QPSK调制与解调模块.docx
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QPSK调制与解调模块
QPSK调制与解调模块
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第1页共39页
毕业设计(论文)说明书
题目:
QPSK调制与解调模块
院(系):
通信与信息工程系
专业:
通信工程专业
学生姓名:
学号:
1
指导教师:
职称:
教授、助教
题目类型:
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2006年6月5日
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第2页共39页
摘要
四相相移键控信号简称“QPSK”,这种调制方式由于抗干扰能力强、频带利用率高等特点,得到广泛的应用,比如微波、卫星通信系统、宽带接入与移动通信等,现成为现代通信中的一种十分重要的调制解调方式。
琐相环路是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统,它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。
锁相环主要由相位比较器(PC)、压控振荡器(VCO)、低通滤波器(LP)三部分组成。
PLL具有载波跟踪特性;调制跟踪特性;高精度的相位和频率测量;用高稳定的参考振荡器锁定,可作提供一系列频率高稳定的频率源等特点,现已出现了各种数字锁相环路,在数字信号传输方面起到了重要作用。
本课题的设计任务是实现QPSK的调制与解调,频率范围为35MHz-70MHz。
在本设计中着重介绍了QPSK的调制、解调原理以及实现调制解调所需要的载波的具体实现方法:
根据锁相环路可提供高稳定的频率源,在设计中采用锁相频率合成得到稳定的调制解调所需的载波;采用数字集成正交调制解调芯片实现QPSK的调制与解调。
在论文中详细阐述了相位调制的调制解调原理、琐相环频率合成的原理以及分别的实现的电路设计和调试方法。
关键字:
四相相移键控;锁相环;频率合成;调制;解调
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第3页共39页
Abstract
QuaternaryPhaseShiftKeyingisshortforQPSK,thismodulationmethodgetsanextensiveapplication,becauseitsanti-interferenceabilityissuperiortomanyothers,andthewavebandistakengoodadvantageof,ansoon.Itisused
inmanydomains,suchasmicrowaveandSatellitecommunicationsystem,theconnect
intothewideband,Mobilecommunicationsystem.nowadaysQPSKhasbecomeamoreimportantwayofmodulationanddemodulationinmodemco-mmunicationsystem.Thephaselockingloop(PLL)isaautomaticcontrolsystemthatcanfoll-owclosingthephaseoftheinputsignal.Itappliestotechnologicalfields,s-uchasbroadcast
communication,frequencyformating,Automaticallyingcontrolandclocksynchronization,etc.extensively.thephaselockingcycleismadeupofthreepart:
PhaseDistinction(PD),Voltage-ControlledOscillator(VCO),LowpassFilter(LP).thePLLhasthecharacteroftrackingcarrierandmodulation,anditcanbeusedtomeasurethephaseandfrequencyprecisely,andwhenahighstablestandardscillatorissettobelocked,itcansupplyaseriesofhighstabl-efrequency.nowmanykindofdigitalPLL,itplayaimportantrolesinthetra-nsmissionofdigitalsignal.
ThisdesignassignmentistorealizethemodulationanddemodulationofQPSKinthefrequencyrangefrom35MHzto70MHz.inthisthesis,itemphas-izesonthemethodaccesstotheQPSKmodulationanddemodulation,andh-owtogetthecarrierthatthemodulationanddemodulationneeded.Iuseamo-nolithicICofquadraturemodulatoranddemodulatortorealizetheQPSKmod-ulationanddemodulation.accordingtothePLL’scharacterofsupplyinghighst-ablefrequencysignals,inthisdesign,weget
thestablecarrierbythePhaselock-edFrequencyMultiplier.inthefollowingwords,you
canseethedetailsoftheprincipleofmodulation,demodulationandthethePhase-lockedFrequencyMult-iplier,andthemethodsofectroniccircuitdesignforthethree.
