CDMA通信系统数字调制及解调设计与实现--通信课程设计

论文

引言    4

一. CDMA技术的概述    5

二. BPSK调制和解调    5

2.1实验原理    5

2.2实验步骤    6

2.3数据记录    6

三. QPSK调制和解调    6

3.1实验原理    7

3.2实验步骤    9

3.2.1数据记录    9

四.OQPSK调制和解调过程    9

4.1实验原理    10

4.2实验步骤    11

4.2.1数据记录    12

五．MSK调制和解调过程    13

5.1实验原理    13

5.2实验步骤    14

5.2.1数据记录    15

六．小结    16

七．致谢    16

参考文献    16

CDMA通信系统数字调制及解调设计与实现

引言

自20世纪70年代末第一代移动通信系统面世以来，移动通行产业一直以惊人的速度迅猛发展。其中CDMA移动通信以其容量大、频谱利用率高等优点，显示出强大的生命力，引起人们的广泛关注，成为第三代移动通信系统的核心技术。CDMA通信系统在接收到通信网络的射频信号后使用的是QPSK解调技术。我们的课程设计中的研究重点就是CDMA通信系统的几种调制和解调技术：BPSK、QPSK、OQPSK和MSK。

一. CDMA技术的概述 

CDMA是码分多址（Code Division Multiple Acess）的英文缩写，它是在数字—扩频通信技术之上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA的技术原理是在是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号进行相关处理，把宽带信号换成原始信息数据的窄带信号即解调，以实现数据通信。采用直接序列扩频的点对点CDMA通信系统组成如图1.1所示：

混频

中放

载波

输出

解调

伪码序列产生器

伪码序列产生器

 本振

图1.1 CDMA通信系统组成图

系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠；将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，进行解扩，增强了系统的抗干扰能力。本设计中，我们根据CDMA通信系统的数字调制及解调方式，设计并测试四种调制方式：BPSK、QPSK、OQPSK和MSK中探测点的波形。本设计需要PZ6001试验箱所提供的CDMA通信系统模块，再采用示波器进行测量各点的波形。

二. BPSK调制和解调

2.1实验原理

BPSK的已调信号可以表示为：

即发送二进制符号0时，取相位。显然载波的不同相位直接表示了相应的数字信息。BPSK的信号产生可以采用相乘器来实现。

图2.1

BPSK信号的解调只能采用相干解调，解调器的框图：

图2.2

2.2实验步骤

1. 打开移动实验箱电源，等待实验箱初始化完成。先按下“菜单”键，再按下数字键“5”，选择“五. 数字调制解调”， 再按下数字键“1”选择“1. BPSK调制”；

2. 在测试点TP202测试发送方基带数据；

3. 在测试点TP308测试BPSK调制后的波形；

4. 在测试点TP204测试解调后的数据波形；

2.3数据记录

图2.3.1 TP202基带波形                 图2.3.2 TP308 BPSK调制后的波形   

图2.3.3 TP204解调后的数据波形              图2.3.4基带信号与调制后的信号

  图2.3.5 调制后信号与解调后的信号           图2.3.6 基带与解调出信号

三. QPSK调制和解调

3.1实验原理

BPSK是用两种相位(0,)来表示两种信息，而四相移相键控（QPSK）是利用载波的四个不同相位来表征数字信息，每一个载波相位代表两个比特的信息。因此对于输入的二进制数字序列应该先进行分组。将每两个比特编为一组，采用相应的相位来表示。当初始相位取0时，四种不同的相位为：0, /2, ,3/2 分别表示数字信息：11、01、00、10；当初始相位为时，四种不同的相位为：、、、分别表示11、01、00、10。这两种QPSK信号可以通过图3.1的矢量图来表征。

图3.1 QPSK信号的矢量图表示

QPSK信号可以表示为：，其中I(t)称为同相分量，Q(t)称为正交分量。根据上式可以得到QPSK正交调制器的方框图，如图3.2所示。

图3.2 QPSK系统调制器原理框图

从图3.2可以看出，QPSK调制器可以看作为两个BPSK调制器构成，输入的二进制信息序列经过串并转换，分成两路速率减半的序列I(t)和Q(t)，然后对和进行调制，相加后即可得到QPSK信号。经过串并变换之后的两个支路，一路为单数码元，另一路是偶数码元，这两个支路为正交，一个称为同相支路，即I支路，另一个称为正交支路，即Q支路。

