QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，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，然后用四种不同的载波相位来表征。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表1-1所示，矢量关系如图1-1所示。图1-1(a）表示A方式时QPSK信号矢量图，图1-1(b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。
由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A方式中：45°、135°、225、315°，则数据I、Q通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值士√2/2;B方式中：0、90°、180°、270°，则数据I、Q通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值+1、-1、0。

下面以 A 方式的 QPSK 为例说明 QPSK 信号相位的合成方法。

串／并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行序列，然后通过基带成形得到的双极性序列（从 D / A 转换器输出，幅度为士√2/2)。设两个双极性序列中的二进制数字分别为 a 和 b ，每一对 ab 称为一个双比特码元。双极性的 a 和 b 脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图1-2中虚线矢量，将两路输出叠加，即得到 QPSK 调制信号，其相位编码关系如表1-2所示。

用调相法产生QPSK调制器框图如图1-3所示

由图1-3可以看到， QPSK 的调制器可以看作是由两个 BPSK 调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串并变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号 I ( t ）和 Q ( t )，然后对 Acos wt 和 Asin wt 进行调制，相加后即可得到 QPSK 信号。经过串并变换后形成的两个支路如图1-4所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即 I 支路；另外一路称为正交支路，即 Q 支路。

2、 QPSK 解调原理
由于 QPSK 可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图1-5所示。

三、实验器材

3.1、移动通信原理实验箱：

包括基带成型模块、IQ调制解调模块、码元再生模块以及PSK载波恢复模块，以及若干台阶插座线、同轴视频线、示波器。

(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。

3.2、实验框图及电路说明

a、QPSK调制实验

QPSK 调制的实验框图如图1-6所示，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，成为 IQ 两路基带信号，输出的 IQ 两路数字基带信号（观测点为 NRZ - I , NRZ - Q )，经波形预取电路判断，取出相应的模拟基带波形数据，经 D / A 转换后输出（观测点为 I - OUT , Q - OUT ，分别于 NRZ - I , NRZ - Q 波形反相）。 IQ 两路模拟基带信号送入 IQ 调制解调模块中的 IQ 调制电路分别进行 PSK 调制，然后相加形成 QPSK 调制信号，经放大后输出。 QPSK 已调信号载波为10.7MHz，是由21.4MHz本振源经正交分频产生。

b.QPSK解调实验

QPSK 解调实验原理框图如图1-7所示， QPSK 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 IQ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 IQ 信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。位同步信号恢复由码元再生模块中的数字锁相环完成。
IQ 解调电路的载波也可由 PSK 载波恢复模块上的本振源提供，此时解调变为非相干解调，从解调输出的模拟基带信号可以看出信号失真很大，无法进行码元再生。

四、实验步骤

1、安装模块：

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、 QPSK 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：

＊检查连线是否正确，检查无误后打开电源。
b 、按基带成形模块上"选择"键，选择 QPSK 模式（ QPSK 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 QPSK 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、 QPSK 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：

b 、示波器探头分别接 IQ 解调单元的" I - OUT "及" Q - OUT "端，观察解调波形。

c 、对比观测解调前后的 I 路信号
示波器探头分别接 IQ 模块的" I - OUT "端及的" I - IN "端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致可能是载波相位不对，可按下 IQ 模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。)
d 、对比观测解调前后的 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。（若一致表示解调正确，若不一致可能是载波相位不对，可将按 IQ 模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。)

4、 QPSK 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：

＊检查连线是否正确，检查无误后打开电源。
b 、按再生模块上"选择"键，选择 QPSK 模式（ QPSK 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（注意解调出的 NRZ 码与输入的 NRZ 码存在延迟）。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。从步骤2开始再次观察各信号。

五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

1、“I-OUT”测试点与“NRZ IN”测试点的信号进行对比:

2、“Q-OUT”测试点与“NRZ IN”测试点的信号进行对比:

3、调制后QPSK信号频谱:

4、示波器探头分别接IQ解调单元的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调波形：

5、IQ模块的“I-OUT”端及的“I-IN”端：

6、IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端：

7、再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端：（上面的为基带模块上的“NRZ IN”端的输出）：

