通信报告BPSK传输系统实验.docx

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通信报告BPSK传输系统实验

BPSK传输系统实验

代岳091180024通信工程

一、实验目的

1.了解Nyquist基带传输设计准则

2.熟悉升余弦基带传输信号的特点

3.掌握眼图信号的观察方法

4.学习评价眼图信号的基本方法

5.学习观察BPSK的调制信号；

6.掌握BPSK调制原理；

7.熟悉BPSK调制载波包络的变化；

8.掌握BPSK解调的基本原理；

9.观察BPSK解调数据反相的现象；

10.掌握BPSK数据传输过程，熟悉典型电路；

二、实验仪器

1.JH5001通信原理基础实验箱一台

2.双踪示波器一台

3.函数信号发生器一台

三、实验原理

（一）基带成型

基带传输是频带传输的基础，也是频带传输的等效低通信号表示。

基带传输系统的框图如图1所示。

图1基带传输系统的框图

如果认为信道特性是理想的，其传输函数为1，那么整个传输系统的传输函数H（f）为：

在实际信道传输过程中，如果信号的频率范围受限，则这些基带信号在时域内实际上是无穷延伸的，其是一个不可实现系统。

如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带都是有限的，则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。

如图2所示：

图2时域受限与频带受限传输特性

如果对基带传输不进行严格的设计，则会产生码间串扰，其产生过程如图3所示：

图3基带传输系统码间串扰产生示意图

在寻找对信号基带传输的设计过程中，人们总结了一系列的方法。

其中Nyquist设计准则为基带传输系统信号设计提供了一个方法。

利用该准则一方面可以对信号的频谱进行限制，另一方面又不会产生码间串扰。

升余弦信号设计是成功利用Nyquist准则设计的一个例子，其频谱特性如图4。

升余弦滤波器的传递函数为：

其中，α是滚降因子，取值范围为0到1。

一般α=0.25~1时，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。

对于矩形脉冲BPSK信号能量的90%在大约1.6Rb的带宽内，而对于α=0.5的升余弦滤波器，所有能量则在1.5Rb的带宽内，如图4所示。

图4Nyquist升余弦滤波基带传输频域与时域特性示意图

升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的滤波器来实现，其频响为开根号升余弦响应。

根据最佳接收原理，这种响应特性的分配为系统提供了最佳接收方案。

在实际通信系统中，通常采用Nyquist波形成形技术，并结合最佳信号检测理论，它具有以下三方面的优点：

1、发送频谱在发端将受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰；

2、在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；

3、系统获得无码间串扰的信号传输；

升余弦滤波器在频域上是有限的，它在时域上的响应将是无限的，是一个非因果冲激响应。

为了在实际系统上可实现，一般将升余弦冲激响应进行截短，并进行时延使其成为因果响应。

截短长度一般从中央最大点处向两边延长4个码元。

由截短的升余响应而成形的调制基带信号，其频谱一般能很好地满足实际系统的使用要求。

为实现滤波器的响应，脉冲成形滤波器可以在基带实现，也可以设置在发射机的输出端。

一般说来，在基带上脉冲成形滤波器用DSP或FPGA来实现，每个码元一般需采样4个样点，并考虑当前输出基带信号的样点值与８个码元有关，由于这个原因使用脉冲成形的数字通信系统经常在调制器中同一时刻存储了几个符号，然后通过查询一个代表了存储符号离散时间波形来输出这几个符号（表的大小为210），这种查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图5所示：

图5BPSK基带成形原理示意图

成形之后的基带信号经D/A变换之后，直接对载波进行调制。

对眼图性能判断主要依据图6中所示的主要测量指标。

在实验过程中请注意对不同的基带传输性能进行测试。

图6眼图主的性能指标示意图

在通信原理实验箱中，基带传输的框图如图7所示。

图7基带传输的框图

KG04成形滤波选择

KG04状态

□□

□□

□□

□□

□□

□□

□□

□□

滤波器性能

非归零码

升余弦滤波

α＝0.3

升余弦滤波

α＝0.4

开根号升余弦α＝0.4

KG02测试数据选择

（二）BPSK调制解调

理论上二进制相移键控（BPSK）可以用幅度恒定，而其载波相位随着输入数据m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°。

