二相移相键控实验报告.docx

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二相移相键控实验报告

通信原理实验报告

实验三二相移相键控

011151班

李晓扬01115003

2014年3月

实验三二相移相键控

一、实验目的

1.加深理解二相移相键控系统的基本工作原理与及其电路组成。

2.学会利用示波器观察系统各单元电路的工作过程、学会利用示波器检查系统的方法。

3.学会利用示波器观察基带信号眼图的方法，熟悉2DPSK的抗干扰性能。

4.学会利用数字示波器观察基带信号频谱、已调信号频谱及其传输频带的测量方法。

二、实验内容

1.在“数据入”端分别加入三种规则基带信号（1、0、1:

1码）时，用示波器观察调制器及解调器各测试点上的时域波形，观察FFT频谱结构；

2.在“数据入”端加伪随机码（63位m序列）时，用示波器观察观察调制器及解调器各测试点上的波形和基带信号眼图--理想信道下的眼图。

3.在“数据入”端加入噪声时，观察不同信噪比下基带信号的眼图和测量系统的误码率；

4.在“数据入”端加入63位伪随机码时观察调制信号、已调信号及带通滤波器输出端的FFT频谱结构,计算这种调制方式下所需的传输频带宽度。

三、实验仪器

TDS-2012数字示波器一台

HH4310型20MHz双踪示波器一台

LPS-305双路稳压电源一台

UZ-3噪声产生器或者自插噪声源一台

YWS-5210误码率测试仪一台

HFP-1有效值电压表一台

2PSK/2DPSK实验箱一套

四、实验原理

1.二进制移相键控（2psk/2dpsk）

二进制移相键控中，载波的相位随数字基带信号的“1”或“0”改变，信号码元的“1”或“0”通常用已调信号载波0o和180o分别表示。

二进制移相键控信号的时域表达式为

（8-1）

在2psk调制中，an应选择双极性，即

（8-2）

若g（t）是脉宽为TS，高度为1的矩形脉冲是，则有

（8-3）

由式（8-2）可看出，当发送二进制符号1时，已调信号S2PSK（t）取

相位，当发送二进制符号0时，已调信号S2PSK（t）取

相位。

若用φn表示第n个符号的绝对相位，则有

（8-4）

当数字基带信号与载波频率间有确定的倍数关系时，典型的波形如图8.1所示。

图8.12PSK信号的典型波形

二进制移相键控信号的产生方法主要有两种。

如图8.2所示。

第一种方法是相乘法，只要数字基带信号为双极性码，并不含直流分量，即能用该方法来产生；第二种方法是开关选通法，这种方法是产生一个载波的二重相位（对多相的移相键控应是单一载波的多重相位），以基带信号所代表的数值去选择这些相位。

当然，也可以是利用被控制的延迟提供所需的载波相移量，然后由基带信号通过开关阵列来控制相移量的大小。

（a）相乘法产生BPSK信号（b）相位选择法产生BPSK信号

图8.22PSK信号的调制原理图

对PSK信号的解调通常都是采用相干解调的方法，因而如何获得同频、同相的载频信号是一个关键性的问题。

由于2PSK信号是抑制载频的双边带信号，在已调信号中不存在载波分量，因而无法从已调信号中直接获取本地载频。

只有对已调信号进行非线性变换后才能恢复出载频。

然而恢复出来的载波可能与未调制载波同相，也可能反相，以至于解调后的信码出现“0”、“1”倒置（亦即发送“1”码，被错解调为“0”，发送“0”码，被错解调为“1”）。

