QPSK擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制方法原理及仿真分析概述本章主要介紹了QPSK的擴(kuò)頻調(diào)制系統(tǒng)原理，并利用仿真軟件搭建調(diào)制的原型系統(tǒng)，完成功能仿真。系統(tǒng)發(fā)射鏈路整體結(jié)構(gòu)如圖所示，原始數(shù)據(jù)生成后，送入差分編碼模塊，并得到I、Q兩路數(shù)據(jù)，之后對(duì)其分別進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻調(diào)制操作，將原始信號(hào)與PN碼序列進(jìn)行異或。經(jīng)過(guò)QPSK調(diào)制后，再將信號(hào)傳輸至VSG中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和模擬上變頻，然后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)發(fā)射鏈路結(jié)構(gòu)擴(kuò)頻調(diào)制的原理及仿真擴(kuò)頻調(diào)制的原理由于擴(kuò)頻通信技術(shù)具有包括抗干擾能力強(qiáng)、可靠性良好、機(jī)密性高在內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)，所以本課題選用在工程上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的直接序列擴(kuò)頻的方式進(jìn)行擴(kuò)頻。擴(kuò)展原始信號(hào)離不開(kāi)擴(kuò)頻碼的使用，然而，使用純隨機(jī)的擴(kuò)頻碼雖然效果最佳，但是由于純隨機(jī)的擴(kuò)頻碼在實(shí)際解擴(kuò)的時(shí)候難以完準(zhǔn)確地復(fù)制，在工程應(yīng)用中大多不使用純隨機(jī)的擴(kuò)頻碼，轉(zhuǎn)而使用偽隨機(jī)碼。偽隨機(jī)碼又被稱(chēng)為偽噪聲碼也就是PN碼，擴(kuò)頻調(diào)制的過(guò)程是將原始信號(hào)與PN碼序列進(jìn)行模2加即異或，擴(kuò)頻后的序列長(zhǎng)度與原序列長(zhǎng)度之比為一個(gè)PN碼序列的長(zhǎng)度。對(duì)于直擴(kuò)調(diào)制來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的問(wèn)題是產(chǎn)生符合要求的PN碼，其需要滿(mǎn)足偽隨機(jī)序列的平衡性、游程特性和相關(guān)性三種性質(zhì)，滿(mǎn)足條件的序列有多種，如m序列、Gold序列、GMW序列、JPL序列等，本課題使用的是具有優(yōu)良的自相關(guān)性，易于產(chǎn)生和復(fù)制的m序列。m序列具有優(yōu)越的自相關(guān)性，它的發(fā)生和復(fù)制也較為簡(jiǎn)單，故本課題采用的是m序列作為PN碼。m序列是具有線(xiàn)性反饋的移位寄存器，可以依據(jù)特征多項(xiàng)式來(lái)產(chǎn)生，反饋移位寄存器的特征多項(xiàng)式一定要是本原多項(xiàng)式，這是m序列產(chǎn)生的充分必要條件。確定了本原多項(xiàng)式之后REF_Ref73520277\r\h[12]，根據(jù)本原多項(xiàng)式構(gòu)造線(xiàn)性移位寄存器即可。如已知本原多項(xiàng)式fx=x5圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s12m序列發(fā)生器擴(kuò)頻調(diào)制仿真結(jié)果及分析圖2-2為擴(kuò)頻碼長(zhǎng)為31的擴(kuò)頻調(diào)制前后I路信號(hào)時(shí)域仿真圖，由圖可看出，由前文可知，擴(kuò)頻的結(jié)果就是原始碼元信息與偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行異或。所以可以得出，當(dāng)原始的碼元數(shù)據(jù)為1時(shí)，擴(kuò)頻之后的數(shù)據(jù)與偽隨機(jī)碼相反。反之，擴(kuò)頻之后的數(shù)據(jù)與偽隨機(jī)碼相同。從圖中也可以看出，擴(kuò)頻碼序列與PN碼序列速度一致，原始數(shù)據(jù)的帶寬被延長(zhǎng)。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s13擴(kuò)頻調(diào)制前后信號(hào)時(shí)域仿真圖QPSK調(diào)制原理及仿真QPSK調(diào)制原理本課題采用正交相移鍵控的方式進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。完整的QPSK調(diào)制過(guò)程如圖2-5所示。對(duì)原始4進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，得到I、Q兩路原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行差分編碼和星座圖映射后，再對(duì)I、Q兩路分別進(jìn)行成型濾波和混頻，兩路相加后輸出。