二相移相键控实验报告

通信原理实验报告实验三二相移相键控011151班李晓扬011150032014年3月实验三二相移相键控一、实验目的1.加深理解二相移相键控系统的基本工作原理与及其电路组成。2.学会利用示波器观察系统各单元电路的工作过程、学会利用示波器检查系统的方法。3.学会利用示波器观察基带信号眼图的方法，熟悉2DPSK的抗干扰性能。4.学会利用数字示波器观察基带信号频谱、已调信号频谱及其传输频带的测量方法。二、实验内容1.在“数据入”端分别加入三种规则基带信号（1、0、1:1码）时，用示波器观察调制器及解调器各测试点上的时域波形，观察FFT频谱结构；2.在“数据入”端加伪随机码（63位m序列）时，用示波器观察观察调制器及解调器各测试点上的波形和基带信号眼图--理想信道下的眼图。3.在“数据入”端加入噪声时，观察不同信噪比下基带信号的眼图和测量系统的误码率；4.在“数据入”端加入63位伪随机码时观察调制信号、已调信号及带通滤波器输出端的FFT频谱结构,计算这种调制方式下所需的传输频带宽度。三、实验仪器TDS-2012数字示波器一台HH4310型20MHz双踪示波器一台LPS-305双路稳压电源一台UZ-3噪声产生器或者自插噪声源一台YWS-5210误码率测试仪一台HFP-1有效值电压表一台2PSK/2DPSK实验箱一套四、实验原理1.二进制移相键控（2PSK/2DPSK）二进制移相键控中，载波的相位随数字基带信号的“1”或“0”改变，信号码元的“1”或“0”通常用已调信号载波0o和180o分别表示。二进制移相键控信号的时域表达式为2()()cosPSKncSstagtnTt（8-1）在2PSK调制中，an应选择双极性，即1,1,na发送概率为发送概率为P1-P(8-2)若g(t)是脉宽为TS，高度为1的矩形脉冲是，则有2cos,cos,cPSKcPtstt发送概率为发送概率为P-1(8-3)由式（8-2）可看出，当发送二进制符号1时，已调信号S2PSK（t）取0相位，当发送二进制符号0时，已调信号S2PSK（t）取180相位。若用φn表示第n个符号的绝对相位，则有0010,180,n发送“”符号发送“0?符号（8-4)当数字基带信号与载波频率间有确定的倍数关系时，典型的波形如图8.1所示。tt01010101数字信息2PSK图8.12PSK信号的典型波形二进制移相键控信号的产生方法主要有两种。如图8.2所示。第一种方法是相乘法，只要数字基带信号为双极性码，并不含直流分量，即能用该方法来产生；第二种方法是开关选通法，这种方法是产生一个载波的二重相位（对多相的移相键控应是单一载波的多重相位），以基带信号所代表的数值去选择这些相位。当然，也可以是利用被控制的延迟提供所需的载波相移量，然后由基带信号通过开关阵列来控制相移量的大小。码型变换相乘器S(t)cosωcte2PSK(t)开关电路S(t)e2PSK(t)0°180°cosωct180°移相（a）相乘法产生BPSK信号（b）相位选择法产生BPSK信号图8.22PSK信号的调制原理图对PSK信号的解调通常都是采用相干解调的方法，因而如何获得同频、同相的载频信号是一个关键性的问题。由于2PSK信号是抑制载频的双边带信号，在已调信号中不存在载波分量，因而无法从已调信号中直接获取本地载频。只有对已调信号进行非线性变换后才能恢复出载频。然而恢复出来的载波可能与未调制载波同相，也可能反相，以至于解调后的信码出现“0”、“1”倒置（亦即发送“1”码，被错解调为“0”，发送“0”码，被错解调为“1”）。这对于数据传输来说当然是不允许的。克服相位模糊度对于相干解调影响的有效办法是对调制器输入的数字基带信号进行差分编码——相对移相（2DPSK）2.二进制差分相位键控（2DPSK）前面所讨论的2PSK信号，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它是利用载波相位的绝对数值来传递信息，因而又称其为绝对调相方式。