實驗報告_實驗四

1、電子科技大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名：陳松 學(xué) 號： 201322010244指導(dǎo)教師：李恒郵 箱： 一、實驗室名稱：通信信號處理及傳輸實驗室二、實驗項目名稱： 基帶載波調(diào)制技術(shù)實驗三、實驗原理：1、基帶線性載波調(diào)制技術(shù)原理 數(shù)字信號載波調(diào)制有三種基本的調(diào)制方式：幅度鍵控( ASK )，頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。它們分別是用數(shù)字基帶信號控制高頻載波的參數(shù) 如振幅、頻率和相位， 得到數(shù)字帶通信號。 在接收端運用相干或非相干解調(diào)方式， 進行解調(diào)，還原為原數(shù)字基帶信號。數(shù)字調(diào)制技術(shù)可以大致分為線性和非線性的。 在線性調(diào)制技術(shù)中， 傳輸信號 st 的幅度隨調(diào)制

2、數(shù)字信號 m t 的變化而線性變化。線性調(diào)制技術(shù)帶寬效率較 高，所以非常適用于有限頻帶內(nèi)要求容納越來越多用戶的無線通信系統(tǒng)。在線性調(diào)制方案中，傳輸信號 s t 可以表示為：st ReA m t e j2 fctA mR t cos 2 fct mI t sin 2 f ct( 4.1)其中，A是信號幅度，fc是載波頻率，mt mR t jmi t是通常為復(fù)數(shù)形 式的已調(diào)信號的復(fù)包絡(luò)。可見，載波幅度隨調(diào)制信號呈線性變化。 線性調(diào)制方案一般來說都不是恒包絡(luò)。有些非線性調(diào)制的載波，即可能是線性包絡(luò)也可能是恒包絡(luò)， 這取決于基帶 波形是否經(jīng)過脈沖成形處理。線性調(diào)制方案有很好的頻譜效率，但傳輸中必須使用

3、功率效率低的RF放大器。用功率效率高的非線性放大器會導(dǎo)致已濾除的邊瓣再生，造成嚴重的相鄰信 道干擾，使線性調(diào)制得到的頻譜效率全部丟失。最普遍的線性調(diào)制技術(shù)包括脈沖 成形 BPSK、QPSK和OQPSK。（1）、二進制相移鍵控（BPSK）在二進制相移鍵控中，幅度恒定的載波信號隨兩個代表二進制 1或0的信號 m1和m2的改變而在兩個不同的相位間跳變。通常這兩個相位差 180如果正弦 載波的幅度為Ac，每比特能量Eb -ATb，則傳輸?shù)腂PSK信號為：2T cos 2 fct(4.2)0 t Tb （二進制的1）Sbpsk t或者BPSK tIf-2 cos 2 fctcos 2 fct0(4.3)

4、0 t Tb （二進制的0）出于方便，經(jīng)常將m1和m2 般化為二進制數(shù)據(jù)信號 mt，它呈現(xiàn)兩種可能 的脈沖波形中的一種。這樣傳輸信號可以表示為：Sbpsk t m tCOS 20（4.4）BPSK信號等效于抑制載波雙邊帶調(diào)幅波形，其中 cos 2 fct相當于載波，數(shù) 據(jù)信號mt相當于調(diào)制波形。（2）、四相相移鍵控（QPSK）比如0、/2、 和3 /2，四相相移鍵控是在一個調(diào)制符號中傳輸兩個比特，因此其帶寬效率比BPSK的帶寬效率高兩倍。載波的相位為四個間隔相等的值，每一個相位只對應(yīng)唯一的一對消息比特。這個符號狀態(tài)集的QPSK信號可定義為:Sqpsk tcos 20 tTs,i1,2,3,4（

5、 4.5）其中，Ts為符號持續(xù)時間，等于兩個比特周期QPSK信號可以表示為二維星座圖上幅度為.Es，相位分別0、 /2、 和3 /2的信號。從QPSK信號的星座圖可以看出，星座中相鄰點的距離為,2Es。因為每個符號對應(yīng)于兩個比特，所以 Es 2Eb，這樣QPSK星座中相鄰兩點的距離為2 . Eb相對BPSK調(diào)制方式，QPSK在相同的帶寬內(nèi)傳輸了兩倍的數(shù)據(jù)，因此在相同 的能量效率情況下，QPSK提供了兩倍的頻譜效率。（3）差分PSK差分PSK是相移鍵控的非相干形式，它不需要在接收機端有相干參考信號。非相干接收容易制造而且便宜，因此在無線通信系統(tǒng)中廣泛使用。在 DBPSK或 者DQPSK系統(tǒng)中，輸

