數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗

1、武漢大學(xué)教學(xué)實(shí)驗報告電子信息學(xué)院 * 專業(yè) 2016 年 * 月 * 日 實(shí)驗名稱 數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗 指導(dǎo)教師 * 姓名 * 年級 14級 學(xué)號 20143012* 成績 一、 預(yù)習(xí)部分1. 實(shí)驗?zāi)康?. 實(shí)驗基本原理3. 主要儀器設(shè)備（含必要的元器件、工具）一 實(shí)驗?zāi)康?掌握FSK（ASK）調(diào)制器的工作原理及性能測試；2掌握FSK（ASK）鎖相解調(diào)器工作原理及性能測試；3. 學(xué)習(xí)基于軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)FSK（ASK）調(diào)制、解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法。4. 掌握PSK DPSK調(diào)制解調(diào)的工作原理及性能要求； 5. 進(jìn)行PSK DPSK調(diào)制、解調(diào)實(shí)驗，掌握相干解調(diào)原理和載波同步方法； 6. 理解PSK相位模

2、糊的成因，DSPK實(shí)現(xiàn)方法。7掌握多進(jìn)制調(diào)制的方法；8掌握QPSK調(diào)制特性，了解QPSK解調(diào)方法。二 實(shí)驗基本原理實(shí)驗一：ASK/FSK調(diào)制解調(diào)數(shù)字頻率調(diào)制是數(shù)據(jù)通信中使用較早的一種通信方式。由于這種調(diào)制解調(diào)方式容易實(shí)現(xiàn)，抗噪聲和抗群時延性能較強(qiáng)，因此在無線中低速數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。（一）FSK調(diào)制電路工作原理FSK的調(diào)制模塊采用了可編程邏輯器件和D/A轉(zhuǎn)換器件的軟件無線電結(jié)構(gòu)模式，由于調(diào)制算法采用了可編程的邏輯器件完成，因此該模塊不僅可以完成ASK，F(xiàn)SK調(diào)制，還可以完成PSK，DPSK，QPSK，OQPSK等調(diào)制方式。不僅如此，由于該模塊具備可編程的特性，學(xué)生還可以基于

3、該模塊進(jìn)行二次開發(fā)，掌握調(diào)制解調(diào)的算法過程。在學(xué)習(xí)ASK，F(xiàn)SK調(diào)制的同時，也希望學(xué)生能意識到，技術(shù)發(fā)展的今天，早期的純模擬電路調(diào)制技術(shù)正在被新興的技術(shù)所替代，因此學(xué)習(xí)應(yīng)該是一個不斷進(jìn)取的過程。圖1 FSK調(diào)制電路原理框圖圖1中，基帶數(shù)據(jù)時鐘和數(shù)據(jù)，通過JCLK和JD兩個鉚孔輸入到可編程邏輯器件中，由可編程邏輯器件根據(jù)設(shè)置的工作模式，完成ASK或FSK的調(diào)制，因為可編程邏輯器件為純數(shù)字運(yùn)算器件，因此調(diào)制后輸出需要經(jīng)過D/A器件，完成數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過模擬電路對信號進(jìn)行調(diào)整輸出，加入射隨器，便完成了整個調(diào)制系統(tǒng)。在二進(jìn)制頻移鍵控中，幅度恒定不變的載波信號的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱

4、為高音和低音，代表二進(jìn)制的1 和0）。通常，F(xiàn)SK 信號的 表達(dá)式為：其中f 代表信號載波的恒定偏移。 FSK 的信號頻譜如圖2 所示。圖2 FSK 的信號頻譜FSK 信號的傳輸帶寬Br，由Carson 公式給出：,其中B 為數(shù)字基帶信號的帶寬。假設(shè)信號帶寬限制在主瓣范圍，矩形脈沖信號的帶寬B=R。因此，F(xiàn)SK 的傳輸帶寬變?yōu)椋?。（二）FSK解調(diào)電路工作原理圖3 FSK鎖相環(huán)解調(diào)器原理示意圖FSK解調(diào)采用鎖相解調(diào)，鎖相解調(diào)的工作原理是十分簡單的，只要在設(shè)計鎖相環(huán)時，使它鎖定在FSK的一個載頻上，此時對應(yīng)的環(huán)路濾波器輸出電壓為零，而對另一載頻失鎖，則對應(yīng)的環(huán)路濾波器輸出電壓不為零，那末在鎖相環(huán)路

