了更好的了解PI/4-QPSK調(diào)制技術(shù)，本文介紹了QPSK、OQPSK及PI/4-QPSK調(diào)制的一般原理，并對(duì)其進(jìn)行性能比較。然后進(jìn)入本文的重點(diǎn)理論研究部分:PI/4-QPSK的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)。在調(diào)制部分詳細(xì)介紹了PI/4-QPSK的調(diào)制原理,并對(duì)其在調(diào)制中遇到的技術(shù)方面的問題：濾波器的設(shè)計(jì)與選擇問題進(jìn)行了分析與研究，以使PI/4—QPSK信號(hào)更適合于在無線信道中傳輸；在解調(diào)部分詳細(xì)介紹了三種不同的非相干解調(diào)技術(shù)：基帶差分解調(diào)、中頻差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)，從公式推導(dǎo)、理論分析等方面對(duì)這些解調(diào)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。最后本文用Matlab語言依據(jù)PI/4-QPSK非相干解調(diào)設(shè)計(jì)原理編程，介紹了編程過程中遇到的問題及最終解決方法；得到三種不同非相干解調(diào)方案的時(shí)域圖、頻域圖、功率譜密度曲線、眼圖及系統(tǒng)誤碼率曲線等，以進(jìn)行三種解調(diào)方案之間的比較,詳細(xì)介紹了PI/4—QPSK解調(diào)的誤碼性能和不同解調(diào)方案由于自身固有的缺陷而導(dǎo)致的誤碼問題，并對(duì)PI/4—QPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了一些優(yōu)化。第2章數(shù)字相位調(diào)制概述及性能比較由于PI/4—QPSK是QPSK及OQPSK的一種折衷調(diào)制方式，為更好的理解PI/4-QPSK的調(diào)制解調(diào)原理及其性能,本章首先介紹一下QPSK，OQPSK及PI/4—QPSK的一般原理并對(duì)三者進(jìn)行性能比較;然后將PI/4-QPSK與GMSK進(jìn)行性能比較,分析PI/4-QPSK在無線通信方面的優(yōu)勢(shì).2。1數(shù)字相位調(diào)制概述數(shù)字相位調(diào)制又稱相移鍵控（PSK)，它是利用載波相位的變化來傳遞數(shù)字信息的,通?？梢苑殖伞敖^對(duì)移相”和“相對(duì)移相”兩種方式。所謂“絕對(duì)移相"是利用載波的不同相位直接去表示數(shù)字信息,而“相對(duì)移相”則利用載波的相對(duì)相位值去表示數(shù)字信息.即利用前后碼元載波相位的相對(duì)變化來表示數(shù)字信息。理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明,在恒參信道條件下。相移鍵控與振幅鍵控、頻移鍵控相比，不僅具有較高的抗噪聲性能，而且還能有效地利用頻帶，即使是在有衰落和多徑現(xiàn)象的信道中也有較好的效果，可見,它是一種比較優(yōu)越的調(diào)制方式。相位調(diào)制和頻率調(diào)制一樣，本質(zhì)上都是非線性調(diào)制,也就是說，已調(diào)信號(hào)波形是基帶調(diào)制波形經(jīng)過非線性變換的結(jié)果，但在數(shù)字調(diào)相中，由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值,因此可以把相位的變化歸結(jié)為幅度的變化.這樣，數(shù)字調(diào)相就同某種線性調(diào)制聯(lián)系起來了,于是可以把數(shù)字調(diào)相信號(hào)當(dāng)作線性凋制信號(hào)處理，從而給分析和實(shí)現(xiàn)帶來了很大的方便.下面將介紹幾種數(shù)字調(diào)相的原理。2。1.1四相QPSK的一般原理在QPSK調(diào)制中，在要發(fā)送的比特序列中,每?jī)蓚€(gè)相連的比特分為一組構(gòu)成一個(gè)四進(jìn)制的碼元，即雙比特碼元如下圖所示。數(shù)據(jù)序列+1-1+1—1-1+1+1-1…雙比特序列+1—1+1—1—1+1+1-1…圖2—1雙比特碼元雙比特碼元的四種狀態(tài)用載波的四個(gè)不同相位(k=1,2，3,4）表示，雙比特碼元和相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以有許多種。圖2—2是其中一種，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系叫做相位邏輯。QPSK信號(hào)可以表示為：K=1，2,3,4K（2—1)其中A為信號(hào)的幅度；為載波頻率。QPSK信號(hào)可以用正交調(diào)制方式產(chǎn)生，把式(2—1)展開得：(2-2)式中(2—3)(2—4)雙極性表示+1+1/4-1+13/4-1-15/4+1—17/4參考矢量圖2-2QPSK的一種相位邏輯令雙比特碼元,則式（2-2)就是實(shí)現(xiàn)圖2—2相位邏輯的QPSK信號(hào)，所以把串行輸入的分開進(jìn)入兩個(gè)并聯(lián)的支路-同相支路和正交支路，分別對(duì)一對(duì)正交載波進(jìn)行調(diào)制,然后相加便得到QPSK信號(hào)，調(diào)制器的原理圖如圖2-3所示。當(dāng)，信號(hào)為方波時(shí),QPSK是一個(gè)恒包絡(luò)信號(hào)。2。1.2偏移QPSK的一般原理偏移QPSK即OQPSK，把QPSK兩支路的碼元時(shí)間上錯(cuò)開=,這串/并串/并圖2—3QPSK正交調(diào)制原理圖樣兩支路的符號(hào)不會(huì)同時(shí)發(fā)生變化,每經(jīng)過時(shí)間，只有一個(gè)支路的符號(hào)發(fā)生變化，因此相位的跳變就被限制在，因而減小信號(hào)包絡(luò)的波動(dòng)幅度，OQPSK兩支路符號(hào)錯(cuò)開和相位變化的例子如圖2—4，圖2—5是OQPSK相位跳變的路徑。+1—1+1…+1—1.。.圖2-4OQPSK支路符號(hào)的偏移圖2-5OQPSK信號(hào)相位跳變路徑圖2-6是OQPSK調(diào)制器的原理框圖。他的包絡(luò)變化的幅度要比QPSK的小許多，且沒有包絡(luò)過零點(diǎn)。