6、入的二進制序列差分編碼，然后再用 BPSK或者QPSK調(diào)制 器調(diào)制。差分編碼后的序列 dk是通過對mk與dk i進行模2運算，由輸入的二進 制序列dk產(chǎn)生的。其效果相當于，如果輸入的二進制符號mk為1,則符號dk與 其前一個符號保持不變，而如果 mk為0，則dk就改變一次。表4-1給出了按照關(guān) 系式dk mk dk 1由mk序列中產(chǎn)生的DPSK信號DPSK發(fā)射機包括一個比特延遲單元和一個為了從輸入二進制序列產(chǎn)生分編 碼的邏輯電路，其輸出通過一個乘法調(diào)制器得到 DPSK信號。在接收機端，通過 相應(yīng)的處理過程，從調(diào)制的差分編碼信號恢復(fù)出原始信號。2、基帶恒包絡(luò)線性載波調(diào)制技術(shù)許多實際的移動無線通信

7、系統(tǒng)都使用非線性調(diào)制方法，這時不管調(diào)制信號如 何改變，載波的幅度是恒定的。恒包絡(luò)調(diào)制具有可以滿足多種應(yīng)用環(huán)境的優(yōu)點， 其中：可以使用功率效率高的C類放大器，而不會使發(fā)送信號占有的頻譜增大；帶外輻射低，可達-60dB至-70dB;可用限幅器-鑒頻器檢測，從而簡化接收機的 設(shè)計，并能很好地抵抗隨機噪聲和由Rayleigh衰落引起的信號波動。恒包絡(luò)調(diào)制有很多優(yōu)點，但他們占用的帶寬比線性調(diào)制大。（1）、頻移鍵控（FSK）在頻移鍵控調(diào)制系統(tǒng)中，幅度恒定不變的載波信號的頻率隨著可能的信息狀 態(tài)而切換，以2FSK為例，信息狀態(tài)由二進制1和0表示，分別對應(yīng)某個載波頻率。 根據(jù)頻率變化影響發(fā)射波形的方式，F(xiàn)SK

8、信號在相鄰的比特之間，通常呈現(xiàn)連續(xù) 的相位。通常，2FSK信號的表達式為：cos 2 fct 2 ft0 t Tb （二進制的 1）（ 4.6）SFSK t2EbTbcos 2fctft0 t Tb （二進制的0）(4.7)其中2 f代表信號載波的恒定偏移一種簡單的產(chǎn)生FSK信號的方法是，依照數(shù)據(jù)比特是0還是1,在兩個獨立的 振蕩器中切換。m t為二進制波形。更常用的產(chǎn)生FSK信號的方法是，使用信號波形對單一載波振蕩器進行頻率 調(diào)制。這種調(diào)制方法類似于生成模擬FM信號，只是調(diào)制信號因此，2FSK可表示為:SFSK t2Eb.Tbcos 2 fctt2Ebcos 2 fct 2 kf m(4.8

9、)（2）、最小頻移鍵控（MSK）相移鍵控和正交幅度鍵控信號在碼元交替處發(fā)生相位突變，這意味著已調(diào)信 號的功率譜的高頻含量較大，這種信號通過頻帶受限信道，因高頻分量被濾除和 非線性，使信號的包絡(luò)產(chǎn)生起伏，從而影響信號的解調(diào)質(zhì)量。下面將討論的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二進制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。 連續(xù)相位頻移鍵控信號具有恒包絡(luò)， 頻譜旁瓣小，抗干擾性能也較強，因此在衛(wèi) 星通信和移動通信中應(yīng)用較多。最小頻移鍵控(MSK)是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控(CPFSK)，其最大頻 移為比特率的1/4。換句話說，MSK是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位的FSK

10、。FSK信 號的調(diào)制系數(shù)類似于FM調(diào)制系數(shù)，定義為kFSK 2 F / Rb，其中F是最大射 頻頻移，Rb是比特率。調(diào)制系數(shù)0.5對應(yīng)著能夠容納兩路正交FSK信號的最小頻 帶，最小頻移鍵控的由來就是指這種調(diào)制方法的頻率間隔 (帶寬)是可以進行正交 檢測的最小帶寬。如果TvH t vL t 0( 4.9)0貝U兩路FSK信號vH t和vL t是正交的。MSK有時稱為快速FSK，因為其使用的頻率空間僅為常規(guī)非相干 FSK空間的 一半。MSK是一種高效的調(diào)制方法，特別適合在移動無線通信系統(tǒng)中使用。它有 很多好的特性，例如恒包絡(luò)、頻譜利用率高、誤比特率低和自同步性能。MSK信號也可以看成是一類特殊形式

