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一、实验目的1. 了解移相键控（PSK）调制解调原理，掌握其调制和解调方法。
2. 掌握M序列的性能、实现方法及其在通信系统中的应用。
3. 学习使用移相键控实验设备，验证实验原理和实验方法。
4. 掌握2PSK系统主要性能指标的测试方法。
二、实验原理移相键控（PSK）是一种数字调制方式，通过改变载波的相位来传输数字信息。
PSK 调制和解调原理如下：1. 调制：将数字信息映射到载波的相位上，实现数字信息的传输。
常用的PSK调制方式有BPSK、QPSK、8PSK等。
2. 解调：对接收到的信号进行相位检测，恢复出原始数字信息。
常用的解调方法有相干解调和非相干解调。
M序列是一种具有良好自相关特性的伪随机序列，广泛应用于通信系统中的同步、码分复用等场合。
三、实验仪器1. 移相键控实验设备：包括M序列发生器、调制器、解调器、示波器等。
2. 直流稳压电源、信号发生器、频率计等。
四、实验内容1. M序列性能测试（1）观察M序列发生器输出波形，记录M序列的周期、自相关特性等。
（2）使用示波器观察M序列与参考信号之间的相位差，验证M序列的自相关特性。
2. 2PSK调制解调实验（1）将M序列信号作为输入，通过调制器实现2PSK调制。
（2）使用示波器观察调制后的信号波形，记录信号的主要参数。
（3）将调制后的信号作为输入，通过解调器实现2PSK解调。
（4）使用示波器观察解调后的信号波形，记录信号的主要参数。
3. 同相正交环实验（1）观察同相正交环电路的组成，了解其工作原理。
（2）将调制后的信号作为输入，通过同相正交环电路实现相位检测。
（3）使用示波器观察同相正交环电路输出波形，记录信号的主要参数。
4. 性能指标测试（1）测量调制信号的频率、幅度等参数。
（2）测量解调信号的频率、幅度等参数。
（3）计算调制信号和解调信号的误码率。
五、实验结果与分析1. M序列性能测试实验结果表明，M序列发生器输出波形符合预期，周期、自相关特性等参数符合理论分析。
实验二四相移相键控（QPSK ）调制及解调实验一、 实验目的1、了解QPSK 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。
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、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。
三、 基本原理（说明：原理部分需简要介绍）1、QPSK 调制原理QPSK 的调制有两种产生方法相乘电路法和选择法。
相乘法：输入信号是二进制不归零的双极性码元，它通过“串并变换”电路变成了两路码元。
变成并行码元后，每个码元的持续时间是输入码元的两倍。
用两路正交载波去调制并行码元。
发射信号定义为：⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-+=其他,00],4)12(2cos[/2)(b t T t i ft t E t S ππ其中，i ＝1，2，3，4；E 是发射信号的每个符号的能量，T 为符号的持续时间，载波频率f 等于nc/T ，nc 为固定整数选择法输入基带信号经过串并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ab ，决定选择哪个相位的载波输出2、QPSK 解调原理QPSK 接收机由一对共输入地相关器组成。
这两个相关器分别提供本地产生地相干参考信号()t 1φ和()t 2φ。
四、实验步骤（说明：要详细）（1）QPSK 调制程序close all% x1是类似[1 1 -1 -1 -1 -1 1 1]的分布,作用是控制相位的180°反转。
%由于仿真中载波的频率是f=1Hz，所以1s的间隔内有一个完整周期的正弦波。
