實驗PSK調(diào)制與解制實驗

一、實驗?zāi)康?、掌握絕對碼、相對碼的概念以及它們之間的變換關(guān)系和變換方法2、掌握產(chǎn)生PSK(DPSK)信號的方法。二、實驗內(nèi)容1、 觀察絕對碼和相對碼的波形。2、 觀察PSK(DPSK)信號波形。3、 觀察PSK(DPSK)信號頻譜。4、 觀察PSK(DPSK)相干解調(diào)器各點波形。三、實驗儀器1、 信號源模塊2、 數(shù)字調(diào)制模塊3、 數(shù)字解調(diào)模塊4、 同步提取模塊5、 雙蹤示波器四、實驗原理1、2PSK(2DPSK)調(diào)制原理2PSK信號是用載波相位的變化表征被傳輸信息狀態(tài)的，通常規(guī)定0相位載波和n相位載波分別代表傳1和傳0,其時域波形示意圖如圖1所示。設(shè)二進制單極性碼為a，其對應(yīng)的雙極性二進制碼為b，則2PSK信號的一般時域數(shù)學表達式為：S2PSK(S2PSK(t)二工bg(t-nT)nsCOSwtc1)其中：bn當其中：bn當a=0時，概率為Pn當a=1時，概率為1一Pn兀+ft6sctg兀+ft6sctg工“

_一+ft6SOC==naa當當圖12PSK信號的時域波形示意圖由(1)式可見，2PSK信號是一種雙邊帶信號，其雙邊功率譜表達式與2ASK的幾乎相同，即為：P2PSK（P2PSK（f）-fp（i-p）［G（f+fc）|2+g（f-fcTOC\o"1-5"\h\z1f2(1-P)2|G(0)|2k(f+f)+匚(f-f)] (3)4s c c2PSK信號的譜零點帶寬與2ASK的相同，即\o"CurrentDocument"B 二(f+R)-(f-R)二2R二2/T(Hz) (4)2PSK cscs s s我們知道，2PSK信號是用載波的不同相位直接去表示相應(yīng)的數(shù)字信號而得出的，在這種絕對移相的方式中，由于發(fā)送端是以某一個相位作為基準的，因而在接收系統(tǒng)也必須有這樣一個固定基準相位作參考。如果這個參考相位發(fā)生變化，則恢復(fù)的數(shù)字信息就會與發(fā)送的數(shù)字信息完全相反，從而造成錯誤的恢復(fù)。這種現(xiàn)象常稱為2PSK的“倒n”現(xiàn)象，因此，實際中一般不采用2PSK方式，而

采用差分移相（2DPSK）方式。2DPSK方式即是利用前后相鄰碼元的相對載波相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。例如，假設(shè)相位值用相位偏移x表示（x定義為本碼元初相與前一碼元初相之差），并設(shè)A①RT數(shù)字信息“1”A①二0T數(shù)字信息“0”則數(shù)字信息序列與2DPSK信號的碼元相位關(guān)系可舉例表示如下:數(shù)字信息：00111001012DPSK信號相位：000n0nnn00n或：nnn0n0 0 0nn0圖2為對同一組二進制信號調(diào)制后的2PSK與2DPSK波形。100111001111川1111ill100111001111川1111ill1LPSK波形DPSK波形000101110相對碼圖22PSK與2DPSK波形對比從圖中可以看出，2DPSK信號波形與2PSK的不同。2DPSK波形的同一相位并不對應(yīng)相同的數(shù)字信息符號，而前后碼元相對相位的差才唯一決定信息符號。這說明，解調(diào)2DPSK信號時并不依賴于某一固定的載波相位參考值。只要前后碼元的相對相位關(guān)系不破壞，則鑒別這個關(guān)系就可以正確恢復(fù)數(shù)字信息，這就避免了2PSK方式中的“倒n”現(xiàn)象發(fā)生。同時我們也可以看到，單純從波形上看，2PSK與2DPSK信號是無法分辨的。這說明，一方面，只有已知移相鍵控方式是絕對的還是相對的，才能正確判定原信息；另一方面，相對移相信號可以看成是把數(shù)字信息序列(絕對碼)變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進行絕對移相而形成。為了便于說明概念，我們可以把每個碼元用一個如圖11所示的矢量圖來表示。圖中，虛線矢量位置稱為基準相位。在絕對移相中，它是未調(diào)制載波的相位；在相對移相中，它是前一碼元載波的相位。如果假設(shè)每個碼元中包含有整數(shù)個載波周期，那么，兩相鄰碼元載波的相位差既表示調(diào)制引起的相位變化，也是兩碼元交界點載波相位的瞬時跳變量。根據(jù)ITU-T的建議，圖3(a)所示的移相方式，稱為A方式。在這種方式中，每個碼元的載波相位相對于基準相位可取0、n。因此，在相對移相后，若后一碼元的載波相位相對于基準相位為0,則前后兩碼元載波的相位就是連續(xù)的；否則，載波相位在兩碼元之間要發(fā)生跳變。圖3(b)所示的移相方式，稱為B方式。在這種方式中，每個碼元的載波相位相對于基準相位可取n/2。因而，在相對移相時，相鄰碼元之間必然發(fā)生載波相位的跳變。這樣，在接收端接收該信號時，如果利用檢測此相位變化以確定每個碼元的起止時刻，即可提供碼元定時信息，這正是B方式被廣泛采用的原因之一。+n/參考相位參考相位J-n/(a) (b)圖3二相調(diào)制移相信號矢量圖2DPSK的調(diào)制原理與2FSK的調(diào)制原理類似，也是用二進制基帶信號作為模擬開關(guān)的控制信號輪流選通不同相位的載波，完成2DPSK調(diào)制，其調(diào)制的基帶信號和載波信號分別從“PSK基帶輸入”和“PSK載波輸入”輸入，差分變換的時鐘信號從“PSK-BS輸入”點輸入，其原理框圖如圖4所示：

