通信原理實驗報告BPSK傳輸系統(tǒng)實驗

1、BPSK傳輸系統(tǒng)實驗一、實驗原理(一)基帶成型基帶傳輸是頻帶傳輸?shù)幕A(chǔ)，也是頻帶傳輸?shù)牡刃У屯ㄐ盘柋硎??；鶐鬏斚到y(tǒng)的框圖如圖1所示。圖1 基帶傳輸系統(tǒng)的框圖（二）BPSK調(diào)制解調(diào)理論上二進制相移鍵控（BPSK）可以用幅度恒定，而其載波相位隨著輸入數(shù)據(jù)m（1、0碼）而改變，通常這兩個相位相差180。如果每比特能量為Eb，則傳輸?shù)腂PSK信號為：其中升余弦濾波器的傳遞函數(shù)為：其中，是滾降因子，取值范圍為0到1。一般=0.251時，隨著的增加，相鄰符號間隔內(nèi)的時間旁瓣減小，這意味著增加可以減小位定時抖動的敏感度，但增加了占用的帶寬。BPSK的調(diào)制工作過程如下：首先輸入數(shù)據(jù)進行Nyquist濾波，濾

2、波后的結(jié)果分別送入I、Q兩路支路。因為I、Q兩路信號一樣，本振頻率是一樣的，相位相差180度, 所以經(jīng)調(diào)制合路之后仍為BPSK方式。二、實驗內(nèi)容（一）基帶成形1. 0.3升余弦濾波的眼圖觀察（1） 以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號（TPi03）的波形。技巧：按下示波器“顯示”按鈕，將“持續(xù)”設(shè)置為2秒。注意不觀測眼圖時需將示波器“顯示”菜單內(nèi)“持續(xù)”設(shè)置回關(guān)閉。測量過零率抖動與眼皮厚度（換算成百分數(shù)）。實驗現(xiàn)象及分析：上圖中CH1黃色波形為TPM01發(fā)送時鐘，CH2藍色波形為TPi03眼圖。由圖中紅框中光標1光標2的時間差可以讀出測量值為11.6us。由上圖可以讀出T=32us。理

3、論上發(fā)送時鐘是32kHz，因而T=1/32kHz=31.25us。而實驗中示波器實際測得的發(fā)送時鐘是31.25kHz，所以T是32us。計算時以示波器實際測量結(jié)果為準。所以可求得此時的過零率抖動=11.60us/32us=36.25%，而眼皮厚度為0. 2. 0.4升余弦濾波的眼圖觀察實驗現(xiàn)象及分析：同理可求得此時的過零率抖動=11.2us/32us=35%.而此時眼皮厚度為0.3. 0.4開根號升余弦濾波的眼圖觀察實驗現(xiàn)象及分析：同理可得過零率抖動=7.60us/32us=23.75%，圖中光標1光標2所夾部分即為眼皮厚度，此時眼皮厚度=1.12V/2.4V=46.67%.思考：怎樣的系統(tǒng)才

4、是最佳的？匹配濾波器最佳接收機性能如何從系統(tǒng)指標中反映出來？分析：由=0.3和=0.4的兩個實驗可以看出，當由0.3增大到0.4時，過零率抖動由36.25%降低為35%。原因是作為滾降因子，取值在01之間，隨著的增加，相鄰符號間隔內(nèi)的時間旁瓣減小，也就意味著隨著的增加能夠減小定位時抖動的敏感度。但這一優(yōu)點是靠占用更多的帶寬換來的。對比可以發(fā)現(xiàn)，在上面的實驗中=0.4開根號情況下得到的過零率抖動最小，而眼皮厚度最大，是三者中最好的系統(tǒng)。根據(jù)最佳接收原理可知，利用發(fā)射機和接收機使用同樣濾波器來實現(xiàn)的升余弦滾降傳遞函數(shù)，其頻響為開根號升余弦響應(yīng)。利用該響應(yīng)分配的系統(tǒng)是最佳的。匹配濾波器最佳接收機性能

