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实验二 交错四相移相键控（OQPSK）调制及解调实验
一、 实验目的
1、了解OQPSK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
3、与QPSK调制对比，掌握它们的差别
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QPSK调制及OQPSK调制各信号的区别。
4、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
OQPSK又叫偏移四相相移键控，它是基于QPSK的一类改进型，为了克服QPSK中过零点的相位跃变特性，以及由此带来的幅度起伏不恒定和频带的展宽（通过带限系统后）等一系列问题。若将QPSK中并行的I，Q两路码元错开时间（如半个码元），称这类QPSK为偏移QPSK或OQPSK。通过I、Q两路码元错开半个码元调制之后的波形，其载波相位跃变由180°降至90°，避免了过零点，从而大大降低了峰平比和频带的展宽。
下面通过一个具体的例子说明某个带宽波形序列的I路，Q路波形，以及经载波调制以后相位变化情况。
若给定基带信号序列为`
1 －1 －1 1 1 1 1 －1 －1 1 1 －1
对应的QPSK与OQPSK发送波形如图2-1所示。

图2-1 QPSK,OQPSK发送信号波形
图2-1中，I信道为奇数数据单元，Q信道为偶数数据单元，而OQPSK的Q信道与其I信道错开（延时）半个码元。
QPSK，OQPSK载波相位变化公式为
(2-1)
QPSK数据码元对应的相位变化如图2-2所示，OQPSK数据码元对应相位变化如图2-3所示

图2-2 QPSK相位变化图 图2-3 OQPSK相位变化图
对于QPSK数据码元对的相位变换由图2-1和2-2求得为：
可见，在QPSK中存在过零点的180°跃变。
对于OQPSK数据码元对的相位变化由图2-3求得为：
可见，在QPSK中，仅存在小于＝90°的相位跃变，而不存在过零点跃变。所以OQPSK信号的带限不会导致信号包络经过零点。OQPSK包络的变化小多了，因此对OQPSK的硬限幅或非线性放大不会再生出严重的频带扩展，OQPSK即使再非线性放大后仍能保持其带限的性质。
OQPSK的调制和相干解调框图如图2-4、2-5所示。
图2-4 OQPSK调制器框图
图2-5 OQPSK相干解调器框图
QPSK和OQPSK两种调制方式在码分多址系统中获得了广泛的用。在IS-95系统的前向链路中采用的是QPSK的调制方式，在反向链路中采用的OQPSK的调制方式。
四、 实验原理
1、实验模块简介
（1）基带成形模块：
本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。
（2）IQ调制解调模块：
本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。
（3）码元再生模块：
本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。
（4）PSK载波恢复模块：
本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。
2、实验框图及电路说明
a、OQPSK调制实验
IQ调制
基带成型
图2-6 OQPSK调制实验框图
基带成形模块产生的PN码（由PN31端输出，码型为111100010011010）输入到串并转换电路中（由NRZ IN端输入）进行串并转换，输出的I、Q两路数字基带信号（观测点为NRZ-I，NRZ-Q），I路直接连接到波形地址选择生成器，Q路延迟半个码元，也连接到波形预取电路判断，取出相应的模拟基带波形数据，经D/A转换后输出。 b、OQPSK解调实验
IQ解调
码元再生

图2-7 OQPSK解调实验框图
OQPSK解调实验框图如图2-7所示。OQPSK已调信号送入IQ调制解调模块中的IQ解调电路分别进行PSK相干解调，相干载波由调制端的本振源经正交分频产生。解调输出的I、Q两路模拟基带信号送入码元再生模块进行抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换后输出。抽样判决前I、Q两路信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。
五、 实验步骤
1、 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和PSK载波恢复模块。
2、 OQPSK调制实验。
a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接：
源端口
目的端口
连线说明
基带模块：PN31
基带模块：NRZ IN
提供PN31伪随机序列
基带模块：I-OUT
IQ模块：I-IN
串并变换后的I路信号输入
基带模块：Q-OUT
IQ模块：Q-IN
串并变换后的Q路信号输入
b、按基带成形模块上“选择”键，选择OQPSK模式（OQPSK指示灯亮）。
c、用示波器观察基带模块上“I-OUT”及“Q-OUT”测试点，并分别与“NRZ IN”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况
d、用频谱分析仪观测调制后OQPSK信号频谱（可用数字示波器上FFT功能替代观测），观测点为IQ模块调制单元的“输出”端（TP4）
3、 OQPSK相干解调实验。
a、关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：

源端口
目的端口
IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2）
IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3）
IQ模块(载波单元)：输出（J5）
IQ模块(载波单元)：输入（J4）
b、示波器探头分别接IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调波形。
c、对比观测解调前后I路信号
示波器探头分别接IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意观察两者是否一致。
d、对比观测原始Q路信号与解调后Q路信号
示波器探头分别接IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。
4、 OQPSK再生信号观察
a、关闭实验箱总电源，保持步骤2、3中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接：
源端口
目的端口
连线说明
IQ模块：I-OUT
再生模块：I-IN
将解调后的I路信号进行抽样判决
IQ模块：Q-OUT
再生模块：Q-IN
将解调后的Q路信号进行抽样判决
b、按再生模块上“选择”键，选择OQPSK模式（OQPSK指示灯亮）。
c、对比观测原始NRZ信号与再生后的NRZ信号
示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤2重新实验。
5、 观测载波非相干时信号波形
断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与PSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时载波不同步。
六、 思考题
QPSK及OQPSK基带信号有什么区别？这些区别产生了什么结果？
答：QPSK调制与OQPSK调制类似，所不同的是OQPSK的基带信号在正交支路引入了半个码元的时延，这使得两个之路的数据不会同时发生变化，因而不会像QPSK那样产生的相位跳变，而仅能产生的相位跳变。因此OQPSK频谱旁瓣要低于QPSK信号的旁瓣。
七、 参考实验连线及测试曲线
“I-OUT”与“NRZ IN”测试点的信号进行对比：

“Q-OUT”测试点与“NRZ IN”测试点的信号进行对比：

调制后OQPSK信号频谱：

IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端的解调波形：

IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端的输出波形：

IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端：

再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端：

5.观测载波非相干时信号波形
“I-OUT”与“NRZ IN”测试点的信号进行对比：

“Q-OUT”与“NRZ IN”测试点的信号进行对比：

调制后OQPSK信号频谱：

IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端的解调波形：

IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端的输出波形：

IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端的解调波形：

再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端：