由于兩支路符號(hào)的錯(cuò)開并不影響它們的功率譜，OQPSK信號(hào)的功率譜和QPSK相同,因此有相同的帶寬效率.LPFLPFLPF串/并輸入圖2—6OQPSK調(diào)制器原理框圖與QPSK信號(hào)相比，OQPSK信號(hào)對(duì)放大器的非線性不那么敏感，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍比較小，因此可以有較高的功率效率,同時(shí)不會(huì)引起副瓣功率顯著的增加.2.1。3PI/4—QPSK的一般原理在移動(dòng)環(huán)境下，多徑衰落使得相干解調(diào)十分困難,而且往往導(dǎo)致工作性能比相干解調(diào)更差,所以常常希望采用差分解調(diào).在差分解調(diào)中，為兼顧頻帶效率、包絡(luò)波動(dòng)幅度小何能采用差分解調(diào)，PI/4—QPSK是一種很好的折衷。PI/4-QPSK可采用正交調(diào)制方式產(chǎn)生，其原理圖如下圖所示.串/并串/并差分相位編碼器LPFLPF功率放大器圖2-7PI/4-QPSK調(diào)制器原理框圖輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過串/并變換后分成兩路數(shù)據(jù)I和Q，它們的符號(hào)速率等于輸入串行比特速率的一半。這兩路數(shù)據(jù)經(jīng)過差分相位編碼器在期間內(nèi)輸出信號(hào)和，為了抑制已調(diào)信號(hào)的副瓣，在與載波相乘之前，通常還經(jīng)過具有升余弦特性的濾波器，然后分別和一對(duì)正交載波相乘后合并,即得到PI/4—QPSK信號(hào)。2.2PI/4-QPSK與QPSK、OQPSK的性能比較正交調(diào)制產(chǎn)生QPSK信號(hào)的方法實(shí)際上是把兩個(gè)BPSK信號(hào)相加，它是一種誤碼性能好和信號(hào)頻譜主瓣窄的調(diào)制方式，如果在線性信道(主要是發(fā)射機(jī)功率放大器無非線性失真)中工作，則可用濾波器把頻譜中的旁瓣濾除，從而獲得很高的頻帶利用率;實(shí)際上，要求射頻功率放大器工作在線性狀態(tài)，有許多場(chǎng)合(如衛(wèi)星上或移動(dòng)環(huán)境中)是受限制的。但是，如果一方面設(shè)法減小相移鍵控信號(hào)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位跳變量，即減小這種信號(hào)受帶限后所產(chǎn)生的包絡(luò)起伏，另一方而設(shè)法增大射頻功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍。那么這種信號(hào)經(jīng)過它產(chǎn)生的頻譜擴(kuò)散就可以限制到允許的程度.減小相位突變量的QPSK有偏置鍵控的QPSK（OK-QPSK）和PI/4偏置的QPSK（PI/4-QPSK）。與QPSK信號(hào)相比，OQPSK信號(hào)可以限制信號(hào)相位突變量不會(huì)超過,從而使其對(duì)放大器的非線性不那么敏感，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍比較小，因此可以有較高的功率效率，同時(shí)不會(huì)引起副瓣功率顯著的增加。雖然當(dāng)PI/4-QPSK的相移量為時(shí)其相位突變量超過了OQPSK,但由于PI/4—QPSK可以用差分相位編碼產(chǎn)生，能有效地進(jìn)行差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào),在一些不易提取相干載波的場(chǎng)合很有用。QPSK信號(hào)比BPSK信號(hào)的頻帶效率高出一倍，但當(dāng)基帶信號(hào)波形是方波序列時(shí)，它含有較豐富的高頻分量。所以已調(diào)信號(hào)功率譜的副瓣仍然很大，計(jì)算機(jī)分析表明信號(hào)主瓣的功率占90%，而99%的功率帶寬約為10Rs。前面已經(jīng)得知,當(dāng)基帶信號(hào)為方波脈沖（NRZ）時(shí)，QPSK信號(hào)具有恒包絡(luò)特性，由升余弦濾波器形成的基帶信號(hào)是連續(xù)的波形，它以有限的斜率通過零點(diǎn),因此各支路的BPSK信號(hào)的包絡(luò)有起伏且最小值為零,QPSK信號(hào)的包絡(luò)不再恒定。包絡(luò)起伏的幅度和QPSK信號(hào)相位跳變幅度有關(guān)。信號(hào)的恒包絡(luò)特性可以使用非線性（C類）功率放大器，這種高功率效率放大器對(duì)電池容量有限的移動(dòng)用戶設(shè)備有重要意義；而非恒包絡(luò)信號(hào)對(duì)非線性放大很敏感,它會(huì)通過非線性放大而使功率譜的副瓣再生,因此應(yīng)設(shè)法減小信號(hào)包絡(luò)的波動(dòng)幅度，所采用的措施就是減小信號(hào)相位的跳變幅度。OQPSK采用交錯(cuò)編碼，無法應(yīng)用差分解調(diào)。PI/4—QPSK則可以采用差分檢測(cè),更加適用于移動(dòng)信道。因?yàn)橐苿?dòng)信道常常由于時(shí)延擴(kuò)展、多普勒頻移等造成相干載波提取困難；差分解調(diào)對(duì)于信道衰落不太敏感，可以在實(shí)際信道下得到更好的誤碼率性能。綜上所述，PI/4-QPSK信號(hào)是在QPSK和OQPSK基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種調(diào)制方式。它綜合了這兩種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)，降低了QPSK信號(hào)的包絡(luò)波動(dòng)，并可以進(jìn)行有效的非相干解調(diào)(差分檢測(cè)和限幅鑒頻)。在美國和日本的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，已把PI/4-QPSK定為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制制式。