通信报告调制自行设计实验.docx

1、通信报告调制自行设计实验BPSK调制自行设计实验 代岳091180024 通信工程一、 实验目的1、熟悉升余弦基带传输信号的特点；2、掌握BPSK编码的方式；3、学习观察BPSK的调制信号；4、熟悉BPSK调制载波包络的变化；二、 实验仪器1、JH5001通信原理基础实验箱 一台2、PC机 一台3、下载线 一根三、 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N

2、yquist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：图4 Nyquist升余弦滤波基带传输频域与时域特性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。（二）眼图观察对眼图性能判断主要依据图5中所示的主要测量指标。图5 眼图主的性能指标示意图四、 程序设计实验要求：（1）、对用matlab制作升余弦查找表。（设计=0.3，=0.5两种滚降系数的查找表）（2）、升余弦查找表行数较多，应利用fprintf命令

3、批量生成查找表。fprintf(5d%d: ram=8d%d;n,data); data应该是2*M的矩阵。第一行是第一个%d数据，第二行是第二个%d数据。（3）、以上两步骤也可以采用设计升余弦FIR滤波器方式得到。（4）、编写升余弦滤波程序。m序列作为被调制信号，码元速率为28Kbps。m序列输出时钟（28KHz），m序列都需要输出到测试孔。电路分析：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个码元有关，由于这个原因使用脉冲成形的数字通信系统

4、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，其处理过程如下图所示：编程思路：PART1：升余弦滤波器（以alpha=0.3为例）(1)、升余弦系统的冲击响应如下： Tb对应一个码元的宽度。为了做到无码间干扰，就要满足冲激响应的顶点与另一时刻的冲激响应的零点相对齐。为了在实际系统上可实现，将升余弦冲激响应进行截短，截短后保留前后共6个码元宽度。h(t)在时域上是左右对称的，时间域的正半轴和负半轴都有。但是要实现卷积，必须对h（t）抽样得到h(n)。为了保证还原性，在每个码元宽度内抽样四次

5、。这样每个冲激相应h（n）对应24个离散值。程序为：%*产生h(n)*%i=0;for t=-2.75:0.25:3 i=i+1; h(i)=(sinc(t)*cos(0.3*pi*t)/(1-0.36*t*t+eps);end(2)、输入序列每六位进行编码。先将这六位单极性数字码元进行双极性变换，然后进行插值，每两个码元中间插入3个零。这样，输入也相对应地成为24个离散值，记为a（n）。然后将a（n）与h（n）进行卷积，得到含有47个离散值的输出e（n）。在e（n）中，n=21、22、23、24，是前后六个码元在原始冲激相应h(t)的第一个码元宽度内叠加得到的结果，是我们需要的。为方便下一步

6、将其量化，由于a（n）有26 =64种可能，每组4个采样点，要找出这所有256个值中的最大值和最小值。程序为：%*a(n)和h(n)卷积*%R=zeros(64,4);L=0;S=0;for m=0:63 j=j+1; a=dec2base(m,2,6); %把十进制数变成6位二进制数 a=a-48; a=2*a-1; %单极性变成双极性 a=a(1),0,0,0,a(2),0,0,0,a(3),0,0,0,a(4),0,0,0,a(5),0,0,0,a(6),0,0,0; %每两个码元间插3个0 e=conv(a,h); %卷积 for k=1:4 R(j,k)=e(20+k); %取第一个

7、码元宽度内的四个采样点 if(LR(j,k) S=R(j,k); %找最小值 end end endend（3）、得到最大值L和最小值S后，就可以根据将这些数值量化到0-255的范围内，并变成整数值。 最后将0255个数打印出来，并在格式上注意可在Quartus直接查表使用。程序为：%*量化并输出*%M=zeros(64,4);for m=0:63 u=4.*m; j=j+1; a=dec2base(m,2,6); %把十进制数变成6位二进制数 a=a-48; a=2*a-1; %单极性变成双极性 a=a(1),0,0,0,a(2),0,0,0,a(3),0,0,0,a(4),0,0,0,a(

