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1、实验二 交错四相移相键控（OQPSK ）调制及解调实验12一、 实验目的1、了解 OQPSK 调制解调原理及特性2、了解载波在 QPSK 相干及非相干时的解调特性3、与 QPSK 调制对比，掌握它们的差别二、 实验内容1、观察 I、Q 两路基带信号的特征及与输入 NRZ 码的关系。2、观察 IQ 调制解调过程中各信号变化。3、观察 QPSK 调制及 OQPSK 调制各信号的区别。4、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。三、 基本原理OQPSK 又叫偏移四相相移键控，它是基于 QPSK 的一类改进型，为了克服 QPSK 中过零点的相位跃变特性，以及由此带来的幅度起伏不恒定和频带的展宽（通过
2、带限系统后）等一系列问题。若将 QPSK 中并行的 I，Q 两路码元错开时间（如半个码元） ，称这类QPSK 为偏移 QPSK 或 OQPSK。通过 I、Q 两路码元错开半个码元调制之后的波形，其载波相位跃变由 180降至 90，避免了过零点，从而大大降低了峰平比和频带的展宽。下面通过一个具体的例子说明某个带宽波形序列的 I 路，Q 路波形，以及经载波调制以后相位变化情况。若给定基带信号序列为1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1对应的 QPSK 与 OQPSK 发送波形如图 2-1 所示。1 -1-11-11-1111-1 1-111-11-1-111-11-1位I位QPSK,OPS
3、K位QPSK位OQPSK图 2-1 QPSK,OQPSK 发送信号波形图 2-1 中，I 信道为奇数数据单元，Q 信道为偶数数据单元，而 OQPSK 的 Q 信道与其I 信道错开（延时）半个码元。QPSK，OQPSK 载波相位变化公式为* ()3arctn,44jij itIMERGEFORMAT 2(2-2)QPSK 数据码元对应的相位变化如图 2-2 所示，OQPSK 数据码元对应相位变化如图 2-3 所示 I位Q位+1-1+1-10Q位+1-1+1-10(-1,)(-1,-) (1,-)(1,)(-1,-)(-1,) (1,)(1,-) I位图 2-2 QPSK 相位变化图 图 2-3
4、OQPSK 相位变化图对于 QPSK 数据码元对的相位变换由图 2-1 和 2-2 求得为：可见，在(1,-) (-1,)(1,)(1,-) (1,-)(-1,)()4()34()4()4()34()422位位位 位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 2-3 求得为：可见，在(1,-) (1,)(-1,)(1,) (1,)(-1,)()4 22位位位 位(1,-) (1,-)(-1,)(1,)(-1,)()4()342222 22 ()34()4()4()34()34 ()4()4()400QPSK 中，仅存在小于 90的相位跃变，而不存在过零点跃
5、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 2-4、2-5 所示。图 2-4 串 并 变 换 电 平 产 生电 平 产 生 载 波发 生 器移 相 90o二 进 制 信 息 OQPSK信 号I(t)Q(t)延 时 Ts/2 cosAtsinAtOQPSK 调制器框图 图 2-5 并 串 变 换载 波发 生 器移 相 90o 二 进 制 信 息OQPSK信 号 整 形 判 决整 形 判 决位 定 时
6、恢 复 延 时 Ts/2OQPSK 相干解调器框图QPSK 和 OQPSK 两种调制方式在码分多址系统中获得了广泛的用。在 IS-95 系统的前向链路中采用的是 QPSK 的调制方式，在反向链路中采用的 OQPSK 的调制方式。四、 实验原理1、实验模块简介（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生 PN31 伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ 调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的 IQ 基带信号中恢复位同步
7、，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK 载波恢复模块：本模块主要功能：与 IQ 调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复 PSK 已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。2、实验框图及电路说明a、OQPSK 调制实验P N 3 1N R Z I N串 / 并转换波形选择地址生成器乘法器（ M C 1 4 9 6 ）加法器（ 运放 ）波形选择地址生成器乘法器（ M C 1 4 9 6 ）D / A 转换器（ D A C 0 8 3 2 ）E E P R O M（ A T 2 8 6 4 ）D / A 转换器（ D A C 0 8 3 2
8、）E E P R O M（ A T 2 8 6 4 ）数字信源B SN R Z - IN R Z - QQ - O U TI - O U TI - I NQ - I NIQS I NC O S输出O Q P S K信号延迟2 1 . 4 M载波反相输出二分频二分频图 2-6 OQPSK 调制实验框图基带成形模块产生的 PN 码（由 PN31 端输出，码型为 111100010011010）输入到串并转换电路中（由 NRZ IN 端输入）进行串并转换，输出的 I、Q 两路数字基带信号（观测点为 NRZ-I，NRZ-Q） ，I 路直接连接到波形地址选择生成器，Q 路延迟半个码元，也连接到IQ 调制