t=[-1:0.01:7-0.01]; % t共800个数据，-1~7st1=[0:0.01:8-0.01]; %t1也是800个数据点，0 ~8stt=length(t); % tt=800x1=ones(1,800);for i=1:ttif (t(i)>=-1 & t(i)<=1) | (t(i)>=5& t(i)<=7);x1(i)=1;else x1(i)=-1;endendt2 = 0:0.01:7-0.01; %t2是700个数据点，是QPSK_rc绘图的下标t3 = -1:0.01:7.1-0.01; %t3有810个数据点，是i_rc的时间变量t4 = 0:0.01:8.1-0.01; %t4有810个数据点，是q_rc的时间变量tt1=length(t1);x2=ones(1,800); %x2是类似于[1 1 -1 -1 1 1 1 1]的分布,作用是控制相位的180°反转for i=1:tt1if (t1(i)>=0 & t1(i)<=2) | (t1(i)>=4& t1(i)<=8);x2(i)=1;else x2(i)=-1;endendf=0:0.1:1;xrc=0.5+0.5*cos(pi*f); %xrc是一个低通特性的传输函数y1=conv(x1,xrc)/5.5; %y1和x1 实际上没什么区别，仅仅是上升沿、下降沿有点过渡带y2=conv(x2,xrc)/5.5; % y2和x2 实际上没什么区别，仅仅是上升沿、下降沿有点过渡带n0=randn(size(t2));f1=1;i=x1.*cos(2*pi*f1*t); % x1就是I dataq=x2.*sin(2*pi*f1*t1); %x2就是Q dataI=i(101:800);Q=q(1:700);QPSK=sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q;QPSK_n=(sqrt(1/2).*I+sqrt(1/2).*Q)+n0;n1=randn(size(t2));i_rc=y1.*cos(2*pi*f1*t3); % y1就是I data，i_rc可能是贴近实际的波形,i则是理想波形q_rc=y2.*sin(2*pi*f1*t4); %y2就是Q data，q_rc可能是贴近实际的波形,q则是理想波形I_rc=i_rc(101:800);Q_rc=q_rc(1:700);QPSK_rc=(sqrt(1/2).*I_rc+sqrt(1/2).*Q_rc);QPSK_rc_n1=QPSK_rc+n1;subplot(3,1,1);plot(t3,i_rc);axis([-1 8 -1 1]);ylabel('a序列');subplot(3,1,2);plot(t4,q_rc);axis([-1 8 -1 1]);ylabel('b序列');subplot(3,1,3);plot(t2,QPSK_rc);axis([-1 8 -1 1]);ylabel('合成序列');（2）QPSK解调程序clear allclose allbit_in = randint(1e3, 1, [0 1]);bit_I = bit_in(1:2:1e3); %bit_I为”奇数序列”，奇数序列是同相分量，以cos为载波bit_Q = bit_in(2:2:1e3); %bit_Q是bit_in的所有偶数下标组成的”偶数序列”，以sin为载波data_I = -2*bit_I+1; % 将bit_I中的1变成-1，0变成1; 注意data_I是500点data_Q = -2*bit_Q+1; %将bit_Q中的1变成-1，0变成1data_I1=repmat(data_I',20,1); %将500行的列向量data_I的共轭转置data_I’复制为20*500的矩阵，20行数据是相同的。
题目相移键控（PSK）和差分相移键控（DPSK）的仿真与设计摘要计算机仿真软件在通信系统工程设计中发挥着越来越重要的作用。
利用MATLAB作为编程工具，设计了相移键控系统的模型，并且对模型的方针流程以及仿真结果都给出具体详实的分析，为实际系统的构建提供了很好的依据。
数字调制是通信系统中最为重要的环节之一，数字调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。
本文首先分析了数字调制系统的PSK和PSK的调制解调方法，然后，运用Matlab设计了这两种数字调制解调方法的仿真程序。
通过仿真，分析了这两种调制解调过程中各环节时域和频域的波形，并考虑了信道噪声的影响。
通过仿真更深刻地理解了数字调制解调系统基本原理。
最后，对两种调制解调系统的性能进行了比较。
关键词2PSK 2DPSK Matlab 设计与仿真1、设计内容、意义1.1了解MATLABMATLAB是一种交互式的以矩阵为基础的系统计算平台,它用于科学和工程的计算与可视化。
