BPSK傳輸系統(tǒng)與頻譜測試

通信原理實驗第頁PAGE北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告通信原理實驗電子信息工程學(xué)院通信原理實驗電子信息工程學(xué)院姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：日期：2015年11月30日上課時間：星期一第五大節(jié)實驗九BPSK傳輸系統(tǒng)實驗前的準(zhǔn)備預(yù)習(xí)本實驗的相關(guān)內(nèi)容.熟悉本教材附錄B和附錄C中實驗箱面板分布及測試孔位置;定義本實驗相關(guān)模塊的跳線狀態(tài).實驗前重點熟悉的內(nèi)容:了解軟件無線電的基本概念;熟悉軟件無線電BPSK調(diào)制和解調(diào)原理;明確波形形成的原理;明確載波提取原理;明確位定時提取原理.實驗?zāi)康氖煜ぼ浖o線電BPSK調(diào)制和解調(diào)的原理。掌握BPSK調(diào)制產(chǎn)生、傳輸和解調(diào)過程。掌握BPSL正交調(diào)制解調(diào)的基本原理和實驗方法。了解數(shù)字基帶波形時域形成的原理和方法。掌握BPSK眼圖的正確測試方法，能通過觀察接收眼圖判斷信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。加深對BPSK調(diào)制，解調(diào)中現(xiàn)象的問題和理解。加深對載波提取和位同步提取概念的理解.實驗儀器ZH5001A通信原理綜合實驗系統(tǒng)20MHz雙蹤示波器基本原理理論上二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）可以用幅度恒定，而其載波相位隨著輸入信號m（1、0碼）而改變，通常這兩個相位相差180°。如果每比特能量為Eb，則傳輸?shù)腂PSK信號為：其中一個數(shù)據(jù)碼流直接調(diào)制后的信號如下圖所示：在“通信原理綜合實驗系統(tǒng)”中，BPSK的調(diào)制工作過程如下：首先輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行Nyquist濾波，濾波后的結(jié)果分別送入I、Q兩路支路。因為I、Q兩路信號一樣，本振頻率是一樣的，相位相差180度,所以經(jīng)調(diào)制合路之后仍為BPSK方式。采用直接數(shù)據(jù)（非歸零碼）調(diào)制與成形信號調(diào)制的信號如下圖所示：BPSK調(diào)制原理框圖如下BPSK解調(diào)原理框圖如下:實驗內(nèi)容（一）BPSK調(diào)制BPSK調(diào)制基帶信號眼圖觀測當(dāng)通過選擇菜單激活“匹配濾波”方式時，表示系統(tǒng)按匹配濾波最佳接收機(jī)組成，即發(fā)射機(jī)端和接收機(jī)端采用同樣的開根號升余弦響應(yīng)濾波器。當(dāng)未激活“匹配濾波”方式時，系統(tǒng)為非匹配最佳接收機(jī)，整個濾波器滾降特性全部放在發(fā)射機(jī)端完成，但信道成型濾波器特性不變。通過菜單選擇不激活“匹配濾波”方式（未打勾），此時基帶信號頻譜成形濾波器全部放在發(fā)送端。以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號眼圖（TPi03）的波形。成型濾波器使用升余弦響應(yīng)，ɑ=0.4。判斷信號觀察的效果。眼圖效果較好I路和Q路調(diào)制信號的相平面（矢量圖）信號觀察測量I支路（TPi03）和Q支路信號（TPi04）李沙育（x-y）波形時，應(yīng)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的合成矢量圖，通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進(jìn)行測量。輸入為m序列，特數(shù)碼序列，0/1碼時李沙育圖如下兩路信號是相同的，所以李沙育圖形是一條斜率為1的直線。輸入為全0碼或全1碼時李沙育圖如下兩路信號是相同的，所以李沙育圖形變成了一個點。由圖可知BPSK兩路信號相同BPSK調(diào)制信號0/π相位測量選擇輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為0／1碼。