Keywords:
QuaternaryPhaseShiftKeying(QPSK);PLL;modulation;dem-odulation;Phase-lockedFrequencyMultiplier
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第4页共39页引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11设计方案……………………………………………………………,2锁相环频率合成设计…………………………………………………22(1锁相环的介绍………………………………………………………………22(1(1主要部件的功能模型……………………………………………………32(1(2环路相位数字模型和基本方程…………………………………………92(1(3锁相环路的工作工程…………………………………………………102(1(4锁相环的传递函数……………………………………………………102(1(5锁相环路的几个重要性能参数………………………………………122(2电路设计…………………………………………………………………132(2(1电路原理分析………………………………………………………132(2(1具体实现电路………………………………………………………163调制解调模块设计…………………………………………………193(1调制、解调原理……………………………………………………………193(2模块电路…………………………………………………………………26,(,(,调制电路…………………………………………………………26,(,(,解调电路…………………………………………………………294序列信号发生电路…………………………………………………305电源设计……………………………………………………………316软件设计…………………………………………………………326.1序列信号发生………………………………………………………………326.2,,,,,,控制…………………………………………………………327测试方法和改进……………………………………………………358结论………………………………………………………………37谢辞„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第5页共39页
引言
当要将数字信号作远距离传输时都不无例外地用数字信号对载波信号进行调制(包括调幅、调相等)。
由于传送的网络带宽资源有限,为了在有限的带宽上提高数据传输速率,我们往往将二进制的基带信号变成多进制数字信号(如四进制、八进制、十六进制)。
因为二进制数字信号码元只有0和1两个元素而多进制的数字信号的码元的元素较多,所以多进制数字信号含有更多的信息,为此用在同样带宽的网络传送多进制数字信号比传送二进制数字信号获得较高的传输速率,也即使用多进制数字调制的频带利用率更高。
另外因为多进制数字信号的码元的能量从而减少由于传送特性引起的码间干扰。
QPSK就是多进制数字调制信号,这种数字调制方式目前广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输等。
近年来,随着无线电通信技术的迅速发展,锁相环和频率合成技术在各个领域得到了广泛的应用。
至今,普遍应用锁相技术的主要有调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等等。
随着数字技术的发展,相应出现了各种数字锁相环路,它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用(
锁相环路所以能得到如此广泛的应用,是由其独特的优良性能所决定的(它具有载波跟踪特性,作为一个窄带跟踪滤波器,可提取淹没在噪声之中的信号;用高稳定的参考振荡器锁定,可作提供一系列频率高稳定的频率源;可进行高精度的相位与频率测量等等(它进行调制跟踪特性,可制成高性能的调制器和解调器(它具有低门限待性,可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。
采用锁相频率合成,能得到高稳定高精确的频率信号,利用这种方法得到QPSK调制解调的载波信号,可以实现调制和解调的同步,同时也能保证调制解调的精度。
本设计要求:
采用MAXIM的专用QPSK调制解调芯片实现QPSK信号的调制解调,实现数字信号的模拟传输。
调制模块对输入的串行码元进行串并转换为IQ信号调制一组正交信号,正交信号由锁相环频率可控的压控振荡器产生。
解调模块对接收到的信号与本地产生的IQ中频进行混频,恢复出IQ数字型号,并经过整形并串变换得到码元。
QPSK调制频率35MHz,70MHz
QPSK解调频率35MHz,70MHz
输入输出码型NRZ码+时钟
1设计方案
本设计主要包括两个部分:
调制部分、解调部分。
两者为实现同步,必须要有频率相同的载波信号。
在本设计中调制和解调主要是由芯片实现其功能,因此,关键是载波
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第6页共39页信号的得到,既由琐相环控制的压控振荡器。
本设计采用高精确跟踪的琐相环控制芯片外接VCO,可达到两部分的载波频率相等,这样就能满足相干解调的要求。
下图为本设计的整体信号流图。
采用MAX2452/2451实现调制解调功能。
图1-1为其具体流图,从图中可以看出需要:
图1-1整机信号流图一
做两部分的数字PLL控制的振荡源。
因此只能实现频率同步。
尽管琐相环具有高精度的琐定功能,但就两部分而言,总也会有些不尽人意。
采用MAX2450实现调制解调功能。
MAX2452/2451是该芯片的组成部分,都是积分调制/解调芯片,且具有相同的参数。
MAX2450与它们的区别是:
调制和解调同在一个集成电路里,有相同的本振,只需做一个琐相环控制的频率源。
这样对于解调而言,实现了相位同步和频率同步,使解调精度大大提高。
图1-2为整体信号流图:
图1-2整机信号流图二
2锁相环频率合成设计
2、1琐相环的介绍
锁相环路(PLL)是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。
它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。
锁相环路所以能得到如此广发的应用,是由其独特的优良性能所决定的。
它具有载波跟踪特性,作为一个窄带跟踪滤波器,可提供淹没的
