移動通信實驗指導書

1、大連海洋大學自編教材移動通信實驗指導書李春暉 主編孟娟 審大連海洋大學二一四 年目錄實驗一 數(shù)字調(diào)制及解調(diào)實驗 1實驗二 PSK信號載波恢復 18實驗三 解擴實驗25實驗一 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)實驗1.1 四相移相鍵控（QPSK）調(diào)制及解調(diào)實驗一、 實驗目的1、了解QPSK調(diào)制解調(diào)原理及特性。2、了解載波在QPSK相干及非相干時的解調(diào)特性。二、 實驗內(nèi)容1、觀察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關系。2、觀察IQ調(diào)制解調(diào)過程中各信號變化。3、觀察解調(diào)載波相干時和非相干時各信號的區(qū)別。三、 基本原理1、QPSK調(diào)制原理QPSK又叫四相絕對相移調(diào)制，它是一種正交相移鍵控。QPSK利用載波的四種不

2、同相位來表征數(shù)字信息。由于每一種載波相位代表兩個比特信息，因此，對于輸入的二進制數(shù)字序列應該先進行分組，將每兩個比特編為一組，然后用四種不同的載波相位來表征。我們把組成雙比特碼元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。雙比特碼元中兩個信息比特ab通常是按格雷碼排列的，它與載波相位的關系如表1-1所示，矢量關系如圖1-1所示。圖1-1（a）表示A方式時QPSK信號矢量圖，圖1-1（b）表示B方式時QPSK信號的矢量圖。由于正弦和余弦的互補特性，對于載波相位的四種取值，在A方式中：45°、135°、225°、315°，則數(shù)據(jù)、通過處理后輸出的成形波形幅

3、度有兩種取值±；B方式中：0°、90°、180°、270°，則數(shù)據(jù)、通過處理后輸出的成形波形幅度有三種取值±1、0。表1-1 雙比特碼元與載波相位關系雙比特碼元載波相位aBA方式B方式01100011225°315°45°135°0°90°180°270°圖1-1 QPSK信號的矢量圖下面以A方式的QPSK為例說明QPSK信號相位的合成方法。串/并變換器將輸入的二進制序列依次分為兩個并行序列，然后通過基帶成形得到的雙極性序列（從D/A轉(zhuǎn)換器輸出，幅度為&#

4、177;）。設兩個雙極性序列中的二進制數(shù)字分別為a和b，每一對ab稱為一個雙比特碼元。雙極性的a和b脈沖通過兩個平衡調(diào)制器分別對同相載波及正交載波進行二相調(diào)制，得到圖1-2中虛線矢量，將兩路輸出疊加，即得到QPSK調(diào)制信號，其相位編碼關系如表1-2所示。圖1-2 矢量圖表1-2 QPSK信號相位編碼邏輯關系a1111b1111a路平衡調(diào)制器輸出b路平衡調(diào)制器輸出合成相位0°90°45°180°90°135°180°270°225°0°270°315°用調(diào)相法產(chǎn)生QPSK調(diào)制器

5、框圖如圖1-3所示。圖1-3 QPSK調(diào)制器框圖圖1-4 二進制碼經(jīng)串并變換后碼型由圖1-3可以看到，QPSK的調(diào)制器可以看作是由兩個BPSK調(diào)制器構(gòu)成，輸入的串行二進制信息序列經(jīng)過串并變換，變成兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性的二電平信號I（t）和Q（t），然后對和進行調(diào)制，相加后即可得到QPSK信號。經(jīng)過串并變換后形成的兩個支路如圖1-4所示，一路為單數(shù)碼元，另外一路為偶數(shù)碼元，這兩個支路互為正交，一個稱為同相支路，即I支路；另外一路稱為正交支路，即Q支路。2、QPSK解調(diào)原理由于QPSK可以看作是兩個正交2PSK信號的合成，故它可以采用與2PSK信號類似的解調(diào)方法進行解調(diào)，即

6、由兩個2PSK信號相干解調(diào)器構(gòu)成，其原理框圖如圖1-5所示。圖1-5 QPSK解調(diào)原理框圖四、 實驗原理1、實驗模塊簡介本實驗需用到基帶成形模塊、IQ調(diào)制解調(diào)模塊、碼元再生模塊及PSK載波恢復模塊。（1）基帶成形模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生PN31偽隨機序列作為信源；將基帶信號進行串并轉(zhuǎn)換；按調(diào)制要求進行基帶成形，形成兩路正交基帶信號。（2）IQ調(diào)制解調(diào)模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生調(diào)制及解調(diào)用的正交載波；完成射頻正交調(diào)制及小功率線性放大；完成射頻信號正交解調(diào)。（3）碼元再生模塊：本模塊主要功能：從解調(diào)出的IQ基帶信號中恢復位同步，并進行抽樣判決，然后并串轉(zhuǎn)換后輸出。（4）PSK載波恢復模塊：本模塊