8、5),0,0,0,a(6),0,0,0; %每两个码元间插3个0 e=conv(a,h); %卷积 for n=1:4 M(m+1,n)=round(e(20+n)+L)*255./(2*L); %量化到0255的范围 end fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u,M(m+1,3); %先输出第三个数 fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+1,M(m+1,4); %再输出第四个数 fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+2,M(m+1,1); %输出第一个数 fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+3,M(m+1,2); %输

9、出第二个数endstem(M,.);title(alpha=0.3时的采样结果); %打印图像注意：这里输出一种a(n)情况下的e(n)的顺序是3、4、1、2，这是在实际实验时发现由于时序的原因，在FPGA中查表时，并未从0255顺序输出，而是2、3、0、1、6、7、4、5因而在matlab程序中作如上修改。PART2：调制m序列 m序列输出时钟是28kHz，每个码元对应着4个采样点，因此，采样频率为28 kHz4=112kHz。m序列每连续的6个码元进行一次编码。用一个6位的移位寄存器来保存，根据移位寄存器的值进行查表(即由matlab得到的升余弦滤波的表)，连续输出对应的四个离散值。alp

10、ha=0.3和alpha=0.5，只是表中数值不一样而已。具体程序见附录的PART2。五、 实验过程记录与分析1、matlab仿真输出图形2、Quartus仿真输出波形分析：上图是当alpha=0.3时的整体仿真图。采样的数值与时钟、m序列相对齐。从图中可以看出，采样时钟是m序列时钟的4倍。3、实验示波器显示波形（1）、以m序列输出时钟作同步信号，同时观察m序列升余弦滤波后波形TPi03。可以看到眼图波形。现象： a=0.3，m序列滤波后眼图 分析：上图所示图形是alpha=0.3时的m序列升余弦滤波后波形。从图中可以看出眼图十分明显，眼皮厚度很小，说明噪声容限较大，抗干扰能力较好。（2）、以

11、m序列作为同步信号，并将调整到动态稳定，同时观察并记录m序列升余弦滤波后波形TPi03。现象： a=0.3，m序列滤波后波形 分析：m序列通过升余弦滤波系统后，其时域波形由原来的矩形脉冲信号变成平滑的曲线，相当于是数字信号变成了模拟信号。对应于被调制的m序列来看，滤波后的波形也呈明显的周期性，只是有一定的时延，并且高低电平相对应。（3）、测量并记录m序列和升余弦滤波TPi03的频谱。比较两者之间的差别。现象：a=0.3，m序列频谱a=0.3，m序列滤波后频谱分析：对于alpha=0.3时，对比上面两图，可以明显地看到，基带信号（m序列）经过升余弦滤波后变为低通带限信号。这样可以消除码间串扰。若

12、未作成型滤波，则会有明显的频谱泄露，造成严重的码间干扰。（4）、以m序列作为同步信号，并将调整到动态稳定，同时观察并记录TPK03波形。现象：a=0.3，m序列调制波形分析：TPK03波形的包络就是第(3)步中得到的滤波后的模拟信号，与图中的m序列对应来看，也有明显的周期性和一定的时延。六、 实验心得本次实验历时大概3周，持续时间较长，由于是对BPSK调制过程进行编程实现，所以比验证性实验要难度大不少，复杂性也高很多，实验过程中碰到了许许多多的问题，也正是如此才显得更具有挑战性。本实验要完成的内容主要有两部分，matlab实现升余弦滤波和FPGA实现对m序列的滤波编程模拟信号。难点在于如何通过

