實(shí)驗(yàn)四移相鍵控PSK實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)四移相鍵控PSK實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊弧?shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解M序列的性能，掌握其實(shí)現(xiàn)方法及其作用； 2、了解2PSK系統(tǒng)的組成驗(yàn)證，其調(diào)制解調(diào)原理； 3、驗(yàn)證同步解調(diào)的又一方式同相正交環(huán)(或稱 Costas環(huán))的工作原理； 4、學(xué)習(xí)集成電路壓控振蕩器在系統(tǒng)中的應(yīng)用； 5、學(xué)習(xí)2PSK系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的測試方法。 二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求 1、復(fù)習(xí)通信系統(tǒng)原理中有關(guān)PSK調(diào)制解調(diào)的章節(jié)； 2、認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)步驟； 3、了解有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的測量方法。三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說明三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說明 信息源編 碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器收信者噪聲源圖4-1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 與模擬通

2、信系統(tǒng)相比，數(shù)字調(diào)制和解調(diào)同樣是通過某種方式，將基帶信號的頻譜由一個頻率位置搬移到另一個頻率位置上去。不同的是，數(shù)字調(diào)制的基帶信號不是模擬信號而是數(shù)字信號。 在大多數(shù)情況下，數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號的離散值去鍵控載波。對載波的幅度、頻率或相位進(jìn)行鍵控，便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時得到廣泛應(yīng)用。 調(diào)制 2PSK系統(tǒng)的調(diào)制部分框圖如下圖所示 外載波放大器外 內(nèi)10MHZ晶振10分頻2分頻1MHZ振蕩M序列發(fā)生器差分編碼調(diào)相PSK同步異步圖4-2 2PSK調(diào)制部分框圖 1、M序列發(fā)生器 實(shí)

3、際的數(shù)字基帶信號是隨機(jī)的，為了實(shí)驗(yàn)和測試方便，一般都是用M序列發(fā)生器產(chǎn)生一個偽隨機(jī)序列來充當(dāng)數(shù)字基帶信號源。按照本原多項(xiàng)式f(x)=X5+X3+1組成的五級線性移位寄存器，就可得到31位碼長的M序列。 碼元定時與載波的關(guān)系可以是同步的，以便清晰觀察碼元變化時對應(yīng)調(diào)制載波的相應(yīng)變化；也可以是異步的，因?yàn)閷?shí)際的系統(tǒng)都是異步的，碼元速率約為1Mbt/s。 2、相對移相和絕對移相 移相鍵控分為絕對移相和相對移相兩種。以未調(diào)載波的相位作為基準(zhǔn)的相位調(diào)制叫作絕對移相。以二進(jìn)制調(diào)相為例，取碼元為“1”時，調(diào)制后載波與未調(diào)載波同相；取碼元為“0”時，調(diào)制后載波與未調(diào)載波反相；“1”和“0”時調(diào)制后載波相位差1

4、800。絕對移相的波形如下圖所示。 圖4-3絕對移相的波形示意圖tttU(t)基帶信號Uc(t)S(t)未調(diào)載波絕對調(diào)相碼元1 0 1 10 0 在同步解調(diào)的PSK系統(tǒng)中，由于收端載波恢復(fù)存在相位含糊的問題，即恢復(fù)的載波可能與未調(diào)載波同相，也可能反相，以至使解調(diào)后的信碼出現(xiàn)“0”、“1”倒置，發(fā)送為“1”碼，解調(diào)后得到“0”碼；發(fā)送為“0”碼，解調(diào)后得到“1”碼。這是我們所不希望的，為了克服這種現(xiàn)象，人們提出了相對移相方式。 相對移相的調(diào)制規(guī)律是：每一個碼元的載波相位不是以固定的未調(diào)載波相位作基準(zhǔn)的，而是以相鄰的前一個碼元的載波相位來確定其相位的取值。例如，當(dāng)某一碼元取“1”時，它的載波相位與