这对于数据传输来说当然是不允许的。

克服相位模糊度对于相干解调影响的有效办法是对调制器输入的数字基带信号进行差分编码——相对移相（2DPSK）

2.二进制差分相位键控（2DPSK）

前面所讨论的2PSK信号，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。

由于它是利用载波相位的绝对数值来传递信息，因而又称其为绝对调相方式。

另一种利用载波相位传递信息的方法为相对调相，它不是利用载波相位的绝对数值传递数字信息，而是利用数字基带信号前后码元的相对相位变化来传递数字信息。

以2DPSK为例，当一个码元取1时，它对应的载波相位与前一码元的载波同相；码元取0时，所对应的载波与前一码元所对应的载波反相，这种关系如图8.3所示。

图8.32DPSK信号相位关系

实现相对移相的最常用方法是：

首先对数字基带信号进行差分编码，然后再利用差分码对载波进行绝对调相，使已调载波相位满足相对移相的相位关系。

对数字基带信号进行差分编码可以由一个模二和电路与一级移位寄存器来实现。

设输入的二进制绝对码元序列为，移位寄存器输出的相对码元序列为{bi}，则二相差分编码的逻辑关系为

（8-5）

绝对码实现相对移相的过程以及典型的波形如图8.4所示。

图8.4绝对码实现相对移相的波形

对应于发端的差分编码，对接收端抽样判决器的输出信号必须进行码型的变换―差分编码。

设差分解码的逻辑为

（8-6）

将式（8-5）代入式（8-6），有

因为

，

所以

（8-7）

（8-7）式表明，经差分解码后恢复出了原始的数字信息。

五、实验方案

如前所述，2PSK和2DPSK就调制器和解调器而言，都是实现绝对调相和绝对调相信号的解调，2DPSK仅在调制前对绝对码进行差分编码及在解调后进行差分解码，因此，本实验方案将2PSK和2DPSK组合在一个实验箱内，实验者可以通过面板上引线的不同连接来改变调制及解调方式。

考虑到数字信号的一些特点，2PSK/2DPSK的调制由数字电路来实现，解调则由带通滤波器、模拟乘法器、低通滤波器等模拟器件和数字电路结合来实现。

此外为了观察实现系统的抗噪性能，实验箱中设置了噪声源，改变其框内的电位器，可以改变噪声强度。

实验所需的信码、载波、时钟都由实验二（通信系统中的信号源）给出。

2PSK/2DPSK实验系统的组成电路如图8.5所示，图8.6为实验箱的面板图。

图8.52PSK/2DPSK实验系统的电路图

图8.62PSK/2DPSK实验系统面板图

下面分别来介绍图8.5中的主要电路

1．2PSK/2DPSK调制器

调制器是由晶体振荡器、分频器、差分编码器和调相电路等组成。

在图8.7（a）中，晶振荡器产生11.0592MHz的方波信号，该信号经分频电路后分别产生调制器和解调器所需的76.8kHz载波信号和19.2kHz的位定时信号。

显然，本实验装置的码元速率是19.2kbit/s。

调制器采用了相位选择法。

由图8.7（b）可见，对于2PSK信号的产生电路，数字基带信号不经差分编码，直接送到74LS153（双四选一数字选择器）用来实现对载波相位的选择，当2脚与14脚同时为高电平时，7脚输出与3脚输入的

载波同相；当2脚与14脚同时是低电平时，7脚输出与6脚输出的

载波同相，这样在6脚输出的便是2PSK信号。

对于2DPSK信号的产生电路，数字基带信号经差分编码后输出的数字序列送给74LS153，这时

和

载波的选择由74LS74（双

触发器）输出的相对码的高电平或低电平来决定。

74LS153的第7个管脚输出的信号为2DPSK

（a）2PSK/2DPSK调制部分原理图

（b）2PSK/2DPSK调制部分电路图

图8.72PSK/2DPSK调制器原理电路图

2．2PSK/2DPSK相干解调器

相干解调器的原理方框图如图8.8所示。

它是由带通滤波器﹑相乘器﹑低通滤波器﹑抽样判决和差分解码等电路组成。

图8.82PSK/2DPSK相干解调器原理方框图

图8.8中，带通滤波器和低通滤波器是选用MAX-275实现的。

MAX-275是专门用来做实现带通滤波器和低通滤波器的集成电路。

当用来实现低通滤波器时，用“LPO”作为输出，当用来实现带通滤波器时，用“BPO”作为输出。

它的管脚分布及外围电路如图8.9所示。

（a）MAX-275管脚图

（b）MAX-275外围图

图8.9MAX-275管脚分布及外围电路图

二阶节的中心频率fo、Q值及放大倍数由外接电阻R1、R2、R3、R4决定。

当中心频率fo、Q值及增益确定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式得到（所得电阻值单位均为