7、主要功能：與IQ調(diào)制解調(diào)模塊上的解調(diào)電路連接起來組成一個完整的科斯塔斯環(huán)恢復PSK已調(diào)信號的載波，同時可用作一個獨立的載波源。本實驗只使用其載波源。2、實驗框圖及電路說明a、QPSK調(diào)制實驗IQ調(diào)制基帶成型圖1-6 QPSK調(diào)制實驗框圖QPSK調(diào)制的實驗框圖如圖1-6所示，基帶成形模塊產(chǎn)生的PN碼（由PN31端輸出，碼型為111100010011010）輸入到串并轉(zhuǎn)換電路中（由NRZ IN端輸入）進行串并轉(zhuǎn)換，成為IQ兩路基帶信號，輸出的IQ兩路數(shù)字基帶信號（觀測點為NRZ-I，NRZ-Q），經(jīng)波形預取電路判斷，取出相應的模擬基帶波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出（觀測點為I-OUT，Q-OUT，分

8、別于NRZ-I，NRZ-Q波形反相）。IQ兩路模擬基帶信號送入IQ調(diào)制解調(diào)模塊中的IQ調(diào)制電路分別進行PSK調(diào)制，然后相加形成QPSK調(diào)制信號，經(jīng)放大后輸出。QPSK已調(diào)信號載波為10.7MHz，是由21.4MHz本振源經(jīng)正交分頻產(chǎn)生。b、QPSK解調(diào)實驗IQ解調(diào)碼元再生圖1-7 QPSK解調(diào)實驗框圖QPSK解調(diào)實驗原理框圖如圖1-7所示，QPSK已調(diào)信號送入IQ調(diào)制解調(diào)模塊中的IQ解調(diào)電路分別進行PSK相干解調(diào)，相干載波由調(diào)制端的本振源經(jīng)正交分頻產(chǎn)生。解調(diào)輸出的IQ兩路模擬基帶信號送入碼元再生模塊進行抽樣判決，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信元后再進行并串轉(zhuǎn)換后輸出。抽樣判決前IQ信號需經(jīng)整形變?yōu)槎敌盘?，并?/p>

9、需恢復位同步信號。位同步信號恢復由碼元再生模塊中的數(shù)字鎖相環(huán)完成。IQ解調(diào)電路的載波也可由PSK載波恢復模塊上的本振源提供，此時解調(diào)變?yōu)榉窍喔山庹{(diào)，從解調(diào)輸出的模擬基帶信號可以看出信號失真很大，無法進行碼元再生。五、 實驗步驟1、 在實驗箱上正確安裝基帶成形模塊（以下簡稱基帶模塊）、IQ調(diào)制解調(diào)模塊（以下簡稱IQ模塊）、碼元再生模塊（以下簡稱再生模塊）和PSK載波恢復模塊。2、 QPSK調(diào)制實驗。a、關閉實驗箱總電源，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明基帶模塊：PN31基帶模塊：NRZ IN提供PN31偽隨機序列基帶模塊：I-OUTIQ模塊：I-IN串并變換后的I路信號輸入基帶模

10、塊：Q-OUTIQ模塊：Q-IN串并變換后的Q路信號輸入* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源。b、按基帶成形模塊上“選擇”鍵，選擇QPSK模式（QPSK指示燈亮）。c、用示波器觀察基帶模塊上“I-OUT”及“Q-OUT”測試點，并分別與“NRZ IN”測試點的信號進行對比，觀察串并轉(zhuǎn)換情況。d、用頻譜分析儀觀測調(diào)制后QPSK信號頻譜（可用數(shù)字示波器上FFT功能替代觀測），觀測點為IQ模塊調(diào)制單元的“輸出”端（TP4）3、 QPSK相干解調(diào)實驗。a、關閉實驗箱總電源，保持步驟2中的連線不變，用同軸視頻線完成如下連接：源端口目的端口IQ模塊（IQ調(diào)制單元）：輸出（J2）IQ模塊（IQ解調(diào)單元）

11、：輸入（J3）IQ模塊(載波單元)：輸出（J5）IQ模塊(載波單元)：輸入（J4）* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源。b、示波器探頭分別接IQ解調(diào)單元的“I-OUT”及“Q-OUT”端，觀察解調(diào)波形。c、對比觀測解調(diào)前后的I路信號示波器探頭分別接IQ模塊的“I-OUT”端及的“I-IN”端，注意觀察兩者是否一致。（若一致表示解調(diào)正確，若不一致可能是載波相位不對，可按下IQ模塊復位鍵S1復位或重新開關該模塊電源復位。）d、對比觀測解調(diào)前后的Q路信號示波器探頭分別接IQ模塊的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意觀察兩者是否一致。（若一致表示解調(diào)正確，若不一致可能是載波相位不對，可將按IQ模