5、濾波器輸出端就可以獲得原基帶信號的信息。FSK鎖相環(huán)解調(diào)器原理圖如圖3所示。FSK鎖相解調(diào)器采用集成鎖相環(huán)芯片MC4046。其中，壓控振蕩器的頻率是由5C2.5R3.5R4.5U3等元件參數(shù)確定，中心頻率設(shè)計在32KHz左右，并可通過調(diào)節(jié)5U3電位器進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)輸入信號為32KHz時，環(huán)路鎖定，經(jīng)形成電路后，輸出高電平；當(dāng)輸入信號為16KHz時，環(huán)路失鎖，經(jīng)形成電路后，輸出低電平，則在解調(diào)器輸出端就得到解調(diào)的基帶信號序列。實(shí)驗二：PSK/DPSK調(diào)制解調(diào)1.PSK、DPSK調(diào)制電路工作原理PSK/DPSK調(diào)制有“信道編碼與頻帶調(diào)制”模塊完成，該模塊基于FPGA和DA芯片，采用軟件無線電的方式實(shí)

6、現(xiàn)頻帶調(diào)制?？紤]到PSK調(diào)制存在相位模糊問題，模塊可對輸入的基帶信號進(jìn)行相對碼和絕對碼轉(zhuǎn)換。PSK，DPSK調(diào)制原理框圖如下如所示：圖4 PSK、DPSK調(diào)制電路原理框圖圖4中，基帶數(shù)據(jù)JD和時鐘JCLK，通過4P5和4P6兩個鉚孔輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA軟件完成PSK和DPSK的調(diào)制后，再經(jīng)DA數(shù)模轉(zhuǎn)換即可輸出相位鍵控信號。2相位鍵控解調(diào)電路工作原理二相PSK(DPSK)解調(diào)器電路采用科斯塔斯環(huán)(Constas環(huán))解調(diào)，其原理如圖5所示。圖5 解調(diào)器原理方框圖1）解調(diào)信號輸入電路輸入電路由射隨器和比較器組成，射隨器是為了發(fā)送（調(diào)制器）和接收（解調(diào)器）電路之間的隔離，從而使它們工作互不影響。

7、比較電路是將正弦信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，目的是便于控制科斯塔斯特環(huán)中的乘法器。由于跟隨器電源電壓為5V，因此輸入的PSK已調(diào)波信號幅度不能太大，一般控制在1.8V左右，否則會產(chǎn)生波形失真。2）科斯塔斯環(huán)提取載波原理（原理中標(biāo)號參見原理圖）PSK采用科斯塔斯特環(huán)解調(diào)，科斯塔斯特環(huán)方框原理如圖6所示。圖6 科斯塔斯特環(huán)電路方框原理如圖解調(diào)輸入電路的輸出信號被加到模擬門5U6C和5U6D構(gòu)成的乘法器，前者為正交載波乘法器，相當(dāng)于圖10-3中的乘法器2，后者為同相載波乘法器，相當(dāng)于框圖中乘法器1。5U7A,5U7B周邊電路為低通濾波器。5U8，5U9為判決器，它的作用是將低通濾波后的信號整形，變成方波信號

