創(chuàng)新論文-DQPSK

1、題 目：基于matlab的/4-DQPSK系統(tǒng)的仿真 摘要：/4-DQPSK能有效地進行差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào), 在一些不易提取載波的場合很有用。因此,利用仿真來研究/4 DQPSK系統(tǒng)是必要的。文章從發(fā)射端到接收端對各部分提出其數(shù)學模型并用MATLAB加以驗證,得到的結(jié)果與理論相符。關(guān)鍵字：調(diào)制解調(diào) /4DQPSK 仿真 載波同步1 研究背景及意義隨著移 動通信的不斷發(fā)展,用戶容量需求的不斷增加,傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式無法滿足移動通信信道的功率受限和頻譜受限問題，因此，需要新的數(shù)字調(diào)制方式來提高頻譜的利用率。1962年，貝爾實驗室的P.A.Baker首先提出了/4- DQPSK，他是一種常用的調(diào)制

2、技術(shù)，屬于正交調(diào)制的范疇。它將QPSK和OQPSK兩種調(diào)制方式進行融合，解決了載波相位跳變1800的問題，避免了信號的旁瓣偏大，改善了頻譜的性能，可滿足移動通信系統(tǒng)對調(diào)制解調(diào)技術(shù)的要求。QPSK是一種頻譜利用率較好的數(shù)字調(diào)制方式。其相干解調(diào)的性能受限于載波恢復的精度，而在某些情況下，如信道參數(shù)變化或者相位跳變，載波恢復較為困難，另外，存在著載波的初始絕對相位不確定產(chǎn)生的接收端相位模糊。采用DQPSK調(diào)制能克服上述不足：一方面，其差分解調(diào)與其相干解調(diào)相比惡化約2.3dB誤碼性能為代價，換取無需載波恢復，進而簡化接收機設(shè)計；另一方面，其利用相鄰兩個傳輸波形的初始相位差來表示數(shù)據(jù)的方式，不存在接收端

3、相位模糊的問題。調(diào)制原理：/4-DQPSK信號是由兩個相差為/4的QPSK星座圖交替產(chǎn)生的如圖1所示。它也是一個4進制信號,當前碼元的相位相對于前一碼元的相位改變士450或士1350由于這種體制中相鄰碼元間總有相位改變,故有利于在接收端提取碼元同步。解調(diào)原理：/4-DQPSK信號的解調(diào)方法分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。它的解調(diào)原理與QPSK信號相同，只是多一步逆碼變換,將相對碼變成絕對碼。/4DQPSK信號的非相干解調(diào)常用中頻差分解調(diào)的方法,該解調(diào)方案是用前一碼元的波形作為解調(diào)后一碼元使的本地載波,不如理想的本地載波“干凈”。因此,誤碼率較相干解調(diào)的高,約2 .6 dB的誤碼性能代價。二載波同

4、步實現(xiàn)1.PLL,FLL載波的跟蹤通常采用鎖相環(huán)(PLL)來實現(xiàn), PLL在低動態(tài)時,具有較高的跟蹤精度和較好的抗噪性能。但是在高動態(tài)環(huán)境下,由于多普勒效應使接收信號產(chǎn)生的頻偏可能會達到幾百千赫茲,頻率變化率會達到幾千赫茲/ 秒甚至幾十千赫茲/ 秒。這時為了滿足高動態(tài)的要求, PLL必須具有較寬的帶寬,這意味著抗噪性能和跟蹤精度降低。此時采用鎖相環(huán)很難滿足系統(tǒng)要求, 可取的方案是采用鎖頻環(huán)( FLL )。故在高動態(tài)接收機中,采用FLL來跟蹤載波的頻率而不是相位, FLL具有較好的動態(tài)性能,但是跟蹤精度比PLL低,二者存在一定的矛盾1。為了獲得載波相位的同步,通常采用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù).可是對

5、衛(wèi)星導航接收機而言,在高動態(tài)環(huán)境下,鎖相環(huán)存在動態(tài)適應能力不足的問題.因此,須對鎖相環(huán)采取一定的改進措施.如果引入鎖頻環(huán)(FLL)的輔助,可以擴大鎖定范圍,適應更高動態(tài), 降低載噪比門限.2衛(wèi)星導航信號接收技術(shù)的研究人員較早就采取了鎖頻+ 鎖相的混合載波跟蹤結(jié)構(gòu),其中較經(jīng)典的一種是二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)32. AFC在高斯白噪聲信道條件下,相干PSK系統(tǒng)具有良好的性能,但是它們對其他的鏈路干擾如高多普勒頻移多徑效應以及電離層的不確定性變化容忍力較差因此有必要采用自動頻率跟蹤環(huán)路.在有鏈路干擾的情況下,AFC具有優(yōu)于PLL的性能。4同時,AFC環(huán)路還常常同PLL環(huán)路結(jié)合起來使用進行頻率和相位的