5、可以從系統(tǒng)傳輸?shù)男旁氡?、信道誤碼率、信道頻帶利用率、有無碼間串擾、有無鄰道干擾等指標中反映出來。4. 觀察基帶頻譜分別將KG04置于0.4升余弦濾波狀態(tài)和KG04置于非歸零碼狀態(tài)（未作基帶成形濾波的矩形脈沖）。觀察基帶信號（TPi03）的頻譜的區(qū)別（示波器水平方向頻率分辨率相同才便于比較）。實驗現(xiàn)象及分析：上方左圖只有一個峰的為=0.4升余弦濾波狀態(tài)頻譜圖，上方右圖有三個峰的為非歸零碼狀態(tài)即未作基帶成形濾波的頻譜圖。兩個頻譜圖采用的橫軸分度都是12.5kHz。由圖中光標測量可以看出，=0.4升余弦濾波狀態(tài)頻譜圖在20.0kHz右側(cè)部分的頻譜幅度都在-54.9dB以下，即呈現(xiàn)低通的狀態(tài)，在20k

6、Hz就基本上截止了。而非歸零碼狀態(tài)頻譜圖有3段通帶，分別是032kHz，32kHz63.5kHz，63.5kHz92.5kHz。也就是在92.5kHz才截止。上方兩張圖是將橫軸分度統(tǒng)一放大至2.5kHz的對比圖，兩者圖的光標1和光標2都卡在相同的位置，13.7kHz和20.3kHz處。明顯可以看到左圖=0.4升余弦濾波狀態(tài)的幅度已經(jīng)降到-54.9dB的時候右圖非歸零碼狀態(tài)的幅度還有-25.3dB，并且下降趨勢很平緩。左圖升余弦濾波狀態(tài)下，基帶信后經(jīng)過=0.4升余弦濾波后變?yōu)榈屯◣扌盘?，可以消除碼間干擾，同時減少了頻帶占用，提升了頻帶利用率，減少鄰道干擾。而右圖非歸零碼狀態(tài)下，明顯頻帶占用較寬

7、，頻帶利用率較低，存在頻譜泄漏，容易造成碼間干擾。（二）BPSK調(diào)制解調(diào)（部分實驗步驟無需截圖，只需文字描述）1、 準備工作。2、 BPSK調(diào)制信號0/相位測量：KG02置成輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為01碼。用示波器的觀察調(diào)制輸出波形（TPK03）和調(diào)制參考載波上（TPK07）。觀察和驗證調(diào)制載波在數(shù)據(jù)變化點發(fā)生相位0/翻轉(zhuǎn)。實驗現(xiàn)象及分析：上圖中CH1黃色波形為TPK07調(diào)制參考載波波形，CH2藍色波形為TPK03調(diào)制輸出波形。圖中虛線標明了上下波形的對應(yīng)關(guān)系，中軸綠色虛線位置處為數(shù)據(jù)變化點，可以明顯看出，在綠色虛線以左，即數(shù)據(jù)變化之前，由紅色虛線所標明的對應(yīng)關(guān)系為調(diào)制參考載波的波峰對應(yīng)調(diào)制輸出波形的波

8、谷，而綠色虛線以右，即數(shù)據(jù)變化之后，由藍色虛線所標明的對應(yīng)關(guān)系為調(diào)制參考載波的波峰對應(yīng)調(diào)制輸出波形的波峰。數(shù)據(jù)變化前后對應(yīng)關(guān)系由波峰對波谷變?yōu)椴ǚ鍖Σǚ?，可見發(fā)生了相位0/翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)的原因是，如果每比特能量為Eb，則傳輸?shù)腂PSK信號為：，其中，所以數(shù)據(jù)變化點前后相位發(fā)生180翻轉(zhuǎn)。3、 I路和Q路調(diào)制信號的相平面（矢量圖）信號觀察（1） 測量I支路（TPi03）和Q支路信號（TPi04）李沙育（x-y）波形。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進行測量；結(jié)合BPSK調(diào)制器原理分析測試結(jié)果。（2） 將KG04置于=0.4的開根號升余弦響應(yīng)，重復上述實驗步驟。仔細觀察和區(qū)別兩種方式下矢量圖信號。實驗現(xiàn)