5、前一碼元的載波同相；碼元取“0”時，它的載波相位與前一碼元的載波反相。相對移相的波形如下圖所示。 一般情況下，相對移相可通過對信碼進(jìn)行變換和絕對移相來實(shí)現(xiàn)。將信碼經(jīng)過差分編碼變換成新的碼組相對碼，再利用相對碼對載波進(jìn)行絕對移相，使輸出的已調(diào)載波相位滿足相對移相的相位關(guān)系。 tU(t)基帶信號tS(t)相對調(diào)相碼元1 01100圖4-4 相對移相的波形示意圖 設(shè)絕對碼為ai，相對碼為bi，則二相編碼的邏輯關(guān)系為： bi = aibi-1 (1) 差分編碼的功能可由一個模二和電路和一級移位寄存器組成。 對應(yīng)于差分編碼，在解調(diào)部分有差分譯碼。差分譯碼的邏輯為： ci =bi +bi-1 (2) 將(

6、1)式代入(2)式，得 Ci=ai-bi-1+bi-1 bi-1-bi-1=0 Ci=ai+0=ai 這樣，經(jīng)差分譯碼后就恢復(fù)了原始的信碼序列。 差分譯碼的功能同樣可由一個模二和電路和一級移位寄存器組成。tU(t)絕對碼0101101011110 000t相對移相相對碼U (t)S (t)t圖45絕對碼實(shí)現(xiàn)相對移相的過程3、 調(diào)相電路調(diào)相電路可由模擬相乘器實(shí)現(xiàn)，也可由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中的調(diào)相電路是由數(shù)字選擇器(74LS153)完成。當(dāng)2腳和14腳同時為高電平時，7腳輸出與3腳輸入的0相載波相同；當(dāng)2腳和14腳同時為低電平時，7腳輸出與6腳輸入的相載波相同。這樣就完成了差分信碼對載波的相位調(diào)制

7、。圖4-5示出了一個數(shù)字序列的相對移相的過程。 數(shù)字調(diào)相器的主要指標(biāo) 在設(shè)計與調(diào)整一個數(shù)字調(diào)相器時，主要考慮的性能指標(biāo)是調(diào)相誤差和寄生調(diào)幅。 (1) 調(diào)相誤差 由于電路不理想，往往引進(jìn)附加的相移，使調(diào)相器輸出信號的載波相位取值為0及180，我們把這個偏離的相角稱為調(diào)相誤差。調(diào)相器的調(diào)相誤差相當(dāng)于損失了有用信號的能量。 (2) 寄生調(diào)幅 理想的二相相位調(diào)制器，當(dāng)數(shù)碼取“0”或“1”時，其輸出信號的幅度應(yīng)保持不變，即只有相位調(diào)制而沒有附加幅度調(diào)制。但由于調(diào)制器的特性不均勻及脈沖高低電平的影響，使得“0”碼和“1”碼的輸出信號幅度不等。設(shè)“0”碼和“1”碼所對應(yīng)的輸出信號幅度分別為Uom或Uim，則

8、寄生調(diào)幅為： m=(Uom-Uim)/(Uom+Uim)100% (3)解調(diào) 2PSK系統(tǒng)的解調(diào)部分框圖如下圖所示 鑒相器鑒相器低通低通模擬相乘器環(huán)路濾波器壓控振蕩器再生碼差分譯碼M序列PSK入Um1Um2Ud Ud Ud1Ud2圖46 2PSK解調(diào)部分框圖 1、 本實(shí)驗(yàn)采用同相正交環(huán)，同相正交環(huán)又叫科斯塔斯（Cosatas）環(huán)。原理框圖如下圖所示。 鑒相器鑒相器低通低通模擬相乘器環(huán)路濾波器壓控振蕩器PSK入Um1Um2Ud Ud Ud1Ud2基帶 信號圖47 同相正交環(huán)原理框圖 2、集成電路壓控振蕩器（ICVCO） 壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)的關(guān)鍵部件，它的頻率調(diào)節(jié)和壓控靈敏度決定于鎖相環(huán)

9、的跟蹤性能。 實(shí)驗(yàn)電路采用一種集成電路的壓控振蕩器74S124。集成片配以簡單的外部元件并加以適當(dāng)調(diào)整，即可得到令人滿意的結(jié)果。如圖所示。12345678910111213141516+5VVrVCext輸出74S124f 集成片的每一個振蕩器都有兩個電壓控制端，Vr用于控制頻率范圍（14腳），Vf用于控制頻率范圍調(diào)節(jié)（1腳）。外接電容器Cext用于選擇振蕩器的中心頻率。當(dāng)Vr和Vf取值適當(dāng)，振蕩器工作正常時，振蕩器頻率f0與Cext的關(guān)系近似為： f0=5104/Cext （4） f0與Cext的關(guān)系曲線如圖所示。110010000(PF)Cext1k10k100k1M10M100Mf0(H