2.3PI/4—QPSK與GMSK的性能比較GMSK(GaussianfilteredMSK)信號(hào)是在MSK調(diào)制信號(hào)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.MSK（最小移頻鍵控）信號(hào)可以看成是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位FSK信號(hào)，盡管它具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、相對(duì)較窄的帶寬和能相干解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，但它不能滿足某些通信系統(tǒng)對(duì)帶外輻射的嚴(yán)格要求。為了壓縮MSK信號(hào)的功率譜，在MSK調(diào)制前增加一級(jí)預(yù)調(diào)制濾波器,從而有效地抑制了信號(hào)的帶外輻射.GMSK信號(hào)就是預(yù)調(diào)制濾波器為高斯低通濾波器的MSK信號(hào)。它具有恒包絡(luò)、帶外輻射小和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，特別適用與無線信道和衛(wèi)星信道。PI/4-QPSK與GMSK的性能比較如下圖所示。表2-1PI/4—QPSK與GMSK的性能比較調(diào)制方式頻譜效率誤碼性能對(duì)功率的要求結(jié)構(gòu)GMSK恒包絡(luò)1.35bits/sHz較差可以丙類工作，電源效率高復(fù)雜PI/4-QPSK線性1。62bits/sHz較好限帶信號(hào)包絡(luò)有起伏，采用甲乙類放大，電源效率較低簡(jiǎn)單通過上述分析可以看出PI/4-QPSK調(diào)制方式在許多方面優(yōu)于GMSK調(diào)制方式。PI/4-QPSK具有較高的頻譜效率和功率利用性能，非常適合移動(dòng)通信應(yīng)用。2。4本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單介紹了QPSK、OQPSK及PI/4—QPSK的基本原理,為更好的理解PI/4—QPSK奠定了一定的基礎(chǔ),然后對(duì)三者及PI/4-QPSK與GMSK的性能作了對(duì)比和分析，得出了PI/4—QPSK在無線通信方面存在的優(yōu)勢(shì)。在下兩章中,本文將對(duì)PI/4-QPSK的調(diào)制解調(diào)原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。第3章PI/4-QPSK的調(diào)制3.1PI/4-QPSK調(diào)制原理PI/4-QPSK絕對(duì)移相的原理很早就有人提出了,但因技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的困難，使它在實(shí)際中未能普遍應(yīng)用。直到有人提出相對(duì)移相，克服了因絕對(duì)調(diào)相解調(diào)而引起的“相位模糊”，才使相位調(diào)制方式在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用.本文中PI/4-QPSK均采用相對(duì)移相方式.3.1。1PI/4—QPSK信號(hào)的產(chǎn)生采用PI/4—QPSK作為系統(tǒng)的調(diào)制方法時(shí),信息被差分編碼，即符號(hào)以相位的變化來傳送而不是絕對(duì)相位。其實(shí)現(xiàn)方法是：首先對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，既由絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼（差分碼），然后再根據(jù)相位選擇法進(jìn)行絕對(duì)相移。差分編碼的方框圖如圖3-1所示，進(jìn)入調(diào)制器的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，經(jīng)串/并變換器轉(zhuǎn)換為兩個(gè)分離的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流和從數(shù)據(jù)流的比特1開始，所有的奇數(shù)比特形成數(shù)據(jù)流和所有的偶數(shù)比特形成數(shù)據(jù)流。然后對(duì)數(shù)據(jù)流和進(jìn)行差分編碼。串/并差分相位編碼器串/并差分相位編碼器圖3—1差分編碼框圖3。1。2PI/4—QPSK的調(diào)制原理PI/4—QPSK調(diào)制解調(diào)器的原理框圖如圖3-2所示。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串/并變換、差分相位編碼和低通濾波后，進(jìn)行正交調(diào)制即可合成PI/4—QPSK信號(hào)。這里的主要問題是怎樣才能使已調(diào)信號(hào)具有每隔必須從一個(gè)組跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)組，即實(shí)現(xiàn)相位跳變量為或的相位變化規(guī)律。本小結(jié)將主要分析該問題的具體解決方法.LPFLPF功率放大器cosLPFLPF功率放大器輸出-sin圖3-2PI/4-QPSK調(diào)制原理框圖PI/4—QPSK信號(hào)的表示式可寫成（3-1）式中:(3—2）它是信號(hào)在前一碼元的相位與當(dāng)前碼元的相位增量之和，或者說當(dāng)前碼元的相位增量是當(dāng)前碼元信號(hào)相位與前一碼元信號(hào)相位之差。所謂差分相位編碼就是利用信號(hào)這種相位差來攜帶所需傳輸?shù)男畔?，也就是根?jù)PI/4—QPSK的要求，對(duì)應(yīng)于當(dāng)前碼元的數(shù)據(jù)取值,在和中選取的數(shù)值。編碼規(guī)則如下表所示.表3—1PI/4—QPSK的相位編碼規(guī)則cossin11/41/1/—113/4—1/1/-1—1—3/4-1/-1/1-1-/41/-1/其次,相位差是以前一碼元的相位為基準(zhǔn)計(jì)算的,因此，在信號(hào)的表達(dá)式中也必然要反映這種內(nèi)在聯(lián)系。式(3-1）中的與是在給定后,單位矢量分別在橫軸和縱軸上的投影。它們也是要與正交載波進(jìn)行調(diào)制的基帶信號(hào)幅度。令，，，，得-—(3—3)++(3-4)圖3-3與正交載波進(jìn)行調(diào)制的基帶信號(hào)幅度圖這兩個(gè)公式說明：和完全取決于與（或與)。