通信基础学习知识原理实验一BPSK传输实验.doc

.\ 一、实验目的 1、 掌握BPSK调制和解调的基本原理 2、 掌握BPSK数据传输过程，熟悉典型电路 3、 了解数字基带波形时域形成的原理和方法，掌握滚降系数的概念 4、 掌握BPSK眼图观察的正确方法，能通过观察接收眼图判断信号的传输质量 5、 熟悉BPSK调制载波包络的变化 6、 掌握BPSK载波恢复特点与位定时恢复的基本方法 7、 了解BPSK/DBPSK在噪声下的基本性能 二、实验仪器 1、 ZH7001通信原理综合实验系统 一台 2、 20MHz双踪示波器 一台 3、 ZH9001型误码测试仪（或GZ9001型） 一台 4、 频谱分析仪 一台 三、实验原理 （一）BPSK调制 理论上二进制相移键控（BPSK）是指：载波幅度恒定，而其载波相位随着输入信号m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180。如果每比特能量为Eb，则传输的BPSK信号为： 采用二进制码流直接载波信号进行调相，信号占居带宽大。上面这种调制方式在实际运用中会产生以下三方面的问题： 1、 浪费宝贵的频带资源； 2、 会产生邻道干扰，对系统的通信性能产生影响，在移动无线系统中, 要求在相邻信道内的带外辐射一般应比带内的信号功率谱要低40dB到80dB； 3、 如果该信号经过带宽受限信道会产生码间串扰（ISI），影响本身通信信道的性能。 在实际通信系统中，通常采用Nyquist波形成形技术，它具有以下三方面的优点： 1、 发送频谱在发端将受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰； 2、 在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收； 3、 获得无码间串扰的信号传输； 在“通信原理综合实验系统”中，BPSK的调制工作过程如下：首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两路支路。因为I、Q两路信号一样，载波本振频率是一样的，相位相差90度, 所以经调制合路之后仍为BPSK方式。采用直接数据（非归零码）调制与成形信号调制的信号如图4.2.3所示： 图4.2.3 直接数据调制与成形信号调制的波形 在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波在频率上是一样的，但相位存在两种关系：0,180。如果是0，则解调出来的数据与发送数据一样，否则，解调出来的数据将与发送数据反相。为了解决这一技术问题，在发端码字上采用了差分编码，经相干解调后再进行差分译码。 差分编码原理为： 一个典型的差分编码调制过程如图4.2.5所示： （二）BPSK解调 接收的BPSK信号可以表示成： 为了对接收信号中的数据进行正确的解调，这要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。这就是我们常说的载波恢复与位定时恢复。 １、载波恢复 对二相调相信号中的载波恢复有很多的方法，最常用的有平方变换法、判决反馈环等。为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。判决反馈环结构如图4.2.8所示： 判决反馈环鉴相器具有图4.2.9所示的特性： 在通信原理实验平台中BPSK的DSP解调方法： 1、 A/D采样速率为4倍的码元速率，即每个码元采样4个样点。 2、 采样之后，进行平方根Nyquist匹配滤波。 3、 将匹配滤波之后的样点进行样点抽取，每两个样点抽取一个采样点。即每个码元采样2个点送入后续电路进行处理。 4、 将每个码元2个点进行位定时处理，根据误差信号对位定时进行调整。TPMZ07测量点为最终恢复的位定时时钟。 5、 再将位定时处理之后的最佳样点送入后续处理（即又进行了2:1的样点抽取）。 6、 根据最佳样点值进行载波鉴相处理，鉴相输出在测量点TPN03可以观察到。鉴相后的结果送PLL环路滤波，控制VCXO。最终使本地载波与输入信号的载波 达到同频、同相（也可能存在180度相差）。 7、 位定时与载波恢复之后，进行判决处理，判决前信号可在测量点观察到。 四、实验步骤 测试前检查：首先通过菜单将通信原理综合实验系统调制方式设置成“BPSK传输系统”；用示波器测量TPMZ07测试点的信号，如果有脉冲波形，说明实验系统已正常工作；如果没有脉冲波形，则需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化。 1. BPSK调制基带信号眼图观测（以m序列观测眼图） （1）通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打勾），此时基带信号频谱成形滤波器全部放在发送端。以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。成形滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。判断信号观察的效果。 （2）通过菜单选择激活“匹配滤波”方式（打勾），此时系统构成收发匹配滤波最佳接收机，重复上述实验步骤。仔细观察和区别上述两种方式下发送信号眼图（TPi03）的波形。 图1 未选择匹配滤波的眼图 图2 选择匹配滤波的眼图 分析：由两图比较可知，选中匹配滤波时的眼图的眼皮的厚度要比不选中匹配滤波时的眼皮厚度小。这是因为当通过选择菜单激活“匹配滤波”方式时，表示系统按匹配滤波最佳接收机组成，即发射机端和接收机端采用同样的开根号升余弦响应滤波器。利用该响应分配的系统是最佳的。当未激活“匹配滤波”方式时，系统为非匹配最佳接收机，整个滤波器滚降特性全部放在发射机端完成。