BPSK传输系统

BPSK传输系统学生：学号：日期：通信原理实验11实验前的准备（1）预习本实验的相关内容。（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）实验前重点熟悉的内容：了解软件无线电的基本概念；熟悉软件无线电BPSK调制和解调原理；明确波形成形的原理；明确载波提取原理；明确位定时提取原理。2实验目的（1）熟悉软件无线电BPSK调制和解调的原理。（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验方法。（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传输的质量。（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。3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4基本原理4.1BPSK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：)2cos(2)(ccbbfTEtS其中通信原理实验211800000mmc一个数据码流直接调制后的信号如图4-1所示。图4-1数字调制信号和BPSK已调信号若采用二进制码流直接对载波信号进行调相，在实际中会产生浪费频带资源、对临近信道产生干扰、出现码间干扰等问题。因此，在实际通信系统中，通常采用Nyquist波形成形技术。在本实验中，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4-2所示。归零码载波直接调制成形调制Tb图4-2直接数据调制与波形成形信号调制波形为了解决载波相位模糊问题，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4-3所示。通信原理实验3a(n)a(n-1)存贮输入码流输出码流b(n)图4-3差分编码示意图4.2BPSK解调接收的BPSK信号可以表示成：)2cos(2)()(cbbfTEtatR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。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。为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。判决反馈环结构如图4-4所示。R(t)匹配滤波码字输出判决VCO900环路滤波图4-4BPSK判决反馈环结构对于接收的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4-5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。通信原理实验4AB图4-5BPSK的位定时恢复利用眼图可方便直观地估计系统的性能，如图4-6所示。在这个图形上，可以观察到码间串扰和噪声干扰的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。图4-6BPSK眼图的测试一般而言，眼皮越厚，则噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。抽样判决点波形是在判决器之前的波形，它可以较好地反映最终输出性能的好坏。一般的抽样判决点波形如图4-7所示。抽样判决点波形上下两线聚集越好，则系统性能越好，反之越差。图4-7BPSK的抽样判决前波形5实验内容5.1BPSK调制5.1.1BPSK调制基带信号眼图测试选择非“匹配滤波”方式，输入信号为m序列，以发送时钟TPM01同步，观察发送信号眼图TPi03处波形，如图5-1所示。通信原理实验5图5-1非匹配时眼图分析：由上图可以看出，当系统为非匹配最佳接收时，眼图的眼皮较厚，噪声与ISI严重，将导致系统误码率增大。5.1.2同相I支路和正交Q支路调制信号相平面矢量图测试示波器设置在（x-y）方式，在相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，如图5-2所示。（a）m序列（b）特殊码（c）0/1码（d）全0码（或全1码）图5-2同相和正交支路李沙育波形通信原理实验6分析：由于两路信号是相同的，因此对于m序列、特殊码、0/1码，李沙育图像为一条直线。5.1.3BPSK调制信号0/𝛑相位反转点的测量设置跳线开关KPO2为T位置，选择输入数据为0/1码，观测已调制信号TPK03，并用其作同步，以载波信号（TPK06或TPK07）为观测的参考信号，观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转，如图5-3所示。图5-30/π相位反转点观测分析：当信号由1变为0时，会出现0/π相位反转；当信号由0变为1时，会出现π/0相位反转。由于在信号变化点的幅值比较小，故观测地结果不是很清晰。5.1.4BPSK调制信号包络观察分别选择0/1码和特殊码为调制输入数据，观测已调信号输出测试点TPK03的信号波形。调整示波器同步，注意观测已调信号的包络变化与调制信号（TPi03）的相互关系，如图5-4所示。（a）0/1码（b）特殊码图5-4调制信号包络观察分析：可以发现BPSK已调信号的包络与调制信号是完全一致的，这说明实现了有效的调制，在调制过程中没有产生错码，系统性能佳。通信原理实验75.2BPSK解调5.2.1接收端解调器眼图信号观测测量解调器I支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形，观测时用发时钟TPM01作同步。将接收端与发射端眼图信号TPI03进行比较，观测接收眼图信号有何变化，如图5-5所示。