QPSK信号可以采用两个正交的载波信号实现相干解调。通过载波恢复电路，产生相干载波，分别将同相载波和正交载波提供给同相支路和正交支路的相关器，经过积分、判决和并串转换，即可恢复原来的二进制信息。QPSK解调框图如图3.3所示。

                            图3.3 QPSK相干解调框图

在QPSK实验中，我们采用了DSP来软件实现QPSK调制和解调。本实验中，利用DSP用软件完成BPSK的调制和解调。由DSP产生一个数据源，并进行串并转换，分为I路和Q路，同时产生同频的正弦信号和余弦信号，分别和I、Q路相乘，再将I、Q路合路，实现QPSK调制，通过DSP的MCBSP2口串行发送，再通过D/A转换和上变频进行传输。接收方通过下变频和A/D变化，将数据通过DSP的MCBSP2串行交给DSP，DSP做相干解调，恢复出原始数据信息。

3.2实验步骤

1、打开移动实验箱电源，等待实验箱初始化完成。先按下“菜单”键，再按下数字键“5”，选择“五. 数字调制解调”， 再按下数字键“2”选择“QPSK调制”；

2、在测试点TP201测试基带数据时钟信号；

3、在测试点TP202测试发送的基带数据；

4、在测试点TP308测试I路和Q路调制复合后的波形；

5、在测试点TP203测试接收的解调后数据波形。

3.2.1数据记录

图3.2.1 TP201基带数据时钟信号         图3.2.2 TP202发送的基带数据

图3.2.3TP203解调后的波形               图3.2.4 TP308调制复合后的信号

图3.2.5 基带信号和复合后的信号          图3.2.6解调后与调制后的信号信号

四.OQPSK调制和解调过程

4.1实验原理

偏移四相相移键控（OQPSK）是另外一种四相相移键控。将QPSK调制框图中的正交支路信号偏移TS/2，其他不变，即可得到OQPSK信号。将正交支路信号偏移TS/2的结果是消除了已调信号中突然相移的现象。每个TS/2信号只可能发生±/2的变化。QPSK和OQPSK信号的相位转移图如图4.1所示。

图4.1  相位转移图

    如上图所示，采用OQPSK调制后，相位转移图中的信号点只能沿着正方形四边移动，故相位只能发生/2的变化。相位跳变小，所以频谱特性要比QPSK的好。

在OQPSK实验中，我们采用了DSP软件来实现OQPSK调制和解调。本实验中由DSP产生一个数据源，并进行串并转换，分为I路和Q路，同时产生同频的正弦信号和余弦信号，分别和I、Q路相乘，再将I、Q路合路，进行OQPSK调制，通过DSP的MCBSP2口串行发送，再通过D/A转换和上变频进行传输。接收方通过下变频和A/D变化，将数据通过DSP的MCBSP2串行交给DSP，DSP做相干解调，恢复出原始数据信息。

4.2实验步骤

1. 打开移动实验箱电源，等待实验箱初始化。初始化结束后显示“初始化完成，请使用”，此时可以进行下面操作；

2. 先按下“菜单”键，再按下数字键“5”选择“五. 数字调制解调”，再按数字键“3”选择“3. OQPSK调制”；

3. 在测试点TP206测试输入的基带数据波形。

4. 在测试点TP201测试发送的I路数据；

5. 在测试点TP202测试发送的Q路数据；

6. 在测试点TP308测试I路和Q路调制复合后的波形；

7. 在测试点TP203测试接收的I路解调数据波形；

8. 在测试点TP204测试接收的Q路解调数据波形；

4.2.1数据记录

图4.2.1 TP206基带数据波形                 图4.2.2 TP201发送的I路数据波形

图4.2.3 TP203 I路解调数据波形              图4.2.4TP204 Q路解调数据波形

图4.2.5 TP308 I路和Q路调制复合后的波形     图4.2.6基带信号与复合后的信号

图4.2.7 I路数据和接收的I路解调波形       图4.2.8 Q路数据和接收的Q路解调波形

五．MSK调制和解调过程

5.1实验原理

当信道中存在非线性的问题和带宽时，幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象，同时还要满足频率资源的要求。因此，对己调信号有两点要求，一是要求包络恒定；二是具有最小功率谱占用率。因此，现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性，从而减少频率占用。

MSK（最小频移键控）是移频键控FSK的一种改进形式。在FSK方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0.5的一种连续相位的FSK信号。其主要特点是包络恒定，带外辐射小，实现较简单。其数学表达式为：

