BPSK傳輸系統(tǒng)實驗

1、BPSK傳輸系統(tǒng)實驗(1周)一、 實驗?zāi)康?. 了解Nyquist基帶傳輸設(shè)計準(zhǔn)則2. 熟悉升余弦基帶傳輸信號的特點3. 掌握眼圖信號的觀察方法4. 學(xué)習(xí)評價眼圖信號的基本方法5. 學(xué)習(xí)觀察BPSK的調(diào)制信號；6. 掌握BPSK調(diào)制原理；7. 熟悉BPSK調(diào)制載波包絡(luò)的變化；8. 掌握BPSK解調(diào)的基本原理；9. 觀察BPSK解調(diào)數(shù)據(jù)反相的現(xiàn)象；10. 掌握BPSK數(shù)據(jù)傳輸過程，熟悉典型電路；二、 實驗儀器1. JH5001通信原理基礎(chǔ)實驗箱一臺2. 雙蹤示波器一臺3. 函數(shù)信號發(fā)生器一臺三、 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盘柋硎尽；鶐鬏斚到y(tǒng)的框圖如

2、圖1所示。圖1 基帶傳輸系統(tǒng)的框圖如果認(rèn)為信道特性是理想的，其傳輸函數(shù)為1，那么整個傳輸系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H（f）為： 在實際信道傳輸過程中，如果信號的頻率范圍受限，則這些基帶信號在時域內(nèi)實際上是無窮延伸的，其是一個不可實現(xiàn)系統(tǒng)。如果直接采用矩形脈沖的基帶信號作為傳輸碼型，由于實際信道的頻帶都是有限的，則傳輸系統(tǒng)接收端所得的信號頻譜必定與發(fā)送端不同，這就會使接收端數(shù)字基帶信號的波形失真。如圖2所示：圖2 時域受限與頻帶受限傳輸特性如果對基帶傳輸不進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計，則會產(chǎn)生碼間串?dāng)_，其產(chǎn)生過程如圖3所示：圖3 基帶傳輸系統(tǒng)碼間串?dāng)_產(chǎn)生示意圖在尋找對信號基帶傳輸?shù)脑O(shè)計過程中，人們總結(jié)了一系列的方法。其中

3、Nyquist設(shè)計準(zhǔn)則為基帶傳輸系統(tǒng)信號設(shè)計提供了一個方法。利用該準(zhǔn)則一方面可以對信號的頻譜進(jìn)行限制，另一方面又不會產(chǎn)生碼間串?dāng)_。升余弦信號設(shè)計是成功利用Nyquist準(zhǔn)則設(shè)計的一個例子，其頻譜特性如圖4。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。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)，如圖4所示。圖4 Nyquist升余弦濾波基帶傳輸頻域與時域特性示意圖升余弦滾降傳遞函

4、數(shù)可以通過在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用同樣的濾波器來實現(xiàn)，其頻響為開根號升余弦響應(yīng)。根據(jù)最佳接收原理，這種響應(yīng)特性的分配為系統(tǒng)提供了最佳接收方案。在實際通信系統(tǒng)中，通常采用Nyquist波形成形技術(shù)，并結(jié)合最佳信號檢測理論，它具有以下三方面的優(yōu)點：1、 發(fā)送頻譜在發(fā)端將受到限制，提高信道頻帶利用率，減少鄰道干擾；2、 在接收端采用相同的濾波技術(shù)，對BPSK信號進(jìn)行最佳接收；3、 系統(tǒng)獲得無碼間串?dāng)_的信號傳輸；升余弦濾波器在頻域上是有限的，它在時域上的響應(yīng)將是無限的，是一個非因果沖激響應(yīng)。為了在實際系統(tǒng)上可實現(xiàn)，一般將升余弦沖激響應(yīng)進(jìn)行截短，并進(jìn)行時延使其成為因果響應(yīng)。截短長度一般從中央最大點處向兩邊延

5、長4個碼元。由截短的升余響應(yīng)而成形的調(diào)制基帶信號，其頻譜一般能很好地滿足實際系統(tǒng)的使用要求。為實現(xiàn)濾波器的響應(yīng)，脈沖成形濾波器可以在基帶實現(xiàn)，也可以設(shè)置在發(fā)射機(jī)的輸出端。一般說來，在基帶上脈沖成形濾波器用DSP或FPGA來實現(xiàn)，每個碼元一般需采樣4個樣點，并考慮當(dāng)前輸出基帶信號的樣點值與個碼元有關(guān)，由于這個原因使用脈沖成形的數(shù)字通信系統(tǒng)經(jīng)常在調(diào)制器中同一時刻存儲了幾個符號，然后通過查詢一個代表了存儲符號離散時間波形來輸出這幾個符號（表的大小為210），這種查表法可以實現(xiàn)高速數(shù)字成形濾波，其處理過程如圖5所示：圖5 BPSK基帶成形原理示意圖成形之后的基帶信號經(jīng)D/A變換之后，直接對載波進(jìn)行調(diào)制