匹配滤波器最佳接收机性能可以从系统传输的信噪比、信道误码率、信道频带利用率、有无码间串扰、有无邻道干扰等指标中反映出来。 2. I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察 （1）测量I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04 的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK调制器原理分析测试结果。 （2）通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤。仔细观察和区别两种方式下矢量图信号。 图3 m序列匹配时矢量图 图4 m序列不匹配时矢量图 图5 全1码匹配时矢量图 图6 全0码匹配时矢量图 图7 0/1码匹配时矢量图 图8 0/1码不匹配时矢量图 图9 特殊码序列匹配时矢量图 分析：通过观察比较可知，当输入码为全0或全1码时，矢量图为一个点，这是因为输入码自始至终都是相同的，只有一个固定的值，所以X-Y矢量图集中在一个点上。不过由于0码和1码的波形存在π的相位差，所以在李沙育图上点的位置会一个偏左一个偏右。 而其他码序列，由于相位都随时间变化而有规律的变化，所以矢量图是直线。通过比较相同码序列，匹配与不匹配时的矢量图，可以看出，当匹配时，矢量图的点聚焦很好，且矢量图形状稳定。当不匹配时，由于噪声比较严重，矢量图点聚焦没有匹配时好，且总是在矢量直线上来回移动，很不稳定。这是由于不匹配时不是最佳接收状态，波形不稳定，且噪声比较严重的原因。 3. BPSK调制信号0/π相位测量 选择输入调制数据为0／1码。用示波器的一路观察已调制信号输出波形（TPK03）， 并选用该信号作为示波器的同步信号；示波器的另一路连接到调制参考载波上（TPK06/或TPK07），以此信号作为观测的参考信号。仔细调整示波器同步，观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。 图10 观察0/180 翻转 分析：此波形为在数据变化点是放大观察的波形。通道一是已调制输出波形，通道二为参考调制载波波形。可以明显观察到载波在数据变化点发生相位0/π翻转。 4. BPSK调制信号包络观察 BPSK调制为非恒包络调制，调制载波信号包络具有明显的过零点。通过本测量让学生熟悉BPSK调制信号的包络特征。 （1）选择0/1码调制输入数据，观测调制载波输出测试点TPK03的信号波形。调整示波器同步，注意观测调制载波的包络变化与基带信号（TPi03）的相互关系。画下测量波形。 （2）用特殊码序列重复上一步实验，并从载波的包络上判断特殊码序列。画下测量波形。 （3）用m序列重复上一步实验，观测载波的包络变化。 图11 0/1序列包络变化 图12 特殊码序列包络变化 图13 m序列包络变化 分析：观察可知，调制载波输出的信号的包络随系带信号的变化而变化。 二）BPSK解调 1. 接收端解调器眼图信号观测 （1）首先用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环（自发自收），将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在1_2位置（闭环）。测量解调器I支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形，观测时用发时钟TPM01作同步。将接收端与发射端眼图信号TPi03进行比较，观测接收眼图信号有何变化（有噪声）。 图13 TPJ05眼图 分析：可以观察到，接收端的眼图眼皮厚度比发射端要大，这是由于信道传输中，有噪声干扰。 （2）观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ06（在A/D模块内）波形，比较与TPJ05测试波形有什么不同？根据电路原理图，分析解释其原因。 分析：TPJ06处没有波形产生。 （3）测试模块中的TPN02测试点为接收端经匹配滤波器之后的眼图信号观测点。通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤。解释为什么发端眼图已发生变化，而收端TPN02的眼图没有发生变化（仅电平变化）。 图14 TPN02匹配眼图 图15 TPN02不匹配眼图 2. 接收端I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察测量I支路（TPJ05）和Q支路信号（TPJ06）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPJ05和TPJ06的合成矢量图。在解调器锁定时，其相位矢量图应为0、π两种相位。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK解 调器原理分析测试结果。 图16 锁定时m序列矢量图 分析：因为Q支路没有波形，所以矢量图为一条直线。特殊码序列，0/1序列差别不大。全0或全1时为一个点 3. 解调器失锁时的眼图信号观测 将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（开环），使环路失锁。观测失锁时的解调器眼图信号TPJ05，熟悉BPSK调制器失锁时的眼图信号（未张开）。观测失锁时正交支路解调器眼图信号TPJ06波形 图17 失锁时I支路眼图 图18 失锁时Q支路眼图 分析：由图可知，失锁时，眼睛已经闭合，噪声容限为0，失锁状况下无法提取出同频率同相位的载波，无法正确解调。 4. 解调器失锁时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察 将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（右端），使环路失锁。