12、塊復位鍵S1復位或重新開關該模塊電源復位。）4、 QPSK再生信號觀察a、關閉實驗箱總電源，保持步驟2、3中的連線不變，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明IQ模塊：I-OUT再生模塊：I-IN將解調(diào)后的I路信號進行抽樣判決IQ模塊：Q-OUT再生模塊：Q-IN將解調(diào)后的Q路信號進行抽樣判決* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源。b、按再生模塊上“選擇”鍵，選擇QPSK模式（QPSK指示燈亮）。c、對比觀測原始NRZ信號與再生后的NRZ信號示波器探頭分別接再生模塊上“NRZ”端和基帶模塊上“NRZ IN”端，觀察兩路碼元是否一致（注意解調(diào)出的NRZ碼與輸入的NRZ碼存在延遲）。若

13、一致表示解調(diào)正確，若不一致可回到步驟2重新實驗。5、 觀測載波非相干時信號波形斷開IQ模塊上載波“輸出”端與該模塊上載波“輸入”視頻線，將IQ模塊上載波“輸入”端與PSK載波恢復模塊上“VCO-OUT”端連接起來，此時載波不同步。從步驟2開始再次觀察各信號。六、 思考題1、為什么相干解調(diào)時解調(diào)輸出的基帶信號是兩電平的，而非相干解調(diào)時是多電平的？2、實驗中，如果I、Q支路接反，即I接到Q，Q接到I，會有正確結(jié)果嗎？為什么？1.2 交錯四相移相鍵控（OQPSK）調(diào)制及解調(diào)實驗一、 實驗目的1、了解OQPSK調(diào)制解調(diào)原理及特性2、了解載波在QPSK相干及非相干時的解調(diào)特性3、與QPSK調(diào)制對比，掌握

14、它們的差別二、 實驗內(nèi)容1、觀察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關系。2、觀察IQ調(diào)制解調(diào)過程中各信號變化。3、觀察QPSK調(diào)制及OQPSK調(diào)制各信號的區(qū)別。4、觀察解調(diào)載波相干時和非相干時各信號的區(qū)別。三、 基本原理OQPSK又叫偏移四相相移鍵控，它是基于QPSK的一類改進型，為了克服QPSK中過零點的相位躍變特性，以及由此帶來的幅度起伏不恒定和頻帶的展寬（通過帶限系統(tǒng)后）等一系列問題。若將QPSK中并行的I，Q兩路碼元錯開時間（如半個碼元），稱這類QPSK為偏移QPSK或OQPSK。通過I、Q兩路碼元錯開半個碼元調(diào)制之后的波形，其載波相位躍變由180°降至90°

15、;，避免了過零點，從而大大降低了峰平比和頻帶的展寬。下面通過一個具體的例子說明某個帶寬波形序列的I路，Q路波形，以及經(jīng)載波調(diào)制以后相位變化情況。若給定基帶信號序列為1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1對應的QPSK與OQPSK發(fā)送波形如圖1-8所示。圖1-8 QPSK,OQPSK發(fā)送信號波形圖2-1中，I信道為奇數(shù)數(shù)據(jù)單元，Q信道為偶數(shù)數(shù)據(jù)單元，而OQPSK的Q信道與其I信道錯開（延時）半個碼元。QPSK，OQPSK載波相位變化公式為QPSK數(shù)據(jù)碼元對應的相位變化如圖1-9所示，OQPSK數(shù)據(jù)碼元對應相位變化如圖1-10所示圖1-9 QPSK相位變化圖 圖1-10 OQPSK相位變化

16、圖對于QPSK數(shù)據(jù)碼元對的相位變換由圖1-8和1-9求得為：可見，在QPSK中存在過零點的180°躍變。對于OQPSK數(shù)據(jù)碼元對的相位變化由圖1-10求得為：可見，在QPSK中，僅存在小于90°的相位躍變，而不存在過零點躍變。所以OQPSK信號的帶限不會導致信號包絡經(jīng)過零點。OQPSK包絡的變化小多了，因此對OQPSK的硬限幅或非線性放大不會再生出嚴重的頻帶擴展，OQPSK即使再非線性放大后仍能保持其帶限的性質(zhì)。OQPSK的調(diào)制和相干解調(diào)框圖如圖1-11、1-12所示。圖1-11 OQPSK調(diào)制器框圖 圖1-12 OQPSK相干解調(diào)器框圖QPSK和OQPSK兩種調(diào)制方式在碼

17、分多址系統(tǒng)中獲得了廣泛的用。在IS-95系統(tǒng)的前向鏈路中采用的是QPSK的調(diào)制方式，在反向鏈路中采用的OQPSK的調(diào)制方式。四、 實驗原理1、實驗模塊簡介本實驗需用到基帶成形模塊、IQ調(diào)制解調(diào)模塊、碼元再生模塊及PSK載波恢復模塊。（1）基帶成形模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生PN31偽隨機序列作為信源；將基帶信號進行串并轉(zhuǎn)換；按調(diào)制要求進行基帶成形，形成兩路正交基帶信號。（2）IQ調(diào)制解調(diào)模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生調(diào)制及解調(diào)用的正交載波；完成射頻正交調(diào)制及小功率線性放大；完成射頻信號正交解調(diào)。（3）碼元再生模塊：本模塊主要功能：從解調(diào)出的IQ基帶信號中恢復位同步，并進行抽樣判決，然后并串轉(zhuǎn)換后輸出

