通信原理實(shí)驗(yàn)一BPSK傳輸實(shí)驗(yàn)

1、、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握BPSK調(diào)制和解調(diào)的根本原理2、掌握BPSK數(shù)據(jù)傳輸過程，熟悉典型電路3、了解數(shù)字基帶波形時(shí)域形成的原理和方法，掌握滾降系數(shù)的概念4、掌握BPSK!艮圖觀察的正確方法，能通過觀察接收眼圖判斷信號(hào)的傳輸質(zhì)量5、熟悉BPSK調(diào)制載波包絡(luò)的變化6、掌握BPSK載波恢復(fù)特點(diǎn)與位定時(shí)恢復(fù)的根本方法7、了解BPSK/DBPSI在噪聲下的根本性能二、實(shí)驗(yàn)儀器1 、 ZH7001 通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一臺(tái)2、20MHz 雙蹤示波器 一臺(tái)3、 ZH9001型誤碼測試儀或GZ9001型一臺(tái)4、頻譜分析儀 一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理一 BPSK調(diào)制理論上二進(jìn)制相移鍵控BPSK是指：載波幅度恒定，而其載波相

2、位隨著輸入信號(hào)m 1、0碼而改變，通常這兩個(gè)相位相差180 °。如果每比特能量為Eb,那么傳輸?shù)腂PSK言號(hào)為：采用二進(jìn)制碼流直接載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，信號(hào)占居帶寬大。上面這種 調(diào)制方式在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)產(chǎn)生以下三方面的問題：1、浪費(fèi)珍貴的頻帶資源；2、 會(huì)產(chǎn)生鄰道干擾，對(duì)系統(tǒng)的通信性能產(chǎn)生影響，在移動(dòng)無線系統(tǒng)中，要 求在相鄰信道內(nèi)的帶外輻射一般應(yīng)比帶內(nèi)的信號(hào)功率譜要低40dB到80dB；3、如果該信號(hào)經(jīng)過帶寬受限信道會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_ISI ,影響本身通信 信道的性能。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，通常采用Nyquist波形成形技術(shù)，它具有以下三方面的優(yōu)點(diǎn)： 1、發(fā)送頻譜在發(fā)端將受到限制，提高信道頻帶利用

3、率，減少鄰道干擾;2、 在接收端采用相同的濾波技術(shù)，對(duì)BPSK言號(hào)進(jìn)行最正確接收;3、獲得無碼間串?dāng)_的信號(hào)傳輸；在“通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，BPSK勺調(diào)制工作過程如下：首先輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行Nyquist濾波，濾波后的結(jié)果分別送入 I、Q兩路支路。因?yàn)镮、Q 兩路信號(hào)一樣，載波本振頻率是一樣的，相位相差90度，所以經(jīng)調(diào)制合路之后仍為BPSK方式。采用直接數(shù)據(jù)非歸零碼調(diào)制與成形信號(hào)調(diào)制的 信號(hào)如下圖：T(J L 一圖直接數(shù)據(jù)調(diào)制與成形信號(hào)調(diào)制的波形在接收端采用相干解調(diào)時(shí)，恢復(fù)出來的載波與發(fā)送載波在頻率上是一 樣的，但相位存在兩種關(guān)系：0,180。如果是0,那么解調(diào)出來的數(shù)據(jù)與發(fā)送 數(shù)據(jù)一樣，否那么，解

4、調(diào)出來的數(shù)據(jù)將與發(fā)送數(shù)據(jù)反相。為了解決這一技術(shù) 問題，在發(fā)端碼字上采用了差分編碼，經(jīng)相干解調(diào)后再進(jìn)行差分譯碼。差分編碼原理為:tj(n) = 1) A(n)一個(gè)典型的差分編碼調(diào)制過程如下圖:二 BPSK解調(diào)接收的BPSK言號(hào)可以表示成:J¥(j) a( 1)co&(2 jt為了對(duì)接收信號(hào)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的解調(diào)，這要求在接收機(jī)端知道載 波的相位和頻率信息，同時(shí)還要在正確時(shí)間點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決。這就是我 們常說的載波恢復(fù)與位定時(shí)恢復(fù)。1、載波恢復(fù)對(duì)二相調(diào)相信號(hào)中的載波恢復(fù)有很多的方法，最常用的有平方變換法、 判決反應(yīng)環(huán)等。為了提高所提取載波的質(zhì)量，一般采用鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)。判 決反應(yīng)環(huán)