图5-5接收端解调器眼图分析：与发射端眼图信号TPI03进行比较，发现接收端眼图的眼皮厚度增加了许多，过零率抖动更加严重。5.2.3接收端同相I支路和正交Q支路解调信号的相平面波形测试将示波器设置在（x-y）方式，测量I支路（TPJ05）和Q支路信号（TPJ06）李沙育（x-y）波形。在解调器锁定时，其相位矢量图应为0、π两种相位。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK解调器原理分析测试结果。结果如图5-6所示。（a）m序列（或特殊码或0/1码）（b）全0码（或全1码）图5-6解调信号的相平面波形分析：在解调器锁定时，相位矢量图为0、π两种相位。通信原理实验85.2.4解调器失锁时同相I支路和正交Q支路解调信号的相平面波形测试将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（右端），使环路失锁，观测接收端失锁时I路和Q路的合成矢量图，如图5-7所示。（a）m序列（b）特殊码图5-7失锁时解调信号的相平面波形分析：失锁时，m序列的波形不断向外发散；特殊码的波形分两层地不停旋转。因为失锁时，接收到的信号是随机的。5.2.5解调器判决前抽样点信号观察选择输入序列为m序列，用示波器观察测试模块内抽样判决点（TPN04）的工作波形（示波器时基设定在2～5ms），如图5-8所示。图5-8判决前抽样点信号分析：由上图可以看出，波形上下两线聚集较好，说明系统性能较好；虽然有噪声，但是可以判断出来0码和1码。通信原理实验95.2.6解调器失锁时判决前抽样点信号观察将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置，使环路失锁，观察测试模块内抽样判决点TPN04信号波形，如图5-9所示。图5-9失锁时判决前抽样点信号分析：由上图可以看出，失锁时，波形上下两线相交在一起，说明系统性能很差；无法判断出0码和1码，示波器中并不能区别出两个电平。5.2.7差分编码信号的测试选择“外部数据输入”，使用汉明编码模块产生的m序列输出数据，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TPM02和差分编码输出数据TPM03波形，如图5-10所示。图5-10差分编码信号波形分析：图中，上面为𝑎𝑘={0010111}，下面为𝑏𝑘={0011010}，符合𝑏𝑘=𝑎𝑘⊕𝑏𝑘−1的规则。通信原理实验105.2.8解调数据观察在5.2.7的基础上，用示波器同时观察DSP+FPGA模块内接收数据信号TPM04和发送数据信号TPM02波形，如图5-11所示。并比较两数据信号进行是否相同一致（正常差分译码），测量发送与接收数据信号的传输延时。图5-11差分编码解调数据分析：由上图易知，接收数据有延时，但是和发送端同相，延时∆T=10μs×2.4=24μs。重复按选择菜单的确认按键，让解调器重新锁定（存在相位模糊度，会使解调数据反向），观测解调器差分译码电路是否正确译码，如图5-12所示。（a）按确认键前（b）按确认键后图5-12不断按确认键分析：接收数据有延时，按确定键以后每次锁定后和发送端都是同相的，说明差分编码可以解决相位模糊带来的问题。5.2.9解调器相干载波观测建立中频通路，选择“特殊码序列”。在环路正常锁定时，用示波器同时测量发端调制载波TPK07和发端提取出的相干载波TPLZ07，通信原理实验11并以TPK07作为示波器的同步信号，波形如图5-13所示，观测收发载波信号的相位关系。图5-13正常状态时收发载波分析：易知相干载波与调制载波频率相同，相位有很小的误差。将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置，使环路失锁，操作如上，如图5-14所示。图5-14失锁时收发载波分析：易知环路失锁时，无法得到相干载波。将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在1_2位置，使环路锁定，断开中频连接电缆，操作如上，如图5-15所示。通信原理实验12图5-15无输入信号时收发载波分析：易知无输入信号情况下，解调器载波与发端不同步。5.2.10解调器相干载波相位模糊度的测试建立中频通路，选择输入数据为m序列，用示波器同时测量发端调制载波TPK07和发端提取出的相干载波TPLZ07，并以TPK07作为示波器的同步信号。反复断开和接通中频电缆，如图5-16所示。（a）初始（b）反复断开后图5-16相干载波相位模糊观测分析：由左图可以看出，收发载波同相；由右图可以看出，收发载波反相，这正是BPSK提取相干载波时的相位模糊造成的。5.2.11解调器相干载波相位模糊对解调数据影响的观测建立中频通路，选择输入数据为“特殊码序列”，用示波器同时测试接收数据信号TPJ05和发送数据信号TPi03，并以TPi03作为示波器的同步信号。不断断开和接通中频电缆，观测收发信号，如图5-17所示。通信原理实验13（a）初始（b）反复断开后图5-17相位模糊对解调数据影响分析：由左图可以看出，收发数据相同；由右图可以看出，收发数据极性完全相反，即黑白颠倒，这说明相位模糊可能把接收数据全部反相。6思考题（1）该实验用到通信系统原理试验箱哪些模块？各模块的作用是什么？答：所用的模块与其作用如下所示：显示控制模块——选择调制方式和调制器输入信号。测试模块——测抽样点的信号。D/A模块——调制电路数模转换。调制模块——用于BPSK的调制。解调模块——用于BPSK的解调。汉编汉译模块——产生差分编码时输入的m序列。DSP+FPGA模块——软件无线电BPSK调制和解调。A/D模块——解调电路模数转换。（2）如何测试眼图?通过观察眼图如何反映信号的质量?答：对眼图的测试方法如下：用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），使其与接收码元的周期同步。这时就可以在荧光屏上看到显示的图型很像人的