用示波器的一路觀察調(diào)制輸出波形（TPK03），并選用該信號作為示波器的同步信號；示波器的一路連接到調(diào)制參考載波上（TPK06/或TPK07），以此信號作為觀測的參考信號。仔細(xì)調(diào)整示波器同步，觀察和驗證調(diào)制載波在數(shù)據(jù)變化點發(fā)生相位0/π翻轉(zhuǎn)。如圖，相位發(fā)生了π翻轉(zhuǎn)。BPSK調(diào)制信號包絡(luò)觀察BPSK調(diào)制為非恒包絡(luò)調(diào)制，調(diào)制載波信號包絡(luò)具有明顯的過零點。通過本測量讓學(xué)生熟悉BPSK調(diào)制信號的包落特征。測量前將模擬鎖相環(huán)模塊內(nèi)的跳線開關(guān)KP02設(shè)置在TEST位置（右端）。選擇0/1碼調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，觀測調(diào)制載波輸出測試點TPK03的信號波形。調(diào)整示波器同步，注意觀測調(diào)制載波的包落變化與基帶信號（TPi03）的相互關(guān)系。畫下測量波形。從此圖也可以看出調(diào)制信號就是已調(diào)信號的包絡(luò)波形用特殊碼序列重復(fù)上一步實驗，并從載波的包絡(luò)上判斷特列碼序列。畫下測量波形。由于包絡(luò)的過零點只有在0變1或1變0時才會有，所以可能的序列為：1101010。也可能為：0010101（二）BPSK解調(diào)接收端解調(diào)器眼圖信號觀測首先用中頻電纜連結(jié)KO02和JL02，建立中頻自環(huán)（自發(fā)自收）。測量解調(diào)器I支路眼圖信號測試點TPJ05（在A/D模塊內(nèi)）波形，觀測時用發(fā)時鐘TPM01作同步。將接收端與發(fā)射端眼圖信號TPi03進(jìn)行比較，觀測接收眼圖信號有何變化。顯然出現(xiàn)噪聲,觀察接收端眼圖，眼皮較厚，質(zhì)量沒有發(fā)送端的好。觀測正交Q支路眼圖信號測試點TPJ06（在A/D模塊內(nèi)）波形，比較與TPJ05測試波形有什么不同？根據(jù)電路原理圖，分析解釋其原因。Q支路沒有信號解調(diào)器失鎖時的眼圖信號觀測將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置（開環(huán)），使環(huán)路失鎖。觀測失鎖時的解調(diào)器眼圖信號TPJ05，熟悉BPSK調(diào)制器失鎖時的眼圖信號（未張開）。觀測失鎖時正交支路解調(diào)器眼圖信號TPJ06波形。解調(diào)器眼圖信號TPJ05波形失鎖時，I路信號看不清眼圖信號TPJ06波形失鎖時，Q路信號看不清接收端I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形觀察測量I支路（TPJ05）和Q支路信號（TPJ06）李沙育（x-y）波形時，應(yīng)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPJ05和TPJ06的合成矢量圖。在解調(diào)器鎖定時，其相位矢量圖應(yīng)為0、π兩種相位。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進(jìn)行測量，并說明其差異.波形都如上圖所示，因噪聲原來的線段平移成了矩陣；左邊輸入是m序列，右邊輸入時特殊序列，Q支路沒有信號，所以李沙育圖形是一條橫的直線，左右區(qū)別不大。解調(diào)器失鎖時I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形觀察將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置（右端），使環(huán)路失鎖。觀測接收端失鎖時I路和Q路的合成矢量圖。掌握解調(diào)器時I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形的變化，分析測量結(jié)果。失鎖后幅值不確定故形成圓形解調(diào)器抽樣判決點信號觀察選擇輸入測試數(shù)據(jù)為m序列，用示波器觀察測試模塊內(nèi)抽樣判決點（TPN04）的工作波形（示波器時基設(shè)定在2～5ms）。