9、象及分析：李沙育圖又稱星座圖，星座點聚焦越好，則系統(tǒng)性能越好，否則，噪聲與碼間串擾越嚴重，系統(tǒng)的誤碼率越高。以下貼圖展示實驗現(xiàn)象時，均以左圖為=0.4而右圖為=0.4開根號升余弦的順序：上圖為兩者在全1碼時的李沙育圖，圖形都是一個點。在全0碼時兩者的李沙育圖也都是一個點，不過由于0碼和1碼的波形存在的相位差，所以在李沙育圖上點的位置會一個偏左一個偏右。上圖為兩者在0/1碼時的李沙育圖，都是呈45傾斜的扁橢圓形狀。但是右圖開根號升余弦響應(yīng)的李沙育圖相比于左圖的橢圓略長一點點。可見在0/1碼狀態(tài)下開根號升余弦響應(yīng)相比于普通升余弦響應(yīng)并沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。因為0/1碼狀態(tài)下0碼和1碼交替出現(xiàn)，沒有

10、連0和連1，所以碼間串擾并不嚴重。上圖為兩者在M序列時的李沙育圖，這是可以明顯看出右圖開根號升余弦響應(yīng)的李沙育圖相比于左圖的橢圓明顯要短，亦即開根號響應(yīng)的噪聲和碼間串擾更少。在M序列時明顯體現(xiàn)出開根號響應(yīng)的優(yōu)勢是因為M序列相比于0/1碼更不規(guī)則，會有連續(xù)幾位0或連續(xù)幾位1的情況出現(xiàn)，噪聲和碼間串擾增多。此時開根號響應(yīng)的低通帶限作用對于噪聲和碼間串擾的抑制作用得到了明顯的展現(xiàn)。在3級M序列、4級M序列和9級M序列情況下得到的兩者李沙育圖情形與剛才M序列狀況下的相同，也是開根號升余弦響應(yīng)的李沙育圖相比于普通升余弦響應(yīng)的李沙育圖橢圓明顯要短，即開根號響應(yīng)的噪聲和碼間串擾更少。綜上所述，開根號升余弦響

11、應(yīng)系統(tǒng)更好，噪聲和碼間串擾較少。4、 BPSK調(diào)制信號包絡(luò)觀察：（1） KG02置成輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為01碼。觀測調(diào)制載波輸出測試點TPK03的信號波形。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（TPi03）的相互關(guān)系。畫下測量波形。實驗現(xiàn)象及分析：上圖中CH1黃色波形為TPi03基帶信號，CH2藍色波形為TPK03調(diào)制載波輸出信號。圖中所加的虛線標明了上下波形的對應(yīng)關(guān)系，調(diào)制載波輸出信號波形的包絡(luò)與基帶信號相一致，不過這種一致的對應(yīng)關(guān)系有些特別?；鶐盘柕牟ǚ鍖?yīng)調(diào)制載波輸出信號上沿的包絡(luò)，而基帶信號的波谷對應(yīng)調(diào)制載波輸出信號下沿的包絡(luò)。圖中藍色虛線標明了波峰的對應(yīng)關(guān)系，紅色虛線標明

12、了波谷的對應(yīng)關(guān)系。而調(diào)制載波輸出信號相比與基帶信號略微有一點點延時，由圖中虛線的輕微傾斜可以看出，這是由于經(jīng)過了調(diào)制電路造成的，符合實際情況。調(diào)制載波輸出信號包絡(luò)與基帶信號相一致，說明調(diào)制成功，且對應(yīng)情況無差錯，即沒有什么明顯錯碼誤碼情況。（2） 用m序列重復上一步實驗，觀測載波的包絡(luò)變化。M序列情況下與0/1碼情況完全相同，只是基帶信號不一樣，但兩者對應(yīng)關(guān)系與上面完全一樣，不再重復贅述。5、 BPSK調(diào)制信號頻譜測量（1） 準備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，觀測BPSK信號頻譜。（2） 用波器測量BPSK調(diào)制信號（TPK03）。先將示波器調(diào)到125kHz/div，選擇hanning

13、窗，然后將頻譜擴展10倍，旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕，觀察1.024MHz頻率點附近波形。測量調(diào)制頻譜占用帶寬、電平等，記錄實際測量結(jié)果，畫下測量波形。實驗現(xiàn)象及分析：上圖為BPSK調(diào)制信號頻譜，由兩光標間卡住的區(qū)域能夠看出，頻譜占用帶寬不到50kHz，大約為45kHz（右端緊鄰著的藍色箭頭所指的小峰不算在帶寬內(nèi)，因為有明顯的分界線了，應(yīng)該是靠近的雜波分量）。圖中縱坐標分度一格為10.0dB，頻譜峰值在5格處，即頻譜幅度約為50dB。由實驗原理部分已知：對于矩形脈沖BPSK信號能量的90%在大約1.6Rb的帶寬內(nèi)，而對于=0.5的升余弦濾波器，所有能量則在1.5Rb的帶寬內(nèi)。而實驗箱上所用的碼元速率為3