8、。PSK解調(diào)信號從5U8的7腳經(jīng)5U11B.C兩非門后輸出。異或門5U10A起模2加的作用，5U11E為非門,若5U10A兩輸入信號分別為A和B，因（A、B同為0除外，因A與B正交，不會同時為0）因此異或門與非門合在一起，起乘法器作用，它相當(dāng)于圖10-3框圖中的乘法器3。5U12為壓控振蕩器（VCO），74LS124為雙VCO，本電路僅使用了其中一個VCO，環(huán)路濾波器是由5R26.5R29.5C20組成的比例低通濾波器，VCO控制電壓經(jīng)環(huán)路低通濾波器加到芯片的2腳，5C19為外接電容，它確定VCO自然諧振頻率。5U13數(shù)字電位器用于頻率微調(diào)，5D02，5E2用來穩(wěn)壓，以便提高VCO的頻率穩(wěn)定度

9、。VCO信號從7腳經(jīng)5C21輸出至移相90º電路。Å=科斯塔斯特環(huán)中的90º移相電路若用模擬電路實(shí)現(xiàn)。則很難準(zhǔn)確移相90º，并且相移隨頻率改變而變化。圖10-2電路中采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。非門5U11F，D觸發(fā)器5U14A.B及周圍電路組成數(shù)字90º移相器。由于D觸發(fā)器有二分頻作用。所以VCO的鎖定頻率應(yīng)為2fc，即VCO輸出2048KHZ方波，其中一路直接加到5U14A D觸發(fā)器，另一路經(jīng)5U11F反相再加到5U11B D觸發(fā)器，兩觸發(fā)器均為時鐘脈沖正沿觸發(fā)，由于38U08A的與兩D觸發(fā)器的D端連接。而D觸發(fā)器Q端輸出總是為觸發(fā)時鐘到來前D端狀態(tài)

10、，根據(jù)觸發(fā)器工作原理和電路連接關(guān)系，數(shù)字90º移相電路的相位波形圖如7所示。q圖7 90度數(shù)字移相器的波形圖從圖看出，載波一超前載波二90度，并且頻率為1024KHZ，因此載波一為同相載波，載波二為正交載波。由于科斯塔斯特環(huán)存在相位模糊，解調(diào)器可能會出現(xiàn)反向工作。實(shí)驗三：QPSK/OQPSK調(diào)制解調(diào)1.QPSK 調(diào)制解調(diào)BPSK 是用兩種相位(0,)來表示兩種信息，而四相移相鍵控（QPSK）是利用載波的四個不同相位來表征數(shù)字信息，每一個載波相位代表兩個比特的信息。因此對于輸入的二進(jìn)制數(shù)字序列應(yīng)該先進(jìn)行分組。將每兩個比特編為一組，采用相應(yīng)的相位來表示。當(dāng)初始相位取0 時，四種不同的相位

11、為：0, /2, ,3/2 分別表示數(shù)字信息：11、01、00、10；當(dāng)初始相位為/4時，四種不同的相位為：/4、3/4、5/4、7/ 4分別表示11、01、00、10。這兩種QPSK 信號可以通過圖8的矢量圖來表征。圖8 QPSK信號的矢量圖表示QPSK信號可以表示為：，其中I(t)稱為同相分量，Q(t)稱為正交分量。根據(jù)上式可以得到QPSK正交調(diào)制器的方框圖，如圖9所示。圖9 QPSK系統(tǒng)調(diào)制器原理框圖從圖9可以看出，QPSK調(diào)制器可以看作為兩個BPSK調(diào)制器構(gòu)成，輸入的二進(jìn)制信息序列經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，分成兩路速率減半的序列I(t)和Q(t)，然后對cost和sint進(jìn)行調(diào)制，相加后即可得到Q