由于PI/4-QPSK的星座圖共有8個(gè)固定的相位點(diǎn)（PI/4—QPSK的星座圖見圖5—4)，因此或的取值都有0、和五種.〈例〉設(shè)在0~期間內(nèi),信號(hào)的起始相位為，即，；在～期間內(nèi),輸入數(shù)據(jù)為，，根據(jù)表3—1，，代入式(3-3）及式(3-4),得（3-5）(3-6）(3—7）在2-3期間內(nèi)，輸入數(shù)據(jù)為,,此時(shí)，得：-(3—8)+（3—9)（3—10)按照上面的步驟進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)序列給定后，可得相應(yīng)的相位變化值如下表所示。表3—2PI/4-QPSK信號(hào)的相位變化舉例序號(hào)1234567811-111—1-1111—1—111—1—11—11—11—11-111—111-11-13-3-3-31/-1—1/01/-1-1/01/01/—1—1/0-1/13--—3根據(jù)表3-1給出的數(shù)值，畫出PI/4-QPSK信號(hào)在特定輸入數(shù)據(jù)的條件下發(fā)生的相位變化，如圖3-2所示.可以看出,圖中的相位完全符合PI/4-QPSK的要求。在以上的討論中，為了簡(jiǎn)便并未考慮低通濾波器的作用和影響。實(shí)際上，為了抑制已調(diào)信號(hào)在帶外的功率輻射，這種濾波器必須精心設(shè)計(jì)，濾波器的詳細(xì)介紹見第五章。美國為其雙模式數(shù)字蜂窩系統(tǒng)制訂的暫行標(biāo)準(zhǔn)IS—54中規(guī)定：在圖3—1的兩支路中分別插入的是具有線性相位和平方根升余弦頻率響應(yīng)的基帶濾器.設(shè)該濾波器對(duì)輸入脈沖的響應(yīng)為，可得PI/4—QPSK的信號(hào)表達(dá)式：S（3-11)圖3—4PI/4-QPSK信號(hào)的相位變化舉例PI/4-QPSK信號(hào)經(jīng)過帶寬限制后，其功率譜的帶外衰減增大，但其包絡(luò)卻不是恒定的，因而，當(dāng)正受到功率放大器的限幅作用時(shí)，功率譜仍會(huì)發(fā)生擴(kuò)散。為了解決這個(gè)問題，需要精心選擇和設(shè)計(jì)功率放大器，使之既有較高的功率效率。又有較大的線性動(dòng)態(tài)范圍。3。2PI/4—QPSK調(diào)制過程中濾波器的選取與研究3.2。1PI/4-QPSK調(diào)制方式下噪聲與干擾的分析濾波是信號(hào)在傳輸過程中不可缺少的重要步驟。傳輸過程中，由于各種干擾和噪聲的加入,使得原來的信號(hào)受到了很大的扭曲與變形,而濾波器則在恢復(fù)信號(hào)原來的面目上起著重要的作用，雖然不可能把信號(hào)原本的恢復(fù)過來,但無限去接近原來的信號(hào)是使用濾波器的目的。PI/4—QPSK調(diào)制方式中應(yīng)同時(shí)考慮平均干擾功率、瞬時(shí)干擾功率和背景噪聲，各種干擾均與濾波器的特性唯一有關(guān)。輸出干擾功率在載波相位和接收信號(hào)相位相同的情況下，由平均干擾功率和背景噪聲功率組成；在載波相位或接收信號(hào)相位發(fā)生抖動(dòng)情況下由瞬時(shí)干擾功率和背景噪聲功率組成。分析了干擾與噪聲的組成和特點(diǎn)接下來就是如何選取一種合適的濾波器來盡可能的減小干擾和消除噪聲。3。2。2濾波器的設(shè)計(jì)與選擇我們可以選取相關(guān)的匹配濾波器來減小抖動(dòng)誤差。如果匹配濾波器采用升余弦滾降濾波器，其幅頻響應(yīng)特性為：（3—12）其中：為升余弦滾降因子；是碼元的寬度。理想的幅頻響應(yīng)特性應(yīng)是以1/2為中心的偶對(duì)稱帶通信號(hào)，通帶范圍為,所以要求匹配濾波器幅頻響應(yīng)特性符合以下公式：（3-13)當(dāng)時(shí)，由上述二式可得：（3—14)將式（3—12)代入式(3—13)并進(jìn)行逆傅立葉變換，可以推導(dǎo)出匹配濾波器的沖激響應(yīng)為：(3-15）由式（3—15)沖激響應(yīng)表達(dá)式可求出數(shù)字沖激響應(yīng).與其它濾波器相比應(yīng)用滿足線性相位的升余弦滾降濾波器能夠較好的滿足式(3—15)的要求，升余弦滾降濾波器可較好的利用傅立葉變換的調(diào)制特性，從而使信號(hào)的旁瓣能量降低，使能量更加集中在主瓣上。關(guān)于升余弦滾降濾波器的詳細(xì)分析及幅頻特性曲線見第五章第一節(jié).3.3本章小結(jié)本章首先對(duì)PI/4—QPSK的調(diào)制原理作了詳細(xì)的介紹；然后對(duì)為了抑制PI/4—QPSK信號(hào)在帶外的功率輻射及噪聲的影響所設(shè)計(jì)的升余弦滾降濾波器作了介紹。在下一章中，本文將針對(duì)PI/4-QPSK的解調(diào)及相關(guān)性能進(jìn)行詳細(xì)分析。第四章PI/4—QPSK的解調(diào)PI/4—QPSK可以采用相干解凋或非相干解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào).PI/4-QPSK信號(hào)是用載波相位在碼元之間的差值攜帶信息的，但是在移動(dòng)通信中,由于接收信號(hào)受到嚴(yán)重的衰落，提取出來的載波質(zhì)量往往達(dá)不到要求，特別是在多普勒效應(yīng)等引起的頻偏環(huán)境下，因此在這樣的信道中相干解調(diào)的誤碼性能較差。差分解調(diào)等非相干解調(diào)，盡管理論上、靜態(tài)環(huán)境下性能相對(duì)差一些，但對(duì)信道衰落的影響卻不太敏感，其誤碼性能反而高。本章將對(duì)差分解調(diào)或鑒頻器解凋等非相干解調(diào)方法作詳細(xì)介紹.4。1PI/4-QPSK解調(diào)原理4。1。1基帶差分解調(diào)圖4—1是一種稱作基帶差分解調(diào)的電路框圖.這種方法需要用一振蕩器來產(chǎn)生本地的正交載波。此本地振蕩信號(hào)要與輸入信號(hào)具有相同的載波頻率,否則二者的頻差會(huì)引起相位漂移，使解調(diào)性能惡化.假設(shè)具有連續(xù)相位變化的本地振蕩器(LO）與本地載波(CR)頻率相同，在通過差分解調(diào)時(shí)將消除相位誤差。