11、的 OQPSK。在MSK中，OQPSK的基帶 矩形脈沖被半正弦脈沖取代。這些脈沖在2Tb周期中形狀類似于St.Louis曲線?？?慮N比特流交錯的OQPSK信號。如果用半正弦脈沖代替矩形脈沖，調(diào)制信號即為 MSK信號，N比特流的表達式為：N 1SMSK tmI t p t2iTbi 0N 1cos 2 fctmQ t p t 2iTbi 0Tb cos 2 fct(4.10)其中t.sinPt2Tb0 t 2Tb(4.11)0other其中mi t和mQ t分別是雙極性數(shù)據(jù)流的奇比特和偶比特，以Rb/2的 速率輸入解調(diào)器的同步積分環(huán)路。應(yīng)當注意 MSK 信號有很多種形式。例如，一 種MSK信號

12、僅使用正的半正弦脈沖作為基本脈沖，另一種可能會使用正負交替 變化的半正弦脈沖為基本脈沖信號。然而，所有的MSK信號都是相位連續(xù)的FSK 信號，使用不同的技術(shù)以有效地利用頻譜。MSK信號可看作一種特殊形式的連續(xù)相位的 FSK信號，MSK信號具有恒定 幅值。通過選定載波頻率為四分之一比特率（1/4T）的整數(shù)倍，可以保證MSK信號 在比特轉(zhuǎn)換處的相位連續(xù)性。MSK信號具有以下特點：1）已調(diào)信號的振幅是恒定的；2）信號的頻率偏移嚴 格地等于 1/ 4Tb 相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)為 0.5； 3）以載波相位為基準的信號相位在一個 碼元期間內(nèi)準確地線性變化/2； 4）在一個碼元期間內(nèi)， 信號應(yīng)包括上載波周期的整數(shù)

13、倍； 5）在碼元轉(zhuǎn)換時刻信號的相位是連續(xù)的， 或者說信號的波形沒有突跳。（3）、高斯最小頻移鍵控（ GMSK）在數(shù)字移運通信中進行高速率數(shù)據(jù)傳輸時， 為了滿足鄰道帶外輻射功率低于 -80-60dB的指標，要求信號要有更加緊湊的功率譜。通過前面的介紹，從MSK信號的功率譜可以看出。MSK信號仍不能滿足這樣的要求。高斯最小頻移鍵控（GMSK）就是針對上述要求提出來的。GMSK調(diào)制方式能 滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求， 以其良好的生能在公共移動通信系 統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并且被確定為歐洲新一代移動通信的標準調(diào)制方式。為了減小已調(diào)波的主瓣寬度和鄰道的帶外輻射，在平滑調(diào)頻（TFM）調(diào)制方式中調(diào)

14、制前對基帶信號進行了相關(guān)編碼處理。 如果調(diào)制前對基帶信號進行高斯濾 波處理也能達到上述目的。 這就是另一種在移動通信中得到廣泛應(yīng)用的恒包絡(luò)調(diào) 制方法 帶高斯濾波的最小頻移鍵控，簡稱高斯最小頻移鍵控。GMSK的基本原理是讓基帶信號先經(jīng)過高斯濾波器濾波，使基帶信號形成高 斯脈沖之后進行MSK調(diào)制。由于濾波形成的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭的邊沿，亦無 拐點，所以經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)波相位路徑在 MSK的基礎(chǔ)上進一步得到平滑。GMSK 將MSK信號的相位路徑的尖角平滑掉了，因此頻譜特性優(yōu)于 MSK和SFSK。采用高斯濾波器進行預(yù)凋制濾波是因為高斯濾波器具有以下特性：1）窄帶銳截止特性，以便抑制高頻分量；2）沖激響應(yīng)

15、過沖量小，以防止過大的瞬時頻偏； 3）濾波器輸出沖激響應(yīng)曲線下的面積對應(yīng)于/2的相移，以使調(diào)制指數(shù)為0.5高斯低通濾波器的單位沖激響應(yīng)為：r2ht expt（ 4.12）顯然h t不是時限的，但是隨t2按指數(shù)規(guī)律迅速下降，可近似認為其寬度有限。傅里葉變換后可得:exp(4.13)高斯預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng):(4.14)四、實驗?zāi)康?1. 研究相移鍵控的線性載波調(diào)制技術(shù)原理；分析二進制相移鍵控 （BPSK）、 四進制相移鍵控（QPSK）技術(shù)的原理；分別觀察BPSK、QPSK調(diào)制信號的波形 及頻譜，比較BPSK和QPSK兩種線性調(diào)制技術(shù)間的功率效率和數(shù)據(jù)帶寬比。2. 研究差分相移鍵控的線性載波調(diào)制

