实验四BPSK调制系统实验

实验四BPSK调制系统实验一、实验目的1、掌握BPSK调制的实现电路组成和原理；2、掌握差分编码的原理和实现；3、掌握数字基带波形成形的原理和方法；4、掌握测试BPSK系统性能的基本方法；二、实验仪器1、ZH5001通信原理基础实验箱一台2、20MHz双踪示波器一台3、函数信号发生器一台三、实验原理1．BPSK基本原理二进制相移键控（BPSK）可以用幅度恒定、相位随输入数字信息m（1、0码）变化的正弦信号表示，通常相位相差180°。设比特平均能量为Eb，比特时间间隔为Tb，则传输的BPSK信号表示为)2cos(2)(ccbbtfTEtS其中c为初始相位（本系统中，初始相位分别为045和0135，可以根据需要设定）。一个数据码流直接BPSK调制后的信号如图4.2所示：图4.2数据码流直接调制后的BPSK信号2、Nyquist波形成形技术及实现在基带传输系统中，一系列的基带信号波形被变换成相应的发送基带波形后，就被送入信道。信号通过信道传输，一方面要受到信道特性的影响，使信号产生畸变；另一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随机畸变。因此到达接收端的基带脉冲信号已经发生了畸变。确定信号在受到加性白高斯噪声干扰下的最佳接收是采用匹配滤波器，使得在最佳抽样时刻的信噪比最大，然后再选择合适的判决门限进行判决，可使平均误比特率最小。数字基带传输系统框图如图4.3所示。}{na为发送滤波器的输入符号序列，发送滤波器至接收滤波器就是整个基带系统的传输特性，用)(H表示)()()()(RTGCGH故接收滤波器的输出信号)(tr可表示为)()()(tnnTtgatrRsRnn其中deHtgjwtR)(21)(为整个基带系统的单位冲激响应，也是基本码元波形，sT为传输的码元间隔。)(tnR为加性噪声通过接收滤波器后的波形。图4.3数字基带传输系统框图根据位定时信号，对)(tr抽样判决可以得到接收端恢复的数据。在抽样时刻，其他码元码元波形对本码元抽样值的影响称为码间干扰（ISI）。)(tnR的影响称为加性噪声干扰。噪声干扰是一直存在的，而码间干扰可以通过系统的设计来消除。无ISI时，基带传输系统应满足奈奎斯特第一准则，如理想低通滤波器形式的基带系统。实验中选取更实用的具有余弦滚降特性的滤波器。如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带都是有限的，则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。采用二进制码流直接对载波信号进行调相，在实际中会产生以下三方面的问题：1)信号占居带宽大，浪费频带资源；2)产生邻信道干扰（ICI），对系统的通信性能产生影响。在移动无线系统中，要求在相邻信道内的带外幅射一般应比带内的信号功率谱要低40dB到80dB；3)该信号经过带宽受限信道会产生码间干扰（ISI），影响本身通信信道的性能。因此，在实际通信系统中，通常采用Nyquist波形成形技术，具有以下三方面的优点：发送信号频谱在发端受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰；在接收端采用相同的滤波技术，可以对BPSK信号进行最佳接收；获得无码间串扰的信号传输；常用的成形滤波器为升余弦滤波器，如下图所示，其传递函数为10||(1)/212||1()1cos(1)/2||(1)/2220||(1)/2RCfTTfHfTfTfT其中，α是滚降因子，为0到1之间的常数，一般取0.25~1，T为常数。随着α的增加，系统冲激响应相邻符号间隔内的旁瓣幅度减小，减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽，基带传输的带宽利用率为)/(12HzBaud。对于矩形基带信号，码元速率为bR的BPSK信号，约90%的能量在bR6.1的带宽内；而经过α=0.5的升余弦滤波器后，BPSK信号的所有能量都在bR5.1的带宽内。