LPFLPF取樣取樣解碼電路判決判決并/串LPFLPF取樣取樣解碼電路判決判決并/串圖4—1PI/4-QPSK基帶差分解調(diào)電路框圖設(shè)輸入信號(hào)為，他在同相支路與本地載波+相乘，濾出的低頻分量經(jīng)取樣后，得(4—1）在正交支路與本地載波相乘，濾出的低頻分量經(jīng)取樣后,得(4—2)式中：為固定相位差.這里所用的低通濾波器應(yīng)與發(fā)端調(diào)制器所用的低通濾波器相匹配，以消除碼間干擾。與送入解碼電路，當(dāng)采用耐奎斯特信道在白噪聲和其它干涉存在的環(huán)境中采用直接采樣時(shí),如果，則W，Z.在一般情況下.其解碼規(guī)則為(4—3）由此可得（4-4)根據(jù)調(diào)制端的編碼規(guī)則,令這里的判決規(guī)則如下:（4—5)顯然，照這樣判決所得到的與，和發(fā)端所傳輸?shù)呐c完全一樣，再經(jīng)過并/串變換后，就可以恢復(fù)出原來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。4。1.2中頻差分解調(diào)BPFBPF延遲相移LPFLPF取樣取樣判決判決并/串圖4—2PI/4-QPSK中頻差分解調(diào)電路框圖圖4—2是一種稱作中頻差分解調(diào)的電路框圖。從圖中可以看出這種解調(diào)具有采樣延遲線和相位檢測(cè).這種解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是不需要本地振蕩器.經(jīng)過延遲的信號(hào)與兩個(gè)支路的信號(hào)和分別相乘,即(4-6)(4-7）經(jīng)濾波和取樣，可得（4—8）這里得到的關(guān)系式和式(4-4)是一樣的,因而其后的判決方式也和基帶差分解調(diào)完全相同，其判決規(guī)則見式(4—5)所示。為消除碼間干擾，這種電路中的帶通濾波器(BPF）和低通濾波器(LPF）應(yīng)精心設(shè)計(jì)。一種方法是使帶通濾波器與發(fā)端調(diào)制器所用的低通濾波器相匹配，比如平方根升余弦濾波器，如果采用平方根升余弦滾降帶通濾波器來檢測(cè)傳輸信號(hào)則載波相位基本保持不變，并且噪聲能量降低.差分解調(diào)后信號(hào)帶寬變成了基帶信號(hào)帶寬的兩倍.在不存在碼間干擾ISI時(shí),帶寬為（1+)f的理想低通濾波器被用來濾出頻率在2f周圍的帶通信號(hào)；而這里的低通濾波器采用理想矩形特性的濾波器。4。1。3鑒頻器解調(diào)鑒頻器解調(diào)的原理框圖如圖4-3所示。此電路由帶通濾波器、限幅器、鑒頻器、積分—取樣-猝熄電路，模2—判決器以及并/串變換器等組成。BPF限幅鑒頻BPF限幅鑒頻積分-取樣-猝熄模2-判決并/串圖4—3PI/4—QPSK鑒頻器解調(diào)的原理框當(dāng)鑒頻器的輸入信號(hào)為時(shí),鑒頻器的輸出信號(hào)為（4-9）此信號(hào)經(jīng)積分、取樣后，得:(4-10)根據(jù)相位差即可判決出傳輸?shù)臄?shù)據(jù).為了按照表3-1的規(guī)則進(jìn)行解碼，這里應(yīng)該在判決之前先進(jìn)行模2校正。模2算法可歸納為：（4—11)例如：當(dāng)，時(shí),，這時(shí)應(yīng)判決傳輸數(shù)據(jù)為1，-1；當(dāng)時(shí)，，這時(shí)應(yīng)判傳輸數(shù)據(jù)為1，1；當(dāng),時(shí)，4,這時(shí)應(yīng)判傳輸數(shù)據(jù)為—1，1。這種解凋電路所用的濾波器應(yīng)與差分解調(diào)電路所用的濾波器一樣考慮，一般也才用升余弦滾降帶通濾波器。PI/4—QPSK的誤碼性能與它采用什么樣的解調(diào)方法以及它在什么樣的信道條件下工作有關(guān)，本文將在本章第4節(jié)具體講述.4.2非相干解調(diào)與相干解調(diào)性能比較在衰落信道中，差分解調(diào)及鑒頻器解調(diào)與相干解調(diào)相比硬件電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定。但是在高斯衰減信道中差分解調(diào)與相干解調(diào)相比多2-3dB的衰落.為了更好的了解非相干檢測(cè)的原理及性能，本文在此對(duì)相干解調(diào)作了簡(jiǎn)要的介紹：BPFCRLPFLPFSTRBPFCRLPFLPFSTR檢波檢波差分解碼并串B圖4—4PI/4-QPSK相干解調(diào)的原理框圖相干PI/4—QPSK調(diào)制解調(diào)器框圖如圖4—4所示。在該解調(diào)中，每個(gè)直接采樣的調(diào)制信號(hào)只有兩階，缺省了三階.對(duì)于二階采樣信號(hào)在信噪比很高的情況下,同相支路和正交支路信號(hào)的能量相當(dāng)。對(duì)于三階信號(hào)只有一路信號(hào)包含噪聲，兩極信號(hào)之間能量具有很大差別。在同步鎖存前提下，相干解調(diào)的操作如下所示，當(dāng)信號(hào)為兩極時(shí)開關(guān)打到A位置，與QPSK的解調(diào)方法相同;當(dāng)信號(hào)為三階時(shí)，開關(guān)打到B位置，解調(diào)出的信號(hào)為:（4-12）Y(4-13)解調(diào)信號(hào)(X）與(X)相比有的相移。3-2階的相對(duì)相移轉(zhuǎn)換使得星座圖在’＊'，’+’之間來回轉(zhuǎn)變。由于同相支路和正交支路中的噪聲是不相關(guān)的，所以噪聲能量變?yōu)樵瓉淼膬杀?，因此相干PI/4-QPSK的BER與相干QPSK的相同。如果當(dāng)前信號(hào)在’+’位置上，而前一個(gè)信號(hào)在’+’位置上就能夠正確地解碼;但是有時(shí)當(dāng)前信號(hào)在’+’位置上，前一個(gè)信號(hào)在’*’位置上,解碼數(shù)據(jù)必須相移，即：I=QQ=I的補(bǔ)數(shù)（4—14)正確的數(shù)據(jù)可由一分為二的信號(hào)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘解調(diào)出來。時(shí)鐘相位與采樣信號(hào)的開關(guān)電路是同步的.同相支路和正交支路信號(hào)由采樣時(shí)鐘控制進(jìn)行并變串變換.PI/4-QPSK信號(hào)的相干解調(diào)不如非相干解調(diào)容易實(shí)現(xiàn)，而且在衰落信道中，其抗隨機(jī)調(diào)頻的能力也比較差，因而在移動(dòng)環(huán)境中通信，非相干解調(diào)常常被采用。