18、。（4）PSK載波恢復模塊：本模塊主要功能：與IQ調(diào)制解調(diào)模塊上的解調(diào)電路連接起來組成一個完整的科斯塔斯環(huán)恢復PSK已調(diào)信號的載波，同時可用作一個獨立的載波源。本實驗只使用其載波源。2、實驗框圖及電路說明a、OQPSK調(diào)制實驗IQ調(diào)制基帶成型圖1-13 OQPSK調(diào)制實驗框圖OQPSK調(diào)制實驗框圖如圖1-13所示?；鶐С尚文K產(chǎn)生的PN碼（由PN31端輸出，碼型為111100010011010）輸入到串并轉(zhuǎn)換電路中（由NRZ IN端輸入）進行串并轉(zhuǎn)換，輸出的I、Q兩路數(shù)字基帶信號（觀測點為NRZ-I，NRZ-Q），I路直接連接到波形地址選擇生成器，Q路延遲半個碼元，也連接到波形預取電路判斷，取

19、出相應的模擬基帶波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出。IQ兩路模擬基帶信號送入IQ調(diào)制解調(diào)模塊中的IQ調(diào)制電路分別進行PSK調(diào)制，然后相加形成OQPSK調(diào)制信號，經(jīng)放大后輸出。OQPSK已調(diào)信號載波為10.7MHz，是由21.4MHz本振源經(jīng)正交分頻產(chǎn)生。b、OQPSK解調(diào)實驗IQ解調(diào)碼元再生圖1-14 OQPSK解調(diào)實驗框圖OQPSK解調(diào)實驗框圖如圖1-14所示。OQPSK已調(diào)信號送入IQ調(diào)制解調(diào)模塊中的IQ解調(diào)電路分別進行PSK相干解調(diào)，相干載波由調(diào)制端的本振源經(jīng)正交分頻產(chǎn)生。解調(diào)輸出的I、Q兩路模擬基帶信號送入碼元再生模塊進行抽樣判決，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信元后再進行并串轉(zhuǎn)換后輸出。抽樣判決前I、Q兩路信

20、號需經(jīng)整形變?yōu)槎敌盘?，并且需恢復位同步信號。位同步信號恢復由碼元再生模塊中的數(shù)字鎖相環(huán)完成。IQ兩路抽樣判決的位同步信號相差半個碼元。IQ解調(diào)電路的載波也可由PSK載波恢復模塊上的本振源提供，此時解調(diào)變?yōu)榉窍喔山庹{(diào)，從解調(diào)輸出的模擬基帶信號可以看出信號失真很大，無法進行碼元再生。五、 實驗步驟1、 在實驗箱上正確安裝基帶成形模塊（以下簡稱基帶模塊）、IQ調(diào)制解調(diào)模塊（以下簡稱IQ模塊）、碼元再生模塊（以下簡稱再生模塊）和PSK載波恢復模塊。2、 OQPSK調(diào)制實驗。a、關閉實驗箱總電源，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明基帶模塊：PN31基帶模塊：NRZ IN提供PN31偽隨機

21、序列基帶模塊：I-OUTIQ模塊：I-IN串并變換后的I路信號輸入基帶模塊：Q-OUTIQ模塊：Q-IN串并變換后的Q路信號輸入* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源。b、按基帶成形模塊上“選擇”鍵，選擇OQPSK模式（OQPSK指示燈亮）。c、用示波器觀察基帶模塊上“I-OUT”及“Q-OUT”測試點，并分別與“NRZ IN”測試點的信號進行對比，觀察串并轉(zhuǎn)換情況d、用頻譜分析儀觀測調(diào)制后OQPSK信號頻譜（可用數(shù)字示波器上FFT功能替代觀測），觀測點為IQ模塊調(diào)制單元的“輸出”端（TP4）3、 OQPSK相干解調(diào)實驗。a、關閉實驗箱總電源，保持步驟2中的連線不變，用同軸視頻線完成如下連接

22、：源端口目的端口IQ模塊（IQ調(diào)制單元）：輸出（J2）IQ模塊（IQ解調(diào)單元）：輸入（J3）IQ模塊(載波單元)：輸出（J5）IQ模塊(載波單元)：輸入（J4）* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源。b、示波器探頭分別接IQ解調(diào)單元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，觀察解調(diào)波形。c、對比觀測解調(diào)前后I路信號示波器探頭分別接IQ模塊的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意觀察兩者是否一致。（若一致表示解調(diào)正確，若不一致則可能是載波相位不對，可按IQ模塊復位鍵S1復位或重新開關該模塊電源復位。）d、對比觀測原始Q路信號與解調(diào)后Q路信號示波器探頭分別接IQ模塊的“Q-OUT”端及“Q-IN”端

