數(shù)字通信原理實驗三DPSK調(diào)制解調(diào)實驗

1、數(shù)字通信原理實驗報告實驗三DPSK調(diào)制解調(diào)實驗學院 計算機與電子信息學院 專業(yè) 班級 姓名 學號 指導教師 實驗報告評分：_ 實驗三 DPSK調(diào)制、解調(diào)實驗一、實驗目的1. 加深對DPSK調(diào)制原理的理解及其硬件實現(xiàn)方法2. 進一步了解DPSK解調(diào)原理各種鎖相環(huán)解調(diào)的特性，掌握同相正交環(huán)的解調(diào)原理及其硬件實現(xiàn)方法3. 加深對載波提取電路相位模糊度的理解4. 加深對眼圖幾個主要參數(shù)的認識二、實驗內(nèi)容1. DPSK調(diào)制實驗1) 載波、時鐘信號實驗 4) DPSK調(diào)制實驗2) 偽隨機基帶信號源實驗3) 差分編碼實驗2. DPSK解調(diào)實驗1) 同相正交環(huán)解調(diào)DPSK實驗 4) 基帶信號解調(diào)、相位鎖定實驗

2、2) 壓控振蕩器實驗 5) 基帶信號判決實驗3) 載波900相移實驗 6) 差分譯碼實驗3. DPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實驗1) 同步帶測量實驗 4) DPSK調(diào)制解調(diào)眼圖實驗2) 捕捉帶測量實驗3) 載波提取鎖相環(huán)相位模糊度實驗4. 學生常犯的測量錯誤三、實驗原理和電路說明1. 調(diào)制2DPSK系統(tǒng)的調(diào)制部分框圖如圖3.2所示，原理電路示于圖3.1。下面分幾部分說明。1.1 M序列發(fā)生器實際的數(shù)字基帶信號是隨機的，為了實驗和測試方便，一般都是用M序列發(fā)生器產(chǎn)生一個偽隨機序列來充當數(shù)字基帶信號源。按照本原多項式組成的五級線性移2DPSK P2 P3 P6 P1 P5圖3.2 2DPSK調(diào)制部分框圖位寄

3、存器，就可得到31位碼長的M序列。碼元定時與載波的關系可以是同步的，以便清晰觀察碼元變化時對應調(diào)制載波的相位變化；也可以是異步的，因為實際的系統(tǒng)都是異步的。本實驗的M序列由IC3、1C4、IC5、IC6產(chǎn)生，碼元速率為lMb/s。1.2 相對調(diào)相和絕對移相移相鍵控分為絕對移相和相對移相兩種。以未調(diào)載波的相位作為基準的相位調(diào)制叫作絕對移相。以二進制調(diào)相為例:取碼元為“1”時，調(diào)制后載波與未調(diào)載波反相；取碼元為“0”時，調(diào)制后載波與未調(diào)載波同相；“1”和“0”時調(diào)制后載波相位差1800。 絕對移相的波形如圖3.3所示。在同步解調(diào)的PSK系統(tǒng)中，由于收端載波恢復存在相位含糊的問題，即恢復的載波可能與

4、未調(diào)載波同相，也可能反相，以至使解調(diào)后的信碼出現(xiàn)“0”、“1”倒置，發(fā)送為“1”碼，解調(diào)后得到“0”碼；發(fā)送為“0”碼，解調(diào)后得到“1”碼。這是我們所不希望的，為了克服這種現(xiàn)象，人們提出了相對移相方式。相對移相的調(diào)制規(guī)律是：每一個碼元的載波相位不是以固定的未調(diào)載波相位作基準的，而是以相鄰的前一個碼元的載波相位來確定其相位的取值。例如，當某一碼元取“1”時，它的載波相位與前一碼元的載波反相；碼元取“0”時，它的載波相位與前一碼元的載波同相。相對移相的波形如圖3.4所示。圖3.3 絕對移相的波形示意圖在一般情況下，相對移相可以通過對信碼進行變換和絕對移相來實現(xiàn)。將信碼經(jīng)過差分編碼變換成新的碼組一相