式中，Tb为码元的宽度，an为＋1，－1。是第n个码元的初始相位，并且

当输入＋1时，发送的角频率为：。当输入-1时，发送的角频率为：。在一个码元内相位增加/2或者减小/2，所以相位的变换是连续的。

图5.1给出一种MSK调制信号产生的方法。 

图5.1 MSK的调制框图

实现MSK调制的过程为：先将输入的基带信号将其分成I、Q两路，并互相交错一个码元宽度，再用加权函数和分别对I、Q两路数据加权，最后将两路数据分别用正交载波调制。MSK使用相干载波最佳接收机解调，如图5.1所示。

图5.1  MSK的相干解调框图

在MSK实验中，我们采用了DSP软件来实现MSK调制和解调。本实验中由DSP产生一个数据源，并进行串并转换，分为I路和Q路，同时产生同频的正弦信号和余弦信号，分别和I、Q路相乘，再将I、Q路合路，进行MSK调制，通过DSP的MCBSP2口串行发送，再通过D/A转换和上变频进行传输。接收方通过下变频和A/D变化，将数据通过DSP的MCBSP2串行交给DSP，DSP做相干解调，恢复出原始数据信息。

5.2实验步骤

1. 打开移动实验箱电源，等待实验箱初始化。初始化结束后显示“初始化完成，请使用”，此时可以进行下面操作；

2. 先按下“菜单”键，再按下数字键“5”选择“五. 数字调制解调”，再按数字键“4”选择“4. MSK调制”；

3. 在测试点TP206测试输入的基带数据波形。

4. 在测试点TP201测试发送的I路数据；

5. 在测试点TP202测试发送的Q路数据；

6. 在测试点TP308测试I路和Q路调制复合后的波形；

7. 在测试点TP203测试接收的I路解调数据波形；

８. 在测试点TP204测试接收的Q路解调数据波形。

5.2.1数据记录

图5.2.1 TP206测试输入的基带数据波形          图5.2.2 TP201测试发送的I路数据 

图5.2.3TP202测试发送的Q路数据         图5.2.4TP308测试I路和Q路调制复合后的波形

   图5.2.5发送的I路数据与调制后的信号      图5.2.6发送的I路数据和接收的I路解调数据波形

图5.2.7 测试发送的Q路数据和接收的Q路解调数据波形

六．小结

两周的课程设计，我们完成了测试四种调制方式：BPSK、QPSK、OQPSK和MSK中探测点的所有波形。

调制解调是为数据通信的数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输而设计的，它一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等几部分组成。调制是将数字信号与音频载波组合，产生适合于电话线上传输的音频信号（模拟信号），解调是从音频信号中恢复出数字信号, 其作用就是在我们普通的电话线上传输数字信号，或者说就是让计算机可以通过电话线上网。

在本实验中，BPSK是采用直接调相法来实现的，也就是用输入的基带信号直接控制已输入载波相位的变化来实现相位键控。QPSK在实际的调制解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟I、Q基带信号是带有载波误差的信号。这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。

OQPSK是QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。也即OQPSK信号相位能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。MSK信号也可以看成是一类特殊形式的OQPSK。在MSK中，OQPSK的基带矩形脉冲被半正弦脉冲取代。MSK信号是二进制信号频率分别为fc+1/4T和fc-1/4T的FSK信号。MSK信号的相位在每一个比特期间是线性的。

这次课程设计中，遇到很多眼熟但不懂的知识点，通过翻书、上网查资料解决了难题，也让我们在实践中巩固了课本知识。

七．致谢

我们一组三个人共同合组完成了这次课程设计，设计过程中不仅克服了知识难题，也克服了分工合作中出现的分歧，不仅考验了我们的友谊，也让我们更加团结一心。设计中指导老师胡老师给了我们悉心的帮助和指导，在此特别感谢胡老师的栽培！也非常感谢电子系给与我们这次自己动手设计的机会，让我们从中得到了锻炼。

参考文献

1、谭家杰;通信原理教学改革初探[J];当代教育论坛(教学版);2010年02期

2、陈文楷;徐萍萍;崔刚;《数字电子技术》课程体系和内容改革的体会[A];全国高等学校电子技术研究会2006年年会论文集[C];

3、吴雨川;码份多址(CDMA)技术及其最新研究进展[J];武汉科技学院学报;2005年10期

4、郑更生,谢治平,贺贵明;基于CDMA网络的多处理器结构视频监控系统[J];计算机工程与应用;2005年26期