）：

（8-8）

式中，RX/RY因子中RX和RY是滤波器内部的电阻，这个因子的值由引脚FC的接法决定。

其取值为

（8-9）

带通滤波器输出送至相干解调电路，如图8.10所示,相干解调电路的波形图如图8.11

所示。

图8.10中由模拟乘法器MC1496组成的相乘电路，抽样判决器由电压比较器LM393及双D触法器74LS74组成。

差分解码电路所用元器件和调制器所用元器件相同（四异或门74LS86和双D触发器74LS74）。

图8.10相干解调电路

图8.11相干解调电路的波形图

将噪声和2PSK/2DPSK信号经相加电路相加后送至MC1496的“1”脚。

图8.12为噪声源和相加电路的电原理图。

噪声源的机理是据齐纳二极管处在工作特性的拐点附近时，能产生相当大的噪声。

电位器W2可改变噪声输出的强弱。

相加电路由

和阻、容组成。

众所周知，在数字通信系统中，数据信号经过非理想的传输系统必然要产生畸变，也会引入噪声和干扰，这些都将导致系统的传输质量变差。

实验箱中设置噪声源和加法器就是为了模拟实际信道而引入加性噪声。

图8.12噪声源和相加电路图

在2PSK/2DPSK解调部分，还离不开载波提取和位同步提取两个电路，前者是相干解调所必须的，后者规定了抽样判决的节拍和时刻。

有关它们的实验内容，在第七章中专门进行。

六、实验内容和操作步骤

2PSK/2DPSK实验箱的面板如图8.6所示。

图中给出了系统组成框图和测试柱的位置。

下面我们按面板图来叙述实验操作步骤。

1．检查直流电源电压：

在实验系统未加电前,先打开稳压电源开关,将电源电压分别调到+12V和-12V,并关闭电源。

2．正确连接电源：

将电源、示波器和实验装置三者的地线可靠的接在一起,+12V和-12V分别接到与实验装置相对应的接线柱上。

注意,切勿接错电源线,否则将烧坏实验装置。

3．按照图8.13所示的方法连接实验箱和误码仪。

即实验箱的“发定时出”接到误码仪的“发定时入”端口,误码仪的“发码出”端口接到实验箱的“数据入”。

打开稳压电源、示波器、误码仪的电源开关,将误码仪速率选择键置“同步”位置,按动误码仪码型选择键,使误码仪依次输出“1”,全“0”和“1:

7”码,这时误码仪的“发定时入”和“发码出”指示灯亮。

然后按实验内容1的要求用双踪示波器,两两对应地观测各点波形。

测试时应注意观察差分编码前后的波形变化；“差分信号”与已调信号之间的相位关系；带通滤波器输入信号与输出信号之间的关系；“数据入”与“数据输出”的波形差异。

图8.132PSK/2DPSK实验板和误码仪的连接图

如果没有误码仪,可用实验箱内部产生的8种基带数字信号作为调制信号。

这时实验箱面板上须连四条导线：

⑴.将“数据输出”与“数据输入”两个接线柱用导线可靠连接；

⑵.将“相对码输出”与“调制信号输入”两个接线柱用导线可靠连接（完成2DPSK实验内容）；将“绝对码输出”与“调制信号输入”两个接线柱用导线可靠连接（完成2PSK实验内容）；

⑶.将“本地载波输入”与“0°载波”或“180°载波”两个接线柱用导线可靠连接（完成2DPSK实验内容）；将“本地载波输入”与“0°载波”两个接线柱用导线可靠连接（完成2PSK实验内容，若接到“180°载波”位置，会发生相位模糊现象）；

⑷.将“收定时脉冲”与“180°定时脉冲”两个接线柱用导线可靠连接。

4.使实验箱上的信号源依次输出“1”，全“0”和“1:

1”码，然后连接导线，用双踪示波器两两对应地观测并记录2PSK和2DPSK调制方式下，各观测点波形（注意：

观测差分编码前后的波形变化；“差分信号”与“调相信号”之间的相位关系；“调相信号”和“带通滤波器输出”的波形；“数据入”与“数据输出”的波形，从而加深对系统工作原理与工作过程的理解。

