北京交通大学通信原理实验(实验九)

1通信原理实验电子信息工程学院通信原理实验实验九HDB3编码与译码实验一、实验前的准备（1）预习本实验的相关内容，掌握BPSK调制与解调的原理；（2）熟悉实验指导书附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置，定义本实验相关模块的跳线状态。（3）实验前重点掌握的内容：①了解软件无线电的基本概念；②熟悉软件无线电BPSK调制与解调的原理；③明确波形成形的原理④明确载波提取的原理⑤明确位定时提取原理（4）思考题：①软件无线电中的BPSK调制与解调方式与传统的FSK调制与解调方式有什么不同？②载波提取的常用方法有哪些？③位定时提取的常用方法有哪些？二、实验目的（1）熟悉软件无线电BPSK调制和解调原理。（2）掌握BPSK调制产生、传输和解调过程。（3）掌握BPSK正交调制解调的基本原理和实现方法。（4）了解数字基带波形时域形成的原理和方法。（5）掌握BPSK眼图的正确测试方法，能通过观察接收眼图判断信号的传输质量。（6）加深对BPSK调制、解调中现象和问题的理解。（7）加深对载波提取和位同步提取概念的理解。三、实验仪器（1）ZH5001A通信系统原理实验箱一台（2）20MHz双踪示波器一台四、基本原理（一）BPSK调制理论上二进制相移键控（BPSK）可以用幅度恒定，而其载波相位随着输入信号m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°。如果每比特能量为Eb，则传输的BPSK信号为：通信原理实验)2cos(2)(ccbbfTEtS其中11800000mmc绝对码、BPSK已调信号、相对码、DBPSK已调信号如图所示：图4-1数字调制信号和BPSK已调信号其功率谱为图4-2BPSK已调信号频谱功率谱特点：“1”、“0”等概率时，只有连续谱，属线性调制；采用二进制码流直接载波信号进行调相，相位存在180°跳变，信号占居带宽大。上面这种调制方式在实际运用中会产生以下三方面的问题：1.浪费宝贵的频带资源；2.会产生邻道干扰，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.如果该信号经过带宽受限信道会产生码间串扰（ISI），影响本身通信信道的性能。在实际通信系统中，通常采用Nyquist波形成形技术，它具有以下三方面的优点：通信原理实验1、发送频谱在发端将受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰；2、在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；3、获得无码间串扰的信号传输；实际中常用升余弦滤波器完成波形成形。升余弦滤波器的传递函数为：SSSSSRCTfTfTfTTffH2/)1(||02/)1(||2/)1()21|)|2(cos(1[212/)1(||01)(其中，α是滚降因子，取值范围为0到1。一般α=0.25~1时，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。对于矩形脉冲BPSK信号能量的90%在大约1.6Rb的带宽内，而对于α=0.5的升余统滤波器，所有能量则在1.5Rb的带宽内。升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的滤波器来实现，其频响为开根号升余弦响应。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。升余弦滤波器在频域上是有限的，那它在时域上的响应将是无限的，其是一个非因果冲激响应。为了在实际系统上可实现，一般将升余弦冲激响应进行截短，并进行时延使其成为因果响应。截短长度一般从中央最大点处向两边延长4个码元。由截短的升余响应而成形的调制基带信号，其频谱一般能很好地满足实际系统的使用要求。为实现滤波器的响应，脉冲成形滤波器可以在基带实现，也可以设置在发射机的输出端。一般说来，在基带上脉冲成形滤波器用DSP或FPGA来实现，每个码元一般需采样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，由于这个原因使用脉冲成形的数字通信系统经常在调制器中同一时刻存储了几个符号，然后通过查询一个代表了存储符号离散时间波形来输出这几个符号（表的大小为210），这种查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图2-2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4-3BPSK基带成形原理电路成形之后的基带信号经D/A变换之后，直接对载波进行调制。通信原理实验在“通信原理综合实验系统”中，BPSK的调制工作过程如下：首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两路支路。因为I、Q两路信号一样，本振频率是一样的，相位相差180度,所以经调制合路之后仍为BPSK方式。采用直接数据（非归零码）调制与成形信号调制的信号如图2-3所示：归零码载波直接调制成形调制Tb图4-4直接数据调制与成形信号调制的波形载波相位模糊问题：在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。为了解决这一技术问题，在发端码字上采用了差分编码，经相干解调后再进行差分译码。差分编码原理为：)()1()(nbnana实现框图如图2-4所示：a(n-1)存贮输入码流输出码流b(n)a(n)图4-5差分编码示意图（二）BPSK解调接收的BPSK信号可以表示成：)2cos(2)()(cbbfTEtatRBPSK信号的相干解调原理框图如下：通信原理实验图4-6BPSK信号的差分相干解调原理图为了对接收信号中的数据进行正确的解调，这要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。