實(shí)驗(yàn)四 BPSK調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)四BPSK調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誃PSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)電路組成和原理；掌握差分編碼的原理和實(shí)現(xiàn)；掌握數(shù)字基帶波形成形的原理和方法；掌握測(cè)試BPSK系統(tǒng)性能的基本方法；實(shí)驗(yàn)儀器1、ZH5001通信原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2、20MHz雙蹤示波器一臺(tái)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)實(shí)驗(yàn)原理1．BPSK基本原理二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）可以用幅度恒定、相位隨輸入數(shù)字信息m（1、0碼）變化的正弦信號(hào)表示，通常相位相差180°。設(shè)比特平均能量為Eb，比特時(shí)間間隔為Tb，則傳輸?shù)腂PSK信號(hào)表示為其中為初始相位（本系統(tǒng)中，初始相位分別為和，可以根據(jù)需要設(shè)定）。一個(gè)數(shù)據(jù)碼流直接BPSK調(diào)制后的信號(hào)如圖4.2所示：圖4.2數(shù)據(jù)碼流直接調(diào)制后的BPSK信號(hào)2、Nyquist波形成形技術(shù)及實(shí)現(xiàn)在基帶傳輸系統(tǒng)中，一系列的基帶信號(hào)波形被變換成相應(yīng)的發(fā)送基帶波形后，就被送入信道。信號(hào)通過信道傳輸，一方面要受到信道特性的影響，使信號(hào)產(chǎn)生畸變；另一方面信號(hào)被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號(hào)的隨機(jī)畸變。因此到達(dá)接收端的基帶脈沖信號(hào)已經(jīng)發(fā)生了畸變。確定信號(hào)在受到加性白高斯噪聲干擾下的最佳接收是采用匹配濾波器，使得在最佳抽樣時(shí)刻的信噪比最大，然后再選擇合適的判決門限進(jìn)行判決，可使平均誤比特率最小。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)框圖如圖4.3所示。為發(fā)送濾波器的輸入符號(hào)序列，發(fā)送濾波器至接收濾波器就是整個(gè)基帶系統(tǒng)的傳輸特性，用表示故接收濾波器的輸出信號(hào)可表示為其中為整個(gè)基帶系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)，也是基本碼元波形，為傳輸?shù)拇a元間隔。為加性噪聲通過接收濾波器后的波形。圖4.3數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)框圖根據(jù)位定時(shí)信號(hào)，對(duì)抽樣判決可以得到接收端恢復(fù)的數(shù)據(jù)。在抽樣時(shí)刻，其他碼元碼元波形對(duì)本碼元抽樣值的影響稱為碼間干擾（ISI）。的影響稱為加性噪聲干擾。噪聲干擾是一直存在的，而碼間干擾可以通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來消除。無ISI時(shí)，基帶傳輸系統(tǒng)應(yīng)滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)則，如理想低通濾波器形式的基帶系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中選取更實(shí)用的具有余弦滾降特性的濾波器。如果直接采用矩形脈沖的基帶信號(hào)作為傳輸碼型，由于實(shí)際信道的頻帶都是有限的，則傳輸系統(tǒng)接收端所得的信號(hào)頻譜必定與發(fā)送端不同，這就會(huì)使接收端數(shù)字基帶信號(hào)的波形失真。采用二進(jìn)制碼流直接對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，在實(shí)際中會(huì)產(chǎn)生以下三方面的問題：信號(hào)占居帶寬大，浪費(fèi)頻帶資源；產(chǎn)生鄰信道干擾（ICI），對(duì)系統(tǒng)的通信性能產(chǎn)生影響。在移動(dòng)無線系統(tǒng)中，要求在相鄰信道內(nèi)的帶外幅射一般應(yīng)比帶內(nèi)的信號(hào)功率譜要低40dB到80dB；該信號(hào)經(jīng)過帶寬受限信道會(huì)產(chǎn)生碼間干擾（ISI），影響本身通信信道的性能。