14、2kHz,則1.5Rb=32kHz*1.5=48kHz。實驗測得帶寬為45kHz,在48kHz帶寬以內(nèi)，相當于1.41Rb。雖然實驗所用的是=0.4的升余弦濾波器，但與=0.5接近，所以認為在合理誤差范圍之內(nèi)，與理論相符。6、 BPSK調(diào)制信號頻譜載漏信號測量通過KG02選擇0/1碼輸入數(shù)據(jù)，觀測BPSK信號頻譜。測量調(diào)制頻譜載漏與信號電平的差值，記錄實際測量結(jié)果，畫下測量波形。思考：載漏過大會對系統(tǒng)帶來什么影響？載漏的產(chǎn)生與什么因素有關(guān)？如何減小載漏電平？實驗現(xiàn)象及分析：上圖中由光標1和光標2所夾區(qū)間測得調(diào)制頻譜載漏與信號電平差值差值為15.6dB。圖中左右兩個較高的峰為信號峰，中間藍色箭頭

15、所指的較低的峰為調(diào)制頻譜載漏。已知傳輸?shù)腂PSK信號為余弦形式的函數(shù)，頻譜為一左一右兩個關(guān)于零點對稱的函數(shù)，零點處應(yīng)該幅值為0，而調(diào)制時將頻譜搬移到1.024MHz附近，即零點搬移到1.024MHz處，則1.024MHz處幅值也應(yīng)該為0，而實際測得頻譜該處只比信號峰相差15.6dB，不為0，說明出現(xiàn)了調(diào)制頻譜載漏。載漏即本振信號的基波分量，此處即1.024MHz處分量。載漏并非調(diào)制信號傳輸?shù)念l點，所以載漏過大會大幅度消耗系統(tǒng)功率，也可能使解調(diào)器中產(chǎn)生直流漂移。載漏產(chǎn)生的因素有：平衡調(diào)制器直流工作點不平衡；平衡調(diào)制器I、Q兩支路不平衡；收發(fā)本振振源產(chǎn)生的輻射。減小載漏電平可以通過調(diào)節(jié)平衡調(diào)制器的

16、直流工作點的平衡或調(diào)節(jié)IQ兩支路平衡來實現(xiàn)。實驗箱上的即通過調(diào)節(jié)電位器WK01和WK02，同時觀察示波器的載漏峰是不是在減小，若是在減小，則繼續(xù)調(diào)，若是從減小變?yōu)樵黾樱瑒t往回調(diào)到剛才的最小處，則為電路的最佳平衡點，即載漏電平最小處。7、 接收端解調(diào)器眼圖信號觀測（1） 準備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，并用中頻電纜連結(jié)KO02和JL02，建立中頻自環(huán)（自發(fā)自收）。信道噪聲放在最小位置（SW001跳線插入最下端）。KL01設(shè)置在1_2位置（閉環(huán)）。（2） 測量解調(diào)器Q支路眼圖信號測試點TPJ06（在A/D模塊內(nèi)）波形，觀測時用發(fā)時鐘TPM01作同步。將接收端與發(fā)射端眼圖信號TPi03進

17、行比較，觀測接收眼圖信號有何變化。從下到上不斷加大噪聲，觀察TPJ06眼圖變化。實驗現(xiàn)象及分析： 信道噪聲放在最小位置時眼圖與上文中發(fā)射端眼圖基本相同，在此不在重復。不斷增大噪聲時，眼圖的過零率抖動和眼皮厚度越來越大，眼圖越來越亂。當加到第4檔時，眼圖的眼睛完全閉合，加到第7檔噪聲時如上圖，連深藍色的瞬時信號都是完全雜亂的噪聲式波形。 可見當噪聲增大時，過零率抖動會增大，眼皮厚度會變厚，抽樣判決很容易造成誤判。8、 解調(diào)器失鎖時的眼圖信號觀測（1） 將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置（開環(huán)），使環(huán)路失鎖。噪聲放回最小位置。（2） 觀測失鎖時的解調(diào)器眼圖信號TP