6、快速同步.自動頻率控制(AFC)環(huán)的工作原理與PLL相似,只是它只能鎖定信號的頻率而不能跟蹤其相位, 因而它的頻偏矯正精度比較低但由于AFC環(huán)與PLL相比具有頻率捕獲范圍寬速度快的優(yōu)點,而被廣泛應用于對相位精度要求不高的DQPSK解調(diào)系統(tǒng)中.AFC 環(huán)主要作用是對本振信號進行進一步頻率牽引, 使其頻率與載波頻率基本一致, 之后微小的殘留頻差以及相位誤差將由Costas 環(huán)等精確跟蹤環(huán)路來消除。53.載波同步的相關(guān)知識提取載波的方法一般分為兩類：一類是不專門發(fā)送導頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為直接法，也稱為自同步法；另一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個

7、（或多個）稱作導頻的正弦波，接收端就利用導頻提取出載波，這類方法稱為插入導頻法，也稱為外同步法。直接法（自同步法） 有些信號（如抑制載波的雙邊帶信號等）雖然本身不包含載波分量，但對該信號進行某些非線性變換以后，就可以直接從中提取出載波分量來，這就是直接法提取同步載波的基本原理。6下面介紹幾種直接提取載波的方法a.平方變換法和平方環(huán)法設(shè)調(diào)制信號為m(t)，m(t)中無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為 (1-1)接收端將該信號進行平方變換，即經(jīng)過一個平方律部件后就得到 (1-2)由式（1-2）可以看出，雖然前面假設(shè)m(t)中無直流分量，但m2(t)卻一定有直流分量，這是因為m2(t)必

8、為大于等于0的數(shù)，因此，m2(t)的均值必大于0，而這個均值就是m2(t)的直流分量，這樣e(t)的第二項中就包含2fc頻率的分量。例如，對于2PSK信號，m(t)為雙極性矩形脈沖序列，設(shè)m(t)為±1，那么m2(t)=1，這樣經(jīng)過平方率部件后可以得到 (1-3)由式（1-3）可知，通過2fc窄帶濾波器從 e(t) 中很容易取出2fc頻率分量。經(jīng)過一個二分頻器就可以得到fc的頻率成分，這就是所需要的同步載波。因而，利用圖2所示的方框圖就可以提取出載波。7 圖2 平方變換法提取載波為了改善平方變換的性能，可以在平方變換法的基礎(chǔ)上，把窄帶濾波器用鎖相環(huán)替代，構(gòu)成如圖3所示框圖，這樣就實現(xiàn)

9、了平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，因此平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能，因而得到廣泛的應用。 圖3 平方環(huán)法提取載波在上面兩個提取載波的方框圖中都用了一個二分頻電路，因此，提取出的載波存在相位模糊問題。對移相信號而言，解決這個問題的常用方法就是采用前面已介紹過的相對移相。b.同相正交環(huán)法（科斯塔斯環(huán)法）利用鎖相環(huán)提取載波的另一種常用方法如圖4所示。加于兩個相乘器的本地信號分別為壓控振蕩器的輸出信號和它的正交信號，因此，通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，有時也被稱為科斯塔斯（Costas）環(huán)。8 圖4同相正交環(huán)法提取載波設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號為，則 （1-4

10、）經(jīng)低通后的輸出分別為 （1-5） 乘法器的輸出為 （1-6）式中是壓控振蕩器輸出信號與輸入已調(diào)信號載波之間的相位誤差。當較小時，式(1-6)可以近似地表示為 （1-7）式（1-7）中v7的大小與相位誤差成正比，因此,它就相當于一個鑒相器的輸出。用v7去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的相位，最后就可以使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值。這樣壓控振蕩器的輸出就是所需要提取的載波。不僅如此，當減小到很小的時候，式（1-5）的v1就接近于調(diào)制信號m(t)，因此，同相正交環(huán)法同時還具有了解調(diào)功能，目前在許多接收機中已經(jīng)到了使用。數(shù)字通信中經(jīng)常使用多相移相信號，這類信號同樣可以利用多次方變換法從已調(diào)信號中提取載波信

11、息。如以四相移相信號為例，圖5就展示了從四相移相信號中提取同步載波的方法。 圖5四次方變換法提取載波3 模塊搭建根據(jù)DQPSK的原理以及載波同步相關(guān)知識搭建的仿真模塊圖如下圖6所示 圖6 仿真模塊圖搭建1.輸入數(shù)據(jù)的產(chǎn)生仿真中既可以根據(jù)需要設(shè)定特定的數(shù)據(jù)格式, 也可以調(diào)用 MATLAB函數(shù)rand函數(shù)來產(chǎn)生一定長度L的隨機數(shù)data。為了進行調(diào)制,應將隨機數(shù) 1 , 0 映射為 1 , - 1。如BitStreamLength = 10000;BitStream = rand(1,BitStreamLength)>0.5;2.串/并變換單元為了進行調(diào)制,將輸入數(shù)據(jù)進行串并變換,分成同相數(shù)