如果每比特能量为Eb，则传输的BPSK信号为：

其中

一个数据码流直接调制后的信号如图8所示。

采用二进制码流直接载波信号进行调相，信号占居带宽大。

上面这种调制方式在实际运用中会产生以下三方面的问题：

1、浪费宝贵的频带资源；

2、产生邻道干扰，对系统的通信性能产生影响，在移动无线系统中,要求在相邻信道内的带外幅射一般应比带内的信号功率谱要低40dB到80dB；

3、如果该信号经过带宽受限信道会产生码间串扰（ISI），影响本身通信信道的性能。

在实际通信系统中，通常采用Nyquist波形成形技术，它具有以下三方面的优点：

1、发送频谱在发端将受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰；

2、在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；

3、获得无码间串扰的信号传输；

图8数据码流直接调制后的BPSK信号

升余弦滤波器的传递函数为：

其中，α是滚降因子，取值范围为0到1。

一般α=0.25~1时，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。

对于矩形脉冲BPSK信号能量的90%在大约1.6Rb的带宽内，而对于α=0.5的升余统滤波器，所有能量则在1.5Rb的带宽内。

升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的滤波器来实现，其频响为开根号升余弦响应。

根据最佳接收原理，这种响应特性的分配提供了最佳接收方案。

BPSK的调制工作过程如下：

首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两路支路。

因为I、Q两路信号一样，本振频率是一样的，相位相差180度,所以经调制合路之后仍为BPSK方式。

采用直接数据（非归零码）调制与成形信号调制的信号如图9所示：

图9直接数据调制与成形信号调制的波形

在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波在频率上是一样的，但相位存在两种关系：

0０、180０。

如果是0０，则解调出来的数据与发送数据一样，否则，解调出来的数据将与发送数据反相。

接收的BPSK信号可以表示成：

为了对接收信号中的数据进行正确的解调，要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。

这就是我们常说的载波恢复与位定时恢复。

为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。

判决反馈环结构如图10所示：

图10BPSK判决反馈环结构

判决反馈环鉴相器具有图11所示的特性：

图11判决反馈环鉴相特性

从图11中可以看出，判决反馈环也具有00、１800两个相位平衡点，因而采用判决反馈环存在相位模糊点。

对于接收的BPSK信号，与本地相干载波相乘并经匹配滤波之后，在什么时刻对该信号进行抽样、判决，这一功能主要由位定时来实现。

解调器输出的基带信号如图12所示，抽样时钟B偏离信号能量的最大点,使信噪比下降。

由于位定时存在相位差，使误码率有所增加。

而抽样时钟A在信号最大点处进行抽样，保证了输出信号具有最大的信噪比性能，从而也使误码率较小。

在刚接收到BPSK信号之后，位定时一般不处于正确的抽样位置，必须采用一定的算法对抽样点进行调整，这个过程称为位定时恢复。

常用的位定时恢复有：

滤波法、数字锁相环等。

图12BPSK的位定时恢复

以2倍码元速率抽样为例：

信号取样如图13所示。

S（n-1）、S（n+1）为调整后的最佳样点，S（n）为码元中间点。

首先位定时误差的提取时刻为其基带信号存在过零点，即如图13中的情况所示。

位定时误差的大小按下式进行计算：

图13位定时误差提取示意图

如果

，则位定时抽样脉冲应向前调整；反之应向后调整。

这个调整过程主要是通过调整分频计数器进行的，如图14所示。

图14位定时调整示意图

须注意的是，一般在实际应用中还须对位定时的误差信号进行滤波（位定时环路滤波），这样可提高环路的抗噪声性能。

１、眼图：

利用眼图可方便直观地估计系统的性能。

对眼图的测试方法如下：

用示波器的同步输入通道接收码元的时钟信号，用示波器的另一通道接观察眼图输出（例如I支路），然后调整示波器的水平扫描周期（或扫描频率），使其与接收码元的周期同步。

这时就可以在荧光屏上看到显示的图型很像人的眼睛，所以称为眼图（如图15所示）。

在这个图形上，可以观察到码间串扰和噪声干扰的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。

图15BPSK眼图的观察方法

一般而言，眼皮越厚，则噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。

2、星座图：

与眼图一样，可以较为方便地估计出系统的性能，同时它还可以提供更多的信息，如I、Q支路的正交性、电平平衡性能等。

星座图的观察方法如下：

用一个示波器的一个通道接收I支路信号，另一通道接Q支路信号，将示波器设置成X-Y方式，这时就可以在荧光屏上看到如图16所示的星座图。

星座点聚焦越好，则系统性能越好；否则，噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。

图16BPSK星座图

在通信原理实验平台中BPSK的解调方法如图17所示。

图17BPSK系统传输框图

四、实验内容

（一）基带成形

1.α＝0.3升余弦滤波的眼图观察

（1）准备工作：

将数字调制解调模块中的KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02置成长m序状态（KG02的三个跳线器均插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（左端），KG04置于α＝0.3升余弦滤波状态。