6、。對眼圖性能判斷主要依據(jù)圖6中所示的主要測量指標(biāo)。在實驗過程中請注意對不同的基帶傳輸性能進(jìn)行測試。圖6 眼圖主的性能指標(biāo)示意圖在通信原理實驗箱中，基帶傳輸?shù)目驁D如圖7所示。圖7 基帶傳輸?shù)目驁DKG04 成形濾波選擇KG04狀態(tài) 濾波器性能非歸零碼升余弦濾波0.3升余弦濾波0.4開根號升余弦0.4KG02測試數(shù)據(jù)選擇KG02狀態(tài) 輸出全1碼全0碼01碼111010103級m序列4級m序列9級m序列更長m序列 （二）BPSK調(diào)制解調(diào)理論上二進(jìn)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

7、中一個數(shù)據(jù)碼流直接調(diào)制后的信號如圖8所示。采用二進(jìn)制碼流直接載波信號進(jìn)行調(diào)相，信號占居帶寬大。上面這種調(diào)制方式在實際運用中會產(chǎn)生以下三方面的問題：1、 浪費寶貴的頻帶資源；2、 產(chǎn)生鄰道干擾，對系統(tǒng)的通信性能產(chǎn)生影響，在移動無線系統(tǒng)中, 要求在相鄰信道內(nèi)的帶外幅射一般應(yīng)比帶內(nèi)的信號功率譜要低40dB到80dB；3、 如果該信號經(jīng)過帶寬受限信道會產(chǎn)生碼間串?dāng)_（ISI），影響本身通信信道的性能。在實際通信系統(tǒng)中，通常采用Nyquist波形成形技術(shù)，它具有以下三方面的優(yōu)點：1、 發(fā)送頻譜在發(fā)端將受到限制，提高信道頻帶利用率，減少鄰道干擾；2、 在接收端采用相同的濾波技術(shù)，對BPSK信號進(jìn)行最佳接收；

8、3、 獲得無碼間串?dāng)_的信號傳輸；圖8 數(shù)據(jù)碼流直接調(diào)制后的BPSK信號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。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的升余統(tǒng)濾波器，所有能量則在1.5Rb的帶寬內(nèi)。升余弦滾降傳遞函數(shù)可以通過在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用同樣的濾波器來實現(xiàn)，其頻響為開根號升余弦響應(yīng)。根據(jù)最佳接收原理，這種響應(yīng)特性的分配提供了最佳接收方案。BPSK的調(diào)制工作過程如下：首先輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行Nyquist濾波，濾波后的結(jié)

9、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。采用直接數(shù)據(jù)（非歸零碼）調(diào)制與成形信號調(diào)制的信號如圖9所示：圖9 直接數(shù)據(jù)調(diào)制與成形信號調(diào)制的波形在接收端采用相干解調(diào)時，恢復(fù)出來的載波與發(fā)送載波在頻率上是一樣的，但相位存在兩種關(guān)系：0、180。如果是0，則解調(diào)出來的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一樣，否則，解調(diào)出來的數(shù)據(jù)將與發(fā)送數(shù)據(jù)反相。接收的BPSK信號可以表示成：為了對接收信號中的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的解調(diào)，要求在接收機(jī)端知道載波的相位和頻率信息，同時還要在正確時間點對信號進(jìn)行判決。這就是我們常說的載波恢復(fù)與位定時恢復(fù)。為了提高所提取載波

10、的質(zhì)量，一般采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)。判決反饋環(huán)結(jié)構(gòu)如圖10所示：圖10 BPSK判決反饋環(huán)結(jié)構(gòu)判決反饋環(huán)鑒相器具有圖11所示的特性：圖11 判決反饋環(huán)鑒相特性從圖11中可以看出，判決反饋環(huán)也具有00、800兩個相位平衡點，因而采用判決反饋環(huán)存在相位模糊點。對于接收的BPSK信號，與本地相干載波相乘并經(jīng)匹配濾波之后，在什么時刻對該信號進(jìn)行抽樣、判決，這一功能主要由位定時來實現(xiàn)。解調(diào)器輸出的基帶信號如圖12 所示，抽樣時鐘B偏離信號能量的最大點,使信噪比下降。由于位定時存在相位差，使誤碼率有所增加。而抽樣時鐘A在信號最大點處進(jìn)行抽樣，保證了輸出信號具有最大的信噪比性能，從而也使誤碼率較小。在剛接收到BP

