實(shí)驗(yàn)報(bào)告_實(shí)驗(yàn)四

1、電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：陳松 學(xué) 號(hào)： 201322010244指導(dǎo)教師：李恒郵 箱： 一、實(shí)驗(yàn)室名稱：通信信號(hào)處理及傳輸實(shí)驗(yàn)室二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 基帶載波調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)原理：1、基帶線性載波調(diào)制技術(shù)原理 數(shù)字信號(hào)載波調(diào)制有三種基本的調(diào)制方式：幅度鍵控( ASK )，頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。它們分別是用數(shù)字基帶信號(hào)控制高頻載波的參數(shù) 如振幅、頻率和相位， 得到數(shù)字帶通信號(hào)。 在接收端運(yùn)用相干或非相干解調(diào)方式， 進(jìn)行解調(diào)，還原為原數(shù)字基帶信號(hào)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)可以大致分為線性和非線性的。 在線性調(diào)制技術(shù)中， 傳輸信號(hào) st 的幅度隨調(diào)制

2、數(shù)字信號(hào) m t 的變化而線性變化。線性調(diào)制技術(shù)帶寬效率較 高，所以非常適用于有限頻帶內(nèi)要求容納越來越多用戶的無線通信系統(tǒng)。在線性調(diào)制方案中，傳輸信號(hào) s t 可以表示為：st ReA m t e j2 fctA mR t cos 2 fct mI t sin 2 f ct( 4.1)其中，A是信號(hào)幅度，fc是載波頻率，mt mR t jmi t是通常為復(fù)數(shù)形 式的已調(diào)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)。可見，載波幅度隨調(diào)制信號(hào)呈線性變化。 線性調(diào)制方案一般來說都不是恒包絡(luò)。有些非線性調(diào)制的載波，即可能是線性包絡(luò)也可能是恒包絡(luò)， 這取決于基帶 波形是否經(jīng)過脈沖成形處理。線性調(diào)制方案有很好的頻譜效率，但傳輸中必須使用

3、功率效率低的RF放大器。用功率效率高的非線性放大器會(huì)導(dǎo)致已濾除的邊瓣再生，造成嚴(yán)重的相鄰信 道干擾，使線性調(diào)制得到的頻譜效率全部丟失。最普遍的線性調(diào)制技術(shù)包括脈沖 成形 BPSK、QPSK和OQPSK。（1）、二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）在二進(jìn)制相移鍵控中，幅度恒定的載波信號(hào)隨兩個(gè)代表二進(jìn)制 1或0的信號(hào) m1和m2的改變而在兩個(gè)不同的相位間跳變。通常這兩個(gè)相位差 180如果正弦 載波的幅度為Ac，每比特能量Eb -ATb，則傳輸?shù)腂PSK信號(hào)為：2T cos 2 fct(4.2)0 t Tb （二進(jìn)制的1）Sbpsk t或者BPSK tIf-2 cos 2 fctcos 2 fct0(4.3)

4、0 t Tb （二進(jìn)制的0）出于方便，經(jīng)常將m1和m2 般化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào) mt，它呈現(xiàn)兩種可能 的脈沖波形中的一種。這樣傳輸信號(hào)可以表示為：Sbpsk t m tCOS 20（4.4）BPSK信號(hào)等效于抑制載波雙邊帶調(diào)幅波形，其中 cos 2 fct相當(dāng)于載波，數(shù) 據(jù)信號(hào)mt相當(dāng)于調(diào)制波形。（2）、四相相移鍵控（QPSK）比如0、/2、 和3 /2，四相相移鍵控是在一個(gè)調(diào)制符號(hào)中傳輸兩個(gè)比特，因此其帶寬效率比BPSK的帶寬效率高兩倍。載波的相位為四個(gè)間隔相等的值，每一個(gè)相位只對(duì)應(yīng)唯一的一對(duì)消息比特。這個(gè)符號(hào)狀態(tài)集的QPSK信號(hào)可定義為:Sqpsk tcos 20 tTs,i1,2,3,4（