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s14QPSK調(diào)制過(guò)程數(shù)據(jù)的信息采用載波的相位改變來(lái)表示。表達(dá)方式有兩種，一種方式被稱(chēng)作是“絕對(duì)相移”，載波相位直接表示數(shù)據(jù)，另一種則是在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的“相對(duì)相移”方式。實(shí)際上的相位除以2π的余數(shù)，就是鑒相器測(cè)量出的結(jié)果。即測(cè)量出的相位與真實(shí)的相位相差2kπ，k為任意正整數(shù)，引起相位模糊。以2PSK信號(hào)為例，載波的相位提取出來(lái)的結(jié)果，可能會(huì)出現(xiàn)0或者π這種相位關(guān)系不確定的情況。這就會(huì)導(dǎo)致解調(diào)端得到的信號(hào)與調(diào)制端的基帶信號(hào)相反。在判決環(huán)節(jié)產(chǎn)生錯(cuò)誤。所以本課題“相對(duì)相移”方式表征數(shù)據(jù)信息，即差分編碼來(lái)防止相位翻轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤碼。因?yàn)榧词箶?shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)之間的差值也不會(huì)隨之改變。碼元變化信息如下表2-1所示，雙比特碼元的變化取代了原始數(shù)距信息來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá)。表2SEQ表\*ARABIC\s11差分編碼碼元變化表編碼前碼元載波相位變化上一時(shí)刻碼元編碼后碼元000000010101111010100900010011111010100112700011100111000110101800001100011100111差分編碼之后，還需要進(jìn)行星座圖映射，映射的規(guī)則如表2-2所示，原始的一路串行比特信息經(jīng)過(guò)串并變換轉(zhuǎn)換成兩路并行比特，映射到星座圖上，兩路比特的四種組合方式分別對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的四個(gè)點(diǎn)，也是對(duì)應(yīng)四種不同的相位。表2-2星座圖映射表IValueQValue0011011-110-1111-1-1QPSK信號(hào)是矩形脈沖信號(hào)，該信號(hào)在頻域是離散且非周期的，然而有限頻帶的數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸頻帶無(wú)限長(zhǎng)的QPSK矩形脈沖信號(hào)，會(huì)使該信號(hào)的波形在傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生失真，接收端也就無(wú)法接收到準(zhǔn)確的信號(hào)，在抽樣判決的環(huán)節(jié)中得到錯(cuò)誤的碼元信息。然而，使用成型濾波限制QPSK信號(hào)的帶寬時(shí)，信號(hào)的時(shí)域波形便不再是標(biāo)準(zhǔn)的矩形，波形會(huì)有無(wú)限長(zhǎng)的拖尾，這就導(dǎo)致不同碼元的拖尾產(chǎn)生疊加，造成幅度混疊，這種現(xiàn)象稱(chēng)為是碼間干擾。這種畸變加重超出一定范圍時(shí)，會(huì)影響后續(xù)接收端的判斷，造成誤碼。這就要求既要減小QPSK信號(hào)的帶寬，防止傳輸失真，又要控制濾波器的系數(shù)，減小信號(hào)時(shí)域的幅度疊加，防止碼間干擾。當(dāng)前使用較多的一種成型濾波器——升余弦濾波器，就能很好地滿(mǎn)足以上兩點(diǎn)的要求，這是由于它具有平滑的過(guò)渡帶，不易產(chǎn)生碼間干擾而影響抽樣判決，在實(shí)際運(yùn)用中也更容易實(shí)現(xiàn)。本課題中使用兩個(gè)根升余弦濾波器，一個(gè)在發(fā)射端用于成型濾波，另外一個(gè)則放在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，兩個(gè)根升余弦濾波器合成為一個(gè)升余弦濾波器，對(duì)于抑制噪聲干擾可以起到立竿見(jiàn)影的作用。QPSK調(diào)制仿真結(jié)果及分析圖2-5是以I路為例差分編碼前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。若當(dāng)前輸入信號(hào)為數(shù)據(jù)0，則差分編碼后輸出與前一時(shí)刻輸出相同；若當(dāng)前輸入信號(hào)為數(shù)據(jù)1，則差分編碼后輸出與前一時(shí)刻輸出相反。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s15I路差