圖42DPSK調(diào)制原理框圖2、2PSK(2DPSK)解調(diào)原理2DPSK解調(diào)最常用的方法是極性比較法和相位比較法，這里采用的是極性比較法對2DPSK信號進行解調(diào)，原理框圖如圖5所示。2DPSK調(diào)制信號從“PSK-IN”輸入，位同步信號從“PSK-BS”輸入，同步載波從“載波輸入”點輸入。調(diào)制信號經(jīng)過U09(MC1496)與載波信號相乘后，去掉了調(diào)制信號中的載波成分，再經(jīng)過低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號的低頻信號，對此信號進行抽樣判決(抽樣判決器由U12(74HC74)構(gòu)成，其時鐘為基帶信號的位同步信號)，那么可以得到2PSK的解調(diào)信號。再經(jīng)過逆差分變換電路(由U12(74HC74)、U13(74HC86)組成)，就可以得到2DPSK的解調(diào)信號了。圖52PSK(2DPSK)解調(diào)原理框圖

3同步載波提取當采用同步解調(diào)或相干檢測時，接收端需要提供一個與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個相干載波的獲取就稱為載波提取，或稱為載波同步。提取載波的方法一般分為兩類：一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱作導(dǎo)頻的正弦波，接收端就由導(dǎo)頻提取出載波，這類方法稱為插入導(dǎo)頻法；另一類是不專門發(fā)送導(dǎo)頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為直接法。本實驗是采用科斯塔斯環(huán)法提取同步載波的，其原理框圖如下：乘法器iF3K