它的优点在于快速开发计算方法，而不在于计算速度。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，雇佣MATLAB可以进行矩阵、控制设计、信号处理与通信、图像处理、信号检测等领域。
目前，MATLAB集科学计算(computation) 、可视化(visualization)、编程(programming)于一身，并提供了丰富的Windows图形界面设计方法。
MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语言之一，近年来，MATLAB语言已在我国推广使用，现在已应用于各学科研究部门和高等院校。
1.2设计内容数字信号的传输可分为基带传输和带通传输，实际中的大多数的信道（如无线信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为基带信号往往具有丰富的低频分量，为了使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道相匹配，这种用基带信号控制载波，把数字基带信号变换成数字带通信号的过程称为数字调制。
题目：DQPSK调制解调技术的研究与实现学生姓名：学号：专业班级：指导教师：完成时间：目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 DQPSK调制技术与数字通信 (2)第二章DQPSK调制与解调原理分析 (5)2.1 DQPSK信号特点 (5)2.2 差分编码与解码原理 (10)2.3 FPGA实现方案 (12)第三章DQPSK信号调制 (14)3.1 调制器总体设计方案 (14)3.2 串并转换 (14)3.3 差分编码 (15)3.4 FIR滤波器设计 (17)3.5 数字载波 (18)第四章DQPSK信号解调 (20)4.1 解调器总体方案 (20)4.2 AD采样 (20)4.3 同步设计 (22)4.3.1 COSTAS载波跟踪环 (22)4.3.2 位定时同步 (26)4.4 差分解码 (26)4.5 并串转换 (29)总结 (30)参考文献 (31)致谢 (32)摘要QPSK（quadrature phase shift keying）是四相移键控的简称，它兼有两方面的特性；从一方面看，它采用了4种相位；从另一方面看，它采用了正交的载波。
DQPSK是差分四相移键控（differential QPSK）的简称，是结合差分编码的QPSK。
DQPSK调制解调方式以其抗干扰能力强、频带利用率高等优点，在现代数字通信系统如数字微波通信、等宽带无线通信等中得到广泛的应用。
DQPSK是在QPSK(四相正交绝对调相)的基础上作的改进，它克服了QPSK信号载波的相位模糊问题，用相邻码元之间载波相位的相对变化来表示2位二进制数字信息。
由于DQPSK 传输信息的特有方式，使得解调时不存在相位模糊问题，这是因为不论提取的载波取什么起始相位，对相邻两个四进制码元来说都是相等的，那么相邻两个四进制码元的相位差肯定与起始相位无关，也就不存在由于相干解调载波起始相位不同而引起的相位模糊问题，所以，在使用中都采用相对的四相调制。
实验四 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验一、实验目的1． 掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。
2． 掌握用键控法产生2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号的方法。
3． 掌握相对码波形与2PSK 信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK 信号波形之间的关系。
4． 掌握2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号的频谱特性。
二、实验内容1． 观察绝对码、相对码波形。
2． 观察2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号波形。
3． 观察2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号频谱。