12、PSK信號。經(jīng)過串并變換之后的兩個支路，一路為單數(shù)碼元，另一路是偶數(shù)碼元，這兩個支路為正交，一個稱為同相支路，即I支路，另一個稱為正交支路，即Q支路。QPSK信號可以采用兩個正交的載波信號實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)。通過載波恢復(fù)電路，產(chǎn)生相干載波，分別將同相載波和正交載波提供給同相支路和正交支路的相關(guān)器，經(jīng)過積分、判決和并串轉(zhuǎn)換，即可恢復(fù)原來的二進(jìn)制信息。QPSK解調(diào)框圖如圖10所示。圖10 QPSK相干解調(diào)框圖2. OQPSK調(diào)制解調(diào)原理偏移四相相移鍵控（OQPSK）是另外一種四相相移鍵控。將QPSK調(diào)制框圖中的正交支路信號偏移TS/2，其他不變，即可得到OQPSK 信號。將正交支路信號偏移TS/2 的結(jié)

13、果是消除了已調(diào)信號中突然相移的現(xiàn)象。每個TS/2 信號只可能發(fā)生±/2 的變化。QPSK 和OQPSK信號的相位轉(zhuǎn)移圖如圖11所示。圖11 相位轉(zhuǎn)移圖如上圖所示，采用OQPSK 調(diào)制后，相位轉(zhuǎn)移圖中的信號點(diǎn)只能沿著正方形四邊移動，故相位只能發(fā)生/2 的變化。相位跳變小，所以頻譜特性要比QPSK 的好。圖12 OQPSK調(diào)制器和相干解調(diào)器框圖三 主要儀器設(shè)備1 RZ9681實(shí)驗平臺2實(shí)驗?zāi)K： 主控模塊 基帶信號產(chǎn)生與碼型變換模塊A2 信道編碼與頻帶調(diào)制模塊A4 糾錯譯碼與頻帶解調(diào)模塊A53100M雙通道示波器4PC機(jī)（二次開發(fā)）二、 實(shí)驗操作部分1. 實(shí)驗數(shù)據(jù)、表格及數(shù)據(jù)處理2. 實(shí)

14、驗操作過程（可用圖表示）3. 實(shí)驗結(jié)論一 實(shí)驗數(shù)據(jù)、表格及數(shù)據(jù)處理實(shí)驗一：ASK/FSK調(diào)制解調(diào)a.基帶數(shù)據(jù)設(shè)置與觀測 b.ASK調(diào)制信號觀測c.載波頻率為16kHz d.載波頻率為20kHz e.載波頻率為48kHzf.全0時信號頻率32kHz g.全1時信號頻率16kHzh.FSK調(diào)制信號時域觀測 i. FSK調(diào)制信號頻域觀測 j. FSK解調(diào)觀測實(shí)驗二：PSK/DPSK調(diào)制解調(diào)k.DPSK調(diào)制信號觀測 l.DPSK解調(diào) m.相位反轉(zhuǎn)實(shí)驗三：QPSK/OQPSK調(diào)制解調(diào)n.QPSK調(diào)制相位觀察 o.OQPSK調(diào)制相位觀察二 實(shí)驗操作過程* 測量點(diǎn)說明1.主控模塊 4.糾錯譯碼與頻帶解調(diào)模塊

15、2.基帶產(chǎn)生與碼型變換模塊 5P1：解調(diào)信號輸入l 2P1：基帶數(shù)據(jù)輸出； 5P6：解調(diào)數(shù)據(jù)輸出l 2P3：基帶時鐘輸出； 5TP3：本地載波輸出3.信道編碼與頻帶調(diào)制模塊 5. 信道編碼與調(diào)制模塊狀態(tài)指示l 4P5：調(diào)制數(shù)據(jù)輸入； 6.糾錯譯碼與解調(diào)模塊狀態(tài)指示l 4P6：調(diào)制數(shù)據(jù)時鐘輸入；l 4P9：FSK（ASK）調(diào)制輸出；實(shí)驗一：ASK/FSK調(diào)制解調(diào)1.實(shí)驗?zāi)K在位檢查在關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，確認(rèn)下列模塊在位： 基帶產(chǎn)生與碼型變換模塊A2； 信道編碼與頻帶調(diào)制模塊A4； 糾錯譯碼與頻帶解調(diào)模塊A5；2.信號線連接：用鼠標(biāo)在液晶上選擇“數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗”中“ASK/FSK調(diào)制解調(diào)”，按