18、J05，熟悉BPSK調(diào)制器失鎖時的眼圖信號（未張開）。觀測失鎖時正交支路解調(diào)器眼圖信號TPJ06波形。實驗現(xiàn)象及分析：上圖中CH2藍色波形為失鎖時解調(diào)眼圖信號TPJ05的波形，CH1信號插錯了孔，圖中是8kHz的CH1，應(yīng)該用32kHz的CH1來做對比，所以就不要看CH1了。圖中兩條紅線所夾的區(qū)域為1個T的眼圖?？梢娧劬σ呀?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。上圖中CH2藍色波形為失鎖時正交支路解調(diào)眼圖信號TPJ06的波形，情況與TPJ05類似。正確解調(diào)信號需要回復處同頻率同相位的載波，所以需要鎖相環(huán)來保證提取載波的質(zhì)量，當失鎖時，眼圖閉合，無法恢復正確載波，便無法正確

19、解調(diào)。9、 接收端I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形觀察（1） 準備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置（閉環(huán)），使環(huán)路鎖定。（2） 測量I支路（TPJ05）和Q支路信號（TPJ06）李沙育（x-y）波形時，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。實驗現(xiàn)象及分析：上圖為閉環(huán)時接收端IQ的李沙育圖，理論上應(yīng)該如上文中的輸入端李沙育圖一樣呈現(xiàn)一個很扁很扁的傾斜橢圓，但此時李沙育圖的這個橢圓比較粗。說明接收端相比于輸入端的噪聲和碼間串擾更多。這么粗的橢圓還表明兩支路的解調(diào)波形之間相

20、點不同步，有相位差。理論上說閉環(huán)狀態(tài)下應(yīng)該沒有相位差，但是可能由于此項實驗是緊接著剛才加噪和失鎖的實驗后面做的，加噪失鎖之后直接閉環(huán)得到的兩路相位可能鎖定得不是太好，有偏移，故造成了這樣的結(jié)果。如果直接進行閉環(huán)實驗得到的李沙育圖結(jié)果應(yīng)該能夠比較接近呈斜線狀的那種扁橢圓。10、 解調(diào)器失鎖時I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形觀察：（1） 準備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置（右端），使環(huán)路失鎖。（2） 觀測接收端失鎖時I路和Q路的合成矢量圖。掌握解調(diào)器時I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形的變化，分析測量結(jié)果。實

21、驗現(xiàn)象及分析： 上圖為失鎖時接收端IQ的李沙育圖，本來關(guān)閉“持續(xù)”的失鎖李沙育圖是呈雜亂點狀的，因為本身同步就不太好，有相位差（理論上不應(yīng)該有相位差，但是實驗實際情況有，原因參見閉環(huán)情況下的分析），失鎖之后相位差更加不穩(wěn)定，IQ兩路信號的同相點的差距一直在移動變化，造成了李沙育圖旋轉(zhuǎn)，將持續(xù)調(diào)成“無限”之后，李沙育圖掃過的圖案形成了一個不太規(guī)則的圓。11、 解調(diào)器相干載波相位模糊度觀測（1） 準備：通過KG02選擇輸入測試數(shù)據(jù)為較短的“特殊碼序列”，解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置（閉環(huán)），使環(huán)路鎖定。（2） 用雙蹤示波器同時測量發(fā)端調(diào)制載波（TPK06）和收

22、端恢復相干載波（TPLZ06），并以TPK06作為示波器的同步信號。反復的斷開和接回中頻自環(huán)電纜（或不斷在1_2位置插拔KL01），觀測兩載波失步后再同步時之間的相位關(guān)系。實驗現(xiàn)象及分析： 實驗中所用的較短的“特殊碼序列”為“”，即KG02的下方兩個跳線插上，上方第一個跳線斷開時所輸入的碼組。、 上圖為閉環(huán)時的情況，CH1黃色波形為發(fā)端調(diào)制載波，CH2藍色波形為收端回復相干載波。光標位置卡在波谷和波峰。下圖為失步后再同步時的情況，光標位置沒有動：可以明顯看出光標已經(jīng)不再卡在波谷和波峰的位置了，兩者的相位關(guān)系發(fā)生了移動。由原來的基本上是上下波谷對波峰的狀態(tài)變化成接近波峰對波峰的狀態(tài)。每當KL01跳線斷開時，下方CH2藍色波形就不停地滾動尋找同步點，上方CH1黃色波形保持不動，當KL01跳線