5、結(jié)構(gòu)如下圖:判決反應(yīng)環(huán)鑒相器具有圖所示的特性:在通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中 BPSK勺DSP解調(diào)方法：1、A/D采樣速率為4倍的碼元速率，即每個(gè)碼元采樣 4個(gè)樣點(diǎn)。2、采樣之后，進(jìn)行平方根 Nyquist匹配濾波。3、將匹配濾波之后的樣點(diǎn)進(jìn)行樣點(diǎn)抽取，每兩個(gè)樣點(diǎn)抽取一個(gè)采樣點(diǎn)。即每個(gè)碼元采樣2個(gè)點(diǎn)送入后續(xù)電路進(jìn)行處理。4、將每個(gè)碼元2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行位定時(shí)處理，根據(jù)誤差信號(hào)對(duì)位定時(shí)進(jìn)行調(diào)整。TPMZ07測量點(diǎn)為最終恢復(fù)的位定時(shí)時(shí)鐘。5、再將位定時(shí)處理之后的最正確樣點(diǎn)送入后續(xù)處理即又進(jìn)行了 2:1的樣 點(diǎn)抽取。6、根據(jù)最正確樣點(diǎn)值進(jìn)行載波鑒相處理，鑒相輸出在測量點(diǎn)TPN03可以觀 察到。鑒相后的結(jié)果送 PLL環(huán)

6、路濾波，控制VCXO最終使本地載波與輸入 信號(hào)的載波到達(dá)同頻、同相也可能存在 180 度相差。7、位定時(shí)與載波恢復(fù)之后，進(jìn)行判決處理，判決前信號(hào)可在測量點(diǎn)觀察 到。四、實(shí)驗(yàn)步驟測試前檢查：首先通過菜單將通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)制方式設(shè)置成“ BPSK專輸系統(tǒng)；用示波器測量TPMZ07測試點(diǎn)的信號(hào)，如果有脈沖波形， 說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已正常工作；如果沒有脈沖波形，那么需按面板上的復(fù)位按鈕 重新對(duì)硬件進(jìn)行初始化。1. BPSK調(diào)制基帶信號(hào)眼圖觀測以 m序列觀測眼圖 1 通過菜單項(xiàng)選擇擇不激活“匹配濾波方式未打勾 ，此時(shí)基帶信號(hào)頻譜成形濾波器全部放在發(fā)送端。 以發(fā)送時(shí)鐘TPM01作同步，觀測發(fā)送信 號(hào)眼圖T

7、Pi03的波形。成形濾波器使用升余弦響應(yīng)，a二。判斷信號(hào)觀察 的效果。2通過菜單項(xiàng)選擇擇激活“匹配濾波方式打勾 ，此時(shí)系統(tǒng)構(gòu)成收發(fā)匹 配濾波最正確接收機(jī)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。仔細(xì)觀察和區(qū)別上述兩種方式下發(fā)送信號(hào)眼圖TPiO3的波形圖1未選擇匹配濾波的眼圖的眼圖圖2選擇匹配濾波分析：由兩圖比擬可知，選中匹配濾波時(shí)的眼圖的眼皮的厚度要比不 選中匹配濾波時(shí)的眼皮厚度小。 這是因?yàn)楫?dāng)通過選擇菜單激活 “匹配濾波 方式時(shí)，表示系統(tǒng)按匹配濾波最正確接收機(jī)組成，即發(fā)射機(jī)端和接收機(jī)端采 用同樣的幵根號(hào)升余弦響應(yīng)濾波器。利用該響應(yīng)分配的系統(tǒng)是最正確的。當(dāng) 未激活“匹配濾波方式時(shí)，系統(tǒng)為非匹配最正確接收機(jī)，整個(gè)濾波

8、器滾降 特性全部放在發(fā)射機(jī)端完成。 匹配濾波器最正確接收機(jī)性能可以從系統(tǒng)傳輸 的信噪比、信道誤碼率、信道頻帶利用率、有無碼間串?dāng)_、有無鄰道干擾 等指標(biāo)中反映出來。2. I路和Q路調(diào)制信號(hào)的相平面矢量圖信號(hào)觀察1測量I支路TPiO3和Q支路信號(hào)TPiO4李沙育x-y 波形時(shí)， 應(yīng)將示波器設(shè)置在x-y 方式，可從相平面上觀察 TPiO3和TPiO4的合 成矢量圖，其相位矢量圖應(yīng)為0、n兩種相位。通過菜單項(xiàng)選擇擇在不同的輸入碼型下進(jìn)行測量；結(jié)合 BPSK調(diào)制器原理分析測試結(jié)果。2通過菜單項(xiàng)選擇擇“匹配濾波方式設(shè)置，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。仔細(xì)觀察 和區(qū)別兩種方式下矢量圖信號(hào)。圖3 m序列匹配時(shí)矢量圖圖4