23、，注意觀察兩者是否一致。（若一致表示解調(diào)正確，若不一致則可能是載波相位不對，可將按IQ模塊復位鍵S1復位或重新開關該模塊電源復位。)4、 OQPSK再生信號觀察a、關閉實驗箱總電源，保持步驟2、3中的連線不變，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明IQ模塊：I-OUT再生模塊：I-IN將解調(diào)后的I路信號進行抽樣判決IQ模塊：Q-OUT再生模塊：Q-IN將解調(diào)后的Q路信號進行抽樣判決* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源。b、按再生模塊上“選擇”鍵，選擇OQPSK模式（OQPSK指示燈亮）。c、對比觀測原始NRZ信號與再生后的NRZ信號示波器探頭分別接再生模塊上“NRZ”端和基帶模塊

24、上“NRZ IN”端，觀察兩路碼元是否一致（注意解調(diào)出的NRZ碼與輸入的NRZ碼相比存在延遲）。若一致表示解調(diào)正確，若不一致可回到步驟2重新實驗。5、 觀測載波非相干時信號波形斷開IQ模塊上載波“輸出”端與該模塊上載波“輸入”視頻線，將IQ模塊上載波“輸入”端與PSK載波恢復模塊上“VCO-OUT”端連接起來，此時載波不同步。從步驟2開始再次觀察各信號。六、 思考題QPSK及OQPSK基帶信號有什么區(qū)別？這些區(qū)別產(chǎn)生了什么結(jié)果？實驗二 PSK信號載波恢復一、 實驗目的1、掌握科斯塔斯環(huán)的組成、工作原理及在載波恢復中的應用。2、掌握倍頻器的組成、工作原理及在載波恢復中的應用。二、 實驗內(nèi)容1、觀

25、察科斯塔斯環(huán)工作過程，各處信號波形及特性。2、觀察載波恢復的相位模糊現(xiàn)象。三、 基本原理當采用同步解調(diào)或相干檢測時，接收端需要提供一個與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個相干載波的獲取就稱為載波提取，或稱為載波同步。提取載波的方法一般分為兩類：一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱作導頻的正弦波，接收端就由導頻提取出載波，這類方法稱為插入導頻法；另一類是不專門發(fā)送導頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為直接法。下面就重點介紹直接法的兩種方法。1、平方變換法和平方環(huán)法設調(diào)制信號為，中無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為接收端將該信號進行平方變換，即

26、經(jīng)過一個平方律部件后就得到 （2-1）由式（2-1）看出，雖然前面假設了中無直流分量，但中卻有直流分量，而表示式的第二項中包含有2c頻率的分量。若用一窄帶濾波器將2c頻率分量濾出，再進行二分頻，就獲得所需的載波。根據(jù)這種分析所得出的平方變換法提取載波的方框圖如圖8-1所示。若調(diào)制信號±1，該抑制載波的雙邊帶信號就成為二相移相信號，這時 （2-2）圖2-1 平方變換提取載波因而，用圖2-1所示的方框圖同樣可以提取出載波。由于提取載波的方框圖中用了一個二分頻電路，故提取出的載波存在180°的相位模糊問題。對移相信號而言，解決這個問題的常用方法是采用相對移相。平方變換法提取載波方

27、框圖中的窄帶濾波器若用鎖相環(huán)代替，構(gòu)成如圖2-2所示的方框圖，就稱為平方環(huán)法提取載波。由于鎖相環(huán)具有良好的跟蹤、窄帶濾波和記憶性能，平方環(huán)法比一般的平方變換法具有更好的性能。因此，平方環(huán)法提取載波應用較為廣泛。鎖相環(huán)平方律部件二分頻輸入已調(diào)信號濾波輸出環(huán)路濾波器壓控振蕩器鑒相器圖2-2 平方環(huán)法提取載波2、科斯塔斯環(huán)法本實驗是采用科斯塔斯環(huán)法提取同步載波的?？扑顾弓h(huán)又稱同相正交環(huán)，其原理框圖如下：圖2-3 科斯塔斯環(huán)原理框圖在科斯塔斯環(huán)環(huán)路中，誤差信號V7是由低通濾波器及兩路相乘提供的。壓控振蕩器輸出信號直接供給一路相乘器，供給另一路的則是壓控振蕩器輸出經(jīng)90o移相后的信號。兩路相乘器的輸出

28、均包含有調(diào)制信號，兩者相乘以后可以消除調(diào)制信號的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與壓控振蕩器輸出和理想載波之間相位差有關的控制電壓，從而準確地對壓控振蕩器進行調(diào)整，恢復出原始的載波信號。現(xiàn)在從理論上對科斯塔斯環(huán)的工作過程加以說明。設輸入調(diào)制信號為，則 （2-3） （2-4）經(jīng)低通濾波器后的輸出分別為：將v5和v6在相乘器中相乘，得， （2-5）（8-5）中是壓控振蕩器輸出信號與輸入信號載波之間的相位誤差，當較小時， （2-6）（8-6）中的v7大小與相位誤差成正比，它就相當于一個鑒相器的輸出。用v7去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的相位，最后使穩(wěn)定相位誤差減小到很小的數(shù)值。這樣壓控振蕩器的輸出就是所需提取的載