此時雖然有噪音但仍可以分辨出0碼1碼解調(diào)器失鎖時抽樣判決點信號觀察將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置，使環(huán)路失鎖。用示波器觀察測試模塊內(nèi)抽樣判決點TPN04信號波形，觀測時示波器時基設(shè)定在2～5ms。熟悉解調(diào)器失鎖時的抽樣判決點信號波形。失鎖后無法判斷0碼1碼，示波器中并不能區(qū)別出兩個電平。差分編碼信號觀測通信原理實驗箱僅對“外部數(shù)據(jù)輸入”方式輸入數(shù)據(jù)提供差分編碼功能。外部數(shù)據(jù)可以來自誤碼儀產(chǎn)生或漢明編碼模塊產(chǎn)生的m序列輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)使用漢明編碼模塊產(chǎn)生的m序列輸出數(shù)據(jù)時，將漢明編碼模塊中的信號工作跳線器開關(guān)SWC01中的H_EN和ADPCM開關(guān)去除，將輸入信號跳線開關(guān)KC01設(shè)置在m序列輸出口DT_M上（右端）；將漢明譯碼模塊中漢明譯碼使能開關(guān)KW03設(shè)置在OFF狀態(tài)（右端），輸入信號和時鐘開關(guān)KW01、KW02設(shè)置在來自信道CH位置（左端）。通過菜單選擇發(fā)送數(shù)據(jù)為“外部數(shù)據(jù)輸入”方式。將漢明編碼模塊中的信號工作跳線器開關(guān)SWC01中M_SEL2跳線器插入，產(chǎn)生7位周期m序列。用示波器同時觀察DSP+FPGA模塊內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)信號TPM02和差分編碼輸出數(shù)據(jù)TPM03，分析兩信號間的編碼關(guān)系。記錄測量結(jié)果。發(fā)送信號為11001011，對應(yīng)拆分編碼應(yīng)為0101110，符合差分編碼的規(guī)則a解調(diào)數(shù)據(jù)觀察在上述設(shè)置跳線開關(guān)基礎(chǔ)上，用示波器同時觀察DSP+FPGA模塊內(nèi)接收數(shù)據(jù)信號TPM04和發(fā)送數(shù)據(jù)信號TPM02，比較兩數(shù)據(jù)信號進(jìn)行是否相同一致。測量發(fā)送與接收數(shù)據(jù)信號的傳輸延時，記錄測量結(jié)果。發(fā)送信號與接收信號一致但有一個碼元周期的時延在“外部數(shù)據(jù)輸入”方式下，重復(fù)按選擇菜單的確認(rèn)按鍵，讓解調(diào)器重新鎖定（存在相位模糊度，會使解調(diào)數(shù)據(jù)反向），觀測解調(diào)器差分譯碼電路是否正確譯碼。發(fā)送接收波形發(fā)生變化，但仍滿足譯碼關(guān)系。說明BPSK可以解決相位模糊帶來的問題。解調(diào)器相干載波觀測首先建立中頻自環(huán)，通過菜單選擇輸入測試數(shù)據(jù)為“特殊碼序列”或“m序列”。用雙蹤示波器同時測量發(fā)端調(diào)制載波（TPK07）和收端恢復(fù)相干載波（TPLZ07），并以TPK07作為示波器的同步信號。在環(huán)路正常鎖定時，觀測收發(fā)載波信號的相關(guān)關(guān)系。相干載波與調(diào)制載波頻率相同，相位有很小的誤差。將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置（開環(huán)），使環(huán)路失鎖。重復(fù)上述測量步驟，觀測在解調(diào)器失鎖時收發(fā)載波信號的相關(guān)關(guān)系。失鎖后無法提取相干載波將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置（閉環(huán)），讓解調(diào)器鎖定（如無法鎖定，可按選擇菜單上的確認(rèn)鍵，讓解調(diào)器重新同步鎖定）。斷開中頻連接電纜，觀測在無輸入信號情況下，解調(diào)器載波是否與發(fā)端同步。記錄測量結(jié)果。斷開電纜同樣無法提取相干載波解調(diào)器相干載波相位模糊度觀測首先建立中頻自環(huán)，通過菜單選擇輸入測試數(shù)據(jù)為“特殊碼序列”或“m序列”。用雙蹤示波器同時測量發(fā)端調(diào)制載波（TPK07）和收端恢復(fù)相干載波（TPLZ07），并以TPK07作為示波器的同步信號。