10、Z)Vr=Vf=2V頻率f0與CEXT的關(guān)系曲線 由右圖的曲線可以看出，隨Vr的增大，VCO的壓控靈敏度和線性范圍都在增大。選取適當(dāng)?shù)腣r值和Cext值，將誤差電壓經(jīng)線性變換后充當(dāng)控制電壓Vf，這樣就可實(shí)現(xiàn)由誤差電壓控制VCO。當(dāng)f0=10MHz時，一組典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為，這時Vf在左右移動。01234560.50.60.70.80.91.01.1Vf(V)fnVr=2VVr=3VVr=4.5Vfn隨Vf的變化曲線 3、傳輸畸變和眼圖 數(shù)字信號經(jīng)過非理想的傳輸系統(tǒng)必定產(chǎn)生畸變，為了衡量這種畸變的嚴(yán)重程度，一般都采用觀察眼圖的方式。眼圖是示波器重復(fù)掃描所顯示的波形，示波器的輸入信號是解調(diào)后經(jīng)低通濾

11、波器恢復(fù)的未經(jīng)再生的基帶信號，同步信號是位定時。這種波形示意圖如下圖所示。TU+U-UTs最佳取樣時刻（最佳抽樣點(diǎn)）零點(diǎn)位置的失真噪聲容限對定時誤差的靈敏度抽樣失真圖4-8 眼圖衡量眼圖的幾個重要參數(shù)有：眼圖開啟度（U-2U）/U (U = U+ + U-) 指在最佳抽樣點(diǎn)處眼圖幅度的“張開”程度。無畸變眼圖的開啟度為100%。（2）“眼皮”厚度2U/U 指在最佳抽樣點(diǎn)處眼圖幅度的閉合部分與最大幅度之比，無畸變眼圖的“眼皮”后度為0。（3）交叉點(diǎn)發(fā)散度T/TS 指眼圖波形過零點(diǎn)交叉線的發(fā)散程度。無畸變眼圖的交叉發(fā)散度為0。 （4）正、負(fù)極性不對稱度|（U+ - U-）|/|（U+ + U-）|

12、 指在最佳抽樣點(diǎn)處眼圖正、負(fù)幅度不對稱的程度。無畸變眼圖的極性不對稱度為0。如果傳輸信道不理想，產(chǎn)生傳輸畸變，就會很敏感地由眼圖的這幾個參數(shù)反映出來。其后果可以看成有效信號的能量損失?？梢酝茖?dǎo)出，等效信號信噪比的損失量Eb/No與眼圖開啟度（U-2U）/U有如下關(guān)系： Eb/No=20log（U-2U）/U (dB) (5)同樣，交叉點(diǎn)發(fā)散度對信噪比損失的影響也可以等效為眼圖開啟度對信噪比損失的影響，這里不再詳述。四、實(shí)驗(yàn)儀器四、實(shí)驗(yàn)儀器 雙蹤同步示波器 20MHz 1臺直流穩(wěn)壓電源 +5V -5V +12V 1臺低頻信號發(fā)生器 輸出頻率范圍滿足50Hz-8KHz 輸出電壓范圍滿足0-5V（峰

13、峰值）1臺PSK實(shí)驗(yàn)箱 1臺數(shù)字頻率計 測量頻率范圍50Hz10MHz1臺萬用表 1臺特別提醒：特別提醒：在連接電源和實(shí)驗(yàn)箱之前，一定要先確認(rèn)三組電源的電壓極性和電壓值正確，在確認(rèn)完全無誤之前不允許將實(shí)驗(yàn)箱和電源連接，另外在連接實(shí)驗(yàn)箱和電源時請務(wù)必關(guān)斷電源開關(guān)。 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （一）、時鐘源 本實(shí)驗(yàn)箱中的載波信號可以有外部輸入，也可以本地產(chǎn)生。本地主振的頻率為10MHz。將開關(guān)K1切換到2-1連接，在（4）觀察到該主振信號，記錄該波形。 （二）、M序列發(fā)生器 M序列發(fā)生器是一個五級線性移位寄存器，其生成多項(xiàng)式為f(x)=X5+X3+1。以（1）為同步信號，觀察并記錄（2）的波形。驗(yàn)