这就是我们常说的载波恢复与位定时恢复。１、载波恢复对二相调相信号中的载波恢复有很多的方法，最常用的有平方变换法、判决反馈环等。平方变换法如图所示：BPSK接收信号平方电路中心频率为2fc带通滤波二分频器载波恢复输出图4-7平方环载波恢复电路结构接收端将接收信号进行平方变换，即将信号R（t）通过一个平方律器件后：通信原理实验)222cos(212)(212)()]222cos(1[212)()2(cos2)()(222222cbbbbcbbcbbfTEtaTEtafTEtafTEtatR从上式看出：R（t）经平方处理之后产生了直流分量，而在上式第二项中具有2fC频率分量。若应用一个窄带滤波器将2fC项滤出，再经二分频，便可得到所需的载波分量。从上述电路中可以看出，由于二分频电路的存在，恢复出的载波信号存在相位模糊。该方法的特点是载波恢复快，但由于带通滤波器的带宽一般不易做到很窄，因而该电路在低信噪比条件下性能较差。为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环PLL来实现。判决反馈环结构如图所示：R(t)匹配滤波码字输出判决VCO900环路滤波图4-8BPSK判决反馈环结构判决反馈环鉴相器具有图所示的特性：１８００００图4-9判决反馈环鉴相特性从图中可以看出，判决反馈环也具有00、１800两个相位平衡点，因而采用判决反馈环存在相位模糊点。在采用PLL方式进行载波恢复时，PLL环路对输入信号的幅度较为敏感，因而在实际使用中一般在前端还需加性能较好的AGC电路。在BPSK解调器中，载波恢复的指标主要有：同步建立时间、保持时间、稳态相差、相位抖动等。载波提取同步建立时间将影响BPSK在正确解调时所需消耗的比特数，该指标一通信原理实验般对突发工作（解调器是一个分帧一个分帧地接收并进行解调，而且在这些分帧之间载波信息与位定时信息之间没有任何关系）的解调器有要求，而对于连续工作的解调器该指标一般不作要求。载波恢复电路的保持时间在不同场合要求不同，例如在无线衰落信道中，一旦接收载波出现短时的深衰落，要求接收机的恢复载波信号仍能跟踪一段时间。本地恢复载波信号的稳态相位误差对解调性能存在影响，对于BPSK接收信号为：)2cos(2)()(cbbfTEtatR而恢复的相干载波为)2cos(cf，经相乘器、低通滤波后输出的信号为：cos212)()('bbTEtata若提取的相干载波与输入载波没有相位差，即Δ=0，则解调输出的信号为212)()('bbTEtata；若存在相差Δ，则输出信号下降cos2Δ倍，即输出信噪比下降cos2Δ，其将影响信道的误码率性能，使误码增加。对BPSK而言，在存在载波恢复稳态相差时信道误码率为：]cos[210NEerfcPbe为了提高BPSK的解调性能，一般尽可能地减小稳态相差，在实际中一般要求其小于50。改善这方面的性能一般可通过提高路环路的开环增益、减少环路时延。当然在提高环路增益的同时，对环路的带宽可能产生影响。环路的相位抖动是指环路输出的载波在某一载波相位点按一定分布随机摆动,其摆动的方差对解调性能有很大的影响：一方面其与稳态相差一样对BPSK解调器的误码率产生影响；另一方面还使环路产生一定的跳周率（按工程经验，在门限信噪比条件时跳周一般要求小于每二小时一次）。采用PLL环路进行载波恢复具有环路带宽可控。一般而言，环路带宽越宽，载波恢复时间越短，输出载波相位抖动越大，环路越容易出现跳周（所谓跳周是指环路从一个相位平衡点跳向相邻的平衡点，从而使解调数据出现倒相或其它的错误规律）；反之亦然。因而，可根据实际需要，调整环路带宽的大小。２、位定时对于接收的BPSK信号，与本地相干载波相乘并经匹配滤波之后，在什么时刻对该信号进行抽样、判决，这一功能主要由位定时来实现。解调器输出的基带信号如图4-10所示，抽样时钟B偏离信号能量的最大点,使信噪比下降。由于位定时存在相位差，使误码率有所增加。而抽样时钟A在信号最大点处进行抽样，保证了输出信号具有最大的信噪比性能，从而也使误码率较小。在刚接收到BPSK信号之后，位定时一般不处于正确的抽样位置，必须采用一定的算法对抽样点进行调整，这个过程称为位定时恢复。常用的位定时恢复有：滤波法、数字锁相环等。本实验采用锁相环法。通信原理实验AB图4-10BPSK的位最佳判决时刻（1）滤波法在不归零的随机二进制脉冲序列功率谱中没有位同步信号的离散分量，所以不能直接从中提取位同步，若将不归零脉冲变为归零二进制脉冲序列，则变换后的信号中出现了码元信号的频率分量，然后再采用窄带滤波器提取、移相后形成位定时脉冲。图4-11就是滤波法提取位同步的原理方框图。解调基带信号判决非归零码产生器（单稳电路）窄带滤波（Rb）时钟沿调整图4-11采用滤波法恢复BPSK的位定时结构框图另外一种波形变换的方法是对带限信号进行包络检波。这种方法常用于数字微波的中继通信系统中，图4-12是频带受限的二相相移信号2PSK的位同步提取过程。由于频带受限，在相邻码元相位突变点附近会产生幅度的“凹陷”，经包络检波后，可以用窄带滤波器提取位同步信号。接收中频信号检波窄带滤波（Rb）时钟沿调整图4-12采用检波恢复BPSK位定时结构框图（2）锁相环法以四倍码元速率抽样为例：信号取样如图2-13所示。S（n-2）、S（n+2）为调整后的最佳样点，S（n）为码元中间点。首先位定时误差的提取时刻为其基带信号存在过零点，即如图4-13中的情况所示。位定时误差的大小按下式进行计算：)]2()2()[()(nSnSnSneb通信原理实验0S(n-2)S(n-1)S(n)S(n+1)S(n+2)图4-13位定时误差提取示意图如果0)(neb，则位定时抽样脉冲应向前调整；反之应向后调整。这个调整过程主要是通过调整分频计数器进行的。须注意的是，一般在实际应用中还须对位定时的误差信号进行滤波（位定时环路滤波），这样可提高环路的抗噪声性能。（三）、眼图利用眼图可方便直观地估计系统的性能。对眼图的测试方法如下：输入信号选择随机数字信号，示波器的同步输入通道接收码元的时钟信号，用示波器的另一通道接在系统接收滤波器的输出端（例如I支路），然后调整示波器的水平扫描周期（或扫描频率），使其与接收码