16、圖連線。注：流程圖中：“基帶設(shè)置”用于改變調(diào)制數(shù)據(jù)“載波頻率”用于改變FSK調(diào)制的中心頻率，默認(rèn)fc=24KHZ,；“頻率分離”用于改變FSK頻偏，默認(rèn)f=8KHZ；3.加電打開系統(tǒng)電源開關(guān)，A2.A4和A5模塊右上角紅色電源指示燈亮，幾秒后A2.A4和A5模塊左上角綠色運(yùn)行指示燈開始閃爍，說明模塊工作正常。若兩個指示燈工作不正常，需關(guān)電查找原因。4.ASK調(diào)制信號觀察：選擇ASK實(shí)驗，按圖9-5連接線路，示波器一個通道測基帶信號2TP1，并用基帶信號作示波器同步源；用示波器另一個通道觀測研究4TP9調(diào)制信號，分析ASK調(diào)制信號特性；5.FSK兩個載波觀察：按圖9-4上“基帶設(shè)置”按鈕，基帶碼

17、型選“16位設(shè)置數(shù)據(jù)”，分別設(shè)置成全“1”和全“0”，用示波器觀測4TP9，讀出信號頻率；調(diào)整“載波頻率”和“頻率分離”再觀測4TP9載波信號；6.FSK調(diào)制信號觀察：在實(shí)驗步驟5的基礎(chǔ)上，改變基帶信號（隨機(jī)碼或16位設(shè)置數(shù)據(jù)，速率2K），示波器一個通道測基帶信號2TP1，并用基帶信號作示波器同步源；用示波器另一個通道觀測研究4TP9調(diào)制信號，分析FSK調(diào)制信號特性；7.FSK解調(diào)接實(shí)驗步驟6，示波器一個通道測4TP5（作同步源），另一通道測解調(diào)信號5TP6，左右旋轉(zhuǎn)模塊右下角編碼開關(guān)，使5TP6的信號和4TP5信號基本一致即實(shí)現(xiàn)FSK（ASK）解調(diào)；8.基帶速率與FSK調(diào)制帶寬改變基帶信號速

18、率為4K或8K，按實(shí)驗步驟7，觀測FSK能否解調(diào)9.關(guān)機(jī)拆線：實(shí)驗結(jié)束，關(guān)閉電源，拆除信號連線，并按要求放實(shí)驗附件。實(shí)驗二：PSK/DPSK調(diào)制解調(diào)1.實(shí)驗?zāi)K在位檢查在關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，確認(rèn)下列模塊在位： 基帶產(chǎn)生與碼型變換模塊A2； 信道編碼與頻帶調(diào)制模塊A4； 糾錯譯碼與頻帶解調(diào)模塊A5；2.信號線連接：用鼠標(biāo)在液晶上選擇PSK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗，按圖連接信號線注：流程圖中：“基帶設(shè)置”用于改變調(diào)制數(shù)據(jù)“載波頻率”用于改變PSK調(diào)制的載波頻率，默認(rèn)fc=1024KHZ；旋轉(zhuǎn)頻率度盤可以改變載波頻率；解調(diào)輸出選擇：PSK科斯塔斯特環(huán)中只有PSK和本地載波同相或反相的那路才能解出基帶數(shù)據(jù)，正交

