BPSK传输实验-实验报告

ZH7001型现代通信原理综合实验系统1实验二BPSK传输实验一、实验目的1、掌握BPSK调制和解调的基本原理2、掌握BPSK数据传输过程，熟悉典型电路3、了解数字基带波形时域形成的原理和方法，掌握滚降系数的概念4、掌握BPSK眼图观察的正确方法，能通过观察接收眼图判断信号的传输质量5、熟悉BPSK调制载波包络的变化6、掌握BPSK载波恢复特点与位定时恢复的基本方法二、实验仪器1、ZH7001通信原理综合实验系统一台2、20MHz双踪示波器一台3、ZH9001型误码测试仪（或GZ9001型）一台4、频谱分析仪一台三、实验原理（一）BPSK调制理论上二进制相移键控（BPSK）是指：载波幅度恒定，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：2()cos(2)bccbEStftT其中11800000mmc一个数据码流直接调制后的信号如图4.2.1所示：ZH7001型现代通信原理综合实验系统2图4.2.1数据码流直接调制后的BPSK信号采用二进制码流直接载波信号进行调相，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辐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：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；（二）BPSK解调接收的BPSK信号可以表示成：2()()cos(2)bcbERtatftT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２、位定时提取（1）滤波法（2）锁相环法最后，对通信原理综合实验系统中最常用的几个测量工具作一介绍：眼图、星座图与抽样判决点波形。１、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：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形很像人的眼睛，所以称为眼图（如图4.2.15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。一般而言，眼皮越厚，则噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。ZH7001型现代通信原理综合实验系统3图4.2.15BPSK眼图的观察方法３、抽样判决点波形：是在判决器之前的波形。抽样判决点波形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4.2.17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4.2.16BPSK的抽样判决点波形在通信原理实验平台中BPSK的DSP解调方法如图4.2.18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个点送入后续电路进行处理。4、将每个码元2个点进行位定时处理，根据误差信号对位定时进行调整。TPMZ07测量点为最终恢复的位定时时钟。5、再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、根据最佳样点值进行载波鉴相处理，鉴相输出在测量点TPN03可以观察到。鉴相后的结果送PLL环路滤波，控制VCXO。最终使本地载波与输入信号的载波达到同频、同相（也可能存在180度相差）。7、位定时与载波恢复之后，进行判决处理，判决前信号可在测量点观察到。ZH7001型现代通信原理综合实验系统4四、实验步骤测试前检查：首先通过菜单将通信原理综合实验系统调制方式设置成“BPSK传输系统”；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。（一）BPSK调制1.BPSK调制基带信号眼图观测（以m序列观测眼图）（1）通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打勾），此时基带信号频谱成形滤波器全部放在发送端。以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。成形滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。判断信号观察的效果。TPi03不激活匹配滤波眼图（2）通过菜单选择激活“匹配滤波”方式（打勾），此时系统构成收发匹配滤波最佳接收机，重复上述实验步骤。仔细观察和区别上述两种方式下发送信号眼图（TPi03）的波形。TPi03匹配滤波眼图ZH7001型现代通信原理综合实验系统5注：当通过选择菜单激活“匹配滤波”方式时，表示系统按匹配滤波最佳接收机组成，即发射机端和接收机端采用同样的开根号升余弦响应滤波器。当未激活“匹配滤波”方式时，系统为非匹配最佳接收机，整个滤波器滚降特性全部放在发射机端完成，但信道成形滤波器特性不变。（1）思考：怎样的系统才是最佳的？匹配滤波器最佳接收机性能如何从系统指标中反映出来？采用什么手段测量？2.BPSK调制信号0/π相位测量选择输入调制数据为0／1码。用示波器的一路观察已调制信号输出波形（TPK03），并选用该信号作为示波器的同步信号；示波器的另一路连接到调制参考载波上（TPK06/或TPK07），以此信号作为观测的参考信号。仔细调整示波器同步，观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。已调制信号输出波形3.BPSK调制信号包络观察BPSK调制为非恒包络调制，调制载波信号包络具有明显的过零点。通过本测量让学生熟悉BPSK调制信号的包络特征。（1）选择0/1码调制输入数据，观测调制载波输出测试点TPK03的信号波形。调整示波器同步，注意观测调制载波的包络变化与基带信号（TPi03）的相互关系。画下测量波形。ZH7001型现代通信原理综合实验系统60/1码调制载波输出波形（2）用特殊码序列重复上一步实验，并从载波的包络上判断特殊码序列。画下测量波形。特殊码调制载波输出波形（3）用m序列重复上一步实验，观测载波的包络变化。ZH7001型现代通信原理综合实验系统7m序列调制载波输出波形（二）BPSK解调1.接收端解调器眼图信号观测（1）首先用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环（自发自收），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（闭环）。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（有噪声）。TPJ05眼图ZH7001型现代通信原理综合实验系统8（2）观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ06（在A/D模块内）波形，比较与TPJ05测试波形有什么不同？根据电路原理图，分析解释其原因。TPJ06眼图测试模块中的TPN02测试点为接收端经匹配滤波器之后的眼图信号观测点。通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤。解释为什么发端眼图已发生变化，而收端TPN02的眼图没有发生变化（仅电平变化）。2.解调器失锁时的眼图信号观测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（开环），使环路失锁。观测失锁时的解调器眼图信号TPJ05，熟悉BPSK调制器失锁时的眼图信号（未张开）。观测失锁时正交支路解调器眼图信号TPJ06波形。注意：将示波器时基从正常位置调整2～5ms/DIV对比观测。ZH7001型现代通信原理综合实验系统9TPJ05眼图3.解调器相干载波观测首先建立中频自环，通过菜单选择输入测试数据为“特殊码序列”或“m序列”。（1）用双踪示波器同时测量发端调制载波（TPK07）和收端恢复相干载波（TPLZ07），并以TPK07作为示波器的同步信号。在环路正常锁定时，观测收发载波信号的相对关系。（1）特殊码序列信号ZH7001型现代通信原理综合实验系统10（2）m序列信号（2）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（开环），使环路失锁。重复上述测量步骤，观测在解调器失锁时收发载波信号的相对关系。（1）m序列信号ZH7001型现代通信原理综合实验系统11（2）特殊码序列信号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（闭环），让解调器锁定（如无法锁定，可按选择菜单上的确认键，让解调器重新同步锁定）。断开中频连接电缆，观测在无输入信号情况下，解调器载波是否与发端同步。记录测量结果。0/1码闭环周期ZH7001型现代通信原理综合实验系统120/1码开环周期五、实验报告1、写出眼图正确的观察方法；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眼睛，所以称为眼图（如下图所示）。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。2、叙述Nyquit滤波作用；在实际通信系统中，采用Nyquist波形成形技术，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；在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；ZH7001型现代通信原理综合实验系统13获得无码间串扰的信号传输。3、画出主要测量点的工作波形；4、说明BPSK的解调工作过程；提取位定时信息、滤波、抽样判决六、心得体会通过本次的BPSK传输系统实验，我进一步了解了Nyquist基带传输设计准则，并且熟悉了升余弦基带传输信号的特点。学习使用眼图的方法来观察信号。通过了解BPSK调制原理，动手验证了BPSK调制和解调的过程，从中观察到载波包络的变化观察、BPSK解调数据反相的现象等。还了解到了许多新知识，比如如何解决相位模糊问题等等。