KP01置于2-3状态（相干解调位置）。

（2）以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。

测量过零率抖动与眼皮厚度（换算成百分数）。

过零抖动：

11.2μs——11.2/32=35%

眼皮厚度：

320mV——320/3840=8.3%

2.α＝0.4升余弦滤波的眼图观察

（1）准备工作：

KG04置于α＝0.4升余弦滤波状态。

（2）以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。

测量过零率抖动与眼皮厚度（换算成百分数）。

过零抖动：

8.4μs——8.4/32=26.25%

眼皮厚度：

240mV——240/3360=7.14%

3.α＝0.4开根号升余弦滤波的眼图观察

（1）准备工作：

KG04置于α＝0.4开根号升余弦滤波状态。

（2）以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。

测量过零率抖动与眼皮厚度（换算成百分数）。

过零抖动：

6.8μs——6.8/32=21.25%

眼皮厚度：

720mV——720/3800=18.94%

思考：

怎样的系统才是最佳的？

匹配滤波器最佳接收机性能如何从系统指标中反映出来？

答：

通过以上三组数据的对比，可以看出：

α是作为滚降因子，取值范围为0到1。

一般α=0.25~1时，实验中分别取α＝0.3和α＝0.4，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。

升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的滤波器来实现，其频响为开根号升余弦响应。

根据最佳接收原理，这种响应特性的分配提供了最佳接收方案。

匹配滤波器的最佳接收机性能可以通过系统传输的信噪比、信道误码率，信道频带利用率、有无邻道干扰、有无码间串扰等指标反映出来。

4.观察基带频谱

分别将KG04置于α＝0.4升余弦滤波状态和KG04置于非归零码状态（未作基带成形滤波的矩形脉冲）。

观察基带信号（TPi03）的频谱的区别。

区别：

图A波形的发送频谱在发射端受到限制，提高了信道频带利用率，减少了邻道之间的相互干扰。

图B中信号经过α＝0.4升余弦滤波后变为低通带限信号，可以消除码间串扰，但同时容易造成严重的码间干扰。

（二）BPSK调制解调

（部分实验步骤无需截图，只需文字描述）

1、准备工作：

将KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02置成长m序列状态（KG03的三个跳线器均插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（左端），KG04置于ɑ=0.4的升余弦响应。

KP01置于左边相干解调位置。

2、BPSK调制信号0/π相位测量：

KG02置成输入调制数据为0／1码。

用示波器的观察调制输出波形（TPK03）和调制参考载波上（TPK06/或TPK07）。

观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。

分析：

从理论上讲，二进制相移键控（BPSK）可以用幅度恒定，而其载波相位随着输入数据m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°。

3、BPSK调制信号包络观察：

（1）KG02置成输入调制数据为0／1码。

观测调制载波输出测试点TPK03的信号波形。

调整示波器同步，注意观测调制载波的包络变化与基带信号（TPi03）的相互关系。

画下测量波形。

（2）用m序列重复上一步实验，观测载波的包络变化。

分析：

从上面2图可以明显地看出，无论是0/1码还是m序列，可以发现BPSK调制信号的包络与基带信号是完全一致的。

说明实现了有效的调制，在调制过程中没有产生错码，系统性能佳。

4、BPSK调制信号频谱测量

（1）准备：

通过KG02使输入调制数据为长m序列，观测BPSK信号频谱。

（2）用波器测量BPSK调制信号（TPK03）。

先将示波器调到125kHz/div，选择hanning窗，然后将频谱扩展10倍，旋转水平位移旋钮，观察1.024MHz频率点附近波形。

测量调制频谱占用带宽、电平等，记录实际测量结果，画下测量波形。

分析：

从理论上说，滚降因子α增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，增加了占用的带宽。

对于矩形脉冲BPSK信号能量的90%在大约1.6Rb的带宽内。

在此图中，由于码元速率为32kHz，

。

实际与理论相符。

从上图中可以观察到，当输入长m信号时，调制后的信号集中在12.5MHz附近，经过测量得到带宽为

，谱线幅度约为

。

5、BPSK调制信号频谱载漏信号测量

通过KG02选择0/1码输入数据，观测BPSK信号频谱。

测量调制频谱载漏与信号电平的差值，记录实际测量结果，画下测量波形。

思考：

载漏过大会对系统带来什么影响？

载漏的产生与什么因素有关？

如何减小载漏电平？

分析：

载漏指的是本振信号的基波分量。

由图12可知0/1码的BPSK频谱在载漏两侧出现峰值，两峰值间的频距约为35kHz。

调制频谱载漏与信号电平的差值约为36.8dB。

载漏过大会在很大程度上消耗功率,同时在解调器中易产生直流漂移。

载漏产生与以下的几个因素有关：

（1）平衡调制器直流工作点不平衡；

（2）平衡调制器I、Q两支路不平衡；

（3）收、发本振源的辐射。

要减小载漏电平，可以将模拟锁相环模块的输入信号选择开关KP02设置在TEST位置，然后将D/A模块内Ki01、Ki02的短路器拔除，使调制模块没有信号输入，随后再调整电位器WK01、WK02使TPK03的信号（即载漏）输出最小。