因此，在實(shí)際通信系統(tǒng)中，通常采用Nyquist波形成形技術(shù)，具有以下三方面的優(yōu)點(diǎn)：發(fā)送信號(hào)頻譜在發(fā)端受到限制，提高信道頻帶利用率，減少鄰道干擾；在接收端采用相同的濾波技術(shù)，可以對(duì)BPSK信號(hào)進(jìn)行最佳接收；獲得無碼間串?dāng)_的信號(hào)傳輸；常用的成形濾波器為升余弦濾波器，如下圖所示，其傳遞函數(shù)為其中，α是滾降因子，為0到1之間的常數(shù)，一般取0.25~1，為常數(shù)。隨著α的增加，系統(tǒng)沖激響應(yīng)相鄰符號(hào)間隔內(nèi)的旁瓣幅度減小，減小位定時(shí)抖動(dòng)的敏感度，但增加了占用的帶寬，基帶傳輸?shù)膸捓寐蕿椤?duì)于矩形基帶信號(hào)，碼元速率為的BPSK信號(hào)，約90%的能量在的帶寬內(nèi)；而經(jīng)過α=0.5的升余弦濾波器后，BPSK信號(hào)的所有能量都在的帶寬內(nèi)。基帶系統(tǒng)傳輸特性設(shè)計(jì)可以采用兩種方式，一種是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成最佳的無碼間干擾的系統(tǒng)，即采用匹配濾波器，發(fā)送濾波器和接收濾波器對(duì)稱的系統(tǒng)，發(fā)送濾波器和接收濾波器都是升余弦平方根特性（參考樊昌信通信原理第271頁(yè)）。根據(jù)最佳接收原理，這種響應(yīng)特性的分配提供了最佳接收方案，既可以實(shí)現(xiàn)最佳接收，又可以完成波形成形。另一種是不采用匹配濾波器兩種方式，升余弦滾降基帶特性完全由發(fā)送濾波器實(shí)現(xiàn)。升余弦濾波器在頻域上是有限的，則在時(shí)域上的響應(yīng)是無限的，是一個(gè)非因果沖激響應(yīng)。為了在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，一般將升余弦沖激響應(yīng)進(jìn)行截短，并進(jìn)行延時(shí)使其成為因果響應(yīng)。截短長(zhǎng)度一般從中央最大值處向兩邊延長(zhǎng)4個(gè)碼元。由截短的升余弦響應(yīng)成形的基帶信號(hào)，其頻譜一般能很好地滿足實(shí)際系統(tǒng)的使用要求。脈沖成形濾波器可以在基帶處理時(shí)實(shí)現(xiàn)，也可以在發(fā)射機(jī)的輸出端實(shí)現(xiàn)。在基帶處理時(shí)，脈沖成形濾波器用DSP或FPGA來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每個(gè)碼元需采樣4個(gè)樣點(diǎn)，并考慮當(dāng)前輸出基帶信號(hào)的樣點(diǎn)值與８?jìng)€(gè)碼元有關(guān)。因此，在同一時(shí)刻需存儲(chǔ)幾個(gè)符號(hào)的數(shù)值，通過查表的方式可以實(shí)現(xiàn)濾波（表的大小為210）。查表法可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字成形濾波，其處理過程如圖4.4所示。成形之后的基帶信號(hào)經(jīng)D/A變換之后，直接進(jìn)行調(diào)制。采用直接數(shù)據(jù)（非歸零碼）調(diào)制與成形信號(hào)調(diào)制的信號(hào)如圖4.5所示。圖4.4BPSK基帶成形實(shí)現(xiàn)示意圖圖4.5直接數(shù)據(jù)調(diào)制與成形信號(hào)調(diào)制的波形3、BPSK調(diào)制過程BPSK的調(diào)制可以采用簡(jiǎn)單的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)，但在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為了在同一硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)制方式，所有的調(diào)制方式（PSK、FSK、QAM、MSK等）都采用了正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)。輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行Nyquist濾波后，濾波后的結(jié)果分別送入同相和正交支路。此時(shí)，包含數(shù)據(jù)信息的同相信號(hào)和正交信號(hào)是相同的，表示為I(t)=Q(t)（為雙基帶信號(hào)）。同時(shí)，同相載波為coswct，正交載波為sinwct，故合路后的BPSK信號(hào)為四、回答預(yù)習(xí)問題什么是m序列？m序列如何實(shí)現(xiàn)？畫出一種7位長(zhǎng)度的m序列的實(shí)現(xiàn)電路圖。m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱，是一種偽隨機(jī)序列、偽噪聲(PN)碼或偽隨機(jī)碼。