三、实验器材1． 信号源模块2． 数字调制模块3． 频谱分析模块4． 20M 双踪示波器 一台5． 频率计（选用） 一台四、实验原理调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数值调制。
由于被调载波有幅度、频率、相位三个独立的可控参量，当用二进制信号分别调制这三种参量时，就形成了二进制振幅键控(2ASK)、二进制移频键控（2FSK ）、二进制移相键控(2PSK)三种最基本的数字频带调制信号，而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。
1． 2ASK 调制原理。
在振幅键控中载波幅度是随着基带信号而变化的。
将载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有无来代表信号中的“1”或者是“0”，这样就可以得到2ASK 信号，这种二进制振幅键控方式称为通—断键控（OOK ）。
2ASK 信号典型的时域波形如图4-1所示，其时域数学表达式为：2()cos ASK n c S t a A t ω=⋅ （4－1） 式中，A 为未调载波幅度，c ω为载波角频率，n a 为符合下列关系的二进制序列的第n 个码元： ⎩⎨⎧=P P a n －出现概率为出现概率为110 （4－2）综合式4－1和式4－2，令A ＝1，则2ASK 信号的一般时域表达式为：t nT t g a t S c n s n ASK ωcos )()(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∑t t S c ωcos )(= （4－3）式中，T s 为码元间隔，()g t 为持续时间 [－T s /2，T s /2] 内任意波形形状的脉冲（分析时一般设为归一化矩形脉冲），而()S t 就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。
基于现场可编程门阵列的差分四相相移键控调制解调算法设计王晨;潘建国;郑振东;王芳【摘要】以软件无线电技术为基础,针对差分四相相移键控(DQPSK)调制解调系统设计了全新的算法,实现了现场可编程门阵列(FPGA)平台下的DQPSK全数字调制解调,并可通过软件编程进行电路升级.与传统DQPSK调制解调电路相比,不但缩减了印制电路板(PCB)的尺寸,而且可以在不改变电路的情况下升级调制解调算法,从而降低了硬件升级、算法调整的成本.以Intel的Quartus Ⅱ软件作为验证平台,用Verilog HDL语言实现了各个模块功能的设计,采用ModelSim软件进行功能仿真,验证算法的正确性.系统运行频率达到132 MHz,达到了预期要求.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(048)004【总页数】5页(P362-366)【关键词】差分四相相移键控(DQPSK);调制解调;现场可编程门阵列(FPGA)【作者】王晨;潘建国;郑振东;王芳【作者单位】上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234【正文语种】中文【中图分类】TP332.10 引言数字调制解调技术在高速数据通信中起着至关重要的作用,而差分四相相移键控(DQPSK)调制解调系统因其频带利用率高和抗干扰能力强的特点,被广泛应用于现代通信系统中.国内外学者都在深入研究全数字DQPSK调制解调系统,不断地研发出新的专用芯片[1].可是,专用芯片的设计目的基本都是针对某一特殊应用场景实现某一特定用途的,推广应用范围有限.现场可编程门阵列(FPGA)作为一种半定制电路,克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,弥补了定制电路的不足.随着集成电路密度的不断提高,FPGA可以胜任几乎所有数字器件的功能设计.通过软件仿真,可以在制板之前就先验证设计的正确性.而在完成印制电路板(PCB)的设计之后,依然可以对系统进行在线修改,不必改动硬件电路.FPGA较传统电路优势明显,其现场编程能力可以用来对系统进行升级、除错,并延长产品寿命.因此,在现代通信技术中得到快速发展,并在数字通信领域得到广泛应用[2].