6、接收端解调器眼图信号观测

（1）准备：

通过KG02使输入调制数据为长m序列，并用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环（自发自收）。

信道噪声放在最小位置（SW001跳线插入最下端）。

KL01设置在1_2位置（闭环）。

（2）测量解调器Q支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形，观测时用发时钟TPM01作同步。

将接收端与发射端眼图信号TPi03进行比较，观测接收眼图信号有何变化。

从下到上不断加大噪声，观察TPJ05眼图变化。

分析：

通过上面三幅图可以看到，在SW001位于最下端插口时TPJ06的眼图尚能反映波形的包络形状，当增大噪声调整到第三、第五插口时受噪声干扰过零率抖动更加严重，噪声容限变小，抗干扰能力变弱，以至已经很难辨别TPJ06输出波形的包络。

7、解调器失锁时的眼图信号观测

（1）将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（开环），使环路失锁。

噪声放回最小位置。

（2）观测失锁时的解调器眼图信号TPJ05，熟悉BPSK调制器失锁时的眼图信号（未张开）。

观测失锁时正交支路解调器眼图信号TPJ06波形。

分析：

相位失锁时，眼图中已经看不出有噪声容限，如上两图所示。

为了对接收信号中的数据进行正确的解调，一般要求接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决，也即载波恢复与位定时恢复。

而为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。

解调器失锁时，波形相位不固定，在输出端叠加时表现为眼图未张开。

8、解调器相干载波相位模糊度观测

（1）准备：

通过KG02选择输入测试数据为较短的“特殊码序列”，解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在1_2位置（闭环），使环路锁定。

（2）用双踪示波器同时测量发端调制载波（TPK06）和收端恢复相干载波（TPLZ06），并以TPK06作为示波器的同步信号。

反复的断开和接回中频自环电缆（或不断在1_2位置插拔KL01），观测两载波失步后再同步时之间的相位关系。

分析：

从上图中可以看出，判决反馈环也具有00、１800两个相位平衡点，因而采用判决反馈环存在这两个相位模糊点。

在反复的断开和接回中频自环电缆的过程中，两载波失步后再同步时不断寻找同步平衡点，所以有时是00有时是1800，但是由于电路本身的延迟，有一定相位偏差。

9、解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响观测

通过KG02选择输入测试数据为较短的“特殊码序列”，用示波器同时观察解调输出数据（TPM05）和发送数据（TPM02），并以TPM02作为示波器的同步信号，调整示波器使波形动态稳定。

不断的断开和接回中频自环电缆（或不断在1_2位置插拔KL01），观测TPM05数据发生反转，分析原因。

分析：

由于判决反馈环鉴相器的特性即存在两个相位模糊点，在断开与重连时就会产生0°或180°的相位偏移，反映在TPM05和TPM02上就是波形的反转。

10、噪声对误码率的影响

通过KG02选择输入测试数据为较短的“特殊码序列”，用示波器同时观察解调输出数据（TPM05）和发送数据（TPM02），并以TPM02作为示波器的同步信号，调整示波器使波形动态稳定。

从下到上不断加大噪声，观察解调输出数据（TPM05）变化。

分析：

在实验时输入的码序列是0/1码。

对比两张图，噪声小时（左图），有误码，但是误码较少，噪声较大时（右图），误码更加严重。

由此可见，噪声的增大会提高误码率。

这是由于当噪声值超过噪声容限时，就会使得0、1判决时出现错误，从而造成误码。

11、解调器位定时信号相位抖动观测

噪声放回最小位置。

示波器以发送时钟TPM01信号为同步，在最长m序列和全零码之间不断插拔跳线，观测接收时钟TPP01的相位抖动情况。

将测试结果作比较分析是否符合理论？

分析：

当输入全0码或者全1码时，没有相位抖动；输入0/1码时，有略微的相位抖动；而输入长m序列时，相位抖动较为剧烈。

这是因为全0码和全1码数据一直保持不变，位同步无需相位锁定。

而0/1码和最长m序列有数据的跳变，所以在位定时恢复的过程中会有相位抖动来进行判决以达到同步。

五实验感想

本次持续1周的BPSK传输系统实验，需要测量的内容较多，但并不复杂，通过这次实验，我进一步了解了Nyquist基带传输设计准则，并且熟悉了升余弦基带传输信号的特点。

熟悉使用眼图的方法来观察信号。

另外通过了解BPSK调制原理，动手验证了BPSK调制和解调的过程，从中观察到载波包络的变化观察、BPSK解调数据反相的现象等。

为后面BPSK自行设计实验打下了一定的基础。

照片：