29、波。四、 實驗原理1、實驗模塊簡介本實驗需用到基帶成形模塊、IQ調(diào)制解調(diào)模塊及PSK載波恢復模塊。（1）基帶成形模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生PN31偽隨機序列作為信源；將基帶信號進行串并轉(zhuǎn)換；按調(diào)制要求進行基帶成形，形成兩路正交基帶信號。（2）IQ調(diào)制解調(diào)模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生調(diào)制及解調(diào)用的正交載波；完成射頻正交調(diào)制及小功率線性放大；完成射頻信號正交解調(diào)。（3）PSK載波恢復模塊：本模塊主要功能：與IQ調(diào)制解調(diào)模塊上的解調(diào)電路連接起來組成一個完整的科斯塔斯環(huán)以恢復PSK已調(diào)信號的載波，同時可用作一個獨立的載波源。2、實驗框圖及電路說明IQ解調(diào)PSK載波恢復基帶成形IQ調(diào)制 基帶成形模塊上產(chǎn)生

30、的PN碼（由PN31端輸出），速率為16K，作為信源輸入進該模塊中（由NRZ IN端輸入），經(jīng)過差分編碼后輸出（由I路輸出端輸出）。基帶信號經(jīng)由IQ調(diào)制模塊進行PSK調(diào)制，放大后輸出。調(diào)制載波為10.7MHz，是由21.4MHz本振源經(jīng)2分頻產(chǎn)生。PSK已調(diào)信號送入IQ解調(diào)電路中，分為兩路，分別與兩個正交載波相乘，輸出的信號經(jīng)低通濾波后相乘，進行鑒相，鑒相輸出經(jīng)環(huán)路濾波后控制VCO，形成一個典型的科斯塔斯環(huán)。環(huán)路鎖定后，解調(diào)端“COS”支路的載波與調(diào)制端“COS”支路的載波同相。五、 實驗步驟1、 在實驗箱上正確安裝基帶成形模塊（以下簡稱基帶模塊）、IQ調(diào)制解調(diào)模塊（以下簡稱IQ模塊）和PSK

31、載波恢復模塊（以下簡稱載波恢復模塊）。2、 關閉實驗箱總電源，按如下要求連接好連線。用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明基帶模塊：PN31基帶模塊：NRZ IN提供PN31偽隨機序列基帶模塊：I-OUTIQ模塊：I IN基帶成形后的I路信號輸入IQ模塊：I-OUT載波恢復模塊：I-IN送入相乘器后得誤差信號IQ模塊：Q-OUT載波恢復模塊：Q-IN送入相乘器后得誤差信號用同軸視頻線完成如下連接：源端口目的端口IQ模塊（IQ調(diào)制單元）：輸出（J2）IQ模塊（IQ解調(diào)單元）：輸入（J3）載波恢復模塊：VCO OUTIQ模塊(載波單元)：輸入（J4）* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電

32、源。3、 觀察調(diào)制載波與解調(diào)載波不同步時的信號波形a、將載恢模塊上的“鎖相”電位器逆時針轉(zhuǎn)到底b、示波器探頭分別接IQ模塊上載波“輸出”測試點及該模塊上載波“輸入”測試點，對比觀察信號波形，此時兩路信號應不同步。c、示波器探頭分別接載波恢復模塊“I-IN”端及“Q-IN”端，注意觀察并記住兩路信號的特點。4、 觀察調(diào)制載波與解調(diào)載波同步時的信號波形a、示波器探頭接載波恢復模塊“VCO-Cr”測試點，應能看到類似正弦波的波形。b、慢慢順時針針旋轉(zhuǎn)載恢復模塊上“鎖相”電位器，同時觀察示波器顯示，可看到信號頻率逐步降低，直至某點跳變?yōu)橐唤本€。c、微調(diào)“鎖相”電位器，使該線直流電平接近0。d、重復步

33、驟3中的b、c，注意比較與先前有什么不同5、 用示波器對比觀察原始信號與解調(diào)后的信號示波器探頭分別接IQ模塊“I-IN”測試點和“I-OUT”測試點，比較兩路波形是否一致，若一致表示恢復的載波與原調(diào)制載波同相，否則表示反相，此即為相位模糊現(xiàn)象。按IQ模塊上的“RESET”鍵可在同相與反相間隨機切換。實驗三 解擴實驗一、 實驗目的1、通過本實驗掌握載波已調(diào)信號m序列解擴原理及方法，掌握解擴前后信號在時域及頻域上的變化。2、通過本實驗掌握載波已調(diào)信號Gold序列解擴原理及方法，掌握解擴前后信號在時域及頻域上的變化。二、 實驗內(nèi)容1、觀察解擴時本地擴頻碼與擴頻時擴頻碼的同步情況。2、觀察已調(diào)信號在解

