实验六DBPSK系统实验

实验六DBPSK系统实验一、实验原理和电路BPSK系统中，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：00、1800。如果是00，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，称为倒现象或相位模糊。为了解决这一问题，在BPSK系统中采用差分编码，称为差分BPSK调制，或DBPSK调制。DBPSK调制的解调可以采用相干解调和差分相干解调。DBPSK调制的相干解调只是在BPSK解调的基础上增加差分译码模块。本实验系统中，对“外部数据”采用差分编码。如果实验系统调制方式设置为“BPSK传输系统”，则为DBPSK的相干解调模式；如果实验系统调制方式设置为“DBPSK传输系统”，则为DBPSK的差分相干解调模式。差分BPSK是相移键控的非相干形式，它不需要在接收机端恢复相干参考信号。非相干接收机容易制造而且便宜，因此在无线通信系统中被广泛使用。在DBPSK系统中，输入的二进制序列先差分编码，然后再用BPSK调制器调制。差分编码后的序列﹛an﹜是通过对输入bn与an-1进行模2和运算产生的。如果输入的二进制符号bn为0，则符号an与其前一个符号保持不变，而如果bn为1，则an与其前一个符号相反。差分编码原理为：)()1()(nbnana，其实现框图如图4.21所示。a(n-1)存贮输入码流输出码流b(n)a(n)图4.21差分编码示意图一个典型的差分编码调制过程如4.22图所示。输入数据差分编码数据载波相位参考0110001111101111010000图4.22差分编码与载波相位示意图在DBPSK中,其不需要进行载波恢复,但位定时仍是必须的。与相干BPSK中的位定时恢复是一样，由于其存在一个较小的系统剩余频差（发送中频与接收本地载波的频差，其与码元速率相比而言一般较小），在每个剩余频差的周期中，具有很多有码元信号（例如对于64KBPS的速率、剩余频差为1KHZ，则每个剩余频差的周期中可包含64个码元符号）。从这些码元信号中可以根据下面的公式对位定时误差的大小进行计算：)]2()2()[()(nSnSnSneb在剩余载波发生正负变化时，按上式提取的位定时误差信号可能出现不正确的情况，但只要在位定时误差信号的输出端加一滤波器，就可以克服在DBPSK中剩余载波的影响（在相对剩余载波不大时）。位定时的调整如下：如果0)(neb，则位定时抽样脉冲向前调整；反之应向后调整。对DBPSK的解调是通过比较接收相邻码元信号（I，Q）在星座图上的夹角,如果大于900则为1，否则为0,如图4.23所示:判为0判为1上一个样点下一个样点下一个样点图4.23DBPSK差分解调示意图虽然DBPSK差分解调降低了接收机复杂度的优点，但它的能量效率比相干BPSK低3dB。在加性高斯白噪声环境中，平均错误概率如下所示：)exp(210NEPbe在DBPSK方式中，由于不需要恢复载波，因而不能观察到接收端的眼图信号。但可以观察抽样判决点之前的信号波形来判断接收信号的质量与解调性能。差分BPSK的抽样判决点波形较相干BPSK要差，如图4.24所示。图4.24DBPSK解调的抽样判决点波形在通信原理综合实验系统中，差分BPSK的解调过程如图4.25所示：1、在图中，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个点并送入后续处理。4、将每个码元2个点进行位定时处理，根据位定时误差信号对位定时进行调整。测量点TPMZ07为恢复位定时时钟。5、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、对最佳样值进行差分解调，并进行判决处理，判决前信号可在测量点观察到。二、实验目的1、掌握差分编码的原理和实现；2、掌握DBPSK差分相干解调原理和系统框图。三、回答预习问题1、什么是差分编码？作用是什么？通信中的差分编码，差分编码输入序列{an}，差分编码输出序列{bn}，二者都为{0、1}序列，则差分编码输出结果为bn=an异或bn-1，并不是bn=an异或an-1（即所谓的：对数字数据流，除第一个元素外，将其中各元素都表示为各该元素与其前一元素的差的编码。