但是就抗噪聲的靜態(tài)特性而言,相干解調(diào)的誤碼性能比非相干解調(diào)好約2—3dB，因此為了提高通信系統(tǒng)的功率效率,有不少場(chǎng)合，包括移動(dòng)環(huán)境，人們?nèi)匀幌Ｍ捎孟喔山獾?關(guān)鍵的問題是如何采取措施使接收端能夠獲得優(yōu)良相干載波。目前為止，在無線通信方面，在應(yīng)用到PI/4-QPSK的場(chǎng)合基本上還是應(yīng)用非相干檢測(cè)。4。3信道非線性對(duì)線性調(diào)制的影響在無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)功耗是非常重要的問題。由于使用電池供電，要求系統(tǒng)達(dá)到盡可能高的能源利用率，所以射頻放大器常常采用高效率放大器，同時(shí)也是非線性的。實(shí)際上，即使線性的放大器(如A類）也難免進(jìn)入飽和區(qū),從而具有一定程度的非線性。射頻放大器非線性將會(huì)引起幅度與相位失真,輸入信號(hào)幅度變化同時(shí)導(dǎo)致輸出信號(hào)的幅度與相位非線性變化，稱為AM-AM與AM-PM效應(yīng)。具體來講信道非線性對(duì)線性調(diào)制的影響有:（1）自干擾。高階非線性將會(huì)濾波消除的碼間干擾出現(xiàn)。即使沒有外部噪聲,由于自干擾也將使星座圖中的星座點(diǎn)擴(kuò)散,惡化誤碼率性能。(2）AM—AM與AM-PM效應(yīng)。輸入幅度變化將引起輸出信號(hào)非線性變化與相移。QPSK星座圖雖然表示基帶符號(hào)為恒幅度，但濾波將使信號(hào)幅度不再恒定，如果星座圖中相鄰符號(hào)有180度變化，濾波后信號(hào)包絡(luò)會(huì)出現(xiàn)零值.(3）頻譜再生.雖然濾波改善了信號(hào)頻譜特性，但高功率放大器的非線性使被濾掉的邊帶重新出現(xiàn)，稱為頻譜再生。這是對(duì)線性調(diào)制最致命的影響,它使輸出信號(hào)達(dá)不到移動(dòng)通信的帶外輻射要求。如果頻譜再生影響太嚴(yán)重，就只能采用非線性調(diào)制.分析表明，非線性通過信號(hào)幅度波動(dòng)起作用。那么要減小非線性影響,就要從減小信號(hào)幅度波動(dòng)入手。PI/4-QPSK是應(yīng)用非常廣泛的調(diào)制方式,它通過限制相鄰符號(hào)的相位變化來降低非線性影響.從其星座圖可以看出，它的相鄰符號(hào)間最多出現(xiàn)135度的變化，不會(huì)通過星座圖中心.這樣濾波后就不會(huì)出現(xiàn)零包絡(luò)現(xiàn)象。PI/4—QPSK星座圖可以看成兩個(gè)QPSK星座圖（分別以空心圓圈與實(shí)心圓圈表示)交錯(cuò)移位PI/4后的疊加,星座點(diǎn)轉(zhuǎn)化發(fā)生在兩個(gè)QPSK星座圖之間.增大的星座圖使載波恢復(fù)難度加大，而且PI/4—QPSK并沒有消除幅度波動(dòng)，采用PI/4—QPSK的系統(tǒng)還得采用線性度較好的高功率放大器來避免頻譜再生現(xiàn)象.總的來說PI/4-QPSK具有很好的綜合性能，使用非常廣泛。4.4PI/4-QPSK的誤碼性能分析在PI/4-QPSK數(shù)字調(diào)制中,可以認(rèn)為其四個(gè)信號(hào)相量把相位平面劃分四等份，每一等份的相位間隔代表一個(gè)傳輸信號(hào)。在沒有噪聲的情況下，每一信號(hào)相位都有相應(yīng)的確定值，即每一信號(hào)相位間隔為。若疊加有噪聲，則合成波形的相位將按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律隨機(jī)變化,這時(shí)若發(fā)送信號(hào)的基準(zhǔn)相位為零相位,且合成波形的相位在下列范圍變化（4-15)則不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤判決。反之，如果合成波形的相位在下列范圍內(nèi)變化（4—16）則會(huì)造成錯(cuò)誤判決。假設(shè)發(fā)送每一個(gè)信號(hào)的概率是相等的，且令信號(hào)與噪聲的合成波形的相位服從一維概率密度,則系統(tǒng)的誤碼率為：（4-17)當(dāng)PI/4—QPSK合成波形疊加高斯噪聲后,一維概率密度為：(4-18)式中：r為信號(hào)噪聲功率比；積分式為概率積分。將式（4-18)代入式（4—17）即可得?？梢娬`碼率是輸入信噪比r及PI/4—QPSK相位數(shù)的函數(shù)。在同樣信噪比情況下，隨PI/4-QPSK相位數(shù)的增加而增加。對(duì)于PI/4-QPSK可得為:（4—19）對(duì)于PI/4—QPSK調(diào)制，當(dāng)信噪比足夠大時(shí)，誤碼率可近似表示為：(4-20）對(duì)于相對(duì)相移PI/4—QPSK系統(tǒng)的性能，同樣可按以上原理導(dǎo)出。不過由于相對(duì)相移是利用前一碼元信號(hào)的相位作為參考相位的,所以參考相位也是受擾的。假設(shè)前一碼元信號(hào)的相位為，合成波形的相位在下列范圍內(nèi)變化（4-21）由于噪聲的影響,前一碼元信號(hào)的相位也是隨機(jī)變化的,若其概率密度為，則系統(tǒng)總的誤碼率為:(4—22）利用上式直接求誤碼率，也是十分困難的，對(duì)于相對(duì)相移PI/4—QPSK其疊加波形疊加高斯噪聲時(shí)，則可得誤碼率的近似表達(dá)式為：（4—23）當(dāng)然，PI/4-QPSK的誤碼性能還與其采用什么樣的調(diào)制方法以及他在什么樣的信道條件下工作有關(guān)。在第五章中將依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)三種差分解調(diào)方式在加入高斯白噪聲的信道條件下進(jìn)行誤碼性能分析。4.5本章小結(jié)本章主要討論了PI/4—QPSK信號(hào)的差分解調(diào)方法，包括基帶差分解調(diào)、中頻差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)，為了更好的了解PI/4—QPSK的解調(diào)性能，本章提及了PI/4—QPSK的相干解調(diào)性能，然后對(duì)信道非線性對(duì)線性調(diào)制的影響及PI/4-QPSK的誤碼性能進(jìn)行了分析,信號(hào)在具體信道中的解調(diào)性能比較將在下一章中借助實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體分析.