9、基带成型波形预取电路判断，取出相应的模拟基带波形数据，经 D/A 转换后输出。 b、OQPSK 解调实验乘法器（ M C 1 4 9 6 ）乘法器（ M C 1 4 9 6 ）输入S I NC O S低通滤波低通滤波O Q P S K 信号整形整形抽样判决位同步恢复并 / 串变换抽样判决Q - I NQ - O U TI - O U T I - I NB SN R ZIQ延迟反相 二分频二分频输入载波图 2-7 OQPSK 解调实验框图OQPSK 解调实验框图如图 2-7 所示。OQPSK 已调信号送入 IQ 调制解调模块中的 IQ解调电路分别进行 PSK 相干解调，相干载波由调制端的本振源经
10、正交分频产生。解调输出的 I、Q 两路模拟基带信号送入码元再生模块进行抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换后输出。抽样判决前 I、Q 两路信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。五、 实验步骤1、 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块） 、IQ 调制解调模块（以下简称 IQ 模块） 、码元再生模块（以下简称再生模块）和 PSK 载波恢复模块。2、 OQPSK 调制实验。a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接：源端口 目的端口 连线说明基带模块：PN31 基带模块：NRZ IN 提供 PN31 伪随机序列基带模块：I-OUT IQ 模块： I-IN 串并变换后的
11、I 路信号输入基带模块：Q-OUT IQ 模块： Q-IN 串并变换后的 Q 路信号输入b、按基带成形模块上“选择”键，选择 OQPSK 模式（OQPSK 指示灯亮） 。c、用示波器观察基带模块上“I-OUT”及“Q-OUT”测试点，并分别与“NRZ IN”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况d、用频谱分析仪观测调制后 OQPSK 信号频谱（可用数字示波器上 FFT 功能替代观测），观测点为 IQ 模块调制单元的 “输出”端（TP4）3、 OQPSK 相干解调实验。a、关闭实验箱总电源，保持步骤 2 中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：源端口 目的端口IQ 模块（ IQ 调制单元）：输出
12、（J2）IQ 模块（ IQ 解调单元）：输入（J3）IQ 模块 (载波单元 )：输出（J5） IQ 模块 (载波单元 )：输入（J4）b、示波器探头分别接 IQ 解调单元上的 “I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调波形。c、对比观测解调前后 I 路信号IQ 解调 码元再生示波器探头分别接 IQ 模块的 “I-OUT”端及“I-IN ”端，注意观察两者是否一致。d、对比观测原始 Q 路信号与解调后 Q 路信号示波器探头分别接 IQ 模块的 “Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。4、 OQPSK 再生信号观察a、关闭实验箱总电源，保持步骤 2、3 中的连线不变，用台阶插座线完
13、成如下连接：源端口 目的端口 连线说明IQ 模块： I-OUT 再生模块：I-IN 将解调后的 I 路信号进行抽样判决IQ 模块： Q-OUT 再生模块：Q-IN 将解调后的 Q 路信号进行抽样判决b、按再生模块上“选择”键，选择 OQPSK 模式（OQPSK 指示灯亮） 。c、对比观测原始 NRZ 信号与再生后的 NRZ 信号示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤 2 重新实验。5、 观测载波非相干时信号波形断开 IQ 模块上载波 “输出” 端与该模块上载波“输入” 视频线，将 IQ 模块上载波“输入
14、”端与 PSK 载波恢复模块上“VCO-OUT ”端连接起来，此时载波不同步。六、 思考题QPSK 及 OQPSK 基带信号有什么区别？这些区别产生了什么结果？答：QPSK 调制与 OQPSK 调制类似，所不同的是 OQPSK 的基带信号在正交支路引入了半个码元的时延，这使得两个之路的数据不会同时发生变化，因而不会像 QPSK 那样产生 的相位跳变，而仅能产生 的相位跳变。因此 OQPSK 频谱旁瓣要低于2QPSK 信号的旁瓣。7、参考实验连线及测试曲线“I-OUT”与“NRZ IN”测试点的信号进行对比：“Q-OUT”测试点与“NRZ IN ”测试点的信号进行对比：调制后 OQPSK 信号频
15、谱：IQ 解调单元上的“I-OUT”及 “Q-OUT”端的解调波形：IQ 模块的 “I-OUT”端及“I-IN”端的输出波形：IQ 模块的 “Q-OUT”端及“Q-IN”端：再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端：5.观测载波非相干时信号波形“I-OUT”与“NRZ IN”测试点的信号进行对比：“Q-OUT”与“NRZ IN”测试点的信号进行对比：调制后 OQPSK 信号频谱：IQ 解调单元上的“I-OUT”及 “Q-OUT”端的解调波形：IQ 模块的 “I-OUT”端及“I-IN”端的输出波形：IQ 解调单元上的“I-OUT”及 “Q-OUT”端的解调波形：再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端：