基带系统传输特性设计可以采用两种方式，一种是将系统设计成最佳的无码间干扰的系统，即采用匹配滤波器，发送滤波器和接收滤波器对称的系统，发送滤波器和接收滤波器都是升余弦平方根特性（参考樊昌信通信原理第271页）。根据最佳接收原理，这种响应特性的分配提供了最佳接收方案，既可以实现最佳接收，又可以完成波形成形。另一种是不采用匹配滤波器两种方式，升余弦滚降基带特性完全由发送滤波器实现。升余弦滤波器在频域上是有限的，则在时域上的响应是无限的，是一个非因果冲激响应。为了在实际系统中实现，一般将升余弦冲激响应进行截短，并进行延时使其成为因果响应。截短长度一般从中央最大值处向两边延长4个码元。由截短的升余弦响应成形的基带信号，其频谱一般能很好地满足实际系统的使用要求。脉冲成形滤波器可以在基带处理时实现，也可以在发射机的输出端实现。在基带处理时，脉冲成形滤波器用DSP或FPGA来实现。本实验系统中，每个码元需采样4个样点，并考虑当前输出基带信号的样点值与８个码元有关。因此，在同一时刻需存储几个符号的数值，通过查表的方式可以实现滤波（表的大小为210）。查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图4.4所示。成形之后的基带信号经D/A变换之后，直接进行调制。采用直接数据（非归零码）调制与成形信号调制的信号如图4.5所示。串/并变换D0D1D2D3D4D5D6D7输入码流时钟计数器Ａ０Ａ１EPROM4倍时钟样点锁存图4.4BPSK基带成形实现示意图归零码载波直接调制成形调制Tb图4.5直接数据调制与成形信号调制的波形3、BPSK调制过程BPSK的调制可以采用简单的模拟开关实现，但在本实验系统中，为了在同一硬件平台上实现不同的调制方式，所有的调制方式（PSK、FSK、QAM、MSK等）都采用了正交调制实现。输入数据进行Nyquist滤波后，滤波后的结果分别送入同相和正交支路。此时，包含数据信息的同相信号和正交信号是相同的，表示为I(t)=Q(t)（为双基带信号）。同时，同相载波为coswct，正交载波为sinwct，故合路后的BPSK信号为)45cos()(2sin)(cos)()(ttIttQttItRccc四、回答预习问题1、什么是m序列？m序列如何实现？画出一种7位长度的m序列的实现电路图。m序列是最长线性移位寄存器序列的简称，是一种伪随机序列、伪噪声(PN)码或伪随机码。m序列的实现方式有许多，具体有MATLAB实现，数字电路实现等。方框表示移位器。2、查阅资料，说明集成电路MC1496、74LS04、TL084、TLC5510、AD7528的管脚分布和功能，分析这些芯片在实验电路中的作用。MC14962a1a0aMC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路图和引脚图如图7-1(a)(b)所示。其中VT1、VT2与VT3、VT4组成双差分放大器，VT5、VT6组成的单差分放大器用以激励VT1~VT4。VT7、VT8及其偏置电路组成差分放大器VT5、VT6的恒流源。引脚8与10接输入电压UX，1与4接另一输入电压Uy，输出电压U0从引脚6与12输出。引脚2与3外接电阻RE，对差分放大器VT5、VT6产生串联电流负反馈，以扩展输入电压Uy的线性动态范围。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电使），引脚5外接电阻R5。用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值。74LS04是一个六输入反相器TL084TL084是一款高输入电阻的四运放，精度不高。管脚信息如下图，1、2、3脚是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端，5、6、7脚是通道2的同相输入端、反相输入端、输出端，8、9、10脚是通道3的输出端、反相输入端、同相输入端，12、13、14脚是通道4的同相输入端、反相输入端、输出端，4脚是正电源，11脚是负电源（或单电源使用时的电源地）。