观测接收端失锁时I路和Q路的合成矢量图。掌握解调器时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形的变化，分析测量结果。 图19 失锁时I支路与Q支路矢量图 分析：矢量图是一个很乱的椭圆，而且还会旋转。这是因为当失锁后，两路信号的波形并不稳定，也不是与接收端相同的波形，它们是随机的，所以造成了矢量图的混乱。 5. 判决反馈环解调器鉴相特性观察 解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3（右端）位置，观察锁相环鉴相器输出点TPN03的波形（在测试模块）。通信原理综合实验系统中对BPSK信号解调采用判决反馈环解调器，其PLL环路鉴相特性具有锯齿余弦特性。 图20 PLL 环路的锯齿余弦特性 6. 解调器PLL环路鉴相器差拍电压和锁定过程观察 将跳线开关KL01设置在1_2位置（PLL闭环）和2_3（PLL开环）位置来回切换，仔 细观察测试模块内TPN01测量点的工作波形。观测时将示波器时基设定在5ms～10 ms，有 条件可使用存储示波器 图21 1_2位置时波形 图22 2_3位置时波形 分析：当跳线开关在1_2位置时，有波形，在2_3位置时无波形。当失锁时，无法解调出波形，所以环路鉴相器没有波形。 7. 解调器抽样判决点信号观察 （1） 选择输入测试数据为m序列，用示波器观察测试模块内抽样判决点（TPN04）的 工作波形（示波器时基设定在2～5ms）。 图23 TPN04m序列波形 （2） TPMZ07为接收端DSP调整之后的最佳抽样时刻。用示波器同时观察TPMZ07（观 察时以此信号作同步）和观察抽样判决点TPN04信号波形之间的相位关系。 图24 TPM207与TPN04波形 分析：上方图像为TPM207处波形，下方为TPN04处波形。 8. 解调器失锁时抽样判决点信号观察 将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置，使环路失锁。 用示波器观察测试模块内抽样判决点TPN04信号波形，观测时示波器时基设定在2～5ms。 熟悉解调器失锁时的抽样判决点信号波形。 图25 失锁时TPN04点波形 分析：此时无法辨别出0,1码。 9. 解调器相干载波观测 首先建立中频自环，通过菜单选择输入测试数据为“特殊码序列”或“m序 列” 。 （1）用双踪示波器同时测量发端调制载波（TPK07）和收端恢复相干载波（TPLZ07）， 并以TPK07作为示波器的同步信号。在环路正常锁定时，观测收发载波信号的相 对关系。 （2）将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（开环）， 使环路失锁。重复上述测量步骤，观测在解调器失锁时收发载波信号的相对关系。 （3）将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在1_2位置（闭环）， 让解调器锁定（如无法锁定，可按选择菜单上的确认键，让解调器重新同步锁定）。 断开中频连接电缆，观测在无输入信号情况下，解调器载波是否与发端同步。记 录测量结果。 图26 正常锁定时图像 分析：当环路正常锁定时，收发载波信号是同步的，当失锁时，接收端载波信号不稳定，且与发射端信号不同步，相对于发射端信号一直在移动。当无输入信号时，解调器早搏与发端不同步。这是因为，失锁和没有输入信号时，接收端都收不到与发射端相同同步的稳定信号，所以导致与之相乘的载波信号不能与发端载波信号同步。 10. 解调器位定时恢复信号调整锁定过程观察 TPMZ07为DSP调整之后的最佳抽样时刻，它与TPM01（发端时钟）具有明确的相位 关系。 （1）通过菜单选择输入测试数据为m序列，用示波器同时观察TPM01（观察时以它 作同步）、TPMZ07（收端最佳判决时刻）之间的相位关系。 （2）不断按确认键（此时仅对DSP位定时环路初始化），观察TPMZ07的调整过程。 （3）断开K002接收中频接头，在没有接收信号的情况下重复该步实验，并解释原因。 图27 分析：锁定时，当不断按确认键时，TPM01与TPMZ07的相位关系没有发生改变，因为有锁相环回路，所以相位差是固定的一个非常小的值。当没有接收信号的情况下，不断按确认键，接收端相位会改变，因为没有接收信号，就得不到相干载波，所以提取不出时钟信号，接收时钟信号相位是随机的。 五、思考题 1、 写出眼图正确的观察方法； 对眼图的测试方法如下：用示波器的同步输入通道接收码元的时钟信号，用示波器的另一通道接在系统接收滤波器的输出端（例如I支路），然后调整示波器的水平扫描周期（或扫描频率），使其与接收码元的周期同步。这时就可以在荧光屏上看到显示的图型很像人的眼睛，所以称为眼图（如下图所示）。在这个图形上，可以观察到码间串扰和噪声干扰的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。 2.简述Nyquit滤波作用 发送频谱在发端将受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰； 在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；获得无码间串扰的信号传输； 六、实验感想 之前虽已在课堂上学习过BPSK传输，但是这次实验所用的原理并没有课上的那么简单，很多内容一时间无法消化，课下有花了一些时间来理清原理。通过这次实验，我知道了在实际应用中我们对BPSK的数字化实现方法，另外还熟练了眼图的测量方法，及矢量图的测量方法，这都是以前其他课的实验中并不常用的，但通过这次实验我已熟练掌握，相信在以后会有很大用处。感谢老师一天耐心的讲解与陪伴。