5、 4.5）其中，Ts為符號(hào)持續(xù)時(shí)間，等于兩個(gè)比特周期QPSK信號(hào)可以表示為二維星座圖上幅度為.Es，相位分別0、 /2、 和3 /2的信號(hào)。從QPSK信號(hào)的星座圖可以看出，星座中相鄰點(diǎn)的距離為,2Es。因?yàn)槊總€(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)比特，所以 Es 2Eb，這樣QPSK星座中相鄰兩點(diǎn)的距離為2 . Eb相對(duì)BPSK調(diào)制方式，QPSK在相同的帶寬內(nèi)傳輸了兩倍的數(shù)據(jù)，因此在相同 的能量效率情況下，QPSK提供了兩倍的頻譜效率。（3）差分PSK差分PSK是相移鍵控的非相干形式，它不需要在接收機(jī)端有相干參考信號(hào)。非相干接收容易制造而且便宜，因此在無線通信系統(tǒng)中廣泛使用。在 DBPSK或 者DQPSK系統(tǒng)中，輸

6、入的二進(jìn)制序列差分編碼，然后再用 BPSK或者QPSK調(diào)制 器調(diào)制。差分編碼后的序列 dk是通過對(duì)mk與dk i進(jìn)行模2運(yùn)算，由輸入的二進(jìn) 制序列dk產(chǎn)生的。其效果相當(dāng)于，如果輸入的二進(jìn)制符號(hào)mk為1,則符號(hào)dk與 其前一個(gè)符號(hào)保持不變，而如果 mk為0，則dk就改變一次。表4-1給出了按照關(guān) 系式dk mk dk 1由mk序列中產(chǎn)生的DPSK信號(hào)DPSK發(fā)射機(jī)包括一個(gè)比特延遲單元和一個(gè)為了從輸入二進(jìn)制序列產(chǎn)生分編 碼的邏輯電路，其輸出通過一個(gè)乘法調(diào)制器得到 DPSK信號(hào)。在接收機(jī)端，通過 相應(yīng)的處理過程，從調(diào)制的差分編碼信號(hào)恢復(fù)出原始信號(hào)。2、基帶恒包絡(luò)線性載波調(diào)制技術(shù)許多實(shí)際的移動(dòng)無線通信

7、系統(tǒng)都使用非線性調(diào)制方法，這時(shí)不管調(diào)制信號(hào)如 何改變，載波的幅度是恒定的。恒包絡(luò)調(diào)制具有可以滿足多種應(yīng)用環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)， 其中：可以使用功率效率高的C類放大器，而不會(huì)使發(fā)送信號(hào)占有的頻譜增大；帶外輻射低，可達(dá)-60dB至-70dB;可用限幅器-鑒頻器檢測，從而簡化接收機(jī)的 設(shè)計(jì)，并能很好地抵抗隨機(jī)噪聲和由Rayleigh衰落引起的信號(hào)波動(dòng)。恒包絡(luò)調(diào)制有很多優(yōu)點(diǎn)，但他們占用的帶寬比線性調(diào)制大。（1）、頻移鍵控（FSK）在頻移鍵控調(diào)制系統(tǒng)中，幅度恒定不變的載波信號(hào)的頻率隨著可能的信息狀 態(tài)而切換，以2FSK為例，信息狀態(tài)由二進(jìn)制1和0表示，分別對(duì)應(yīng)某個(gè)載波頻率。 根據(jù)頻率變化影響發(fā)射波形的方式，F(xiàn)SK

8、信號(hào)在相鄰的比特之間，通常呈現(xiàn)連續(xù) 的相位。通常，2FSK信號(hào)的表達(dá)式為：cos 2 fct 2 ft0 t Tb （二進(jìn)制的 1）（ 4.6）SFSK t2EbTbcos 2fctft0 t Tb （二進(jìn)制的0）(4.7)其中2 f代表信號(hào)載波的恒定偏移一種簡單的產(chǎn)生FSK信號(hào)的方法是，依照數(shù)據(jù)比特是0還是1,在兩個(gè)獨(dú)立的 振蕩器中切換。m t為二進(jìn)制波形。更常用的產(chǎn)生FSK信號(hào)的方法是，使用信號(hào)波形對(duì)單一載波振蕩器進(jìn)行頻率 調(diào)制。這種調(diào)制方法類似于生成模擬FM信號(hào)，只是調(diào)制信號(hào)因此，2FSK可表示為:SFSK t2Eb.Tbcos 2 fctt2Ebcos 2 fct 2 kf m(4.8

