通原报告BPSK传输系统实验.docx

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通原报告BPSK传输系统实验

BSK传输系统实验

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并学习和评价眼图信号；

4、掌握BPSK调制和解调的基本原理；

5、熟悉BPSK调制载波包络的变化；

6、观察BPSK解调数据反相的现象；

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）BPSK调制

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信号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

（二）BPSK解调

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，这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。

1、载波恢复

对二相调相信号中的载波恢复有很多的方法，最常用的有平方变换法、判决反馈环等。

在BPSK解调器中，载波恢复的指标主要有：

同步建立时间、保持时间、稳态相差、相位抖动等。

本地恢复载波信号的稳态相位误差对解调性能存在影响，若提取的相干载波与输入载波没有相位差，则解调输出的信号为

；若存在相差Δ，则输出信号下降cos2Δ倍，即输出信噪比下降cos2Δ，其将影响信道的误码率性能，使误码增加。

对BPSK而言，在存在载波恢复稳态相差时信道误码率为：

2、位定时

抽样时钟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。

最后，对通信原理综合实验系统中最常用的几个测量方法作一介绍：

眼图、星座图与抽样判决点波形。

１、眼图：

利用眼图可方便直观地估计系统的性能。

示波器的通道接在接收滤波器的输出端，调整示波器的水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。

在荧光屏上看到显示的图型很像人的眼睛，所以称为眼图。

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。

３、抽样判决点波形：

是在判决器之前的波形。

抽样判决点波形可以较好地反映最终输出性能的好坏。

抽样判决点波形上下两线聚集越好，则系统性能越好，反之越差。

（三）DBPSK调制与解调

由于BPSK相干载波恢复可能出现相位模糊，所以实用中经常采用DBPSK调制，是相移键控的非相干形式，它不需要在接收机端恢复相干参考信号。

非相干接收机容易制造而且便宜，因此在无线通信系统中被广泛使用。

在DBPSK系统中，输入的二进制序列先差分编码，然后再用BPSK调制器调制。

差分编码原理为：

虽然DBPSK差分解调降低了接收机复杂度的优点，但它的能量效率比相干BPSK低3dB。

在加性高斯白噪声环境中，平均错误概率如下所示：

在DBPSK方式中，由于不需要恢复载波，因而不能观察到接收端的眼图信号。

但可以观察抽样判决点之前的信号波形来判断接收信号的质量与解调性能。

差分BPSK的抽样判决点波形较相干BPSK要差。

四、实验现象记录与分析

1.BPSK调制基带信号眼图观测

（1）通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打勾），此时基带信号频谱成形滤波器全部放在发送端。

以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。

成型滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。

判断信号观察的效果。

（2）通过菜单选择激活“匹配滤波”方式（打勾），此时系统构成收发匹配滤波最佳接收机，重复上述实验步骤。

仔细观察和区别与上述两种方式下发送信号眼图（TPi03）的波形。

现象：

分析：

无论采用何种滤波方式，码元速率是一定的，均为32kHz，

即码元宽度

。

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。

2.I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察

（1）测量I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。

通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK调制器原理分析测试结果。

（2）通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤。

仔细观察和区别两种方式下矢量图信号。

现象：

（二）BPSK调制解调

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。

现象：

图6调制载波在数据变化点相位翻转

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°。

如果每比特能量为Eb，则传输的BPSK信号为：

，其中

观察图6中两条红色虚线所指示的位置，（左边）在数据变化之前输出波形的波峰几乎对应载波的波峰，而在（右边）数据变化点之后，输出波形的波峰对应载波的波谷。

可知调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。

但是在实际情况下，不完全是0/π相位差，

和

相加有

的相位差。

而且由于系统的延迟，实际和理论分析也有一定的误差，从图6中也可以观察出。

3、I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察

（3）测量I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。

通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK调制器原理分析测试结果。

（4）将KG04置于ɑ=0.4的开根号升余弦响应，重复上述实验步骤。

仔细观察和区别两种方式下矢量图信号。

4、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。

现象：

图90／1码的调制信号包络

图10m序列的调制信号包络

分析：

从图9和图10中可以明显地看出，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。

5、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。

现象：

图11BPSK调制信号频谱

分析：

从图11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

。

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。

6、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？

现象：

图12BPSK调制信号频谱载漏信号

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。

7、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。

现象：

图13不同噪声等级下解调器Q支路眼图信号

分析：

对比图13中左图和图3，可以发现接收端信号的眼图和发送端相比，其眼皮厚度增加了许多，过零率抖动更加严重，噪声容限变小，抗干扰能力变弱。

对比图13中的左图和右图，当不断加大噪声时，可以发现盐眼图中噪声容限越来越小，知道已经无法容纳噪声。

右图中信号眼图已经严重被噪声干扰，波形十分变形，噪声容限很小，抽样判决时很可能由于噪声而造成误判决。

8、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。

现象：

图14解调器失锁后TPJ05、TPJ06眼图信号

分析：

相位失锁时，眼图中已经看不出有噪声容限，如图14中两图所示。

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。

9、接收端I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察

（1）准备：

通过KG02使输入调制数据为长m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）测量I支路（TPJ05）和Q支路信号（TPJ06）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPJ05和TPJ06的合成矢量图。

现象：

图15闭环时接收端I、Q路解调信号矢量图

分析：

观察图15中的左图可知，两路信号波形上几乎完全一致，成上下对称形式。

观察图15中右图可知，由于闭环的作用，I、Q两条之路解调后的信号相位基本稳定，存在两个比较稳定的相点。

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。

10、解调器失锁时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察：

（1）准备：

通过KG02使输入调制数据为长m序列，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（右端），使环路失锁。

（2）观测接收端失锁时I路和Q路的合成矢量图。

掌握解调器时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形的变化，分析测量结果。

现象：

图15失锁时接收端I、Q路解调信号矢量图

分析：

在实验过程中调整电位器对波形和矢量图几乎不产生任何作用。

从图15的左图中依然可以看到I、Q两路之路的波形对称关系。

在右图中反映的二者相位，类似于无数的扁圆环叠加，两之路信号的相位关系在不断地跳变，这是由于锁相环失锁所造成的。

11、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，观测两载波失步后再同步时之间的相位关系。

现象：

图16发端调制载波和收端恢复相干载波关系

分析：

在实验时输入的码序列是0/1码。

从图16中截取的两张图来看，端调制载波（TPK06）和收端恢复相干载波（TPLZ06）存在着两种明显的相位关系，接近00和１800。

从理论上看，判决反馈环鉴相器具有右图所示的特性：

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。

12、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，观测TPM05数据发生反转，分析原因。

现象：

图17解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响

分析：

在实验时输入的码序列是0/1码。

对比图17和图16可知，同样的，发送数据（TPM02）和解调输出数据（TPM05）之间存在着00和１800两种明显的相位关系。

造成这种现象的原因和上题是一样的，都是由判决反馈环鉴相器的特性引起的。

能解决相位模糊的方法是——差分编码。

13、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。

现象：

图18噪声造成的误码情况

分析：

在实验时输入的码序列是0/1码。

图18中蓝色的是输入0/1序列，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。

14、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。

将各项测试结果作比较分析是否符合理论？

现象：

图19输入不同码序列时的相位抖动情况

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

通过本次的BPSK传输系统实验，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。

学习使用眼图的方法来观察信号。

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。

还了解到了许多新知识，比如载漏的产生和消除、如何解决相位模糊问题等等。