反復(fù)的斷開和接回中頻自環(huán)電纜，觀測兩載波失步后再同步時之間的相位關(guān)系。通過反復(fù)插拔中頻電纜，可以看出發(fā)端載波和提取的載波存在兩種關(guān)系，同相和反相，這是由于相位模糊引起的。解調(diào)器相干載波相位模糊度對解調(diào)數(shù)據(jù)的影響觀測首先建立中頻自環(huán)，通過菜單選擇發(fā)送數(shù)據(jù)為“特殊碼序列”方式。用雙蹤示波器同時比較接收數(shù)據(jù)信號眼圖（TPJ05）和發(fā)送數(shù)據(jù)信號眼圖（TPi03），并以TPi03作為示波器的同步信號。不斷的斷開和接回中頻自環(huán)電纜，觀測收發(fā)眼圖信號。（在“特殊碼序列”方式下，重復(fù)按選擇菜單的確認(rèn)按鍵，讓解調(diào)器重新鎖定。）分析接收時眼圖信號的電平極性發(fā)生反轉(zhuǎn)的原因。第1次載波與發(fā)端同相，第2次和第3次載波和發(fā)端反相。因為是BPSK，相位模糊致使載波可能有兩種相位，兩種相位相差180度。解調(diào)器位定時恢復(fù)信號調(diào)整鎖定過程觀察TPMZ07為DSP調(diào)整之后的最佳抽樣時刻，它與TPM01（發(fā)端時鐘）具有明確的相位關(guān)系。通過菜單選擇輸入測試數(shù)據(jù)為m序列，用示波器同時觀察TPM01（觀察時以它作同步）、TPMZ07（收端最佳判決時刻）之間的相位關(guān)系。不斷按確認(rèn)鍵（此時僅對DSP位定時環(huán)路初始化），觀察TPMZ07的調(diào)整過程。接收時鐘信號相位沒有發(fā)生改變，因為有鎖相環(huán)回路，所以相位差事固定的一個非常小的值。斷開S002接收中頻接頭，在沒有接收信號的情況下重復(fù)該步實驗，并解釋原因。接收時鐘信號相位發(fā)生改變，沒有輸入信號，就得不到相干載波，所以提取不出時鐘信號，接收時鐘信號相位是隨機(jī)的。解調(diào)器位定時信號相位抖動的觀測以發(fā)送時鐘TPM01信號為同步，在輸入m序列情況下，調(diào)整噪聲模塊的跳線將噪聲加以最大，觀測接收提取出的時鐘TPMZ07相位抖動情況，并估計抖動值。抖動值用單位間隔來表示?？梢杂^測到時鐘抖動，時鐘抖動非常小，大概在0.03UI實驗結(jié)論分析BPSK調(diào)制，已調(diào)波形中存在反相點，頻譜收斂性較差，在接收端限帶濾波后，波形失真，產(chǎn)生拖尾和碼間串?dāng)_，故需將基帶BPSK信號送入成形濾波器。使用相干解調(diào)將頻帶BPSK搬移到基帶，需要提取相干載波；對基帶BPDK的抽樣判決需要提取定時信號；以上兩個層次不同步，解調(diào)就會出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤。絕對BPSK天然帶有載波相位模糊問題，將使解調(diào)出現(xiàn)大片的錯誤，使用差分編碼，可以解決之。思考題該實驗用到通信系統(tǒng)原理試驗箱哪些模塊？各模塊的作用是什么？測試模塊：測抽樣點的信號；D/A模塊：調(diào)制電路數(shù)模轉(zhuǎn)換；調(diào)制模塊：用于BPSK的調(diào)制；解調(diào)模塊：用于BPSK的解調(diào)；漢編漢譯模塊：產(chǎn)生差分編碼時輸入的m序列；DSP+FPGA模塊：軟件無線電BPSK調(diào)制和解調(diào)；A/D模塊：解調(diào)電路模數(shù)轉(zhuǎn)換。如何測試眼圖?通過觀察眼圖如何反映信號的質(zhì)量?輸入信號選擇隨機(jī)數(shù)字信號，用示波器的同步輸入通道接到碼元的時鐘，用示波器的另一通道接在系統(tǒng)接收濾波器的輸出端，調(diào)整示波器的水平掃描周期使其與接收碼元同步。這時就可以測到眼圖信號。眼皮越后，則噪聲與碼間干擾越嚴(yán)重，系統(tǒng)的誤碼率越高。[補(bǔ)充]：載波相位含糊，對解調(diào)信號有何影響？如何解決相位含糊照成的影響？

