BPSK传输系统实验.doc

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BPSK传输系统实验一实验目的1、掌握BPSK数据传输过程，熟悉典型电路2、了解掌握BPSK调制和解调的基本原理；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；3、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；4、熟悉BPSK调制载波包落的变化；5、掌握BPSK载波恢复特点与位定时恢复的基本方法；二实验内容BPSK的调制和解调三、实验仪器1、JH5001通信原理综合实验系统2、20MhzCS-4125A双踪示波器四实验原理（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：其中一个数据码流直接调制后的信号如图1所示： 图1数据码流直接调制后的BPSK信号升余弦滤波器的传递函数为：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图2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所示：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。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3.3所示：图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：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：实现框图如图4所示：图4差分编码示意图 一个典型的差分编码调制过程如图5所示：图5差分编码与调制相位示意图BPSK的实现框图如图6所示。（二）BPSK解调接收的BPSK信号可以表示成：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7所示： 图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： 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，一般采用锁相环来实现。判决反馈环结构如图8所示：图8BPSK判决反馈环结构判决反馈环鉴相器具有图9所示的特性：图9判决反馈环鉴相特性从图9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。载波恢复同步时间将影响BPSK在正确解调时所需消耗的比特数，该指标一般对突发工作（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：而恢复的相干载波为，经相乘器、低通滤波后输出的信号为：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；若存在相差Δ，则输出信号能量下降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：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，环路带宽越窄，载波恢复时间越长，输出载波相位抖动越小，环路的跳周率越小。因而，可根据实际需要，调整环路带宽的大小。１、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。图10BPSK的位定时恢复（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11就是滤波法提取位同步的原理方框图。图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。 图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3.13中的情况所示。位定时误差的大小按下式进行计算：图13位定时误差提取示意图如果，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，如图14所示。图14位定时调整示意图 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。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型很像人的眼睛，所以称为眼图（如图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。图15BPSK眼图的观察方法一般而言，眼皮越厚，则噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。2、星座图：与眼图一样，可以较为方便地估计出系统的性能，同时它还可以提供更多的信息，如I、Q支路的正交性、电平平衡性能等。星座图的观察方法如下：用一个示波器的一个通道接收I支路信号，另一通道接Q支路信号，将示波器设置成X-Y方式，这时就可以在荧光屏上看到如图16所示的星座图。星座点聚焦越好，则系统性能越好；否则，噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。图16BPSK星座图 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17BPSK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3.18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。五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（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（TPi 03）的波形。成型滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。判断信号观察的效果。（1）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。仔细观察和区别与上述两种方式下发送信号眼图（TPi03）的波形。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，但信道成型滤波器特性不变。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？ 1.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支路信号（TPi04）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，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。仔细观察和区别两种方式下矢量图信号。1.BPSK调制信号0/π相位测量将模拟锁相环模块的跳线开关KP02设置在右端，选择输入调制数据为0／1码。用示波器的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相位0/π翻转。2.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调制信号的包落特征。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落变化与基带信号（TPi03）的相互关系。画下测量波形。（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列码序列。画下测量波形。（3）用m序列重复上一步实验，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（自发自收）。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）。（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。（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。 1.接收端I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察测量I支路（TPJ05）和Q支路信号（TPJ06）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TPJ05和TPJ06的合成矢量图。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。2.解调器失锁时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形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（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。掌握解调器时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形的变化，分析测量结果。3.判决反馈环解调器鉴相特性观察解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3（右端）位置，观察锁相环鉴相器输出点TPN03的波形（在测试模块）。通信原理综合实验系统中对BPSK信号解调采用判决反馈环解调器，其PLL环路鉴相特性具有锯齿余弦特性。4.解调器抽样判决点信号观察（1）选择输入测试数据为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2～5ms）。（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（观察时以此信号作同步）和观察抽样判决点TPN04信号波形之间的相位关系。5.解调器失锁时抽样判决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。用示波器观察测试模块内抽样判决点TPN04信号波形，观测时示波器时基设定在2～5ms。熟悉解调器失锁时的抽样判决点信号波形。6.差分编码信号观测通信原理实验箱仅对“外部数据输入”方式输入数据提供差分编码功能。外部数据可以来自误码仪产生或汉明编码模块产生的m序列输出数据。当使用汉明编码模块产生的m序列输出数据时，将汉明编码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）；将汉明译码模块中汉明译码使能开关KW03设置在OFF状态（右端），输入信号和时钟开关KW01、KW02设置在来自信道CH位置（左端）。通过菜单选择发送数据为“外部数据输入”方式。（1）将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中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，分析两信号间的编码关系。记录测量结果。 （1）将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中M_SEL2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。1.解调数据观察（1）在上述设置跳线开关基础上，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，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（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。2.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。3.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，观测两载波失步后再同步时之间的相位关系。4.解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响观测首先建立中频自环，通过菜单选择发送数据为“特殊码序列”方式。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。不断的断开和接回中频自环电缆，观测收发眼图信号。（在“特殊码序列”方式下，重复按选择菜单的确认按键，让解调器重新锁定。）分析接收时眼图信号的电平极性发生反转的原因。5.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TPM01（发端时钟）具有明确的相位关系。 （1）通过菜单选择输入测试数据为m序列，用示波器同时观察TPM01（观察时以它作同步）、TPMZ07（收端最佳判决时刻）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该步实验，并解释原因。1.解调器位定时信号相位抖动观测示波器以发送时钟TPM01信号为同步，在不同的测试码型下观测接收时钟TPMZ07的相位抖动情况。将各项测试结果作比较分析是否符合理论？六实验报告1、写出眼图正确的观察方法；2、叙述Nyquit滤波作用；3、画出主要测量点的工作波形；4、说明BPSK的解调工作过程；