5、對碼，再利用相對碼對載波進行絕對移相，使輸出的己調(diào)載波相位滿足相對移相的相位關系。設絕對碼為an，相對碼為bn，則二相差分編碼的邏輯關系為: (1)差分編碼的功能可由一個模二和電路和一級移位寄存器組成。本實驗用IC6: A和IC8完成。調(diào)相電路可由模擬相乘器實現(xiàn)，也可由數(shù)字電路實現(xiàn)。實驗中的調(diào)相電路是由數(shù)字選擇器(74LS153)完成的。當2腳和14腳同時為高電平時，7腳輸出與3腳輸入的0相載波相同；當2腳和14腳同時為低電平時，7腳輸出與6腳輸入的相載波相同。這樣就完成了差分信碼對載波的相位調(diào)制。圖3.5示出了一個數(shù)字序列的相對移相的過程。圖3.4 相對移動的波形示意圖圖3.5 絕對碼實現(xiàn)相

6、對移相的過程對應于差分編碼，在解調(diào)中有一差分譯碼。差分譯碼的邏輯為: (2) 本實驗由IC9、IC10完成。將(1)式代人(2)式，得這樣，經(jīng)差分譯碼后就恢復了原始的發(fā)碼序列。1.3數(shù)字調(diào)相器的主要指標在設計與調(diào)整一個數(shù)字調(diào)相器對，主要考慮的性能指標是調(diào)相誤差和寄生調(diào)幅。（1）調(diào)相誤差由于電路不理想，往往引進附加的相移，使調(diào)相器輸出信號的載波相位取值為00及1800+，我們把這個偏離的相角稱為調(diào)相誤差。調(diào)相器的調(diào)相誤差相當于損失了有用信號的能量。(2)寄生調(diào)幅理想的二相相位調(diào)制器，當數(shù)碼取“0”或“1”時，其輸出信號的幅度應保持不變，即只有相位調(diào)制而沒有附加幅度調(diào)制。但由于調(diào)制器的特性不均勻及

7、脈沖高低電平的影響，使得“0”碼和“1”碼的輸出信號的幅度不等。設“0”碼和“1”碼所對應的輸出信號幅度分別為Uom及Uim，則寄生調(diào)幅為:2解調(diào)2PSK系統(tǒng)的解調(diào)部分框圖如圖3.6所示，原理電路如圖3.7所示。2.1 同相正交環(huán)絕大多數(shù)二相PSK信號采用對稱的移相鍵控，因而在碼元1、0等概條件下都是抑載波的，即在調(diào)制信號的頻譜中不含載波線譜，這樣就無法用窄帶濾器從調(diào)制信號中直接提取參考相位載波。對于PSK而言，只要用某種非線性處理的方法去掉相位調(diào)制，就能產(chǎn)生與載波有一定關系的分量，恢復出同步解調(diào)所需要的參考相位載波，實現(xiàn)對被抑制掉的載波進行跟蹤。 從PSK信號中提取載波的常用方法是采用載波跟

8、蹤鎖相環(huán)，如平方環(huán)、同相正交環(huán)、逆調(diào)制環(huán)和判決反饋環(huán)等。這幾種鎖相環(huán)的性能特點列于表1中。本實驗采用同相正交環(huán)。同相正交環(huán)又叫科斯塔斯（Costas）環(huán)。實驗原理如圖3.7所示。在這種環(huán)路里，誤差信號是由兩個鑒相器提供的。壓控振蕩器(VCO)給出兩路相互正交的載波到鑒相器。輸入的2PSK信號經(jīng)鑒相后在由低通濾波器濾除載波頻率以上的高頻分量，得到基帶信號Ud1、Ud2，這時的基帶信號包含著碼元信號，無法對壓控振蕩器(VCO)進行控制。將Ud1和Ud2經(jīng)過基帶模擬相乘器相乘，就可以去掉碼元信息，得到反應VCO輸出信號與輸入載波間相位差的控制電壓。表1 幾種鎖相環(huán)的性能特點鎖相環(huán)特性平方環(huán)同相正交環(huán)

9、逆調(diào)制環(huán)判決反饋環(huán)環(huán)路工作頻率f2f0ff0ff0ff0等效鑒相特性正弦正弦近似距形近似距形解調(diào)能力無有有有電路復雜程度鑒相器工作頻率高需用基帶模擬相乘器需用二次調(diào)制器需用基帶模擬調(diào)制器2.2集成電路壓控振蕩器(IC-VCO)壓控振蕩器(VCO)是鎖相環(huán)的關鍵部件，它的頻率調(diào)節(jié)和壓控靈敏度決定于鎖相環(huán)的跟蹤性能。實驗電路采用一種集成電路的壓控振蕩器74S124。集成片配以簡單的外部元件并加以適當調(diào)整，即可得到令人滿意的結(jié)果。如圖3.8所示。 集成片的每一個振蕩器都有兩個電壓控制端，Vr用于控制頻率范圍(14腳)，Vf用于控制頻率范圍調(diào)節(jié)(1腳)。外接電容器Cext用于選擇振蕩器的中心頻率。當V