14、證M序列的主要性質(zhì)。 （三）、差分編碼 由于PSK系統(tǒng)由相位模糊問題，為了克服這個相位模糊度，發(fā)送信碼必須進(jìn)行差分編碼。在BPSK中差分編碼方式為延時模二和。 以（1）為同步信號，觀察并記錄（3）差分編碼后的波形。將（2）與（3）的波形進(jìn)行比較，驗(yàn)證差分編碼的規(guī)律。 （四）、數(shù)字調(diào)相電路 將K1短接1和2，即采用內(nèi)部10MHz信號源。將K2撥至”同步”（開關(guān)接3-2），以（3）為同步信號，觀察并記錄（5）的載波波形；觀察并記錄（6）的數(shù)字調(diào)相波形。 以載波信號（5）輸入雙蹤同步示波器YB，用YA觀察（6）的2PSK信號，利用雙蹤同步示波器屏幕上的刻度， 測量相位對于0相位的相位差。 （五）、同

15、相正交環(huán) 用同軸電纜連接位于電路板中間的兩個BNC插頭。 載波恢復(fù)采用同相正交環(huán)，測試點(diǎn)（10）是本地恢復(fù)的振蕩信號，將這個信號分頻得到本地相干載波并同時完成載波的移相。測試點(diǎn)（8）、（9）是相差900的兩路相干載波。觀察并記錄上述波形。 （六）、同步帶和捕捉帶 同步帶和捕捉帶是鎖相環(huán)性能優(yōu)劣的標(biāo)志。我們可用發(fā)信碼與收信碼的比較來判斷鎖相環(huán)是否鎖定。 用雙蹤同步示波器同時觀察收信碼（13）、發(fā)信碼（2），并以發(fā)信碼作同步。 用高頻信號發(fā)生器從電纜插座“EXT-IN”輸入外載波，頻率為10MHz，幅度2V（峰峰值）。將K1插至“異步”（即插在1-2）K2插至“外載波”（即插在2-3）數(shù)字頻率計接

16、在（4），高頻信號發(fā)生器的輸出幅度保持在1.5VP-P,由低往高緩緩調(diào)節(jié)頻率。當(dāng)雙蹤同步示波器上出現(xiàn)收信碼與發(fā)信碼同步，并且波形一致時，這時就是無誤碼情況，鎖相環(huán)捕捉到外載波并鎖定，此點(diǎn)頻率記作f2。繼續(xù)向高調(diào)節(jié)頻率，直到雙蹤同步示波器上的收信碼與發(fā)信碼不同步時，此時鎖相環(huán)已不能同步跟蹤外載波而失鎖，該點(diǎn)頻率記作f4。將外載波頻率由此點(diǎn)往低調(diào)節(jié)，調(diào)到再次捕捉到收信碼與發(fā)信碼同步一致時，鎖相環(huán)再次捕捉到外載波并鎖定，此點(diǎn)頻率記作f3。繼續(xù)向低調(diào)節(jié)頻率直到收信碼與發(fā)信碼再次失步，此點(diǎn)頻率記作f1。為提高測量精度，上述過程可反復(fù)進(jìn)行幾次。右圖是根據(jù)環(huán)路電壓Ud與頻率的關(guān)系畫出的同步帶和捕捉帶示意圖。

17、圖中 f1、f2、f3、f4與實(shí)驗(yàn)中測得的f1、f2、f3、f4一一對應(yīng)。這樣，同步帶 f1=f4-f1 捕捉帶 f2=f3-f2f1f2f1f2f3f4Udff 同步帶和捕捉帶示意圖 （七）、眼圖 將載波恢復(fù)為內(nèi)載波，同步方式改為同步方式（在恢復(fù)位內(nèi)載波后，如果發(fā)現(xiàn)接收端沒有鎖定，可以按動位于電路板中間的紅色復(fù)位按鈕，使環(huán)路復(fù)位。）。以碼元定時（12）作為同步信號，觀察解調(diào)后的基帶信號（7）。利用雙蹤同步示波器的刻度測量眼圖的幾個指標(biāo)：(1) 眼圖開啟度（U2U）/U 其中UU+ U-(2) “眼皮”厚度2U/U(3) 交叉點(diǎn)發(fā)散度T/TS(4) 正、負(fù)極性不對稱度 |（U+ - U-）|/|（U+ + U-）|（八）、差分譯碼由于PSK載波恢復(fù)有相位模糊度，為了克服這個相位模糊度