實驗報告_實驗四

1、電 子 科 技 大 學實 驗 報 告學生姓名：陳松 學 號：201322010244 指導教師：李恒郵 箱：songxia928一、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，傳輸信號的幅度隨調(diào)制數(shù)字信號的變化而線性變化。線

2、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，傳輸信號可以表示為：（4.1）其中，是信號幅度，是載波頻率，是通常為復數(shù)形式的已調(diào)信號的復包絡。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。有些非線性調(diào)制的載波，即可能是線性包絡也可能是恒包絡，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

3、。（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的信號和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，每比特能量，則傳輸?shù)腂PSK信號為： （二進制的1）（4.2）或者（4.3）（二進制的0）出于方便，經(jīng)常將和一般化為二進制數(shù)據(jù)信號，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：（4.4）BPSK信號等效于抑制載波雙邊帶調(diào)幅波形，其中相當于載波，數(shù)據(jù)信號相當于調(diào)制波形。（2）、四相相移鍵控（QPSK）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

4、相位為四個間隔相等的值，比如0、和，每一個相位只對應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： （4.5）其中，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，相位分別0、和的信號。從QPSK信號的星座圖可以看出，星座中相鄰點的距離為。因為每個符號對應于兩個比特，所以，這樣QPSK星座中相鄰兩點的距離為。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)

5、中廣泛使用。在DBPSK或者DQPSK系統(tǒng)中，輸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。差分編碼后的序列是通過對與進行模2運算，由輸入的二進制序列產(chǎn)生的。其效果相當于，如果輸入的二進制符號為1，則符號與其前一個符號保持不變，而如果為0，則就改變一次。表4-1給出了按照關系式由序列中產(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，通過相應的處理過程，從調(diào)制的差分編碼信號恢復出原始信號。2、基帶恒包絡線性載波調(diào)制技術(shù)許多實際的移動無線通信系統(tǒng)都使用非線性調(diào)制方法，這時

6、不管調(diào)制信號如何改變，載波的幅度是恒定的。恒包絡調(diào)制具有可以滿足多種應用環(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信號在相鄰的比特之間，通常呈現(xiàn)連續(xù)的相位

7、。通常，2FSK信號的表達式為： （二進制的1）（4.6）或者 （二進制的0）（4.7）其中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。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)制信號為二進制波形。因此，2FSK可表示為： （4.8）（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，使信號的包絡產(chǎn)生起伏，從而影響信號的解調(diào)質(zhì)量。下面將討

8、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，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。FSK信號的調(diào)制系數(shù)類似于FM調(diào)制系數(shù)，定義為，其中是最大射頻頻移，是比特率。調(diào)制系數(shù)0.5對應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（4.9）則兩路

9、FSK信號和是正交的。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、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。這些脈沖在周期中形狀類似于St.Louis曲線?？紤]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：（4.10）其中（4.11）其中和分別是雙極性數(shù)據(jù)流的"奇比特"和"偶比特&quo

10、t;，以的速率輸入解調(diào)器的同步積分環(huán)路。應當注意MSK信號有很多種形式。例如，一種MSK信號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相應的調(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

11、；4)在一個碼元期間內(nèi)，信號應包括上載波周期的整數(shù)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

12、射，在平滑調(diào)頻 (TFM)調(diào)制方式中調(diào)制前對基帶信號進行了相關編碼處理。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用的恒包絡調(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

13、頻分量；2)沖激響應過沖量小，以防止過大的瞬時頻偏；3)濾波器輸出沖激響應曲線下的面積對應于的相移，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為：（4.12）顯然不是時限的，但是隨按指數(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：（4.13）高斯預調(diào)制濾波器的脈沖響應：（4.14）4、 實驗目的：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)制技術(shù)原理；分析差分二進制相移

14、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5、 實驗內(nèi)容：（1）基帶載波調(diào)制技術(shù)基礎實驗；分析并觀察BPSK、QPSK、DBPSK、DQPSK、FSK、MSK、GMSK調(diào)制信號的波形及頻譜；（2）基于FPGA的基

15、帶信號調(diào)制實驗。6、 實驗器材（設備、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7、 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Power Switch置為開啟（ON）狀態(tài)，實驗系統(tǒng)進入啟動狀態(tài)，觀察

16、實驗平臺中部的顯示屏直至進入“高級軟件無線電教學系統(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）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

17、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)制選擇“4”進入DQPSK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

18、，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

19、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2FPGA基帶信號調(diào)制實驗（1）FPGA基帶信號調(diào)制基礎實驗A.從應用程序界面進入->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：Constant modulation_sel：std_