9、m序列不匹配時(shí)矢量圖圖5全1碼匹配時(shí)矢量圖圖6全0碼匹配時(shí)矢量圖圖7 0/1碼匹配時(shí)矢量圖圖8 0/1 碼不匹配時(shí)矢量圖圖9特殊碼序列匹配時(shí)矢量圖分析：通過觀察比擬可知，當(dāng)輸入碼為全0或全1碼時(shí)，矢量圖為一個(gè)點(diǎn)，這是因?yàn)檩斎氪a自始至終都是相同的,只有一個(gè)固定的值，所以X-Y矢量圖集中在一個(gè)點(diǎn)上。不過由于 0碼和1碼的波形存在n的相位差,所以在李沙育圖上點(diǎn)的位置會(huì)一個(gè)偏左一個(gè)偏右。而其他碼序列，由于 相位都隨時(shí)間變化而有規(guī)律的變化，所以矢量圖是直線。通過比擬相同碼 序列，匹配與不匹配時(shí)的矢量圖，可以看出，當(dāng)匹配時(shí)，矢量圖的點(diǎn)聚焦 很好，且矢量圖形狀穩(wěn)定。當(dāng)不匹配時(shí)，由于噪聲比擬嚴(yán)重，矢量圖點(diǎn)聚

10、焦沒有匹配時(shí)好，且總是在矢量直線上來回移動(dòng)，很不穩(wěn)定。這是由于不匹配時(shí)不是最正確接收狀態(tài)，波形不穩(wěn)定，且噪聲比擬嚴(yán)重的原因。3. BPSK調(diào)制信號(hào)0/ n相位測量選擇輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為 0/ 1碼。用示波器的一路觀察已調(diào)制信號(hào)輸出 波形TPK03，并選用該信號(hào)作為示波器的同步信號(hào)；示波器的另一路連接到調(diào)制參考載波上TPK06/或 TPK07，以此信號(hào)作為觀測的參考信號(hào)。 仔細(xì)調(diào)整示波器同步，觀察和驗(yàn)證調(diào)制載波在數(shù)據(jù)變化點(diǎn)發(fā)生相位0/ n翻轉(zhuǎn)。圖10觀察0/180翻轉(zhuǎn)分析：此波形為在數(shù)據(jù)變化點(diǎn)是放大觀察的波形。通道一是已調(diào)制輸出波形，通道二為參考調(diào)制載波波形?？梢悦黠@觀察到載波在數(shù)據(jù)變化點(diǎn) 發(fā)生相位

11、0/ n翻轉(zhuǎn)。4. BPSK調(diào)制信號(hào)包絡(luò)觀察BPSK調(diào)制為非恒包絡(luò)調(diào)制，調(diào)制載波信號(hào)包絡(luò)具有明顯的過零點(diǎn)。通過本測量讓學(xué)生熟悉BPSK調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)特征。1 選擇0/1碼調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，觀測調(diào)制載波輸出測試點(diǎn) TPK03的信號(hào) 波形。調(diào)整示波器同步，注意觀測調(diào)制載波的包絡(luò)變化與基帶信號(hào) TPi03 的相互關(guān)系。畫下測量波形。2 用特殊碼序列重復(fù)上一步實(shí)驗(yàn)，并從載波的包絡(luò)上判斷特殊碼序列。 畫下測量波形。3用m序列重復(fù)上一步實(shí)驗(yàn)，觀測載波的包絡(luò)變化圖12特殊碼序列包圖11 0/1序列包絡(luò)變化絡(luò)變化圖13 m序列包絡(luò)變化分析：觀察可知，調(diào)制載波輸出的信號(hào)的包絡(luò)隨系帶信號(hào)的變化而變 化。二 BPSK解