16、技術(shù)原理；分析差分二進制相移鍵控 （DBPSK）、差分四進制相移鍵控（DQPSK）技術(shù)的原理；分別觀察DBPSK、 DQPSK調(diào)制信號的波形及頻譜，比較DBPSK和DQPSK兩種線性調(diào)制技術(shù)間 的功率效率和數(shù)據(jù)帶寬比。3. 研究恒包絡(luò)線性載波調(diào)制技術(shù)原理；熟悉頻移鍵控 （FSK）、最小頻移鍵控 （MSK）、高斯最小頻移鍵控（GMSK）技術(shù)的原理；分別觀察FSK、MSK、GMSK 調(diào)制信號波形及頻譜。4. 掌握如何用FPGA來實現(xiàn)BPSK、QPSK、FSK、MSK調(diào)制9五、實驗內(nèi)容：（ 1）基帶載波調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)實驗； 分析并觀察 BPSK、QPSK、DBPSK、DQPSK、FSK、MSK、GMS

17、K調(diào)制信號的波形及頻譜；（2）基于FPGA的基帶信號調(diào)制實驗。六、實驗器材（設(shè)備、元器件） ：計算機、軟件無線電實驗箱、示波器、 DSP 仿真器、 FPGA 仿真器、 5V 電源七、實驗步驟及實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析：1. 基帶載波調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)實驗通過實驗平臺的菜單窗口提示， 利用鍵盤選擇菜單內(nèi)容， 逐級進入該實驗操 作界面，根據(jù)操作步驟的提示，利用示波器在指定接口進行輸出信號波形觀察。 具體步驟如下：檢查實驗平臺左上方和右下方的 Power Switch是否處于關(guān)閉（OFF）狀態(tài)； 檢查實驗平臺的電源線是否連接正確，若連接正確，實驗平臺右下方的Power Ready指示燈會亮起；將實驗平臺左上方的P

18、ower Switch置為開啟（ON）狀態(tài)，實驗系統(tǒng)進入啟 動狀態(tài)，觀察實驗平臺中部的顯示屏直至進入 “高級軟件無線電教學(xué)系統(tǒng) ”； 按下“確認（回車） ”鍵進入系統(tǒng)實驗列表；選擇“2按 Enter鍵，進入基帶實驗列表；選擇“ 1按 Enter鍵，屏幕顯示進入實驗中，請稍候”提示框，直至進入基帶 調(diào)制實驗列表；1) BPSK 調(diào)制選擇 “1進”入 BPSK 調(diào)制仿真實驗窗，按照軟件無線電實驗平臺界面的提示 進行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實驗平臺 TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察 輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖， 觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過 BPSK 調(diào)制后的頻譜 特征(2)

19、QPSK 調(diào)制選擇“2進”入 QPSK 調(diào)制仿真實驗窗，按照軟件無線電實驗平臺界面的提示 進行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實驗平臺 TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察 輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過 QPSK調(diào)制后的頻譜 特征(3) DBPSK調(diào)制9選擇“ 3進”入 DBPSK 調(diào)制仿真實驗窗，按照軟件無線電實驗平臺界面的提 示進行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實驗平臺 TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀 察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過DBPSK調(diào)制后的頻譜特征(4) DQPSK調(diào)制9選擇“4進”入 DQPSK

20、調(diào)制仿真實驗窗，按照軟件無線電實驗平臺界面的提 示進行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實驗平臺 TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀 察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過DQPSK調(diào)制后的頻譜特征(5) FSK調(diào)制選擇“5進入FSK調(diào)制仿真實驗窗，按照軟件無線電實驗平臺界面的提示進 行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實驗平臺 TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察輸 出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過FSK調(diào)制后的頻譜特 征(6)MSK調(diào)制選擇“6進”入 MSK 調(diào)制仿真實驗窗， 按照軟件無線電實驗平臺界面的提示進 行后續(xù)操作，將示波器

21、分別觀測實驗平臺 TXI和TXQ端口，通過示波器觀察輸 出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過 MSK 調(diào)制后的頻譜 特征( 7) GMSK 調(diào)制選擇“7進”入 GMSK 調(diào)制仿真實驗窗， 按照軟件無線電實驗平臺界面的提示 進行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實驗平臺 TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察 輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過GMSK調(diào)制后的頻譜 特征2. FPGA基帶信號調(diào)制實驗(1) FPGA基帶信號調(diào)制基礎(chǔ)實驗A. 從應(yīng)用程序界面進入 -擴展實驗 -FPGA 擴展實驗 -基帶信號調(diào)制 實驗；B. 打開 ISE8.1-Open Project打開 FPGA_modulate工程；C. 在 modula_main.vhd 中，確定Constant modulation_sel ：std_logic_vector(3 downto 0) ：=“ 0001 ”;D. 編譯程序后下載.bit文件到FPGA中E. 從應(yīng)用程序界面輸入數(shù)據(jù)，按確認發(fā)送，用示波器觀察平臺 TXI 、TXQ 輸出信號波形2)FPGA 基帶信號調(diào)制擴展實驗1)在 modula_main.vhd 中找到如下語句