9、)（2）、最小頻移鍵控（MSK）相移鍵控和正交幅度鍵控信號(hào)在碼元交替處發(fā)生相位突變，這意味著已調(diào)信 號(hào)的功率譜的高頻含量較大，這種信號(hào)通過頻帶受限信道，因高頻分量被濾除和 非線性，使信號(hào)的包絡(luò)產(chǎn)生起伏，從而影響信號(hào)的解調(diào)質(zhì)量。下面將討論的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二進(jìn)制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。 連續(xù)相位頻移鍵控信號(hào)具有恒包絡(luò)， 頻譜旁瓣小，抗干擾性能也較強(qiáng)，因此在衛(wèi) 星通信和移動(dòng)通信中應(yīng)用較多。最小頻移鍵控(MSK)是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控(CPFSK)，其最大頻 移為比特率的1/4。換句話說，MSK是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位的FSK

10、。FSK信 號(hào)的調(diào)制系數(shù)類似于FM調(diào)制系數(shù)，定義為kFSK 2 F / Rb，其中F是最大射 頻頻移，Rb是比特率。調(diào)制系數(shù)0.5對(duì)應(yīng)著能夠容納兩路正交FSK信號(hào)的最小頻 帶，最小頻移鍵控的由來就是指這種調(diào)制方法的頻率間隔 (帶寬)是可以進(jìn)行正交 檢測的最小帶寬。如果TvH t vL t 0( 4.9)0貝U兩路FSK信號(hào)vH t和vL t是正交的。MSK有時(shí)稱為快速FSK，因?yàn)槠涫褂玫念l率空間僅為常規(guī)非相干 FSK空間的 一半。MSK是一種高效的調(diào)制方法，特別適合在移動(dòng)無線通信系統(tǒng)中使用。它有 很多好的特性，例如恒包絡(luò)、頻譜利用率高、誤比特率低和自同步性能。MSK信號(hào)也可以看成是一類特殊形式

11、的 OQPSK。在MSK中，OQPSK的基帶 矩形脈沖被半正弦脈沖取代。這些脈沖在2Tb周期中形狀類似于St.Louis曲線?？?慮N比特流交錯(cuò)的OQPSK信號(hào)。如果用半正弦脈沖代替矩形脈沖，調(diào)制信號(hào)即為 MSK信號(hào)，N比特流的表達(dá)式為：N 1SMSK tmI t p t2iTbi 0N 1cos 2 fctmQ t p t 2iTbi 0Tb cos 2 fct(4.10)其中t.sinPt2Tb0 t 2Tb(4.11)0other其中mi t和mQ t分別是雙極性數(shù)據(jù)流的奇比特和偶比特，以Rb/2的 速率輸入解調(diào)器的同步積分環(huán)路。應(yīng)當(dāng)注意 MSK 信號(hào)有很多種形式。例如，一 種MSK信號(hào)

12、僅使用正的半正弦脈沖作為基本脈沖，另一種可能會(huì)使用正負(fù)交替 變化的半正弦脈沖為基本脈沖信號(hào)。然而，所有的MSK信號(hào)都是相位連續(xù)的FSK 信號(hào)，使用不同的技術(shù)以有效地利用頻譜。MSK信號(hào)可看作一種特殊形式的連續(xù)相位的 FSK信號(hào)，MSK信號(hào)具有恒定 幅值。通過選定載波頻率為四分之一比特率（1/4T）的整數(shù)倍，可以保證MSK信號(hào) 在比特轉(zhuǎn)換處的相位連續(xù)性。MSK信號(hào)具有以下特點(diǎn)：1）已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的；2）信號(hào)的頻率偏移嚴(yán) 格地等于 1/ 4Tb 相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)為 0.5； 3）以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè) 碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確地線性變化/2； 4）在一個(gè)碼元期間內(nèi)， 信號(hào)應(yīng)包括上載波周期的整數(shù)