TLC5510是8位高速A/D转换器AD7528是8位D/A转换电路3、分析白噪声发生模块、D/A模块、中频调制模块的实验电路的组成和原理，说明主要元器件的作用。周期性m序列的频谱特性具有白噪声特性，在白噪声模块中利用这一性质产生噪声源。但一般m序列由于状态数，产生的信号随机性不强，且分布一般不为高斯分布。为了能产生所需要的白噪声，采用了以下技术措施：1)m序列噪声特性与其周期长度有关，周期越长，越接近白噪声谱。在FPGA中选用了1223的长m序列。2)在m序列中加入了一定的扰动技术，使其性能更好。3)采用高速率驱动时钟（24MHz），使产生的噪声谱很宽，而系统中所使用的只截取其频带的一小部分。经计算机仿真，采用这些措施后，噪声分布更接近理想高斯噪声，能满足实验系统的要求。噪声模块电路框图如图2.20所示。m序列2MHz低通滤波白噪声输出可调放大器合路器调制信号输出图2.20噪声模块电路组成框图UM01：FPGAUO02B+SWO01UO02A在D/A模块中，将Nyquist滤波后的数字信号转换成模拟信号以便在信道上传输，同时完成滤波（以便将高次谐波信号滤除）、放大（使信号电平达到调制器的要求）等功能。D/A模块原理框图组成见图2.22所示。Ui01D/AUi02AD/A输出Ui02B、C低通滤波Ui02D放大FPGA滤波输出到调制器Ui03AD/A输出Ui03B、C低通滤波Ui03D放大图2.22D/A模块原理组成框图ABQ支路I支路中频调制模块将成形之后的基带信号调制到1.024MHz的中频上。调制载波为固定的1.024MHz载频。中频调制器模块由平衡调制器、本地振荡器、90度移相器、合路器与放大器组成，其电路组成框图见图2.24所示。基带成形平衡调制器平衡调制器合路器放大器4096KHz本地振荡器分频器（90度移相器）低通滤波器低通滤波器图2.24中频调制器模块组成框图UK01UK02UK04UK05UK03AUK03B4、写出本实验中各模块电路中所有跳线开关和电位器的功能和作用。详细分析见问题55、写出各模块电路中各个测试点信号的含义，以及有关信号之间的关系。在通信原理综合实验系统平台内，经加扰的m序列由UM01产生送到噪声模拟输入端口，UO01A、UO01B用于缓冲；CO02、LO01和CO03等构成2MHz低通滤波器，RO02和RO03用于阻抗匹配；运放UO02B、电阻RO07、RO08～RO15组成的反向放大器对噪声信号进行放大，通过跳线开关SWO01的设置可改变噪声输出电平，从而获得不同的信噪比；运放UO02和电阻RO05、RO17、RO06组成一个相加放大器，完成噪声与调制信号合路，合路信号通过KO02端口输出。测试点TPO02用于观测噪声产生器是否工作，若加电运行后无信号时需复位通信原理综合实验系统；TPO03用于观测噪声信号电平。在D/A模块中，测试点的安排如下：1、TPi01：通道I的D/A输出；2、TPi02：通道Q的D/A输出；3、TPi03：通道I的低通滤波器输出，发送I支路基带信号；TPi04：通道Q的低通滤波器输出，发送Q支路基带信号；中频调制模块，测试点的安排如下：1、TPK01：I通道的基带信号输入；2、TPK02：Q通道的基带信号输入；3、TPK03：输出已调制信号；4、TPK04：I支路调制载波（方波）；5、TPK05：Q支路调制载波（方波）；6、TPK06：I支路调制载波（正弦波）；7、TPK07：Q支路调制载波（正弦波）；6、根据实验内容，设计详细的实验步骤。具体步骤见下五、实验内容。外部数据全1码全0码01码特殊码序列m序列成形滤波D/AD/A低通滤波低通滤波数据选择器控制TPi02TPi01TPi04TPi03发时钟D触发器TPM01差分编码FPGA图4.6BPSK调制实验方框图TPM02TPM03●●●●●●●coswctΣsinwct五、实验内容深刻理解电路组成和实验原理，正确设置跳线开关，完成以下实验内容，记录实验数据、实验现象和实验信号波形（标明频率、幅度、脉冲宽度）。实验前检查：首先通过菜单将通信原理综合实验系统调制方式设置为“BPSK传输系统”；用示波器测量