10、r和Vf取值適當，振蕩器的工作正常時，振蕩器的頻率f0與Cext的關系近似為: f0與Cext 的關系曲線如圖3.9所示。當固定Cext時，Vr與Vf有確定的函數(shù)關系。以Vr=Vf=2V時的輸出頻率f0為歸一化頻率單位，由實驗數(shù)據(jù)可畫出以Vr為參變量時歸一化頻率fn隨Vr的變化曲線如圖3.10所示。由圖3.lO的曲線可以看出，隨Vr的增大，VCO的壓控靈敏度和線性范圍都在增大。選取適當?shù)腣r值和Cext值，將誤差電壓經(jīng)線性變換后充當控制電壓Vf，這樣就可實現(xiàn)由誤差電壓控制VCO。當時，一組典型的實驗數(shù)據(jù)為,，這時Vr在2.8V左右移動。2.3單片集成雙平衡模擬相乘器圖3.8 ICVCO使用實例

11、2.3 MC1496/MC1596(F1496/F1596、XD-5202)(a)電路說明MC1496/MC1596雙平衡模擬相乘器習慣上又稱為平衡調(diào)制 - 解調(diào)器，它是單片集成雙平衡模擬相乘器中有代表性的產(chǎn)品之一。國內(nèi)同類產(chǎn)品有F1496/F1596、XD-5202等，國外同類產(chǎn)品還有LM1496/LM1596、SG1496/SG1596等。MC1496是00C一700C民用溫度范圍產(chǎn)品，MCl596是-550C-+1250C軍用溫度范圍產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有極好的載波抑制能力(0.5MHZ時為一65dB；10MHZ時為-50dB)、高的共模抑制比(-85dB)，平衡輸入、輸出和方便的增益調(diào)整與信

12、號處理等優(yōu)點。其電路如圖5-1所示，與改進的雙平衡模擬相乘器相比較，電路是相同的，僅恒流源用晶體管Q7和Q8代替，二極管D與500電阻構(gòu)成Q7、Q8的偏置電路。負載電阻接在、兩端，反饋電阻RY接在、兩端，起展寬輸入信號的線性動態(tài)范圍和調(diào)整電路增益的作用。(b)參數(shù)選擇1載波電平Ux選擇 因為載波抑制比與載波輸入電平密切相關。小的載波電平不能完全打開上面的開關器件，結(jié)果信號增益較低，載波抑制亦較低。而高于最佳值的載波電平將產(chǎn)生不必要的器件和電路的載漏，同時也使戴波抑制特性惡化。測試表明，當載頻為500KHZ時，用6OmV(rms)的正弦載波，可獲得最佳載波抑制。當載頻為10MHZ時，最佳載波約為

13、16Omv(rms)。圖3.11 MC1496/MC1596電路圖頻率較高時，為了使載漏最小，電路的設計要注意。為防止載波輸人和輸出之間的電容耦合，必須采用屏蔽措施。實際應用時，還可以在、之間接人載波調(diào)零電位器。當MC1496/MC1596用于同頻鑒相時，如圖5一12所示。可把兩個相同頻率的高電平信號分別加到兩個輸入端，則輸出電壓是兩個輸入信號相位差的函數(shù)，起到了鑒相作用。2.4傳輸畸變和眼圖數(shù)字信號經(jīng)過非理想的傳輸系統(tǒng)必定產(chǎn)生畸變，為了衡量這種畸變的嚴重程序，一般都采用觀察眼圖的方式。眼圖是示波器重復掃描所顯示的波形，示波器的輸入信號是解調(diào)后經(jīng)低通濾波器恢復的未經(jīng)再生的基帶信號，同步信號是位