退制厲尋放大購-報液輛出 F3K

退制厲尋放大購-報液輛出 低tg濾波器1 嚇樹⑹24*JO乘法器2圖6科斯塔斯環(huán)原理框圖在科斯塔斯環(huán)環(huán)路中，誤差信號V是由低通濾波器及兩路相乘提供的。壓7控振蕩器輸出信號直接供給一路相乘器，供給另一路的則是壓控振蕩器輸出經(jīng)90o移相后的信號。兩路相乘器的輸出均包含有調(diào)制信號，兩者相乘以后可以消除調(diào)制信號的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與壓控振蕩器輸出和理想載波之間相位差有關(guān)的控制電壓，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整，恢復(fù)出原始的載波信號。在實際電路中，我們的乘法器使用模擬乘法器MC1496,其中乘法器1為U01,乘法器2為U02,乘法器3為U03；濾波器為運放及其外圍元器件組成的二階巴特沃斯低通濾波器，其中濾波器1由二運放芯片TL082中的一個運放（U06B）及其外圍元器件組成，濾波器2由二運放芯片TL082中的一個運放（U07B）及其外圍元器件組成；環(huán)路濾波器為L01和R29構(gòu)成的無源低通濾波器；壓控振蕩器使用集成數(shù)字壓控振蕩器74S124（U04），其自由振蕩頻率可由電位器W01（頻率調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)；90°相移用集成D觸發(fā)器芯片74HC74（U05）和集成反相器芯片74HC04（U12）共同完成。由于數(shù)字壓控振蕩器74S124輸出的信號為方波信號，要得到正弦波還需經(jīng)過濾波，我們使用運放U08B和U08C及其外圍元器件構(gòu)成的兩級帶通濾波器進行濾波，最后再經(jīng)過運放U08D構(gòu)成的同相放大器放大得到恢復(fù)后的同步載波。在實驗過程中，由于科斯塔斯環(huán)頻率鎖定范圍較小，因此需要調(diào)節(jié)電位器W01（頻率調(diào)節(jié)），使壓控振蕩器74S124的自由振蕩頻率接近62.5KHz。注意，本實驗?zāi)K只能從PSK調(diào)制信號中提取頻率為62.5KHZ的載波。4位同步信號提取位同步也稱為位定時恢復(fù)或碼元同步。在任何形式的數(shù)字通信系統(tǒng)中，位同步都是必不可少的，無論數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)還是數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，無論相干解調(diào)還是非相干解調(diào)，都必須完成位同步信號的提取，即從接收信號中設(shè)法恢復(fù)出與發(fā)端頻率相同的碼元時鐘信號，保證解調(diào)時在最佳時刻進行抽樣判決，以消除噪聲干擾所導(dǎo)致的解調(diào)接收信號的失真，使接收端能以較低的錯誤概率恢復(fù)出被傳輸?shù)臄?shù)字信息。因此，位同步信號的穩(wěn)定性直接影響到整個數(shù)字通信系統(tǒng)的工作性能。位同步的實現(xiàn)方法分為外同步法和自同步法兩類。由于目前的數(shù)字通信系統(tǒng)廣泛采用自同步法來實現(xiàn)位同步，故在此僅對位同步中的自同步法進行介紹。采用自同步法實現(xiàn)位同步首先會涉及兩個問題：（1）如果數(shù)字基帶信號中確實含有位同步信息，即信號功率譜中含有位同步離散譜，就可以直接用基本鎖相環(huán)提取出位同步信號，供抽樣判決使用；（2）如果數(shù)字基帶信號功率譜中并不含有位定時離散譜，怎樣才能獲得位同步信號。數(shù)字基帶信號本身是否含有位同步信息與其碼型有密切關(guān)系。應(yīng)強調(diào)的是，無論數(shù)字基帶信號的碼型如何，數(shù)字已調(diào)波本身一般不含有位同步信息，因為已調(diào)波的載波頻率通常要比基帶碼元速率高得多，位同步頻率分量不會落在數(shù)字已調(diào)波頻帶之內(nèi)，通常都是從判決前的基帶解調(diào)信號中提取位同步信息。二進制基帶信號中的位同步離散譜分量是否存在，取決于二進制基帶矩形脈沖信號的占空比。若單極性二進制矩形脈沖信號的碼元周期為T,脈沖寬度為T,則NRZ碼的sT=T，則NRZ碼除直流分量外不存在離散譜分量，即沒有位同步離散譜分量s1/T；RZ碼的T滿足0<T<T，且T通常占空比為50%，此時的RZ碼含有n為奇數(shù)的n/T離散譜分量，無Sn為偶數(shù)的離散譜分量，這就是說，RZ碼含有位同s步離散譜分量。顯然，為了能從解調(diào)后的基帶信號中獲取位同步信息，可以采取兩種措施：（1）如原始數(shù)字基帶碼為NRZ碼，若傳輸信道帶寬允許，可將NRZ碼變換為RZ碼后進行解調(diào)；（2）如調(diào)制時基帶碼采用NRZ碼，就必須在接收端對解調(diào)出的基帶信號進行碼變換，即將NRZ碼變換成RZ碼，碼變換過程實質(zhì)上是信號的非線性變換過程，最后再用鎖相環(huán)（通常為數(shù)字鎖相環(huán)）提取出位同步信號離散譜分量。將NRZ碼變?yōu)镽Z碼的最簡單的辦法是對解調(diào)出的基帶NRZ碼進行微分、整流，即可得到歸零窄脈沖碼序列。

下面簡單介紹一下數(shù)字鎖相環(huán)的組成原理。數(shù)字鎖相環(huán)的主要特點是鑒相信號為數(shù)字信號，鑒相輸出也是數(shù)字信號，即環(huán)路誤差電壓是量化的，沒有模擬環(huán)路濾波器。由于數(shù)字鎖相環(huán)的輸入是經(jīng)過微分和全波整流后的信號，故這種數(shù)字鎖相環(huán)也稱為微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)，其原理框圖如圖7所示。該電路由碼型變換器、鑒相器、控制調(diào)節(jié)器組成，各部分的作用如下：碼型變換器圖7微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)組成原理框圖1）碼型變換器完成解調(diào)出的基帶NRZ碼到RZ碼的變換，使鑒相輸入信號X含有位同步離散譜分量。（2）鑒相器用于檢測信號X與輸出位同步信號（分頻輸出D）相位間的超前、滯后關(guān)系，并以量化形式提供表示實時相位誤差的超前脈沖F和滯后脈沖G,供控制調(diào)節(jié)器使用。當分頻輸出位同步信號D相位超前于信號X時，鑒相器輸出超前脈沖F（低電平有效）；反之，則輸出滯后脈沖G（高電平有效），二者均為窄脈沖。3）控制調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)鑒相器輸出的誤差指示脈沖，在信號D與信號X沒有達到同頻與同相時調(diào)節(jié)信號D的相位。高穩(wěn)定晶振源輸出180°相位差、重復(fù)頻率為nf的A、B兩路窄脈沖序列作為控制調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)n分頻后輸出重復(fù)頻率為f的被調(diào)位同步信號D,它與信號X在鑒相器中比0