）

5.观察“眼图”。

示波器和实验箱的连接方法如图8.14（a）所示，即将接收端“低通滤波器”输出信号接示波器垂直y通道，“恢复定时输出”接示波器外触发端,并将示波器扫描触发开关置外（EXT）位置。

再将实验箱上的信号选为63位伪码，此时在示波器荧光屏上可观测到无噪情况下的基带信号“眼图”。

图8.14（b）中，示波器扫迹较散是低通滤波器相-频特性不理想所致。

（a）观察“眼图”时示波器和实验箱的连接示意图

（b）观察眼图（不加噪声）的连接图及眼图照片

图8.14观察眼图的连接示意及观察到的眼图

眼图只能定性评价系统误码特性，在需要定量测试系统性能时，要用到误码率测试仪。

6.实验箱和误码仪的连接方式如图8.15所示。

在测量误码率时,实验系统和误码仪之间要增加两根连线,即将“恢复定时出”孔接到误码仪的“收定时入”端口,“数据信号出”孔接误码仪的“收码入”端口,误码仪输出511码,量程置105,（即总共发送10万个码）,然后按下“启动”按键,同步指示灯随即点亮。

误码仪开始将收码同发码进行比较,并将比较的结果动态显示于数码管上,直至误码仪蜂鸣器报警,测量即告结束.这是误码已可以两种显示形式给出式

（1）的结果:

“个数”显示的是式

（1）的分子（分母为105）;“比率”显示的是式

（1）中的n和N的比值。

图8.15误码仪测量（不加噪声）方法示意图

7.将噪声信号产生器输出端接实验系统“噪声输入端”。

示波器Y轴仍接“基带信号”,”恢复定时出”仍接示波器X端（触发源选外触发）屏幕上即可观测到加噪情况下的基带信号眼图。

同时将误码仪量程置105,按下误码仪的“启动”键,即可测得加噪情况下的误码率。

然后改变噪声信号的大小,可以发现,随着噪声电压的加大,眼图越来越差,误码率也愈来愈高,从而可得到不同信噪比条件下的眼图和误码率。

记录误码率和眼图波形,并与无噪时的眼图和误码率相比较。

信噪比是指信号功率和噪声功率之比,可用信号电压和噪声电压表示,即

信号电压和噪声电压可用HHP-1有效值电压表测量（没有噪声产生器时,可用实验系通内部噪声源）。

8.将TDS2012示波器的一个探极接至实验系统“2PSK、2DPSK”输出信号的测试孔上。

先设置示波器面板的“数学计算菜单”按钮，再将“操作”选项设置为FFT，最后选择“数学计算FFT信源”通道。

改变实验系统的数字基带信号码型，在示波器屏幕上分别观察数字基带信号、2PSK、2DPSK等信号的频谱结构，测出fc=?

，BBPSK=?

，BDPSK=?

，记录频谱图的草图；在同样的操作方法下，观察2PSK及2DPSK信号经过带通滤波器过滤后的频谱图。

图8.16是本实验箱几张典型的频谱图，实验箱操作者应争取获得这种“收获”。

（a）码元速率为19.2kHz时63位伪码的频谱结构照

（b）2DPSK信号的频谱照

（c）经过带通滤波器以后2DPSK信号的频谱照

（d）调制信号为1:

1码型时已调信号的频谱照

图8.16典型的频谱图

由图8.16（a）可见，伪随机码的频谱为Sa函数，第一个零点位于19.2kHz的位置，第二个零点位于38.4kHz位置；由（b）图可以看出，已调信号为一频带信号，频带宽度为

。

但是在频带以外的信号强度较强；（c）图是经过带通滤波器对带外信号的衰减，使带内信号和带外信号的幅度比得以大幅度提升；（d）图是用1:

1码作为调制信号，我们可以发现已调信号确实是抑制载波的双边带信号，在屏幕中央白色箭头所指的载波位置上没有载波（76.8kHz）分量。

9.观察收端载波恢复存在相位模糊问题造成的信码的“0”、“1”倒置现象：

将相干解调器的相干载波端口分别连接到“0°”和180°，在2PSK调制方式下即可观察到信码的“0”、“1”倒置现象；而解调2DPSK信号时，相干载波也分别连接到“0°”和“180°”，但经过差分解码（码反变器），输出的绝对码不会发生倒置现象。