另一种利用载波相位传递信息的方法为相对调相，它不是利用载波相位的绝对数值传递数字信息，而是利用数字基带信号前后码元的相对相位变化来传递数字信息。以2DPSK为例，当一个码元取1时，它对应的载波相位与前一码元的载波同相；码元取0时，所对应的载波与前一码元所对应的载波反相，这种关系如图8.3所示。000001111（相对码）01010101数字信息序列（绝对码）基准相位载波2DPSK2PSK图8.32DPSK信号相位关系实现相对移相的最常用方法是：首先对数字基带信号进行差分编码，然后再利用差分码对载波进行绝对调相，使已调载波相位满足相对移相的相位关系。对数字基带信号进行差分编码可以由一个模二和电路与一级移位寄存器来实现。设输入的二进制绝对码元序列为，移位寄存器输出的相对码元序列为{bi}，则二相差分编码的逻辑关系为1iiibab（8-5）绝对码实现相对移相的过程以及典型的波形如图8.4所示。（b）差分编码实现电路图（c）差分编码典型波形图延时一码元TS+DCPQ绝对码相对码延时一码元t1101001t1010110t0111100（a）差分编码原理图biaibi-1bibibi-1bi-1aiai19.2kHz图8.4绝对码实现相对移相的波形对应于发端的差分编码，对接收端抽样判决器的输出信号必须进行码型的变换―差分编码。设差分解码的逻辑为1iiicbb（8-6）将式（8-5）代入式（8-6），有11iiiicabb因为110iibb，所以iica（8-7）（8-7）式表明，经差分解码后恢复出了原始的数字信息。五、实验方案如前所述，2PSK和2DPSK就调制器和解调器而言，都是实现绝对调相和绝对调相信号的解调，2DPSK仅在调制前对绝对码进行差分编码及在解调后进行差分解码，因此，本实验方案将2PSK和2DPSK组合在一个实验箱内，实验者可以通过面板上引线的不同连接来改变调制及解调方式。考虑到数字信号的一些特点，2PSK/2DPSK的调制由数字电路来实现，解调则由带通滤波器、模拟乘法器、低通滤波器等模拟器件和数字电路结合来实现。此外为了观察实现系统的抗噪性能，实验箱中设置了噪声源，改变其框内的电位器，可以改变噪声强度。实验所需的信码、载波、时钟都由实验二（通信系统中的信号源）给出。2PSK/2DPSK实验系统的组成电路如图8.5所示，图8.6为实验箱的面板图。基带信号输入载波信号输入74LS04341661，85774LS153130kΩ51kΩ22kΩ24kΩ2kΩ2.2kΩ51kΩ22kΩ8.2kΩ2.2kΩMAX2758467214181615191293,5,10,172011-5V+5V带通滤波器2输出精密电位器精密电位器数字调制信号输出+5VMC1496-8V510Ω510Ω10KΩ×256KΩ510Ω510Ω1KΩ1KΩ1KΩ3K90.1µF231265148101412V0°或180°载波3K943KΩ43KΩ12KΩ12KΩ620pF-12V12V231411TL08443KΩ24KΩ330pF7656K82×104pF图8.52PSK/2DPSK实验系统的电路图图8.62PSK/2DPSK实验系统面板图下面分别来介绍图8.5中的主要电路1．2PSK/2DPSK调制器调制器是由晶体振荡器、分频器、差分编码器和调相电路等组成。在图8.7（a）中，晶振荡器产生11.0592MHz的方波信号，该信号经分频电路后分别产生调制器和解调器所需的76.8kHz载波信号和19.2kHz的位定时信号。显然，本实验装置的码元速率是19.2kbit/s。调制器采用了相位选择法。由图8.7（b）可见，对于2PSK信号的产生电路，数字基带信号不经差分编码，直接送到74LS153（双四选一数字选择器）用来实现对载波相位的选择，当2脚与14脚同时为高电平时，7脚输出与3脚输入的0载波同相；当2脚与14脚同时是低电平时，7脚输出与6脚输出的180载波同相，这样在6脚输出的便是2PSK信号。