34、擴前后的頻域變化。三、 基本原理m序列解擴的是在接收到的RF信號上進行的，其實解擴的原理很簡單，即用一個與發(fā)送端完全相同的m序列與接收到的信號直接相乘就可以完成信號的解擴，當然，這里所指的與發(fā)送端完全相同，除了序列必須一樣之外，更重要的是兩個m序列的相位必須一致，也就是，接收端產(chǎn)生的m序列必須進行捕獲和跟蹤，以使其速率和相位與發(fā)送端m序列保持一致，發(fā)射機和接收機采用高精確度和高穩(wěn)定度的時鐘頻率源，以保證頻率和相位的穩(wěn)定性。但在實際應用中，存在許多事先無法估計的不確定因素，如收發(fā)時鐘不穩(wěn)定、發(fā)射時刻不確定、信道傳輸時延及干擾等，尤其在移動通信中，這些不確定因素都有隨機性，不能預先補償，只能通過同

35、步系統(tǒng)消除。因此，在CDMA擴頻通信中，同步系統(tǒng)必不可少。PN碼序列同步是擴頻系統(tǒng)特有的，也是擴頻技術(shù)中的難點。CDMA系統(tǒng)要求接收機的本地偽隨機碼與接收到的PN碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致，否則就不能正常接收所發(fā)送的信息，接收到的只是一片噪聲。若實現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步，也無法準確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。因此，PN碼序列的同步是CDMA擴頻通信的關鍵技術(shù)。CDMA系統(tǒng)中的PN碼同步過程分為PN碼捕獲和PN碼跟蹤兩部分。PN碼捕獲是精調(diào)本地PN碼的頻率和相位，使本地產(chǎn)生的PN碼與接收到的PN碼間定時誤差小于1個碼片間隔Tc，可采用基于滑動相關的串行捕獲方案或基于時延估計問題的并行捕獲

36、方案。PN碼跟蹤則自動調(diào)整本地碼相位，進一步縮小定時誤差，使之小于碼片間隔的幾分之一，達到本地碼與接收PN碼頻率和相位精確同步。典型的PN碼跟蹤環(huán)路分基于遲早門定時誤差檢測器的延遲鎖定環(huán)及T抖動環(huán)兩種。接收信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘積器中與本地PN碼進行相關運算。捕獲器件調(diào)整壓控時鐘源，用以調(diào)整PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地PN碼序列的頻率和相位，捕獲有用信號。一旦捕獲到有用信號，啟動跟蹤器件，用以調(diào)整壓控鐘源，使本地PN碼發(fā)生器與外來信號保持精確同步。如果由于某種原因引起失步，則重新開始新一輪捕獲和跟蹤。圖3-1為同步系統(tǒng)捕獲與跟蹤原理圖圖3-1 同步系統(tǒng)捕獲與跟蹤原理圖同步過程包含捕獲和跟蹤兩個階段

37、閉環(huán)的自動控制和調(diào)整。1、PN序列的捕獲PN碼序列捕獲指接收機在開始接收擴頻信號時，選擇和調(diào)整接收機的本地擴頻PN序列相位，使它與發(fā)送的擴頻PN序列相位基本一致，即接收機捕捉發(fā)送的擴頻PN序列相位，也稱為擴頻PN序列的初始同步。在CDMA系統(tǒng)接收端，一般解擴過程都在載波同步前進行，實現(xiàn)捕獲大多采用非相干檢測。接收到擴頻信號后，經(jīng)射頻寬帶濾波放大及載波解調(diào)后，分別送往2N擴頻PN序列相關處理解擴器（N是擴頻PN序列長）。2N個輸出中哪個輸出最大，該輸出對應的相關處理解擴器所用的擴頻PN序列相位狀態(tài)，就是發(fā)送的擴頻信號的擴頻PN序列相位，從而完成擴頻PN序列捕獲。 擴頻系統(tǒng)的典型同步捕獲方法有相位

38、滑動法（又稱順序搜索法（Serial Search Acquisition）和匹配濾波器法（Matched Filtering）等。下面我們主要介紹相位滑動法。接收系統(tǒng)在搜索同步時，它的碼序列發(fā)生器以與發(fā)射機碼序列發(fā)生器不同的速率工作，致使這兩個碼序列在相位上互相滑動，只有在達到一致點時，才停下來，因此稱之為相位滑動法。圖3-2（a）為滑動相關器的方框圖。接收到的信號與本地碼相乘后再積分，即求出它們的互相關值，然后在門限檢測器中與某一門限值比較，以判斷是否己捕獲到有用信號。這里利用了PN碼序列的相關特性，當兩個相同的碼序列在相位上一致時，其相關值具有最大的輸出。一旦確認搜索完成，則搜索指示信號