8、载波为非相干时信号波形：

（1）“I-OUT”测试点与“NRZ IN”测试点的信号进行对比:

（2）“Q-OUT”测试点与“NRZ IN”测试点的信号进行对比:

（3）调制后QPSK信号频谱:

（4）IQ解调单元的“I-OUT”及“Q-OUT”端输出波形：

（5）IQ模块的“I-OUT”端及的“I-IN”端输出波形：

（6）IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端输出波形：

（7）再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端：（上面的为基带模块上的“NRZ IN”端的输出）：

六、实验结果及分析

1、结果分析：

（1）观察串并转换情况，与原信号周期相差1倍，各点波形对应正确；

（2）将串并变换后的信号通过调制单元输出，利用示波器FFT功能观测到的波形是调制后的QPSK信号频谱；

（3）观察解调后的波形，其中“I-OUT”和“I-IN”端二者波形一致，解调正确。

（4）观察解调后的波形，其中“Q-OUT”和“Q-IN”端二者波形一致，解调正确。

（5）再生信号观察，将I路信号和Q路信号分别经过抽样判决之后进行串并变换生成NRZ，将其和输入的NRZ-IN对比可得。二者波形一致，说明解调正确。而且解调出的NRZ码和输入的NRZ码存在延迟；与实验指导书上说明情况的一致。

（6）调整电路连接之后，载波不同步。观察解调后的波形，其中“I-OUT”和“I-IN”端二者波形不一致，解调存在误差，不正确。

（7）调整电路连接之后，载波不同步。观察解调后的波形，其中“Q-OUT”和“Q-IN”端二者波形也不一致，解调存在误差，不正确。

（8）再生信号观察，将I路信号和Q路信号分别经过抽样判决之后进行串并变换生成NRZ，将其和输入的NRZ-IN对比可得。二者波形一致，说明解调正确，根据观察好像并没有受到载波不同步的影响。而且解调出的NRZ码和输入的NRZ码存在延迟；与实验指导书上说明情况的一致。

2、思考题：

（1）为什么相干解调时解调输出的基带信号是两电平的，而非相干解调时是多电平的?

答：相干解调和非相干解调在通信系统中用于提取信息的两种不同方法。相干解调在解调时保留了调制信号的相位信息，因此通常产生两电平的基带信号。这是因为信息通常编码为相位差异，例如BPSK中的0和1分别对应不同的相位。相干解调以复数运算方式提取信息，保持了信息的相位信息，通常以正负号表示。

相比之下，非相干解调通常采用包络检测，只提取信号的振幅信息，而丢失了相位信息。这导致非相干解调通常产生多电平输出，因为信息通常映射到不同的振幅水平，例如在AM广播中，音频信号的振幅变化映射到不同的输出振幅水平。

（2）实验中，如果I、Q支路接反，即I接到Q，Q接到I，会有正确结果吗？为什么？

答：不会。如果I、Q支路接反，则在输出端不会有任何输出。

3、心得体会：

本人之前对于QPSK的了解与理解都是基于课本的知识与课堂上老师的讲解，但是通过本次实验，本人亲自利用移动通信原理实验箱操作了如何进行QPSK调制与解调，从直观实践上看到了QPSK调制与解调的波形图，以及原始输入的NRZ信号与再生之后的NRZ信号波形对比。有助于我更好的理解QPSK的原理与特性。

对于IQ调制解调，课堂上的知识大致可以归纳为：奇数进I路，偶数进入Q路，I路与cos（wt）相乘，Q路与sin（wt）相乘等等。在本次实验中通过自己的亲手实践我看到了NRZ IN的输入信号串并变换情况波形图，通过观察与课本知识结合让我更加深入的了解了QPSK的调制与解调的过程：IQ调制与解调。

总的来说，通过本次实验，我对QPSK调制解调技术有了更深入的理解，也提升了自己的实践能力。我学会了QPSK的原理和性能分析方法。同时，我也明白了理论与实践相结合的重要性，只有将理论知识应用到实践中，才能更好地理解和掌握知识。

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