19、的那路不能解出基帶數(shù)據(jù)，實(shí)驗時我們可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊環(huán)路左側(cè)的兩個乘號選擇進(jìn)入抽樣判決電路的信號；相位模糊觀測：鼠標(biāo)點(diǎn)擊“VCO”按鈕，相干載波會反相，輸出數(shù)據(jù)也會反相3.加電打開系統(tǒng)電源開關(guān)，A2.A4和A5模塊右上角紅色電源指示燈亮，幾秒后A2.A4和A5模塊左上角綠色運(yùn)行指示燈開始閃爍，說明模塊工作正常。若兩個指示燈工作不正常，需關(guān)電查找原因。4.PSK或DPSK調(diào)制信號觀察設(shè)置基帶數(shù)據(jù)為隨便機(jī)碼或設(shè)置數(shù)據(jù)，用示波器一個通道觀測基帶數(shù)據(jù)4TP5，用4TP5信號作同步；另一個通道觀測PSK調(diào)制信號4TP9。研究PSK或DSPK載波相位和基帶的對應(yīng)關(guān)系；5.PSK解調(diào)用示波器一個通道觀測基帶數(shù)據(jù)

20、4TP5，用4TP5信號作同步；另一個通道觀測PSK解調(diào)信號5TP6，左右旋轉(zhuǎn)模塊右下角編碼開關(guān)，使5TP6的信號和4TP5信號基本一致即實(shí)現(xiàn)PSK（DPSK）解調(diào)；如果旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)不起作用，可切換相干解調(diào)的另一路作為解調(diào)輸出（方法見圖10-5注）。判決信號觀察：用示波器一個通道觀測基帶數(shù)據(jù)4TP5，用4TP5信號作同步；另一個通道觀測5TP2，左右旋轉(zhuǎn)模塊右下角編碼開關(guān)，使5TP2的信號最清晰；這時用觀測5TP2的通道測5TP6，看解調(diào)輸出是否正常；6.PSK相位模糊觀察PSK解調(diào)時如果本地載波和調(diào)制信號反相，則輸出的基帶數(shù)據(jù)也會反相，這就是相位模糊。實(shí)驗時我們用示波器一個通道觀測基帶數(shù)據(jù)4

21、TP5，用4TP5信號作同步；另一個通道觀測5TP6，正常解調(diào)時觀察兩個通道信號是否反相，如果反相說明有相位模糊，可通過改變載波相位消除相位模糊（方法見圖10-5注）。7.DPSK調(diào)制解調(diào)采用DPSK調(diào)制解調(diào)時，輸入的基帶數(shù)據(jù)首先進(jìn)行相對碼轉(zhuǎn)換，解調(diào)完后再轉(zhuǎn)成絕對碼，實(shí)驗方法同4和5，點(diǎn)擊“VCO”按鈕，觀測5TP6和4TP5相位關(guān)系；8.（D）PSK信道誤碼測試，點(diǎn)擊圖10-6右上解“！”圖標(biāo)，系統(tǒng)可調(diào)出誤碼儀功能，如圖：選擇誤碼儀，設(shè)置碼型、速率等，將5P6解調(diào)數(shù)據(jù)輸出到2P8誤碼數(shù)據(jù)輸入，啟動誤碼測試（見第一部分模塊介紹中誤碼儀使用），實(shí)驗三：QPSK/OQPSK調(diào)制解調(diào)1.實(shí)驗?zāi)K在位檢查在關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，確認(rèn)下列模塊在位： 基帶產(chǎn)生與碼型變換模塊A2； 信道編碼與頻帶調(diào)制模塊A4； 糾錯譯碼與頻帶解調(diào)模塊A5；2.信號線連接：用鼠標(biāo)在液晶上選擇PSK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗，按圖連接信號線注：流程圖中：“基帶設(shè)置”用于改變調(diào)制數(shù)據(jù)“載波頻率”用于改變PSK調(diào)制的載波頻率，缺省fc=128KHZ；旋轉(zhuǎn)頻率度盤可以改變載波頻率；3.加電打開系統(tǒng)電源開關(guān)，A2.A4和A5模塊右上角紅色電源指示燈亮，幾秒后A2.A4和A5模塊左上角綠色