相。因超前脈沖F低電平有效并作用于扣除門（與門），平時扣除門總是讓脈沖序列A通過，故扣除門為常開門，又因滯后脈沖G高電平有效并作用于附加門（與門），平時附加門總是對序列B關(guān)閉的，故附加門為常閉門。當信號D的相位超前與信號X的相位時，鑒相器輸出窄的低電平超前脈沖F,扣除門（與門）將從脈沖序列A中扣除一個窄脈沖，則n分頻器輸出信號D的相位就推遲了Ts/n（相移360°/n），信號D的瞬時頻率也被調(diào)低；當信號D的相位滯后于信號X的相位時，鑒相器輸出窄的高電平滯后脈沖G，附加門（與門）此時打開讓脈沖序列B（與脈沖序列A保持180°固定相差）中的一個脈沖通過，經(jīng)或門插進來自扣除門輸出的脈沖序列A中，則分頻器輸入多插入的這個脈沖使n分頻器輸出信號的D相位提前了Ts/n（相移360°/n），信號D的瞬時頻率則被提高。由此可見，環(huán)路對信號D相位和頻率的控制調(diào)節(jié)是通過對n分頻器輸入脈沖序列步進式加、減脈沖實現(xiàn)的，經(jīng)環(huán)路的這種反復(fù)調(diào)節(jié)，最終可達到相位鎖定，從而提取出位同步信號。本實驗只能從碼速率為15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz（通過撥碼開關(guān)SW01選擇）的NRZ碼中提取出位同步信號。以碼速率為15.625KHZ的NRZ碼為例，將SW01的第一位撥上后，數(shù)字鎖相環(huán)的本振頻率就被設(shè)置在15.625KHz。圖中，單片機U09將輸入的NRZ碼與數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的信號的相位進行鑒相（比較兩個信號的上升沿），用將相位差進行量化后得到的數(shù)值對數(shù)字鎖相環(huán)本振輸出的相位進行調(diào)整，最后得到正確的位同步信號。電路原理圖如下所示：五、實驗步驟1：PSK調(diào)制實驗（1） 將信號源模塊產(chǎn)生的碼速率為15.625KHz（即將SW04,SW05撥為0000000100101000）的周期性NRZ碼（所謂周期性例如：000100010001000100010001）送入數(shù)字調(diào)制模塊的信號輸入點“PSK（DPSK）基帶輸入”（2） 將信號源模塊產(chǎn)生的64KHz的正弦波（幅度為3V左右）送入數(shù)字調(diào)制模塊的“PSK（DPSK）載波輸入”（3）數(shù)字調(diào)制模塊中的撥位開關(guān)SOI撥到0,用雙蹤示波器同時觀察點“PSK基帶輸入”與“PSK調(diào)制輸出”的波形。2、PSK解調(diào)實驗（1） 將同步信號提取模塊的撥碼開關(guān)SW01的第一位撥上。將數(shù)字解調(diào)模塊中的撥位開關(guān)S01撥到0，（2） 將“PSK調(diào)制輸出”的輸出信號送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點“PSK-IN”,將“PSK調(diào)制輸出”的波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點“S-IN”，使信號輸出點“載波輸出”能輸出提取出的正確的載波信號（方法請參考同步載波提取原理）。（3） 將同步信號提取模塊的“載波輸出”的輸出波形送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點“載波輸入”，觀察信號輸出點“PSK-OUT”處的波形，并調(diào)節(jié)標號為“PSK/DPSK判決電壓調(diào)節(jié)”的電位器，直到在該點觀察到穩(wěn)定的NRZ碼為止。（4） 將點“PSK-OUT”輸出的波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點“NRZ-IN”，再將同步信號提取模塊的信號輸出點“位同步輸出”輸出的波形送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點“PSK-BS”。（5） 觀察信號輸出點“OUT4”、“PSK解調(diào)輸出”處的波形，可將信號源產(chǎn)生的NRZ碼與“P