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第7页共39页噪声之中的信号;用高稳定的参考振荡器锁定,可作提供一系列频率高稳定的频率源;可进行高进度的相位与频率测量等等。
它具有调制跟踪特性,可支撑高性能的调制器和解调器。
它具有低门限特性,可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。
锁相就是自动相位控制(APC)。
完成这一任务的负反馈环称为锁相环(PLL)。
如图2-1所示,锁相环路包含三个基本的部分:
鉴相器(PD)、环路滤波器(实际是低通滤波器)和压控振荡器(VCO)。
鉴相器将输入信号与压控振荡器输出信号间的相位差进行比较,输出一个随相位差而变的误差电压U。
U经环路滤波器平滑之后加到压控振荡器上,使之朝着减小两dd
信号相位差的方向,改变VCO输出的频率和相位。
最后使两信号间的频差消失且相位差足够小而达到锁定(同步)的目的。
图2-1环路模型
环路滤波器的作用是滤除误差电压U(t)中的高频成分和噪声(以保证环路所要求d
的性能,增加系统的稳定性。
压控振荡器受控制电压U(t)的控制,使压控振荡器频率向输入信号的频率靠拢,d
也就是使差拍频率越来越低,直至消除频差而锁定。
锁相环是一个相位误差控制系统。
它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差,从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率。
以达到与输入信号同频,在环路开始工作时,通常输入信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的。
由于两信号之间存在固有的频率差,它们之间的相位差势必一直在变化,会不断地变到超过2π;而鉴相器的特性是以相位差2π为周期的,结果鉴相器输出的误差电压就在某一范围内摆动。
在这种误差电压控制之下,压控振荡器的频率也就在相应的范围之内变化。
若压控振荡路的频率能够变化到与输入信号频率相等,使有可能在这个频率上稳定下来(当然只有在一定的条件下才可能这样)。
达到稳定之后,输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零,相位差不再随时间变化,误差控制电压为一固定值,这时环路就进入所谓“锁定”状态。
为了掌握环路的工作原理,理解环路工作过程中发生的物理现象,必须导出环路的相位数学模型和微积分方程。
为此,首先必须了解组成锁相环路的各部件的功能模型,然后串联起来组成环路的相位数学模型,最后列出微积分方程。
2、1、1主要部件的功能模型
(1)鉴相器(PD)
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第8页共39页
鉴相器的任务是对它的两个输入信号进行比较,环路锁定时,鉴相器输出正比于这两个输入信号相位差的直流电压Vd。
鉴相器的电路形式很多,有模拟的、数字的和取样的。
为了说明一些概念,作原理分析时通常使用正弦特性的鉴相器,理由是正弦理论成熟,分析简单方便,当信噪比低时,各种实际的鉴相特性都趋于正弦特性。
原则上,一个理想的模拟乘法器就是一个正弦鉴相器,如图2-2所示,Vi为参考频率信号,V。
为压控振荡器输出信号。
图2-2模拟乘法鉴相器
设
(t),sin[t,(t)]VV,,iiii
(t),cos[t,(t)]VV,,oooo
将输入信号相位改写为
[,t,(t)],t,[(,)t,(t)],t,(t),,,,,,,ioioio1
(t),(,)t,(t),,t,(t)式中,,,,,,,1ioioi
其中,成为环路的固有频差。
o
为了统一书写,压控振荡器输出瞬时相位可写成
t,,t,(t),,,,ooo2
用以上新的相位定义后,两输入信号分别写为
(t),sin[t,(t)](2-1)VV,,iio1
(t),cos[t,(t)](2-2)VV,,ooo2
经乘法器后的输出电压为
(t),(t)(t),sin[t,(t)],cos[t,(t)]vvvV,,V,,KKmmdioio1oo2
11,sin[2t,(t),(t)],sin[(t),(t)]VV,,,VV,,KKmmioo12io1222
上式中第一项为高频项,将被环路滤波器的低通特性所抑制,所以乘法器的实际输出为
1(t),sin[(t),(t)]vVV,,Kmdio122
(t),sin(t)即(2-3)v,Kdde
式中为两输入信号的相位差,为鉴相灵敏度,单位V/rad。
(2-l)式即为正,Kde
弦鉴相器的数学模型。
注意,由于两输入信号分别为正弦和余弦表示的,当,O时,Vd
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第9页共39页表示两输入信号差为/2。
(2)环路滤波器
环路滤波器是一个线性低通滤波器,其作用是滤除鉴相器误差电压中的高频成份,起到平滑滤波的作用,以保证环路稳定、改善环路跟踪性能和噪声特性。
它由R、C元件(有时加上运算放大器)构成,由于它是一个线性系统,可以用传递函数表示它的基本特性。
其传递函数为
(s)Vc(2-4)F(s),(s)Vd
写成时域方程为
(t)Vc(2-5),F(p)(t)Vd
式中p表示微分符号d/dt,(2-5)式即为环路滤波器的微分方程。
环路滤波器模型可表示为图2-3。
常用的环路滤波器有RC积分滤波器,无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种,在这里只重点讲述后面将要用到的有源比例积分滤波器。
F(p)F(s)u(t)u(t)u(s)u(s)ddcc
(a)(b)
图2-3环路滤波器模型
RC积分滤波器是结构最简单的低通滤波器,电路构成如图2-4a,其传输算子为:
F(p)=1/(1+P1),式中1,RC是时间常数,这是这种滤波器唯一可调的参数。
令p,jw,,,
并代入上式,可得到滤波器的频率特性:
F(jw),1/(1+jw1),作出对数频率特性,它,
具有低通特性,且相位滞后。
无源比例积分滤波器的电路如图2-4b,它与RC积分滤波器相比,附加了预感与电容器串联的电阻R2,这样就增加了一个可调参数,它的传输算子为:
F(p)=(1+2p)/(1+1p),式中1,(R1+R2)C;2,R2C。
这是两个独立的可调参数,,,,,
其频响为:
F(jw)=(1+jw2)/(1+jw1),作出的频率响应也是一个低通滤波器,与RC,,
积分滤波器不同的是,当频率很高时:
F(jw),w?