本文作者采用FPGA平台设计了一个DQPSK调制解调系统,利用FPGA的在线编程和动态可重构性,根据自身需求和应用场景的要求来设置硬件参数,从而使整个通信系统都具有可定制性,在设计完成后,依然能够对所有参数按需求进行在线动态修改.1 DQPSK调制解调1.1 DQPSK调制原理四相移相键控(QPSK)的原理是利用4种不同的载波相位来表征4种数字信息[3-4].为了消除接收机对信号进行相干解调时产生的相位模糊[5-6],需要对四进制数据进行差分编码,构成DQPSK[7].DQPSK调制技术利用前后码元的相对相位变化关系来表示信息[8],所得码元与载波的相位变化关系与QPSK调制类似,两种调制方式的功率谱密度相同,区别仅仅在于QPSK调制的相位是绝对相位,DQPSK调制的相位是相对相位.1.2 DQPSK解调原理采用相干检测法对QPSK信号进行解调,利用2个相互正交的本地参考载波对2个二相信号分别进行相干解调[9].解调之后得到的两路并行码元,经过一个并/串变换电路后,作为串行数据输出.解调完成后,将相对码再转换为绝对码,恢复出原始的基带信号,这个过程称为逆码变换.与发送端的编码器功能相反,接收端需要设计一个差分解码器.因此,DQPSK的解调可视为在QPSK解调过程之后,再加入一个逆码变换. 在误比特率相同的情况下,相比QPSK解调,DQPSK解调需要增加约2 dB信号功率,解调性能略差,但是DQPSK解调不需要本地参考载波,不存在相位模糊的情况,较易实现,因此广泛应用于信噪比较高的场合.2 基于FPGA的DQPSK调制解调算法设计2.1 设计思路首先设计各个子功能模块,如串/并(并/串)转换模块、差分编解码模块、低通滤波器模块、数字振荡器(NCO)模块、乘法器模块、鉴相器模块等,根据模块的具体功能选择采用硬件描述语言Verilog HDL进行编写或者直接进行知识产权(IP)核调用.再根据电路需求将各个子模块进行功能整合,分别完成码型变换、QPSK调制、极性Costas环、位同步环等功能设计.最终通过顶层控制模块将其整合为DQPSK调制和解调两大功能,完成整个算法设计.2.2 DQPSK调制的FPGA设计DQPSK调制器的内核是2个乘法器.差分编码器输出的两路数据与NCO产生的载波相乘.两路载波的相位是正交的,分别称为同相I支路和正交Q支路.调制后的两路信号再进行叠加,就可以得到DQPSK调制信号.DQPSK调制器的模块和功能如表1所示.表1 DQPSK调制器模块功能表模块名功能描述串/并转换模块将输入数据变成宽度加倍的并行码I路和Q路差分编码模块比较当前码元和前一码元的相位差,对两路数据进行差分编码,解决相位模糊问题数字振荡器模块生成正弦载波和余弦载波乘法器模块差分编码器输出的数据与载波相乘,完成调制加法器模块将调制好的I路和Q路信号相加,送入信道由于要对基带信号进行成型滤波,采用直接调相法产生DQPSK信号.DQPSK调制算法的设计参数为:基带成型滤波器滚降系数α=0.8;符号速率R=1 Mbit·s-1(此处指四进制数据,每个符号代表两位二进制数据);输入数据速率(采样速率和FPGA系统时钟频率)fs=8R=8 Mbit·s-1;载波信号频率fc=2 MHz;输出数据位宽B=16. DQPSK调制的FPGA设计流程框图如图1所示.图1中的输入信号为待调制的基带信号,采用小端模式的串行二进制数据,包括调制电路所需的时钟信号及全局reset信号作为输入数据;输出即为并行的DQPSK调制信号dout,可直接用于后级的信号发送单元.图1 DQPSK调制的FPGA设计流程框图采用Verilog HDL设计码型变换模块,完成输入单比特数据的串/并转换、差分编码、双极性码变换这几项功能模块的编写设计,可调用系统已有的IP核实现其他模块,如数字振荡器、成型滤波器、乘法器等,这样不仅能够减少工作量,提高效率,还可以保证设计的性能.2.3 DQPSK解调的FPGA设计从接收端来看,由于接收到的信号一般为高频信号,需要先对信号进行下变频处理.为了能够恢复出原始信号的特征,还需要进行位定时同步和载波同步.经过同步的信号再通过抽样判决、差分解码和并/串转换等步骤还原出原始信号.DQPSK解调器主要模块构成和功能如表2所示.表2 DQPSK解调器模块功能表模块名功能描述乘法器模块经过采样量化后的信号与本地载波相乘,完成信号频谱搬移低通滤波器模块滤除输出信号的中高频分量数字振荡器模块受相位差信号控制,每输入一个相位差信号,就相应输出一组正弦和余弦信号载波同步模块得到一个同频同相的正弦波位同步模块得到码元的最佳采样点抽样判决模块对数据进行抽样并判断正负号.