七、实验讨论

1.实验较全面地展示了数字带通调制系统PSK、DPSK的原理、过程及性能，借助于实验仪器从实验角度揭示了本实验系统的工作过程、工作原理并目视了系统的时域及频域特征；学会了如何去检查带通调制系统的方法；如何评价带通调制系统的性能指标（定性测量和定量测量）的实验方法。

因而本实验内容、手段、方法对从事通信工程的技术人才是极为重要的。

2.在同步解调的BPSK系统中，因为收端载波恢复存在相位模糊问题，所以解调后的信码会有“0”、“1”倒置现象，这是信息传输所不容许的。

克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的办法是对调制器输入的数字基带信号进行采用差分编码。

解调2DPSK信号时，相干载波仍然有180O的相位模糊问题，但经过差分解码（码反变器），输出的绝对码不会发生倒置现象，从而有效解决了载波相位的模糊问题。

因而，2DPSK系统是一种实用的数字调相系统。

3.在实际通信系统中，信号在传输过程中会受到各种干扰，从而影响到对信号的恢复，为了模拟实际系统，我们人为地加入噪声，通过改变信噪比，衡量2PSK/2DPSK实验系统的抗噪声性能。

误码率和眼图是衡量数字通信系统性能优劣的主要指标。

使用误码仪可以定量测量系统的误码率，而眼图观察法是定性估计系统性能的测量手段。

在数字带通调制系统调试时，通常用眼图观察的方法，两种方法都应牢牢掌握。

4．2DPSK信号的功率谱密度由离散谱和连续谱组成，其结构与2FSK实验中所看到的OOK信号的功率谱密度相似，占有的频带宽度是基带信号带宽的两倍，当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则频谱结构中不存在离散谱。

八、实验报告

1.各项测试内容的数据准确,波形逼真,时间关系正确。

测量波形结果展示：

差分输出波形

（经差分译码器输出的相对码）

差分输入波形

（绝对码）

图1差分译码器的输入输出波形

调制信号

已调信号

图2调制信号与已调信号的波形对应关系

低通滤波器

输出波形

带通滤波器

输出波形

图3带通滤波器与低通滤波器的输出波形

图4带通滤波器输入波形与输出波形

图5码元速率为19.2kHz时63位伪码频谱照（基带信号）

76.8KHZ

76.8-19.2Khz76.8+19.2Khz

图6经过带通滤波器以后2DPSK信号的频谱照

2.用实验测得的数据和波形来阐明2PSK/2DPSK系统的实际工作过程和它的主要特性。

3.用所测得的眼图来说明眼图的测量原理和作用。

图7眼图

九、思考题

1.2DPSK信号是否必须用相干解调法接收?

2DPSK信号有几种解调方法?

试比较其优缺点?

答：

2DPSK信号解调方法有两种：

1）极性比较（相干解调）和码变换法

原理：

对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。

在解调过程中，如果相干载波产生180度相位模糊，但经过码反变换器后，绝对码不会产生倒置。

优点：

消除了载波相位模糊的问题。

缺点：

码反变换器使输出误码率增大。

必须恢复出相干载波。

2）差分相干解调法。

原理：

2DPSK信号先经过带通滤波器，滤除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。

优点：

由于是非相干载波，不需要专门的相干载波。

2.为什么利用眼图能大致估计系统性能的优劣?

眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。

观察眼图的方法是：

用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。

从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。

（1）最佳抽样时刻应在“眼睛”张开最大的时刻。

（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。

斜率越大，对定时误差就越灵敏。

（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。

（4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。

（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。

3.设有一个2DPSK传输系统对信号采用A方式编码，其码元传输速率为2400Baud,载波频率为1800Hz，若输入码元序列为011010，试画出此2DPSK信号的波形图。

4.设在一个2DPSK传输系统中，输入信号码元序列为00，试写出其变成相对码后的码元序列，以及采用A方式编码发送载波的相对相位和绝对相位序列。