13、matlab输出查表所需的大量数值，这其中结合了数字信号处理的许多知识，比如矩形窗截短、奈奎斯特抽样定理、卷积等，还有通信原理的许多内容，包括基带传输、消除码间干扰等等。因此，本次实验是一个综合性较强的实验，通过本次实验练习，帮助我进一步熟悉了解BPSK调制的过程，加深理解无码间串扰的意义，以及滚降因子对滤波效果的有什么样的影响。照片：实验程序附录：PART1：升余弦滤波matlab函数（1）alpha=0.3时的程序i=0;j=0;for t=-2.75:0.25:3i=i+1;h(i)=(sinc(t)*cos(0.3*pi*t)/(1-0.36*t*t+eps);endR=zeros(6

14、4,4);L=0;S=0;for m=0:63 j=j+1; a=dec2base(m,2,6); a=a-48; a=2*a-1; a=a(1),0,0,0,a(2),0,0,0,a(3),0,0,0,a(4),0,0,0,a(5),0,0,0,a(6),0,0,0; e=conv(a,h); for k=1:4 R(j,k)=e(20+k); if(LR(j,k) S=R(j,k); end end endendfigure,stem(h);title(alpha=0.3时的升余弦);figure,stem(e);title(alpha=0.3时的卷积结果);M=zeros(64,4);f

15、or m=0:63 u=4.*m; j=j+1; a=dec2base(m,2,6); a=a-48; a=2*a-1; a=a(1),0,0,0,a(2),0,0,0,a(3),0,0,0,a(4),0,0,0,a(5),0,0,0,a(6),0,0,0; e=conv(a,h); for n=1:4 M(m+1,n)=round(e(20+n)+L)*255./(2*L); end fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u,M(m+1,3); fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+1,M(m+1,4); fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u

16、+2,M(m+1,1); fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+3,M(m+1,2);endstem(M,.);title(alpha=0.3时的采样结果);%*%（2）alpha=0.5时的程序i=0;j=0;for t=-2.75:0.25:3i=i+1;h(i)=(sinc(t)*cos(0.5*pi*t)/(1-1*t*t+eps);endR=zeros(64,4);L=0;S=0;for m=0:63 j=j+1; a=dec2base(m,2,6); a=a-48; a=2*a-1; a=a(1),0,0,0,a(2),0,0,0,a(3),0,0,0,a(4),

17、0,0,0,a(5),0,0,0,a(6),0,0,0; e=conv(a,h); for k=1:4 R(j,k)=e(20+k); if(LR(j,k) S=R(j,k); end end endendfigure,stem(h);title(alpha=0.5时的升余弦);figure,stem(e);title(alpha=0.5时的卷积结果);M=zeros(64,4);for m=0:63 u=4.*m; j=j+1; a=dec2base(m,2,6); a=a-48; a=2*a-1; a=a(1),0,0,0,a(2),0,0,0,a(3),0,0,0,a(4),0,0,0,

18、a(5),0,0,0,a(6),0,0,0; e=conv(a,h); for n=1:4 M(m+1,n)=round(e(20+n)+L)*255./(2*L); end fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u,M(m+1,3); fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+1,M(m+1,4); fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+2,M(m+1,1); fprintf(8d%d:d_out=8d%d;n,u+3,M(m+1,2);endstem(M,.);title(alpha=0.5时的采样结果);PART2：m序列调制主程序（1）al

19、pha=0.3时的程序module bpsk(clk,m_out,spab,d_out,fs_clk,m_clk);input clk;output spab;output reg fs_clk;output reg m_clk;output reg m_out;output reg7:0 d_out;reg5:0 fs_cnt;reg3:0 m; reg1:0 m_cnt;reg5:0 mreg;reg7:0 addr;reg1:0 help;assign spab=0;/采样时钟fs_clk=112kHzalways (posedge clk)begin if(fs_cnt=6d63) b

20、egin fs_clk=fs_clk; fs_cnt=6d0; end else fs_cnt=fs_cnt+6d1;end/码元输出时钟m_clk=28kHzalways (posedge fs_clk)begin if(m_cnt=2d1) begin m_clk=m_clk; m_cnt=2d0; end else m_cnt=m_cnt+2d1;end/m序列产生always (posedge m_clk)begin if(m=4b0000) m=4b1111; else begin m0=m0m3; m3:1=m2:0; m_out=m3; endend/6个码元存入寄存器alway