m序列的實(shí)現(xiàn)方式有許多，具體有MATLAB實(shí)現(xiàn)，數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)等。方框表示移位器。查閱資料，說明集成電路MC1496、74LS04、TL084、TLC5510、AD7528的管腳分布和功能，分析這些芯片在實(shí)驗(yàn)電路中的作用。MC1496MC1496是雙平衡四象限模擬乘法器。其內(nèi)部電路圖和引腳圖如圖7-1(a)(b)所示。其中VT1、VT2與VT3、VT4組成雙差分放大器，VT5、VT6組成的單差分放大器用以激勵(lì)VT1~VT4。VT7、VT8及其偏置電路組成差分放大器VT5、VT6的恒流源。

引腳8與10接輸入電壓UX，1與4接另一輸入電壓Uy，輸出電壓U0從引腳6與12輸出。引腳2與3外接電阻RE，對(duì)差分放大器VT5、VT6產(chǎn)生串聯(lián)電流負(fù)反饋，以擴(kuò)展輸入電壓Uy的線性動(dòng)態(tài)范圍。引腳14為負(fù)電源端（雙電源供電時(shí)）或接地端

（單電源供電使），引腳5外接電阻R5。用來調(diào)節(jié)偏置電流I5及鏡像電流I0的值。74LS04是一個(gè)六輸入反相器TL084TL084是一款高輸入電阻的四運(yùn)放，精度不高。管腳信息如下圖，1、2、3腳是通道1的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，5、6、7腳是通道2的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，8、9、10腳是通道3的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，12、13、14腳是通道4的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，4腳是正電源，11腳是負(fù)電源（或單電源使用時(shí)的電源地）。TLC5510是8位高速A/D轉(zhuǎn)換器AD7528是8位D/A轉(zhuǎn)換電路分析白噪聲發(fā)生模塊、D/A模塊、中頻調(diào)制模塊的實(shí)驗(yàn)電路的組成和原理，說明主要元器件的作用。周期性m序列的頻譜特性具有白噪聲特性，在白噪聲模塊中利用這一性質(zhì)產(chǎn)生噪聲源。但一般m序列由于狀態(tài)數(shù)，產(chǎn)生的信號(hào)隨機(jī)性不強(qiáng)，且分布一般不為高斯分布。為了能產(chǎn)生所需要的白噪聲，采用了以下技術(shù)措施：1)m序列噪聲特性與其周期長(zhǎng)度有關(guān)，周期越長(zhǎng)，越接近白噪聲譜。在FPGA中選用了的長(zhǎng)m序列。2)在m序列中加入了一定的擾動(dòng)技術(shù)，使其性能更好。3)采用高速率驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘（24MHz），使產(chǎn)生的噪聲譜很寬，而系統(tǒng)中所使用的只截取其頻帶的一小部分。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真，采用這些措施后，噪聲分布更接近理想高斯噪聲，能滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求。噪聲模塊電路框圖如圖2.20所示。在D/A模塊中，將Nyquist濾波后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)以便在信道上傳輸，同時(shí)完成濾波（以便將高次諧波信號(hào)濾除）、放大（使信號(hào)電平達(dá)到調(diào)制器的要求）等功能。D/A模塊原理框圖組成見圖2.22所示。中頻調(diào)制模塊將成形之后的基帶信號(hào)調(diào)制到1.024MHz的中頻上。調(diào)制載波為固定的1.024MHz載頻。中頻調(diào)制器模塊由平衡調(diào)制器、本地振蕩器、90度移相器、合路器與放大器組成，其電路組成框圖見圖2.24所示。寫出本實(shí)驗(yàn)中各模塊電路中所有跳線開關(guān)和電位器的功能和作用。詳細(xì)分析見問題55、寫出各模塊電路中各個(gè)測(cè)試點(diǎn)信號(hào)的含義，以及有關(guān)信號(hào)之間的關(guān)系。在通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)，經(jīng)加擾的m序列由UM01產(chǎn)生送到噪聲模擬輸入端口，UO01A、UO01B用于緩沖；CO02、LO01和CO03等構(gòu)成2MHz低通濾波器，RO02和RO03用于阻抗匹配；運(yùn)放UO02B、電阻RO07、RO08～RO15組成的反向放大器對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行放大，通過跳線開關(guān)SWO01的設(shè)置可改變?cè)肼曒敵鲭娖?