若数据大于0,则判为“0”;若数据小于0,则判为“1”差分解码模块差分编码的逆过程,将判决后的数据根据逆变换规则进行差分解码并/串转换模块将两路数据并为一路输出要组成一个完整的DQPSK解调系统,需要极性Costas环完成相干载波的提取,并产生正交、同相支路的基带波形[10-11],需要进行位同步,需要进行差分解码.在对各个子模块进行设计的基础上,解调系统只需给出一个顶层文件,将各个模块通过组件以实例化的形式连接起来,并增加一些逻辑电路处理.解调系统的FPGA设计流程如图2所示.图2 DQPSK解调系统FPGA设计流程图3 仿真与结果分析本设计采用ModelSim仿真软件,该软件提供了友好的仿真环境,集成了性能分析、波形比较、代码覆盖、数据流、信号检测(signal spy)、虚拟对象(virtual object)、Memory窗口、Assertion窗口、源码窗口显示信号值、信号条件断点等众多调试功能.对调制系统进行仿真测试,FPGA平台下的DQPSK调制信号dout输出如图3所示.由图3可见相邻码元的相位变化.图3 DQPSK调制信号ModelSim仿真波形DQPSK解调在FPGA平台下的ModelSim仿真波形图如图4所示.从图4可以看出,在载波同步环和位同步环都趋于稳定后,DQPSK解调后的输出与输入相比,较为一致,仅存在一些信号处理过程中产生的延时差异.图4 DQPSK解调系统ModelSim仿真波形完成综合实现后,工作过程区中自动显示整个设计所占用的器件资源情况.本设计选用的目标器件是Altera公司的Cyclone IV系列器件EP4CE6E22C8.器件资源使用情况如表3所示.表3 器件资源使用情况表名称使用个数占比/%LogicElements(逻辑单元)244616Rigister(寄存器)222514MemoryBits(存储器)25441EmbeddedMultiplier9-bitelements(9bit嵌入式硬件乘法器)22系统最高工作频率为132 MHz,高于设计要求的8 Mbit·s-1的采样速率.4 结束语本文设计了一个基于FPGA的数字调制解调算法,首先对数字调制解调系统中的DQPSK调制解调原理进行了理论分析,在算法设计中,分别完成了差分编解码器、DQPSK调制、极性Costas环和位同步环的构建,并通过顶层文件将各子模块功能整合为基于FPGA的DQPSK的调制解调算法.本设计仅通过软件升级就达到了整体电路升级的效果,具有一定的参考价值.参考文献:【相关文献】[1] 郭天赐.数字调制与解调技术的研究 [J].河南科技,2016(5):41-42.GUO T C.Research on digital modulation and demodulation technology [J].Journal of Henan Science and Technology,2016(5):41-42.[2] 段程鹏.测控通信中QPSK调制解调技术的设计与实现 [D].西安:西安电子科技大学,2014. 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专利名称：一种四相相移键控信号跟踪方法及装置专利类型：发明专利
发明人：邱剑宁,莫钧,韩绍伟
申请号：CN201110175078.3
申请日：20110627
公开号：CN102857469A
公开日：
20130102
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种四相相移键控信号跟踪方法及装置，应用于GNSS接收机，在同相和正交双码通道组合跟踪模式下，包括：将下变频后的同相(I)码通道信号和正交(Q)码通道信号分别与对应的本地PRN码进行相关运算，输出I码通道信号和Q码通道信号的积分结果；在至少一个跟踪环路中，对所述I码通道信号和Q码通道信号的积分结果分别进行鉴别，得到鉴别结果；将同一跟踪环路对I码通道信号和Q 码通道信号的鉴别结果进行加权运算，得到合成后的鉴别结果。
在跟踪环路中，相应的装置包括I码通道鉴别器、Q码通道鉴别器和合成鉴别器。
本发明使得DLL、PLL、FLL等跟踪环路的噪声强度均显著降低。
申请人：和芯星通科技(北京)有限公司
地址：100085 北京市海淀区上地信息路11号彩虹大厦南楼3层312室
国籍：CN
代理机构：北京安信方达知识产权代理有限公司
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