21、s (posedge m_clk)begin mreg5:1=mreg4:0; mreg0=m_out;end/ 辅助寄存器，同步计数always (posedge fs_clk)begin if(help=2d3) help=2d0; else help=help+2d1;end/升余弦滤波always (posedge fs_clk)begin addr7:2=mreg5:0; addr1:0=help1:0; case(addr)8d0:d_out=8d52;8d1:d_out=8d54;8d2:d_out=8d52;8d3:d_out=8d51;8d4:d_out=8d61;8d5:d

22、_out=8d54;8d6:d_out=8d58;8d7:d_out=8d62;8d8:d_out=8d29;8d9:d_out=8d54;8d10:d_out=8d38;8d11:d_out=8d26;8d12:d_out=8d38;8d13:d_out=8d54;8d14:d_out=8d44;8d15:d_out=8d36;8d16:d_out=8d183;8d17:d_out=8d201;8d18:d_out=8d94;8d19:d_out=8d143;8d20:d_out=8d193;8d21:d_out=8d201;8d22:d_out=8d100;8d23:d_out=8d153

23、;8d24:d_out=8d160;8d25:d_out=8d201;8d26:d_out=8d80;8d27:d_out=8d117;8d28:d_out=8d170;8d29:d_out=8d201;8d30:d_out=8d85;8d31:d_out=8d128;8d32:d_out=8d94;8d33:d_out=8d54;8d34:d_out=8d183;8d35:d_out=8d143;8d36:d_out=8d103;8d37:d_out=8d54;8d38:d_out=8d189;8d39:d_out=8d153;8d40:d_out=8d71;8d41:d_out=8d54;

24、8d42:d_out=8d169;8d43:d_out=8d117;8d44:d_out=8d80;8d45:d_out=8d54;8d46:d_out=8d175;8d47:d_out=8d128;8d48:d_out=8d225;8d49:d_out=8d201;8d50:d_out=8d225;8d51:d_out=8d234;8d52:d_out=8d235;8d53:d_out=8d201;8d54:d_out=8d231;8d55:d_out=8d244;8d56:d_out=8d202;8d57:d_out=8d201;8d58:d_out=8d211;8d59:d_out=8d

25、208;8d60:d_out=8d211;8d61:d_out=8d201;8d62:d_out=8d217;8d63:d_out=8d219;8d64:d_out=8d38;8d65:d_out=8d54;8d66:d_out=8d29;8d67:d_out=8d26;8d68:d_out=8d47;8d69:d_out=8d54;8d70:d_out=8d35;8d71:d_out=8d36;8d72:d_out=8d15;8d73:d_out=8d54;8d74:d_out=8d15;8d75:d_out=8d0;8d76:d_out=8d24;8d77:d_out=8d54;8d78:

26、d_out=8d20;8d79:d_out=8d11;8d80:d_out=8d169;8d81:d_out=8d201;8d82:d_out=8d71;8d83:d_out=8d117;8d84:d_out=8d178;8d85:d_out=8d201;8d86:d_out=8d77;8d87:d_out=8d128;8d88:d_out=8d146;8d89:d_out=8d201;8d90:d_out=8d56;8d91:d_out=8d91;8d92:d_out=8d155;8d93:d_out=8d201;8d94:d_out=8d62;8d95:d_out=8d102;8d96:d

27、_out=8d80;8d97:d_out=8d54;8d98:d_out=8d160;8d99:d_out=8d117;8d100:d_out=8d89;8d101:d_out=8d54;8d102:d_out=8d166;8d103:d_out=8d128;8d104:d_out=8d56;8d105:d_out=8d54;8d106:d_out=8d146;8d107:d_out=8d91;8d108:d_out=8d66;8d109:d_out=8d54;8d110:d_out=8d152;8d111:d_out=8d102;8d112:d_out=8d211;8d113:d_out=8d201;8d114:d_out=8d202;8d115:d_out=8d