11、SK信號之后，位定時一般不處于正確的抽樣位置，必須采用一定的算法對抽樣點進(jìn)行調(diào)整，這個過程稱為位定時恢復(fù)。常用的位定時恢復(fù)有：濾波法、數(shù)字鎖相環(huán)等。圖12 BPSK的位定時恢復(fù)以2倍碼元速率抽樣為例：信號取樣如圖13所示。S（n-1）、S（n+1）為調(diào)整后的最佳樣點，S（n）為碼元中間點。首先位定時誤差的提取時刻為其基帶信號存在過零點，即如圖13中的情況所示。位定時誤差的大小按下式進(jìn)行計算：圖13 位定時誤差提取示意圖如果，則位定時抽樣脈沖應(yīng)向前調(diào)整；反之應(yīng)向后調(diào)整。這個調(diào)整過程主要是通過調(diào)整分頻計數(shù)器進(jìn)行的，如圖14所示。圖14 位定時調(diào)整示意圖須注意的是，一般在實際應(yīng)用中還須對位定時的誤差

12、信號進(jìn)行濾波（位定時環(huán)路濾波），這樣可提高環(huán)路的抗噪聲性能。、眼圖：利用眼圖可方便直觀地估計系統(tǒng)的性能。對眼圖的測試方法如下：用示波器的同步輸入通道接收碼元的時鐘信號，用示波器的另一通道接觀察眼圖輸出（例如I支路），然后調(diào)整示波器的水平掃描周期（或掃描頻率），使其與接收碼元的周期同步。這時就可以在熒光屏上看到顯示的圖型很像人的眼睛，所以稱為眼圖（如圖15所示）。在這個圖形上，可以觀察到碼間串?dāng)_和噪聲干擾的影響，從而估計出系統(tǒng)性能的優(yōu)劣程度。圖15 BPSK眼圖的觀察方法一般而言，眼皮越厚，則噪聲與ISI越嚴(yán)重，系統(tǒng)的誤碼率越高。2、星座圖：與眼圖一樣，可以較為方便地估計出系統(tǒng)的性能，同時它還可

13、以提供更多的信息，如I、Q支路的正交性、電平平衡性能等。星座圖的觀察方法如下：用一個示波器的一個通道接收I支路信號，另一通道接Q支路信號，將示波器設(shè)置成X-Y方式，這時就可以在熒光屏上看到如圖16所示的星座圖。星座點聚焦越好，則系統(tǒng)性能越好；否則，噪聲與ISI越嚴(yán)重，系統(tǒng)的誤碼率越高。圖16 BPSK星座圖在通信原理實驗平臺中BPSK的解調(diào)方法如圖17所示。圖17 BPSK 系統(tǒng)傳輸框圖四、 實驗內(nèi)容（一）基帶成形1. 0.3升余弦濾波的眼圖觀察（1） 準(zhǔn)備工作：將數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊中的KG01選擇在下端測試數(shù)據(jù)位置（測試數(shù)據(jù)方式），KG02置成長m序狀態(tài)（KG02的三個跳線器均插入），數(shù)據(jù)時鐘

14、選擇開關(guān)KG03置于1-2狀態(tài)（左端），KG04置于0.3升余弦濾波狀態(tài)。KP01置于2-3狀態(tài)（相干解調(diào)位置）。（2） 以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號（TPi03）的波形。測量過零率抖動與眼皮厚度（換算成百分?jǐn)?shù)）。2. 0.4升余弦濾波的眼圖觀察（1） 準(zhǔn)備工作： KG04置于0.4升余弦濾波狀態(tài)。（2） 以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號（TPi03）的波形。測量過零率抖動與眼皮厚度（換算成百分?jǐn)?shù)）。3. 0.4開根號升余弦濾波的眼圖觀察（1） 準(zhǔn)備工作： KG04置于0.4開根號升余弦濾波狀態(tài)。（2） 以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號（TPi03）的波

15、形。測量過零率抖動與眼皮厚度（換算成百分?jǐn)?shù)）。思考：怎樣的系統(tǒng)才是最佳的？匹配濾波器最佳接收機(jī)性能如何從系統(tǒng)指標(biāo)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。（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(zhǔn)備工作：將KG01選擇在下端測試數(shù)據(jù)位置（測試數(shù)據(jù)方式），KG02置成長m序列狀態(tài)（KG03的三個跳線器均插入），數(shù)據(jù)時鐘選擇開關(guān)KG03置于1-2狀態(tài)（左端），KG04置于=0.4的升余弦響應(yīng)。KP01置于左邊相干解調(diào)位置。2、 BPSK調(diào)制信號0/相

16、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（TPK06/或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)。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）波形時，應(yīng)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的合成矢量圖，其相位矢量圖應(yīng)為0、兩種相位。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進(jìn)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(fù)上述實驗步驟。仔細(xì)觀察和區(qū)別兩種方式下矢量圖信號

17、。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。（2） 用m序列重復(fù)上一步實驗，觀測載波的包絡(luò)變化。5、 BPSK調(diào)制信號頻譜測量（1） 準(zhǔn)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窗，然后將頻譜擴(kuò)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，

18、畫下測量波形。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？7、 接收端解調(diào)器眼圖信號觀測（1） 準(zhǔn)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TPJ05（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

19、端眼圖信號TPi03進(jìn)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TPJ05眼圖變化。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TPJ05，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。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(zhǔn)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。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(zhǔn)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