对于2DPSK信号的产生电路，数字基带信号经差分编码后输出的数字序列送给74LS153，这时0和180载波的选择由74LS74（双D触发器）输出的相对码的高电平或低电平来决定。74LS153的第7个管脚输出的信号为2DPSK晶振分频器分频器信码产生19.2kHz76.8kHz差分编码调相器K2PSK/2DPSK信号输出76.8kHz数字基带信号11.0592MHz(a)2PSK/2DPSK调制部分原理图+DCPQ19.2kHz位定时绝对码相对码9101112131415161234567874LS1532PSK/2DPSK信号输出76.8kHz载波+5VK12(b)2PSK/2DPSK调制部分电路图图8.72PSK/2DPSK调制器原理电路图2．2PSK/2DPSK相干解调器相干解调器的原理方框图如图8.8所示。它是由带通滤波器﹑相乘器﹑低通滤波器﹑抽样判决和差分解码等电路组成。差分译码相加器带通相乘低通抽样判决噪声恢复载波2PSK/2DPSK19.2kHz2PSK解调输出2DPSK解调输出图8.82PSK/2DPSK相干解调器原理方框图图8.8中，带通滤波器和低通滤波器是选用MAX-275实现的。MAX-275是专门用来做实现带通滤波器和低通滤波器的集成电路。当用来实现低通滤波器时，用“LPO”作为输出，当用来实现带通滤波器时，用“BPO”作为输出。它的管脚分布及外围电路如图8.9所示。（a）MAX-275管脚图(b)MAX-275外围图图8.9MAX-275管脚分布及外围电路图二阶节的中心频率fo、Q值及放大倍数由外接电阻R1、R2、R3、R4决定。当中心频率fo、Q值及增益确定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式得到（所得电阻值单位均为）：92429391312105210210oXoYXoOLPYOBPRFRRKRQRfRRQRfHRRRH对于低通滤波器：对于带通滤波器：(8-8)A、B——表示单元选择；IN——表示输入；BPO——表示带通输出；BPI——表示带通输入；LPO——表示低通输出；FC——表示工作方式，频率选择；式中，RX/RY因子中RX和RY是滤波器内部的电阻，这个因子的值由引脚FC的接法决定。其取值为CCC4F1F51F25XYVRGNDRV连接至连接至连接至(8-9)带通滤波器输出送至相干解调电路，如图8.10所示,相干解调电路的波形图如图8.11所示。图8.10中由模拟乘法器MC1496组成的相乘电路，抽样判决器由电压比较器LM393及双D触法器74LS74组成。差分解码电路所用元器件和调制器所用元器件相同（四异或门74LS86和双D触发器74LS74）。74LS86-8V5142361281014MC149612V2789113.5.10.1720MAX275-5V+5VLM39332481+5V19.2KHz位定时抽判输出(相对码)76.8KHz恢复载波信号输入DCPQDCPQ74LS74数据信号输出3K93K96K81K1K1K515110K56K图8.10相干解调电路10a110100bcde图8.11相干解调电路的波形图将噪声和2PSK/2DPSK信号经相加电路相加后送至MC1496的“1”脚。图8.12为噪声源和相加电路的电原理图。噪声源的机理是据齐纳二极管处在工作特性的拐点附近时，能产生相当大的噪声。电位器W2可改变噪声输出的强弱。相加电路由741A和阻、容组成。众所周知，在数字通信系统中，数据信号经过非理想的传输系统必然要产生畸变，也会引入噪声和干扰，这些都将导致系统的传输质量变差。实验箱中设置噪声源和加法器就是为了模拟实际信道而引入加性噪声。90119011++12V噪声输出47K15K820K4.7K22µF2CW7B+12V-12VµA741+10K10K56K10K22µFW2W1噪声BP