13、倍； 5）在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位是連續(xù)的， 或者說信號(hào)的波形沒有突跳。（3）、高斯最小頻移鍵控（ GMSK）在數(shù)字移運(yùn)通信中進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， 為了滿足鄰道帶外輻射功率低于 -80-60dB的指標(biāo)，要求信號(hào)要有更加緊湊的功率譜。通過前面的介紹，從MSK信號(hào)的功率譜可以看出。MSK信號(hào)仍不能滿足這樣的要求。高斯最小頻移鍵控（GMSK）就是針對(duì)上述要求提出來的。GMSK調(diào)制方式能 滿足移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格要求， 以其良好的生能在公共移動(dòng)通信系 統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并且被確定為歐洲新一代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式。為了減小已調(diào)波的主瓣寬度和鄰道的帶外輻射，在平滑調(diào)頻（TFM）調(diào)制方式中調(diào)

14、制前對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行了相關(guān)編碼處理。 如果調(diào)制前對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行高斯濾 波處理也能達(dá)到上述目的。 這就是另一種在移動(dòng)通信中得到廣泛應(yīng)用的恒包絡(luò)調(diào) 制方法 帶高斯濾波的最小頻移鍵控，簡稱高斯最小頻移鍵控。GMSK的基本原理是讓基帶信號(hào)先經(jīng)過高斯濾波器濾波，使基帶信號(hào)形成高 斯脈沖之后進(jìn)行MSK調(diào)制。由于濾波形成的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭的邊沿，亦無 拐點(diǎn)，所以經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)波相位路徑在 MSK的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到平滑。GMSK 將MSK信號(hào)的相位路徑的尖角平滑掉了，因此頻譜特性優(yōu)于 MSK和SFSK。采用高斯濾波器進(jìn)行預(yù)凋制濾波是因?yàn)楦咚篂V波器具有以下特性：1）窄帶銳截止特性，以便抑制高頻分量；2）沖激響應(yīng)

15、過沖量小，以防止過大的瞬時(shí)頻偏； 3）濾波器輸出沖激響應(yīng)曲線下的面積對(duì)應(yīng)于/2的相移，以使調(diào)制指數(shù)為0.5高斯低通濾波器的單位沖激響應(yīng)為：r2ht expt（ 4.12）顯然h t不是時(shí)限的，但是隨t2按指數(shù)規(guī)律迅速下降，可近似認(rèn)為其寬度有限。傅里葉變換后可得:exp(4.13)高斯預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng):(4.14)四、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 研究相移鍵控的線性載波調(diào)制技術(shù)原理；分析二進(jìn)制相移鍵控 （BPSK）、 四進(jìn)制相移鍵控（QPSK）技術(shù)的原理；分別觀察BPSK、QPSK調(diào)制信號(hào)的波形 及頻譜，比較BPSK和QPSK兩種線性調(diào)制技術(shù)間的功率效率和數(shù)據(jù)帶寬比。2. 研究差分相移鍵控的線性載波調(diào)制

16、技術(shù)原理；分析差分二進(jìn)制相移鍵控 （DBPSK）、差分四進(jìn)制相移鍵控（DQPSK）技術(shù)的原理；分別觀察DBPSK、 DQPSK調(diào)制信號(hào)的波形及頻譜，比較DBPSK和DQPSK兩種線性調(diào)制技術(shù)間 的功率效率和數(shù)據(jù)帶寬比。3. 研究恒包絡(luò)線性載波調(diào)制技術(shù)原理；熟悉頻移鍵控 （FSK）、最小頻移鍵控 （MSK）、高斯最小頻移鍵控（GMSK）技術(shù)的原理；分別觀察FSK、MSK、GMSK 調(diào)制信號(hào)波形及頻譜。4. 掌握如何用FPGA來實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK、FSK、MSK調(diào)制9五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（ 1）基帶載波調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)； 分析并觀察 BPSK、QPSK、DBPSK、DQPSK、FSK、MSK、GMS