?
R2/(R1+R2),等于电阻的分压比,这就是滤波器的比例作用。
从相频特性上看,当频率很高时有相位超前校正的作用,这是相位超前因子1,jw2引起的。
这个相位超前作用对改善环路的稳定性是有用的。
有源比例积分滤波器电路如图2-4c,它是由运算放大器组成,传输算子为:
F(p)=-A(1+p,2)/(1+p,1),式中,1,(R1+AR1+R2)C;,2,R2C;A是运算放大器开环电压增益。
若运算放大器的增益A很高,
,,F(p)=-A(1+p2)/(1+p1)?
-A(1+p2)/(1+pAR1C)
,?
-A(1+p2)/pAR1C=-(1+p2)/pR1C
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第10页共39页
图2-4a图2-4b图2-4c
式中负号表示滤波器输出和输入电压之间相位相反。
假如环路原工作在鉴相特性的正斜率处,那么加入有源比例积分器之后就自动地工作到鉴相器的负斜率处,其负号与有源滤波器的负号相抵消。
因此,个负号对环路的工作没有影响,分析时可以不以考虑,故传输算子可以近似为:
F(p)=(1+p2)/p1,式中1,R1C。
式中传输算子的,,,
分母中只有一个p,是一个积分因子,故高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。
显然,A越大就越接近理想积分滤波器。
此滤波器的频响为:
F(jw)=(1+jw2)/jw1,可见它也有低通特性和比例作用,相频特性也有超前校正。
,
(2)压控振荡器(VCO)
压控振荡器是振荡频率(t)受控制电压U控制振荡器。
我们要求频率与输入,CV的控制电压U之间是线性关系。
如图2-5所示,同中的线性段可用下列方程表示C
------------------------------
装----------------
图2-5压控振荡器特性
在锁相环路中,压控振荡器起着把滤波器输出电压转换为相位的作用,它的瞬时角订-----------------
频率,与控制电压之间的关系称为压控振荡器的控制特性,实际应用中的压控整,Vvc
荡器的控制特性只有有限的线性控制范围,超出这个控制范围之后控制灵敏度将会下降。
在线性关系内,其特性方程为
(t),,(t)(2-6),,vKoooc线----------------------------------
------------------------------
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第11页共39页式中,为未加控制电压时的固有表示单位控制电压下压控振荡器角频率变化的,Koo
大小,称为压控灵敏度,单位rad/sV。
下图中的实线为一条实际压控整荡器的控制特性,虚线为符合上式的线性控制特性。
由图2-6中可以看出,在以wo为中心的一个区域内,两者是吻合的。
在锁相环路中,VCO输出对鉴相器起作用的不是瞬时频率而是瞬时相位,此瞬时相位由(2-6)式积分得到
tt(2-7),,,,,tdt,,t,KUtdt0vvc,,00
将式(2-6)与式(2-7)比较,得到以(t)为参考的输出相位瞬时值为0t(2-8),,,,,t,KUtdtvvc,0
由此可见,VCO在锁相环中起了一次积分的作用,故又称它力环路中的固有积分环节,因而在锁相环中,VCO是电压---相位变换器。
为了方便,用微分算符p将(2-8)式可改写为
(2-9),,,,,t,KUt/pvvc
------------------------------
图2-6压控振荡器模型
图2-6是VCO的模型式中K=KK称为环路开环增益常数,若有时增益KKdVdV不够高,环路内还引入增益为K的直流放大器,则这时的K=KKK。
AdVA
压控振荡器的控制电路主要是采用下列控制方法:
(1)直接改变决定振荡频率的电容、电感或电阻等元件的数值;装----------------
(2)改变振荡器晶体管本身的参数;
(3)控制振荡器定时元件的充放电压或电流。
至于控制元件,目前常用的是变容二报管,它比早期使用的电抗管具有简单、可靠和价廉的优点。
变容二极管是利用PN结的特性作为一种非线性电容元件,其结电容可订-----------------
随外加反向电压变化。
我们知道,晶体二极管的PN结具有
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