这么定义是不准确的。）。前者多用在2DPSK调制，后者多用在MSK调制预编码。同时后者是码反变换器的数学表达式，即用来解差分编码用的。2、差分BPSK系统与BPSK系统相比，有什么优点和缺点？3、画出DBPSK相干解调系统框图和差分相干解调系统框图（参考课本）。4、此DSP+FPGA通信系统中比较适合采用差分相干解调实现DBPSK的解调，为什么？四、实验内容测试前检查：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。通信原理实验箱仅对“外部数据输入”方式输入数据提供差分编码功能。本实验中外部数据可以来自汉明编码模块产生的m序列输出数据。信号处理过程如下：汉明编码模块产生的m序列（未经汉明编码）经过差分编码后，进行BPSK正交调制，通过信道传输后，再经BPSK解调通过汉明译码模块（未经汉明译码），最后恢复为二进制信息序列。参照“汉明编译码模块”说明，正确设置有关的跳线开关位置，选择m序列数据进行差分编码，注意汉明编译码没有工作。（一）DBPSK的相干解调实验实验系统调制方式设置为“BPSK传输系统”。1、差分编码规律使汉明编码模块产生7位周期m序列，用示波器同时观察DSP+FPGA模块内发送数据信号和差分编码输出数据，分析两信号间的编码关系。2、本地载波与发端载波的相位关系测试发端载波和本地载波的相位关系。3、解调器输出I路基带信号和Q路基带信号特性以15位m序列为输入信号，分别在“匹配滤波器”方式和“非匹配滤波器”方式下，以接收时钟信号为触发信号，观测接收端解调输出I路基带（眼图）信号和Q路基带（眼图）信号。注意与发送端眼图信号相比较，分析实验结果。4、解调器抽样判决点信号观察以15位m序列为输入信号，从宏观和微观方面观测接收时钟信号与抽样判决点信号。5、接收端解调信号观测在载波锁相环锁定状态下，反复断开和连接中频电缆连接（或重复按选择菜单的“确认”键），以发送端基带信号为基准观测接收端解调输出基带信号，观察二者是否具有确定的相位关系。6、接收端恢复数据观测在载波锁相环锁定状态下，反复断开和连接中频电缆连接（或重复按选择菜单的“确认”键），用示波器同时观察DSP+FPGA模块内发送数据信号和接收数据。比较上一实验的结果相比，分析总结实验结果和现象。（二）DBPSK的差分相干解调系统实验实验系统调制方式设置为“DBPSK传输系统”，注意与DBPSK的相干解调情况进行对比。1、差分编码规律使汉明编码模块产生15位周期m序列，用示波器同时观察DSP+FPGA模块内发送数据信号和差分编码输出数据，分析两信号间的编码关系。2、本地载波与发端载波的相位关系测试发端载波和本地载波的相位关系。3、解调器输出I路基带信号和Q路基带信号特性以15位m序列为输入信号，分别在“匹配滤波器”方式和“非匹配滤波器”方式下，以接收时钟信号为触发信号，观测接收端解调输出I路基带（眼图）信号和Q路基带（眼图）信号。4、解调器抽样判决点信号观察以15位m序列为输入信号，从宏观和微观方面观测接收时钟信号与抽样判决点信号。5、接收端解调信号观测在载波锁相环锁定状态下，反复断开和连接中频电缆连接（或重复按选择菜单的“确认”键），以发送端基带信号为基准观测接收端解调输出基带信号，观察二者是否具有确定的相位关系。6、接收端恢复数据观测在载波锁相环锁定状态下，反复断开和连接中频电缆连接（或重复按选择菜单的“确认”键），用示波器同时观察DSP+FPGA模块内发送数据信号和接收数据。比较上一实验的结果相比，分析总结实验结果和现象。五、实验报告1、整理实验数据和结果，得出有关结论。2、说明DBPSK各测量点波形与相干BPSK波形的差异,为什么不一样？3、总结实验后的收获和经验（原理、电路、仪器使用等），至少3点。4、总结实验的不足和待改进之处。低通滤波A/D判决TPJ05TPN02TPN04低通滤波TPJ06中放×VCXO90度A/D匹配滤波匹配滤波样点抽取2/1样点抽取2/1位定时TPMZ07延时×图4.25DBPSK解调方框图相位比较