BPSK传输系统实验.pdf

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通信原理实验☆实验三BPSK传输系统实验一．实验目的1.熟悉BPSK调制和解调基本工作原理。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。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。7.了解BPSK在噪声下的基本性能。二．实验原理(一).BPSK调制在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制相移键控(BPSK)信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。二进制相移键控信号的时域表达式为：eBPSK(t)=[∑ang(t-nTs)]cosωctn其中：an为双极性，且an=1(发送概率为P)an=-1(发送概率为1-P)二进制相移键控信号的调制原理图如图3.1所示。其中图(a)是采用模拟调制的方法产生BPSK信号，图(b)是采用数字键控的方法产生BPSK信号。图3.1BPSK信号的调制原理图采用二进制码流直接载波信号进行相位调制，信号占据带宽大，将浪费宝贵的频带-16- ☜BPSK传输系统实验资源，并且，会产生邻道干扰，对系统的通信性能产生影响，当该信号经过带宽受限的信道将会产生码间串扰。因此，通常采用Nyquist波形成形技术。其处理过程如图3.2所示。图3.2BPSK基带成形原理示意图成形后的基带信号经D/A变换后，直接对载波进行调制。在本实验系统中，BPSK调制方案如下：首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两支路。因为I、Q两支路信号一样，本振频率也一样，相位相差180°，所以经调制合路之后仍为BPSK方式。采用直接数据调制与成形信号调制的信号波形图如图3.3所示。-17- 通信原理实验☆图3.3直接数据调制与成形信号调制的波形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：0°和180°.如果是0°，则解调出的数据与发送数据一致，否则反相。因此，本实验系统在发送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：ａ(n)=a(n-1)⊕b(n)实现框图如图3.4。图3.4差分编码实现框图一个典型的差分编码调制过程如下：-18- ☜BPSK传输系统实验输入数据011000111差分编码数据101111010载波相位π0ππππ0π0本实验系统中BPSK的实现框图如图3.5所示：图3.5BPSK的实现框图(二).BPSK解调本实验系统BPSK解调方法如图3.6所示：-19- 通信原理实验☆图3.6BPSK解调方框图其中：1.A/D采样速率为4倍的码元速率。2.采样后，进行平方根Nyquist匹配滤波。3.将匹配之后的样点进行样点抽取，每两个样点抽取一个采样点。即每个码元采样两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。5.将位定时处理之后的最佳样点送入后续处理。6.根据最佳样点值进行载波鉴相处理，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。7.进行判决处理。BPSK判决反馈环结构如图3.7。-20- ☜BPSK传输系统实验图3.7BPSK判决反馈环结构图三．实验仪器1.JH5001通信原理综合实验系统一套2.20MHz双踪示波器一台四．实验内容测试前检查：首先将实验箱调制方式设置成“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，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(1).通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式，选择m序列码输入，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，成型滤波器使用升余弦响应，α=0.4。判断信号观察的效果。(2).通过菜单选择激活“匹配滤波”方式，此时系统构成收发匹配滤波器最佳接收机，重复上述试验步骤。仔细观察和区别上述两种方式下发送信号眼图的波形。2.I路和Q路调制信号的相平面(矢量图)信号观察(1).测量I支路TPi03和Q支路TPi04信号李沙育(x_y)波形时，应将示波器设置在(x_y)方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量，结合BPSK调制器原理分析测试结果。(2).通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤。仔细观察和区别上述两种方式下矢量图信号。-21- 通信原理实验☆3.BPSK调制信号0/π相位测量选择输入调制数据为0/1码。用示波器一路观察调制输出波形(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0/π翻转。4.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。测量前，将模拟锁相环模块内的跳线开关KP02设置在TEST位置(右端)。(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。画出测量波形。(2).用特殊序列码重复上述测量步骤，并从载波的包络上判断特殊序列码，记录测量结果。(3).用m序列重复上一实验，观测载波的包络变化。(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。