答：載波相位含糊，解調(diào)信號與發(fā)送信號可能完全相反；在進(jìn)行BPSK之前，對信碼進(jìn)行差分編碼，可以解決相位含糊造成的影響。實驗十二基帶信號的頻譜測試實驗前的準(zhǔn)備預(yù)習(xí)本實驗的相關(guān)內(nèi)容。熟悉虛擬儀器的操作方法。熟悉附錄B和附錄C中實驗箱面板分布及測試孔位置。實驗前重點熟悉的內(nèi)容．了解周期和非周期信號的頻譜；了解各種隨機(jī)數(shù)字信號的功率譜，熟悉虛擬儀的主要功能和測試頻譜的方法。實驗?zāi)康募由顚Ω鞣N基帶數(shù)字信號頻譜的理解。加深對各種數(shù)字基帶信號頻譜帶寬的理解。掌握虛擬儀測試各種數(shù)字基帶信號頻譜和帶寬的方法。實驗儀器ZH5001A通信原理綜合實驗系統(tǒng)20MHz雙蹤示波器計算機(jī)虛擬儀基本原理本次實驗是基于VIRTINS虛擬儀的基帶信號頻譜分析。單極性不歸零碼的功率譜所謂不歸0，就是指，此時，，，所以，二進(jìn)制單極性不歸0碼隨機(jī)序列的功率譜密度表達(dá)式為其波形如圖10-7所示。由圖可以看出，這種碼型不存在定時分量。單極性歸零碼的功率譜現(xiàn)在分析二進(jìn)制單極性歸0碼隨機(jī)序列的功率譜密度。歸0就是指，一般歸0碼利用50％占空比，即，此時，，當(dāng)時，，所以，這種碼型存在離散譜，并且在碼元速率點存在定時分量。二進(jìn)制單極性歸0碼隨機(jī)序列的功率譜密度表達(dá)式如式（10-20）所示。(式10-20)其波形如圖10-8所示。由圖可以看出，這種碼型在單數(shù)碼元速率點都存在離散頻譜?？梢詮闹刑崛〕龆〞r分量。AMI和HDB3碼在接收端經(jīng)過全波整流后就是這種碼型，因此，能夠提取出定時分量。雙極性不歸零碼的功率譜對于雙極性二進(jìn)制矩形方波隨機(jī)序列(式10-21)(式10-22)(式10-23)在這種情況下，，由此可得雙極性二進(jìn)制矩形脈沖隨機(jī)序列的功率譜密度為(式10-24)將式10-23帶入式10-24，可得二進(jìn)制雙極性不歸0碼，與前面所述單極性歸0的含義一樣，就是，此時，，因此，一進(jìn)制雙極性不歸0碼隨機(jī)序列的功率譜密度表達(dá)式如式（10-26）所示。由式（10-26）可以看出，雙極性不歸0碼的功率譜密度僅在0頻處有一根離散線譜，其他所有的離散譜均為0，如圖10-9所示。根據(jù)式（10-26），當(dāng)二進(jìn)制信號等概時，在0頻處的離散譜也消失，因為等概的雙極性信號是不會存在直流分量的，所以在0頻處的離散分量消失也是不難理解的。雙極性歸零碼的功率譜對于雙極性歸零二進(jìn)制矩形脈沖隨機(jī)序列的功率譜密度可以用下式求得雙極性二進(jìn)制歸0碼，與前面所述單極性歸0的含義一樣，就是指，利用50％占空比，即，此時，，當(dāng)時，，因此，二進(jìn)制雙極性歸0碼隨機(jī)序列的功率譜密度表達(dá)式如式（10-27）所示。其功率譜密度如圖10-10所示。由圖可知，這種碼型的功率譜密度與二進(jìn)制單極性碼的功率譜密度相同。實際上，這兩者是有區(qū)別的，因為是否相同，還要看其包含的各種分量的大小，對于雙極性信號，其線譜分量是很小的。因為從式中可以看到，線譜分量的大小與一進(jìn)制碼元出現(xiàn)的概率有關(guān)。當(dāng)?shù)雀徘闆r下，離散譜全部消失。實驗內(nèi)容本實驗根據(jù)實驗箱中存在的信號，確定測試點并設(shè)計測試方法。單極性歸0碼頻譜測試TPD08；可以看出單極性歸零碼有豐富的時鐘分量和直流分量。單極性不歸0碼頻譜測試TPD01單極性不歸碼時鐘分量是0，有直流分量。雙極性歸0碼頻譜測試TPD05雙極性碼沒有直流分量，也沒有時鐘分量。1kHz方波信號頻譜測試（示波器校準(zhǔn)信號）可以看到1kHz方波有基次諧波實驗結(jié)論分析本實驗測試了各個常見數(shù)字基帶信號的頻譜，得出的了理論與實際一致的結(jié)論。

實驗十三頻帶信號的頻譜測試實驗前的準(zhǔn)備預(yù)習(xí)本實驗的相關(guān)內(nèi)容。熟悉虛擬儀器的操作方法。熟悉附錄B和附錄C中實驗箱面板分布及測試孔位置。實驗前重點熟悉的內(nèi)容．FSK信號的頻譜分布；BPSK信號的頻譜分布；DBPSK信號的頻譜分布；熟悉虛擬儀的主要功能和測試頻譜的方法。思考題。實驗內(nèi)容中被測信號理論上的頻譜應(yīng)該什么樣．'如何使用虛擬儀測試信號的頻譜？實驗?zāi)康募由顚Ω鞣N數(shù)字已調(diào)信號頻譜的理解。加深對各種數(shù)字已調(diào)信號頻譜帶寬的理解。掌握虛擬儀測試各種數(shù)字已調(diào)信號頻譜和帶寬的方法。實驗儀器ZH5001A通信原理綜合實驗系統(tǒng)20MHz雙蹤示波器計算機(jī)虛擬儀基本