17、K調(diào)制信號(hào)的波形及頻譜；（2）基于FPGA的基帶信號(hào)調(diào)制實(shí)驗(yàn)。六、實(shí)驗(yàn)器材（設(shè)備、元器件） ：計(jì)算機(jī)、軟件無線電實(shí)驗(yàn)箱、示波器、 DSP 仿真器、 FPGA 仿真器、 5V 電源七、實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析：1. 基帶載波調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的菜單窗口提示， 利用鍵盤選擇菜單內(nèi)容， 逐級(jí)進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)操 作界面，根據(jù)操作步驟的提示，利用示波器在指定接口進(jìn)行輸出信號(hào)波形觀察。 具體步驟如下：檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左上方和右下方的 Power Switch是否處于關(guān)閉（OFF）狀態(tài)； 檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源線是否連接正確，若連接正確，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)右下方的Power Ready指示燈會(huì)亮起；將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左上方的P

18、ower Switch置為開啟（ON）狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入啟 動(dòng)狀態(tài)，觀察實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中部的顯示屏直至進(jìn)入 “高級(jí)軟件無線電教學(xué)系統(tǒng) ”； 按下“確認(rèn)（回車） ”鍵進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)列表；選擇“2按 Enter鍵，進(jìn)入基帶實(shí)驗(yàn)列表；選擇“ 1按 Enter鍵，屏幕顯示進(jìn)入實(shí)驗(yàn)中，請(qǐng)稍候”提示框，直至進(jìn)入基帶 調(diào)制實(shí)驗(yàn)列表；1) BPSK 調(diào)制選擇 “1進(jìn)”入 BPSK 調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗，按照軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示 進(jìn)行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái) TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察 輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖， 觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過 BPSK 調(diào)制后的頻譜 特征(2)

19、QPSK 調(diào)制選擇“2進(jìn)”入 QPSK 調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗，按照軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示 進(jìn)行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái) TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察 輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過 QPSK調(diào)制后的頻譜 特征(3) DBPSK調(diào)制9選擇“ 3進(jìn)”入 DBPSK 調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗，按照軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提 示進(jìn)行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái) TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀 察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過DBPSK調(diào)制后的頻譜特征(4) DQPSK調(diào)制9選擇“4進(jìn)”入 DQPSK

20、調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗，按照軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提 示進(jìn)行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái) TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀 察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過DQPSK調(diào)制后的頻譜特征(5) FSK調(diào)制選擇“5進(jìn)入FSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗，按照軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn) 行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái) TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察輸 出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過FSK調(diào)制后的頻譜特 征(6)MSK調(diào)制選擇“6進(jìn)”入 MSK 調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗， 按照軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn) 行后續(xù)操作，將示波器

21、分別觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái) TXI和TXQ端口，通過示波器觀察輸 出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過 MSK 調(diào)制后的頻譜 特征( 7) GMSK 調(diào)制選擇“7進(jìn)”入 GMSK 調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗， 按照軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示 進(jìn)行后續(xù)操作，將示波器分別觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái) TXI 和 TXQ 端口，通過示波器觀察 輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過GMSK調(diào)制后的頻譜 特征2. FPGA基帶信號(hào)調(diào)制實(shí)驗(yàn)(1) FPGA基帶信號(hào)調(diào)制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)A. 從應(yīng)用程序界面進(jìn)入 -擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) -FPGA 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) -基帶信號(hào)調(diào)制 實(shí)驗(yàn)；B. 打開 ISE8.1-Open Project打開 FPGA_modulate工程；C. 在 modula_main.vhd 中，確定Constant modulation_sel ：std_logic_vector(3 downto 0) ：=“ 0001 ”;D. 編譯程序后下載.bit文件到FPGA中E. 從應(yīng)用程序界面輸入數(shù)據(jù)，按確認(rèn)發(fā)送，用示波器觀察平臺(tái) TXI 、TXQ 輸出信號(hào)波形2)FPGA 基帶信號(hào)調(diào)制擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)1)在 modula_main.vhd 中找到如下語句