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，测量解调器I支路眼图信号测试点TPJ05(A/D模块内)的波形，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。(2).观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ06(在A/D模块内)的波形，比较与TPJ05信号波形有何不同？分析、解释其原因。(3).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-22- ☜BPSK传输系统实验号TPJ05，熟悉BPSK调制器失锁时的眼图信号。观测失锁时正交支路解调器眼图信号TPJ06波形。3.接收端I路和Q路解调信号的相平面波形观察将跳线开关KL01设置在1_2位置1，观测I支路(TPJ05)Q支路(TPJ06)李沙育(x_y)波形。将示波器设置在(x_y)方式，可从相平面上观察TPJ05和TPJ06的合成矢量图。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。4.解调器失锁时I路和Q路解调信号的相平面波形观察将跳线开关KL01设置在2_3位置(开环)，使环路失锁。观测接收端失锁时I路和Q路的合成矢量图。掌握解调器失锁时I路和Q路解调器信号的相平面波形的变化，分析测量结果。5.决定反馈环解调器鉴相特性观察将跳线开关KL01设置在2_3位置(开环)，观察锁相环鉴相器输出点TPN03的波形(在测试模块中)。6.解调器PLL环路鉴相器差拍电压和锁定过程观察将跳线开关KL01设置在1_2位置(闭环)和2_3位置(开环)来回切换，仔细观察测试模块内TPN01测量点的工作波形。观测时将示波器时基设定在5ms～10ms。7.解调器抽样判决点信号观察(1).将跳线开关KL01设置在1_2位置，输入测试数据为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2ms～5ms。(2).TPMZ07为接收端DSP调整之后的最佳抽样时刻。用示波器同时观察TPMZ07(作为同步信号)和观察抽样判决点TPN04信号波形之间的相位关系。8.解调器失锁时抽样判决点信号观察将跳线开关KL01设置在2_3位置(开环)，使环路失锁，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2ms～5ms。9.差分编码信号观测使用汉明编码模块产生的m序列输出数据时，将汉明模块中的信号工作跳线器开关SWC01中的H_EN和ADPCM开关去除，将输入信号跳线开关KC01设置在m序列输出口DT_M上(右端)；将汉明译码模块中使能开关KW03设置在OFF状态(右端)，输入-23- 通信原理实验☆信号和时钟开关KW01、KW02设置在来自信道CH位置。通过菜单选择发送数据为“外部数据输入”方式。(1).将SWC01中的M_SEL1跳线器插入，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，分析两信号之间的编码关系，记录测量结果。(2).将SWC01中的M_SEL1和M_SEL2跳线器都插入，产生15位周期m序列。重复上述测量步骤，记录测量结果。10.解调数据观察(1).在上述设置跳线开关的基础上，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，比较两信号进行是否一致。测量发送与接收数据信号的传输延时，记录测量结果。(2).在“外部数据输入”方式下，重复按选择菜单的确认按键，让解调器重新锁定，观测解调器差分译码电路是否正确译码。11.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(调制模块内)和收端恢复相干载波TPLZ07(解调模块内)，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关关系。(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关关系。(3).将KL01设置在1_2位置，让解调器锁定。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。12.解调器相干载波相位模糊度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”。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。反复的断开和接回中频自环电缆，观测两载波失步后在失步时信号之间的相位关系。13.解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响观测-24- ☜BPSK传输系统实验首先建立中频自环，通过菜单选择输入测试数据为“特殊码序列”。用双踪示波器同时比较接收数据信号眼图TPJ05和发送数据信号眼图TPi03，并以TPi03作为示波器的同步信号。反复的断开和接回中频自环电缆，观测收发眼图信号。分析接收时眼图信号的电平极性发生反转的原因。14.解调器位定时恢复信号调整锁定过程观察TPMZ07为DSP调整之后的最佳抽样时刻，它与发端时钟(TPM01)具有明确的相位关系。(1).在输入测试数据为m序列时，用示波器同时观察TPM01(以此信号作同步)和TPMZ07(收端最佳判决时间)之间的相位关系。(2).不断按确认键，此时仅对DSP位定时环路初始化，观察TPMZ07的调整过程。(3).断开K002接收中频接头，在没有接收信号的情况下重复上述步骤实验，并解释测量结果的原因。15.解调器位定时信号相位抖动观测用发送时钟TPM01信号作同步，选择不同的测试码序列测量接收时钟TPMZ07的相位抖动情况。分析结果。五．实验报告1.叙述眼图正确的观察方法。2.叙述Nyquist滤波作用。3.画出主要测量点的工作波形。4.说明BPSK的解调过程。-25-