12、據(jù)(I支路數(shù)據(jù))和正交數(shù)據(jù)(Q支路數(shù)據(jù)）。將輸入數(shù)據(jù)data的奇數(shù)列數(shù)據(jù)賦給I,而將其偶數(shù)列數(shù)據(jù)賦給Q。BitStreamOne,BitStreamTwo = SerialToParallel(BitStream);3./4 -DQPSK調(diào)制這個單元的作用是把串并轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)進行調(diào)制。S(i) = S(i1)ej 取出S的實部和虛部I，QI_SymbolsTx,Q_SymbolsTx = DQPSKEncoder(BitStreamOne,BitStreamTwo);調(diào)制的信號映射如圖圖7相位映射圖4.傳輸濾波器把調(diào)制之后的信號轉(zhuǎn)化成波形，利用波形在信道中進行傳輸I_WaveformTx,Q

13、_WaveformTx=TransmitFilter(I_SymbolsTx,Q_SymbolsTx,hTransmitFilter,numSamplesPerSymbol);5. 信道仿真模塊高斯信道是模擬的理想狀態(tài)情況下的信道，瑞麗信道是一般現(xiàn)實環(huán)境下的仿真。然后分別編寫高斯信道和瑞麗信道仿真模塊的子函數(shù)，以供函數(shù)程序進行調(diào)用。functionI_WaveformRx,Q_WaveformRx=AWGNChannel(I_WaveformTx,Q_WaveformTx,No)function I_WaveformOut , Q_WaveformOut = RayleighFader(I_W

14、aveformIn，Q_WaveformIn, AvgFadePower);6. 接收濾波器接收經(jīng)過信道傳輸?shù)牟ㄐ涡盘?，然后把波形信號轉(zhuǎn)換成信號流，也就是傳輸濾波器的逆過程。function I_SymbolsRx,Q_SymbolsRx = ReceiveFilter(I_WaveformRx, Q_WaveformRx, hReceiveFilter, numSamplesPerSymbol)7. DQPSK解調(diào)器對接收濾波器接收到并傳輸?shù)浇庹{(diào)器的信號流進行解調(diào)到數(shù)據(jù)流。function BitStreamOneRx, BitStreamTwoRx = DQPSKDecoder(I_Sym

15、bolsRx, Q_SymbolsRx)8.載波同步單元FLL和PLL相結(jié)合的載波跟蹤方式FLL動態(tài)適應能力較強，PLL較好的跟蹤精度。用FLL進行粗跟蹤，用PLL實現(xiàn)精跟蹤。9. 并串轉(zhuǎn)換單元function BitStream = ParallelToSerial(BitStreamOneRx, BitStreamTwoRx)10. 誤碼率計算單元該單元是用來衡量數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)*100%。通過錯誤比較算出錯誤的碼元個數(shù)，然后計算出誤碼率。9四仿真實現(xiàn)Case1 AWGN（加性高斯白噪聲信道）通過在高斯白噪聲信道下仿真結(jié)果，對比QPSK，DQPSK

16、和理想情況下仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高斯白噪聲信道下QPSK和理論值基本相符，/4-DQPSK相比于QPSK約有2.3dB的信噪比惡化。10 Case 2 Rayleigh（瑞麗信道）Delay=0Delay=1Delay=2Delay=3用一個子程序?qū)崿F(xiàn)合并在一張圖中，方便進行比較。同理，用函數(shù)實現(xiàn)四個圖的合并結(jié)論：通過仿真圖進行比較發(fā)現(xiàn)，在理想情況下即高斯白噪聲信道下，誤碼率最小。而在瑞麗信道中，在相同信噪比下誤碼率要比高斯白噪聲信道要高，且延遲越多誤碼率越大。五主要參考文獻1 談覓周, 王永德.一種快速多普勒頻偏估值的新方法J.四川大學學報(自然科學版), 1996, 33 (6 ):70270

17、62 呂艷梅，呂艷梅， 李小民.孫江生高動態(tài)環(huán)境的GPS信號接收及其算法研究J.電光與控制.2006,13(4):23243 胡輝，孫函子，紀兆云.高動態(tài)GPS載波跟蹤算法和環(huán)路控制策略研究J.宇航學報.2011,32(8):21274程乃平, 任宇飛, 呂金飛. 高動態(tài)擴頻信號的載波跟蹤技術(shù)研究J.電子學報.2003，12（5）：13175 Ward P W. Performance comparisons between FLL, PLL and a novel FLL assisted PLL carrier tracking loop under RF interference con

18、ditions C 􀀁 Proceedings of The 11th Internationa IT echnical Meeting of The Satellite Division of The Institute of Navigation. Nashville, USA: s. n. ,1998: 783􀀁7956 Kaplan E D. Understanding GPS, principles and applications M . Kou Yanhong, trans.l Beijing: Publishing House o f Electronics Industry, 200