第五章試驗(yàn)仿真結(jié)果與分析Matlab作為一種科學(xué)計(jì)算軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算仿真功能，本文即是采用Matlab來編程仿真PI/4—QPSK的調(diào)制解調(diào)過程的。在仿真過程中，用高斯白噪聲模擬信道干擾，通過在不同信噪比下對(duì)比PI/4-QPSK的三種不同解調(diào)方案產(chǎn)生的波形來進(jìn)行分析。本實(shí)驗(yàn)采用的基帶信號(hào)頻率=200Hz，采樣頻率=8kHz，載波頻率=800Hz。根據(jù)調(diào)制解調(diào)原理，得出不同解調(diào)方案下信號(hào)的時(shí)域圖、頻域圖、功率譜密度圖、眼圖及誤碼率曲線圖等；5。1PI/4-QPSK的調(diào)制仿真結(jié)果與分析本節(jié)將通過MATLAB仿真分析PI/4—QPSK調(diào)制器的基帶信號(hào)時(shí)域圖、星座圖；經(jīng)串/并變換后的同相支路、正交支路信號(hào)時(shí)域圖及編碼波形圖.PI/4—QPSK的串行基帶信號(hào)(圖5-1)經(jīng)過串/并變換轉(zhuǎn)換為同相支路信號(hào)（圖5-2）和正交支路信號(hào)（圖5-3)兩路并行信號(hào)。然后按PI/4-QPSK相對(duì)編碼規(guī)則對(duì)兩支路的比特流進(jìn)行編碼，編碼結(jié)果如圖5—5所示.信號(hào)相位變化的圖5-1PI/4—QPSK基帶信號(hào)時(shí)域圖圖5—2PI/4-QPSK同相支路輸入信號(hào)時(shí)域圖圖5—3PI/4—QPSK正交支路輸入信號(hào)時(shí)域圖圖5-4PI/4-QPSK星座圖圖5-5同相支路和正交支路編碼信號(hào)時(shí)域圖快慢反映了原二進(jìn)制絕對(duì)碼的信息。圖5—4為PI/4—QPSK信號(hào)星座圖，圖中有八個(gè)相位狀態(tài),可以認(rèn)為這八個(gè)相位點(diǎn)是由兩個(gè)QPSK信號(hào)迭加而成的。相位跳變被限制在四個(gè)相位點(diǎn)之間，每個(gè)信號(hào)只用其中的一個(gè)QPSK星座點(diǎn)傳送出去，全部狀態(tài)遷移在兩組QPSK信號(hào)相位狀態(tài)之間完成。圖5—6為同相支路信號(hào)經(jīng)過升余弦滾降低通濾波器后輸出數(shù)據(jù)的時(shí)域波形圖，與圖5—5中同相支路信號(hào)經(jīng)過升余弦滾降低通濾波器前的時(shí)域圖相比可以看出數(shù)據(jù)經(jīng)過升余弦滾降低通濾波器（升余弦滾降低通濾波器的幅頻特性曲線見附錄1圖1）后波形由尖銳陡峭變得平滑，從而使信號(hào)的功率譜變得更加收斂.圖5—6同相支路編碼信號(hào)通過低通濾波時(shí)域圖分別對(duì)同相支路、正交支路兩支路通過升余弦滾降低通濾波器后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制（見附錄1圖2所示)。然后對(duì)同相支路、正交支路兩支路信號(hào)進(jìn)行疊加，即得到PI/4—QPSK的已調(diào)信號(hào)如圖5-7所示。將信號(hào)發(fā)射到信道，在此采用高斯白噪聲來模擬信道的影響。當(dāng)采用噪聲系數(shù)為0。2的高斯白噪聲時(shí)，加噪后的已調(diào)信號(hào)如圖5-8所示。圖5-7PI/4-QPSK已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖圖5-8加噪已調(diào)信號(hào)時(shí)域圖為了更好的了解已調(diào)信號(hào)的性能，又分別繪制出了其功率譜密度曲線(見圖5-9所示）、頻譜圖(見附錄1圖3所示）及加噪后的已調(diào)信號(hào)頻譜圖(見附錄1圖4所示)。圖5—9已調(diào)信號(hào)功率譜密度圖5。2PI/4—QPSK的解調(diào)仿真結(jié)果與分析信號(hào)通過信道傳輸，從理論分析,相干載波的提取將使相干解調(diào)的誤碼性能較非相干解調(diào)高出約2-3dB，但是由于在無線通信中接收信號(hào)受到嚴(yán)重的衰落,提取出來的載波質(zhì)量往往達(dá)不到要求,所以PI/4—QPSK的相干解調(diào)在實(shí)際中應(yīng)用較少，所以本試驗(yàn)分別采用了基帶差分解調(diào)、中頻差分解調(diào)合鑒頻器解調(diào)三種非相干解調(diào)方法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。5。2.1基帶差分解調(diào)基帶差分解調(diào)原理圖見圖4—1,接收端的信號(hào)與發(fā)射端載波信號(hào)具有相同載波頻率的本地振蕩器進(jìn)行相乘解調(diào),信號(hào)被解調(diào)到原基頻范圍（如圖5-10所示)。利用升余弦滾降低通濾波器對(duì)其進(jìn)行低通濾波可得如圖5-11所示的解調(diào)信號(hào)(圖5—10、5-11中只給出了同相支路信號(hào)，相對(duì)應(yīng)正交支路信號(hào)見附錄1圖5、圖6所示)。圖5-10同相支路解調(diào)信號(hào)時(shí)域圖圖5-11同相支路解調(diào)信號(hào)低通濾波后信號(hào)時(shí)域圖由于Matlab能夠顯示的時(shí)域波形數(shù)目有限(如圖5-11所示），而隨機(jī)噪聲存在一定的偶然性,所以數(shù)量不多的時(shí)域波形不適宜用來表示調(diào)制方式的誤碼性能.針對(duì)這種情況，為了更直觀的看出基帶差分解調(diào)的性能,圖5—13給出了不同信噪比下基帶差分解調(diào)的誤碼率。為了較準(zhǔn)確的反映解調(diào)方式的誤碼性能，程序中選用了一萬個(gè)碼元進(jìn)行試驗(yàn)，以2dB信噪比為間隔繪制出了信噪比為0-14dB的八點(diǎn)誤碼率，對(duì)其進(jìn)行連接,繪制出大略的誤碼率曲線圖.圖5-12信號(hào)輸出時(shí)域圖（噪聲系數(shù)0。2)圖5—13基帶差分解調(diào)誤碼率曲線圖5。2.2中頻差分解調(diào)基帶差分解調(diào)原理圖見圖4—2，由于對(duì)頻帶的衰落要求較為嚴(yán)格，在原理圖中的帶通濾波器選為升余弦滾降帶通濾波器（其幅頻特性曲線見附錄1圖7所示）。