，從而獲得不同的信噪比；運(yùn)放UO02和電阻RO05、RO17、RO06組成一個(gè)相加放大器，完成噪聲與調(diào)制信號(hào)合路，合路信號(hào)通過KO02端口輸出。測(cè)試點(diǎn)TPO02用于觀測(cè)噪聲產(chǎn)生器是否工作，若加電運(yùn)行后無信號(hào)時(shí)需復(fù)位通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；TPO03用于觀測(cè)噪聲信號(hào)電平。在D/A模塊中，測(cè)試點(diǎn)的安排如下：TPi01：通道I的D/A輸出；TPi02：通道Q的D/A輸出；TPi03：通道I的低通濾波器輸出，發(fā)送I支路基帶信號(hào)；TPi04：通道Q的低通濾波器輸出，發(fā)送Q支路基帶信號(hào)；中頻調(diào)制模塊，測(cè)試點(diǎn)的安排如下：TPK01：I通道的基帶信號(hào)輸入；TPK02：Q通道的基帶信號(hào)輸入；TPK03：輸出已調(diào)制信號(hào)；TPK04：I支路調(diào)制載波（方波）；TPK05：Q支路調(diào)制載波（方波）；TPK06：I支路調(diào)制載波（正弦波）；TPK07：Q支路調(diào)制載波（正弦波）；根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟。具體步驟見下五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深刻理解電路組成和實(shí)驗(yàn)原理，正確設(shè)置跳線開關(guān)，完成以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)信號(hào)波形（標(biāo)明頻率、幅度、脈沖寬度）。實(shí)驗(yàn)前檢查：首先通過菜單將通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)制方式設(shè)置為“BPSK傳輸系統(tǒng)”；用示波器測(cè)量TPMZ07測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)，如果有脈沖波形，說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已正常工作；如果沒有脈沖波形，則需按面板上的復(fù)位按鈕重新對(duì)硬件進(jìn)行初始化。發(fā)送基帶信號(hào)眼圖.通過菜單選擇不激活“匹配濾波”方式，選擇m序列碼輸入，此時(shí)基帶信號(hào)頻譜成形濾波器全部放在發(fā)送端。以發(fā)送時(shí)鐘TPM01作同步，觀測(cè)發(fā)送信號(hào)眼圖TPi03的波形，成型濾波器使用升余弦響應(yīng)，α=0.4。判斷信號(hào)觀察的效果。.通過菜單選擇激活“匹配濾波”方式，此時(shí)系統(tǒng)構(gòu)成收發(fā)匹配濾波器最佳接收機(jī)，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。仔細(xì)觀察和區(qū)別上述兩種方式下發(fā)送信號(hào)眼圖的波形。2.發(fā)送端同相（I路）基帶信號(hào)與正交（Q路）基帶信號(hào)的矢量圖分別在“匹配濾波器”方式和“非匹配濾波器”方式下，選擇不同的輸入碼序列，測(cè)量I支路TPi03和Q支路TPi04信號(hào)的波形，利用“x－y”方式，觀測(cè)兩路信號(hào)的合成矢量圖。（注意選擇DC檔、AC檔時(shí)的區(qū)別，標(biāo)明坐標(biāo)原點(diǎn)、矢量的相位和模。）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3.BPSK已調(diào)制信號(hào)的相位突變將模擬鎖相環(huán)模塊的跳線開關(guān)KP02設(shè)置在右端，選擇輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為0/1碼。用示波器一路觀察調(diào)制輸出波形(TPK03)，并選用該信號(hào)作為示波器的同步信號(hào)；示波器的一路連接到調(diào)制參考載波上(TPK06或TPK07)，以此信號(hào)作為觀測(cè)的參考信號(hào)。仔細(xì)調(diào)整示波器同步，觀察和驗(yàn)證調(diào)制載波在數(shù)據(jù)變化點(diǎn)發(fā)生0/π翻轉(zhuǎn)。BPSK調(diào)制信號(hào)包絡(luò)觀察BPSK調(diào)制為非恒包絡(luò)調(diào)制，調(diào)制載波信號(hào)包絡(luò)具有明顯的過零點(diǎn)。測(cè)量前，將模擬鎖相環(huán)模塊內(nèi)的跳線開關(guān)KP02設(shè)置在TEST位置(右端)。.