12、調(diào)1. 接收端解調(diào)器眼圖信號(hào)觀測1首先用中頻電纜連結(jié) KO02和JL02，建立中頻自環(huán)自發(fā)自收，將 解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)PLL環(huán)路跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置閉環(huán)。 測量解調(diào)器I支路眼圖信號(hào)測試點(diǎn) TPJ05 在A/D模塊內(nèi)波形，觀測時(shí) 用發(fā)時(shí)鐘TPM01作同步。將接收端與發(fā)射端眼圖信號(hào)TPi03進(jìn)行比擬，觀測接收眼圖信號(hào)有何變化有噪聲0圖13 TPJ05眼圖分析：可以觀察到，接收端的眼圖眼皮厚度比發(fā)射端要大，這是由于 信道傳輸中，有噪聲干擾。2觀測正交Q支路眼圖信號(hào)測試點(diǎn) TPJ06 在A/D模塊內(nèi)波形，比擬與TPJ05測試波形有什么不同？根據(jù)電路原理圖，分析解釋其原因。分析：TPJ06

13、處沒有波形產(chǎn)生。3測試模塊中的 TPN02測試點(diǎn)為接收端經(jīng)匹配濾波器之后的眼圖信號(hào)觀測點(diǎn)。通過菜單項(xiàng)選擇擇“匹配濾波方式設(shè)置，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。解釋為什么發(fā)端眼圖已發(fā)生變化，而收端TPN02的眼圖沒有發(fā)生變化僅電平 變化圖14 TPN02匹配眼圖圖15 TPN02不匹配眼圖2. 接收端I路和Q路解調(diào)信號(hào)的相平面矢量圖波形觀察測量I支路TPJ05和Q支路信號(hào)TPJ06李沙育x-y 波形時(shí)，應(yīng)將示波器設(shè)置在x-y 方式，可從相平面上觀察 TPJ05和TPJ06的合成矢量圖。在解調(diào) 器鎖定時(shí)，其相位矢量圖應(yīng)為0、n兩種相位。通過菜單項(xiàng)選擇擇在不同的輸入碼型下進(jìn)行測量；結(jié)合 BPSK解調(diào)器原理分析測試

14、結(jié)果。圖16鎖定時(shí)m序列矢量圖分析：因?yàn)镼支路沒有波形，所以矢量圖為一條直線。特殊碼序列，0/1序列差異不大。全0或全1時(shí)為一個(gè)點(diǎn)3. 解調(diào)器失鎖時(shí)的眼圖信號(hào)觀測將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)PLL環(huán)路跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置幵 環(huán)，使環(huán)路失鎖。觀測失鎖時(shí)的解調(diào)器眼圖信號(hào) TPJ05,熟悉BPSK調(diào)制 器失鎖時(shí)的眼圖信號(hào)未張幵 。觀測失鎖時(shí)正交支路解調(diào)器眼圖信號(hào)TPJ06波形圖17失鎖時(shí)I支路眼圖圖18失鎖時(shí)Q支路眼圖分析：由圖可知，失鎖時(shí)，眼睛已經(jīng)閉合，噪聲容限為0,失鎖狀況下無法提取出同頻率同相位的載波，無法正確解調(diào)。4. 解調(diào)器失鎖時(shí)I路和Q路解調(diào)信號(hào)的相平面矢量圖波形觀察將解調(diào)器相干載

15、波鎖相環(huán)PLL環(huán)路跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置右 端，使環(huán)路失鎖。觀測接收端失鎖時(shí)I路和Q路的合成矢量圖。掌握解調(diào)器時(shí)I路和Q路解調(diào)信號(hào)的相平面矢量圖波形的變化，分析測量結(jié)果。圖19失鎖時(shí)I支路與Q支路矢量圖分析：矢量圖是一個(gè)很亂的橢圓，而且還會(huì)旋轉(zhuǎn)。這是因?yàn)楫?dāng)失鎖后, 兩路信號(hào)的波形并不穩(wěn)定，也不是與接收端相同的波形，它們是隨機(jī)的， 所以造成了矢量圖的混亂。5. 判決反應(yīng)環(huán)解調(diào)器鑒相特性觀察解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)PLL環(huán)路跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在2_3 右端 位置，觀察鎖相環(huán)鑒相器輸出點(diǎn) TPN03的波形在測試模塊。通信原理綜 合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)BPSK信號(hào)解調(diào)采用判決反應(yīng)環(huán)解調(diào)器，其PLL環(huán)路