14、定時。這種波形示意圖如圖5-13示。圖3.12 MC1496/MC1596圖3.13 眼 圖衡量眼圖的幾個重要參數(shù)有:(1)眼圖開啟度(U一2U)/U即最佳抽樣點處眼圖幅度的“張開”程度。無畸變眼圖的開啟度為100%。(2)“眼皮”厚度2U/U即最佳抽樣點處眼圖幅度的閉合部分與最大幅度之比，無畸變眼圖的“眼皮”厚度應為0。(3)交叉點散度T/TS即眼圖波形過零點交叉線的發(fā)散程度，無畸變眼圖的交叉點發(fā)散為0。(4)正、負極性不對稱度|(U1-U2)|/ |（U1+U2）|即最佳抽樣點處眼圖正、負幅度不對稱的程度。無畸變眼圖的極性不對稱應為0。如果傳輸信道不理想，產(chǎn)生傳輸畸變，就會很明顯地由眼圖的

15、這幾個參數(shù)反映出來。其后果可以看成有效信號的能量損失。可以推導出，等效信號信噪比的損失量Eb/N0與眼圖開啟度(U-2U)/U有如下關系:Eb/N0=20log|(U-2U)/U |(dB) 同樣，交叉點發(fā)散度對信噪比損失的影響，也可以等效為眼圖開啟度對信噪比損失的影響，這里不再詳述。2.5 位定時本實驗沒有位定時提取實驗，位定時是由發(fā)端時鐘從P12輸入經(jīng)延時在P16點產(chǎn)生。實際的DPSK解調(diào)位定時，必須由接收信號中提取?？蓞⒄誇SK位定時提取方法。三、實驗儀器實驗箱 DPSK調(diào)制解調(diào)實驗，華南理工大學電子與信息工程系 1套直流穩(wěn)壓電源 YB1711A 1臺雙蹤同步示波器 GOS-620 1臺

16、數(shù)字頻率計 HC-F1000C 1臺四、實驗內(nèi)容準備工作：1、按實驗板上所標的電源電壓開機，調(diào)準所需電壓，然后關機；2、把實驗板電源連接線接好；3、開機注意觀察電流表正電流 I<280mA 負電流 I<60mA 若與上述電流差距太大，要迅速關機，檢查電源線有無接錯或其它原因。A.發(fā)送實驗開關位置 K1接1.21測量載波P5振蕩頻率，觀察記錄P5波形、頻率2. 測量位同步P1信號頻率，觀察記錄P1波形、頻率3. M序列發(fā)生器設初始狀態(tài)為10000，試列表寫出多項式，組成一個周期的M序列。把列表的結(jié)果與實驗結(jié)果相比較。示波器用P2觸發(fā)，觀察并記錄P2的波形。以Pl比較，驗證M序列的主要

17、性質(zhì)。4差分編碼示波器示波器MODE（工作方式）置Chop（斷續(xù)），觀察并記錄P3的波形，將P2和P3的波形進行比較，驗證差分編碼的規(guī)律。注意P3比P2有一位碼時延。5數(shù)字調(diào)相電路示波器MODE置Chop，以P3為同步信號，觀察并記錄P6數(shù)字調(diào)相波形。驗證差分編碼的規(guī)律B接收實驗1. 示波器A線接P7，B線接P8， 頻率計輸入線接P11，調(diào)整W5，使顯示的頻率與發(fā)端P5一致，即至鎖定狀態(tài)，當鎖定時要繼續(xù)按原方向調(diào)整，調(diào)整W5仔細體會鎖定和失鎖的工作狀態(tài)。2.長時間未接通電時，可把K1接2.3，頻率計接P11，調(diào)整W5把頻率調(diào)至5MHz左右，把K1接1.2，即能進入鎖定狀態(tài)。a) 鎖定時觀察P7

18、、P8解調(diào)的基帶信號。b) 失鎖時觀察P7、P8解調(diào)的基帶信號。2 .鎖定時觀察P6發(fā)端的調(diào)制信號和P8解調(diào)的基帶信號之間關系。3 眼圖實驗，A線接P8,B線接Pl6，示波器同步觸發(fā)選B線，微調(diào)示波器水平掃描頻率，觀察眼圖。4. 觀察P11、P12兩相干載波90º相位差關系，即和之關系。5. A線接P8、B線接P13，觀察記錄過零檢測波形。6. A線接P13,B線接Pl4，觀察記錄判決電路波形。7. A線接P14,B線接Pl5，觀察記錄差分譯碼結(jié)果，驗證差分譯碼性質(zhì)。8A線接P2,B線接Pl5，觀察發(fā)端信碼與收端解碼應一致，并做記錄。10同步帶和捕捉帶實驗頻率計接Pl1，示波器按3方法觀察眼圖，調(diào)節(jié)W5左旋使環(huán)路處于