39、的同步脈沖控制搜索控制鐘，從而調(diào)整PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼的重復頻率和相位，使之與收到的信號保持同步。圖3-2（b）為滑動相關器的流程圖。由于滑動相關器對兩個PN碼序列是順序比較相關的，所以，這種方法又稱為順序搜索法。由于滑動相關器結(jié)構(gòu)簡單，因此應用很廣。它的缺點在于當兩端PN碼鐘頻相差不多時，相對滑動速度很慢，導致搜索時間過長?，F(xiàn)在常用的一些捕獲方法大多在此基礎上，采取一些措施來限定搜索范圍或加快搜索時間，從而改善其性能。目前的研究表明，將擴頻多址技術(shù)應用到地面移動通信中，其頻譜利用率是在使用的模擬調(diào)頻及頻多分址移動電話系統(tǒng)的20倍左右，每一小區(qū)容納的用戶數(shù)可達2500個。 （a） （b）

40、圖3-2 滑動相關器的原理本實驗是采用相位滑動法進行捕獲的。2、PN碼序列跟蹤跟蹤是一種在碼序列捕獲之后，實現(xiàn)進一步調(diào)整本地時鐘的過程。目的是使同步誤差盡可能地小，至少保持在一個子碼范圍之內(nèi)。跟蹤的基本方法是利用鎖相環(huán)路來調(diào)整本地時鐘的相位，常用的跟蹤鎖相環(huán)有以下幾種。延遲鎖相環(huán)：DS收信機常用的同步跟蹤電路，框圖如圖3-3所示，這種電路稱為延遲鎖相環(huán)DLL（Delay Locked Loop）。DLL由2個相關器構(gòu)成，2個相關器的輸入信號相對于本地PN序列相位分別超前Tc /2的code和滯后Tc /2的code。為了消除調(diào)制所產(chǎn)生的影響，則采用包絡檢波器，經(jīng)檢波后輸出2個相關器差信號，但這

41、里采用的包絡檢波消除調(diào)制影響只限于1次調(diào)制時采用恒定包絡檢波方法的情況（例如PSK等），對于振幅調(diào)制方式，由于包絡波動，則此DLL鎖相環(huán)不能進行同步跟蹤。圖3-3 延遲鎖相環(huán)框圖由于提供給DLL是2種相位不同的PN碼序列，因此，順序改變基準的PN碼序列的振蕩相位，就可得到與接收信號互相關函數(shù)的形式，如圖3-4（b）所示。DLL輸出是2個相關器相減，其2個輸出合成特性如圖3-4（c）所示。由此可以看到僅在±Tc / 2范圍內(nèi)，輸出（縱軸）對于相位移（橫軸）的響應為線性關系。2個相關器合成輸出反饋到PN碼序列產(chǎn)生器，如果輸出為正，就控制PN序列發(fā)生器產(chǎn)生的相位滯后；若輸出為負，就控制PN

42、序列發(fā)生器產(chǎn)生的相位超前；若輸出為0，就使PN產(chǎn)生的相位正好為0而使DLL系統(tǒng)穩(wěn)定工作。此電路正常工作的條件是，跟蹤開始時接收信號的PN序列與收信機內(nèi)的PN序列之間相位差在±Tc /2以內(nèi)。若超出此范圍，相位差就發(fā)散，失去同步。為此，還要自動確定在跟蹤前同步捕獲電路的精度，需要把誤差控制在±Tc /2以內(nèi)。如圖3-4（c）所示的相關特性曲線稱為S曲線，-code與-code的相位差為Tc ，有時為2 Tc ，S曲線形狀隨基帶波形不同而異。圖3-4 DLL的S曲線DLL的跟蹤性能主要與環(huán)路濾波器（圖3-5中的LPF）的帶寬與次數(shù)有關。帶寬越窄DLL對噪聲越不敏感，噪聲與調(diào)制對

43、同步影響不大，但跟蹤速度慢，因此，它適用于移動通信環(huán)境中同步位置不斷變化的應用場合。抖動鎖相環(huán)：抖動鎖相環(huán)TDL（Tau Dither Loop）只用1個相關器，TDL的構(gòu)成如圖13-7所示。在同步附近TDL的自相關函數(shù)為三角形，在接收端產(chǎn)生的PN序列的相位僅前后移動，利用取出由于前后移動產(chǎn)生的相關值的變化（解擴后信號振幅的變化），使其變化量為0，就可控制整個振蕩相位。抖動鎖相環(huán)只使用一個相關器，因而沒有由于兩個支路分別用一個相關器帶來的不平衡問題。不過，這種鎖相環(huán)即使在完全同步的位置上，由于本地時鐘的抖動，其同步性能也不及延遲鎖相環(huán)。圖3-5 抖動鎖相環(huán)同m序列的解擴一樣，Gold序列的解擴也存在著捕獲和跟蹤的過程，其捕獲和跟蹤的原理以及解擴的原理可以參考m序列解擴實驗。四、 實驗原理 1、實驗模塊簡介本實驗需用到CDMA發(fā)送模塊、CDMA接收模塊及IQ調(diào)制解調(diào)模塊。（1）CDMA發(fā)送模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生PN31偽隨機序列，將偽隨機序列或外部輸入的其它數(shù)字序列擴頻，擴頻增益為32，擴頻后輸出碼速率為512kbps，可輸出兩路不同擴頻碼信號。（2）CDMA接收模塊：本模塊主