16、鑒相 特性具有鋸齒余弦特性圖20 PLL環(huán)路的鋸齒余弦特性6. 解調(diào)器PLL環(huán)路鑒相器差拍電壓和鎖定過程觀察將跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置PLL閉環(huán)和2_3 PLL幵環(huán)位置來回切換，仔細(xì)觀察測試模塊內(nèi)TPN01測量點(diǎn)的工作波形。觀測時(shí)將示波器時(shí)基設(shè)定在5ms 10 ms, 有條件可使用存儲(chǔ)示波器圖21 1_2 位置時(shí)波形圖22 2_3位置時(shí)波形分析：當(dāng)跳線幵關(guān)在1_2位置時(shí)，有波形，在2_3位置時(shí)無波形。當(dāng) 失鎖時(shí)，無法解調(diào)出波形，所以環(huán)路鑒相器沒有波形。7. 解調(diào)器抽樣判決點(diǎn)信號(hào)觀察1選擇輸入測試數(shù)據(jù)為 m序列，用示波器觀察測試模塊內(nèi)抽樣判決點(diǎn)TPN04 的工作波形示波器時(shí)基設(shè)定在 25

17、mS。圖23 TPN04m序列波形2TPMZ07為接收端DSP調(diào)整之后的最正確抽樣時(shí)刻。用示波器同時(shí)觀察TPMZ07觀 察時(shí)以此信號(hào)作同步和觀察抽樣判決點(diǎn)TPN04信號(hào)波形之間的相位關(guān)系圖 24 TPM207 與 TPN04波形分析：上方圖像為 TPM207處波形，下方為TPN04處波形。8. 解調(diào)器失鎖時(shí)抽樣判決點(diǎn)信號(hào)觀察將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)PLL環(huán)路跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置，使 環(huán)路失鎖。用示波器觀察測試模塊內(nèi)抽樣判決點(diǎn)TPN04信號(hào)波形，觀測時(shí)示波器時(shí)基設(shè)定在25ms熟悉解調(diào)器失鎖時(shí)的抽樣判決點(diǎn)信號(hào)波形。圖25失鎖時(shí)TPN04點(diǎn)波形分析：此時(shí)無法區(qū)分出 0,1 碼。9. 解調(diào)器

18、相干載波觀測首先建立中頻自環(huán)，通過菜單項(xiàng)選擇擇輸入測試數(shù)據(jù)為 “特殊碼序列或“m序 列 。1 用雙蹤示波器同時(shí)測量發(fā)端調(diào)制載波TPK07和收端恢復(fù)相干載波 TPLZ07，并以TPK07作為示波器的同步信號(hào)。在環(huán)路正常鎖定時(shí)，觀測收發(fā)載波信號(hào)的相對(duì)關(guān)系。2將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán) PLL環(huán)路跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置 開環(huán)，使環(huán)路失鎖。重復(fù)上述測量步驟，觀測在解調(diào)器失鎖時(shí)收發(fā)載波信號(hào)的相 對(duì)關(guān)系。3將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)PLL環(huán)路跳線幵關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置 閉環(huán)，讓解調(diào)器鎖定如無法鎖定，可按選擇菜單上確實(shí)認(rèn)鍵，讓解調(diào)器重新同步鎖定 斷幵中頻連接電纜，觀測在無輸入信號(hào)情況下，解調(diào)器載波是

19、否與發(fā)端同 步。錄測量結(jié)果。圖26正常鎖定時(shí)圖像分析：當(dāng)環(huán)路正常鎖定時(shí)，收發(fā)載波信號(hào)是同步的，當(dāng)失鎖時(shí)，接收 端載波信號(hào)不穩(wěn)定，且與發(fā)射端信號(hào)不同步，相對(duì)于發(fā)射端信號(hào)一直在移 動(dòng)。當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)，解調(diào)器早搏與發(fā)端不同步。這是因?yàn)?，失鎖和沒有 輸入信號(hào)時(shí)，接收端都收不到與發(fā)射端相同同步的穩(wěn)定信號(hào)，所以導(dǎo)致與 之相乘的載波信號(hào)不能與發(fā)端載波信號(hào)同步。10. 解調(diào)器位定時(shí)恢復(fù)信號(hào)調(diào)整鎖定過程觀察TPMZ07為DSP調(diào)整之后的最正確抽樣時(shí)刻，它與TPM01發(fā)端時(shí)鐘具有明確的相位關(guān)系。1通過菜單項(xiàng)選擇擇輸入測試數(shù)據(jù)為 m序列，用示波器同時(shí)觀察 TPM01觀 察時(shí)以它作同步、TPMZ07收端最正確判決時(shí)刻之間的相位關(guān)系。2不斷按確認(rèn)鍵此時(shí)僅對(duì)DSP位定時(shí)環(huán)路初始化，觀察TPMZ07的調(diào) 整過程。3斷幵K002接收中頻接頭，在沒有接收信號(hào)的情況下重復(fù)