其濾波后的信號(hào)時(shí)域圖如圖5-14所示、頻譜圖如圖5-15所示.將經(jīng)過帶通濾波后的信號(hào)相移存在的問題:由于在計(jì)算機(jī)軟件模擬中傳輸過來的濾波后的信號(hào)只是每一采樣點(diǎn)上信號(hào)的數(shù)量值，而非真正圖5—14加噪已調(diào)信號(hào)經(jīng)濾波后信號(hào)時(shí)域圖圖5-15加噪已調(diào)信號(hào)經(jīng)濾波后信號(hào)頻域圖的余弦信號(hào)，如果直接對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行相移,則由于每一個(gè)數(shù)量值可視為對(duì)應(yīng)著兩個(gè)余弦相位，將導(dǎo)致相移后的信號(hào)解調(diào)紊亂。程序設(shè)計(jì)解決方法：在初始調(diào)制時(shí)即對(duì)信號(hào)進(jìn)行相移，然后對(duì)其進(jìn)行與原信號(hào)相同條件的處理。即可得到符合要求得相移信號(hào)。其信號(hào)時(shí)域波形圖如圖5—16所示.將經(jīng)過帶通濾波后的信號(hào)延遲的實(shí)現(xiàn)方法:把原濾波后的余弦信號(hào)數(shù)組從第二個(gè)數(shù)開始進(jìn)行處理。中頻差分解調(diào)所要求采用的低通濾波器為理想低通濾波器，通過理想低通濾波器前后的信號(hào)頻譜圖如圖5-17所示。其中，虛線為理想濾波前信號(hào)的頻譜線，實(shí)線為經(jīng)理想濾波器后的頻譜線。由圖可以很清晰的看到信號(hào)的高頻分量被濾除.圖5—16已調(diào)信號(hào)相移后信號(hào)時(shí)域圖圖5—18為與圖5—13在相同條件下繪制的中頻差分解調(diào)誤碼率曲線圖，其12dB及14dB處沒有誤碼率曲線，表明中頻差分解調(diào)從10—12dB的某點(diǎn)處開始不再存在誤碼。圖5-17理想低通濾波前后信號(hào)頻域圖5。2.3鑒頻器解調(diào)基帶差分解調(diào)原理圖見圖4-2，信號(hào)經(jīng)過與中頻差分解調(diào)方式下相同的圖5-18中頻差分解調(diào)誤碼率曲線圖升余弦滾降濾波器后,信號(hào)被送到鑒頻器，以輸出相位的微分變化.對(duì)信號(hào)進(jìn)行鑒頻存在的問題:由于應(yīng)用本軟件存在單點(diǎn)微分誤差很大的情況，一般不推薦對(duì)本軟件進(jìn)行單點(diǎn)微分.即使能夠使用單點(diǎn)微分，但是由于其誤差過大,將導(dǎo)致鑒頻器解調(diào)達(dá)不到規(guī)定的要求，即使軟件模擬的鑒頻器解調(diào)性能惡化，很可能還不及中頻差分解調(diào)的性能。程序設(shè)計(jì)解決方法：在調(diào)制階段,將信號(hào)相位以2為周期記錄信號(hào)的周期數(shù)，針對(duì)不同的情況再對(duì)所記錄的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，然后在解調(diào)時(shí)，先解出信號(hào)在2周期內(nèi)的相位值，再乘以經(jīng)調(diào)整后的數(shù)值，其結(jié)果相當(dāng)于對(duì)信號(hào)進(jìn)行了較精確的鑒頻.其時(shí)域圖見圖5-19所示。圖5—19信號(hào)鑒頻輸出時(shí)域圖圖5—20為與圖5-12在相同條件下繪制的鑒頻器解調(diào)誤碼率曲線圖，其8dB處后沒有誤碼率曲線，表明鑒頻器解調(diào)從8—10dB的某點(diǎn)處開始不再存在誤碼.圖5-20鑒頻器解調(diào)誤碼率曲線圖5.3不同解調(diào)方式下性能分析由于各種非相干解調(diào)方法自身均存在著一定的不可克服的缺陷，使得各種解調(diào)方法在解調(diào)性能方面存在著一定的限制，本小節(jié)將在高斯白噪聲信道條件下對(duì)不同的調(diào)制方法進(jìn)行對(duì)比分析。5.3。1從眼圖方面分析眼圖給出了系統(tǒng)性能的一種定性量度。明晰張開的眼孔通常表明好的性能,而模糊的眼孔通常表明差的性能。此外，眼孔的大小跟符號(hào)同步器所要求的精度有關(guān)。圖5-21為基帶差分解調(diào)方式下噪聲系數(shù)為0。1時(shí)產(chǎn)生的眼圖，從圖中可以看出PI/4-QPSK的基帶差分解調(diào)能過產(chǎn)生較明晰的眼圖，從而表明此解調(diào)方式性能比較優(yōu)良。圖5—22為中頻差分解調(diào)方式下噪聲系數(shù)為0.1時(shí)產(chǎn)生的眼圖,與圖5-21基帶差分解調(diào)眼圖相比圖5-22具有更明晰的眼孔，表明中頻差分解調(diào)的性能要優(yōu)于基帶差分解調(diào)的性能。圖5—21基帶差分解調(diào)眼圖圖5—22中頻差分解調(diào)眼圖根據(jù)鑒頻器解調(diào)的解調(diào)原理,信號(hào)的判決是依據(jù)經(jīng)過模2處理的前后信號(hào)的相位差，繪制其眼圖并無太大的實(shí)際意義，所以在此省去了鑒頻器眼圖的繪制。5。3。2從誤碼率曲線對(duì)比分析圖5-23將三種解調(diào)方式的誤碼率曲線圖放到一起進(jìn)行對(duì)比.從圖中可以很清晰的看到在相同信噪比下，鑒頻器解調(diào)的誤碼率最低，中頻差分解解調(diào)的誤碼率次之,基帶差分解調(diào)的誤碼率最高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高斯白噪聲信道中,基帶差分解調(diào)的性能最差，中頻差分解調(diào)的性能較好，鑒頻器解調(diào)的性能最優(yōu)。聯(lián)系實(shí)際硬件系統(tǒng)進(jìn)行分析，當(dāng)信道相當(dāng)于高斯白噪聲信道時(shí)，一般情況下基帶差分解調(diào)的誤碼性能最差是因?yàn)槠浣庹{(diào)時(shí)需要本地振蕩器產(chǎn)生本地正交載波，此正交載波要求與輸入信號(hào)具有相同的載波頻率,但是實(shí)際信道中很難保證兩者不會(huì)存在頻差,而兩者的頻差會(huì)引起相位的漂移，從而使解調(diào)性能惡化;中頻差分解調(diào)次之，雖然中頻差分解調(diào)不需要本地振蕩器，但是由于其利用的是前后兩個(gè)信號(hào)間的關(guān)系，所以其可能會(huì)受到碼間干擾的影響，雖然對(duì)該調(diào)制方式的帶通濾