通信報告-BPSK傳輸系統(tǒng)實驗

BSK傳輸系統(tǒng)實驗實驗?zāi)康牧私釴yquist基帶傳輸設(shè)計準(zhǔn)則；熟悉升余弦基帶傳輸信號的特點；掌握眼圖信號的觀察方法并學(xué)習(xí)和評價眼圖信號；掌握BPSK調(diào)制和解調(diào)的基本原理；熟悉BPSK調(diào)制載波包絡(luò)的變化；觀察BPSK解調(diào)數(shù)據(jù)反相的現(xiàn)象；實驗儀器JH5001通信原理基礎(chǔ)實驗箱 一臺雙蹤示波器 一臺函數(shù)信號發(fā)生器 一臺實驗原理(一)基帶成型Nyquist設(shè)計準(zhǔn)則為基帶傳輸系統(tǒng)信號設(shè)計提供了一個方法。利用該準(zhǔn)則一方面可以對信號的頻譜進行限制，另一方面又不會產(chǎn)生碼間串?dāng)_。升余弦濾波器的傳遞函數(shù)為：圖aNyquist升余弦濾波基帶傳輸頻域與時域特性示意圖成形之后的基帶信號經(jīng)D/A變換之后，直接對載波進行調(diào)制。對眼圖性能判斷主要依據(jù)圖6中所示的主要測量指標(biāo)。圖b眼圖主的性能指標(biāo)示意圖（二）BPSK調(diào)制解調(diào)理論上二進制相移鍵控（BPSK）可以用幅度恒定，而其載波相位隨著輸入數(shù)據(jù)m（1、0碼）而改變，通常這兩個相位相差180°。如果每比特能量為Eb，則傳輸?shù)腂PSK信號為：其中在實際通信系統(tǒng)中，通常采用Nyquist波形成形技術(shù)，BPSK的調(diào)制工作過程如下：首先輸入數(shù)據(jù)進行Nyquist濾波，濾波后的結(jié)果分別送入I、Q兩路支路。因為I、Q兩路信號一樣，本振頻率是一樣的，相位相差180度,所以經(jīng)調(diào)制合路之后仍為BPSK方式。采用直接數(shù)據(jù)（非歸零碼）調(diào)制與成形信號調(diào)制的信號如圖9所示：圖c直接數(shù)據(jù)調(diào)制與成形信號調(diào)制的波形在接收端采用相干解調(diào)時，恢復(fù)出來的載波與發(fā)送載波在頻率上是一樣的，但相位存在兩種關(guān)系：0０、180０。如果是0０，則解調(diào)出來的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一樣，否則，解調(diào)出來的數(shù)據(jù)將與發(fā)送數(shù)據(jù)反相。接收的BPSK信號可以表示成：為了對接收信號中的數(shù)據(jù)進行正確的解調(diào)，要求在接收機端知道載波的相位和頻率信息，同時還要在正確時間點對信號進行判決。這就是我們常說的載波恢復(fù)與位定時恢復(fù)。為了提高所提取載波的質(zhì)量，一般采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)。在剛接收到BPSK信號之后，位定時一般不處于正確的抽樣位置，必須采用一定的算法對抽樣點進行調(diào)整，這個過程稱為位定時恢復(fù)。常用的位定時恢復(fù)有：濾波法、數(shù)字鎖相環(huán)等。以2倍碼元速率抽樣為例：信號取樣如圖13所示。S（n-1）、S（n+1）為調(diào)整后的最佳樣點，S（n）為碼元中間點。首先位定時誤差的提取時刻為其基帶信號存在過零點，即如圖13中的情況所示。位定時誤差的大小按下式進行計算：如果，則位定時抽樣脈沖應(yīng)向前調(diào)整；反之應(yīng)向后調(diào)整。這個調(diào)整過程主要是通過調(diào)整分頻計數(shù)器進行的。實驗現(xiàn)象記錄與分析（一）基帶成形α＝0.3升余弦濾波的眼圖觀察準(zhǔn)備工作：將數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊中的KG01選擇在下端測試數(shù)據(jù)位置（測試數(shù)據(jù)方式），KG02置成長m序狀態(tài)（KG02的三個跳線器均插入），數(shù)據(jù)時鐘選擇開關(guān)KG03置于1-2狀態(tài)（左端），KG04置于α＝0.3升余弦濾波狀態(tài)。KP01置于2-3狀態(tài)（相干解調(diào)位置）。以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號（TPi03）的波形。測量過零率抖動與眼皮厚度（換算成百分數(shù)）?？偨Y(jié)信號特征并解釋原因。α＝0.4升余弦濾波的眼圖觀察準(zhǔn)備工作：KG04置于α＝0.4升余弦濾波狀態(tài)。以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號（TPi03）的波形。測量過零率抖動與眼皮厚度（換算成百分數(shù)）。總結(jié)信號特征并解釋原因。α＝0.4開根號升余弦濾波的眼圖觀察準(zhǔn)備工作：KG04置于α＝0.4開根號升余弦濾波狀態(tài)。以發(fā)送時鐘（TPM01）作同步，觀測發(fā)送信號（TPi03）的波形。測量過零率抖動與眼皮厚度（換算成碼元寬度的百分數(shù)）。總結(jié)信號特征并解釋原因。思考：怎樣的系統(tǒng)才是最佳的？匹配濾波器最佳接收機性能如何從系統(tǒng)指標(biāo)中反映出來？現(xiàn)象：圖1α＝0.3升余弦濾波的眼圖圖2α＝0.4升余弦濾波的眼圖圖3α＝0.4開根號升余弦濾波的眼圖分析：無論采用何種濾波方式，碼元速率是一定的，均為32kHz，即碼元寬度。過零率抖動 由眼圖的原理可知(如右圖所示)：過零率抖動眼皮寬度是最佳抽樣時刻的波形寬度，過零率抖動則是經(jīng)過門限時的失真。①當(dāng)采用α＝0.3升余弦濾波時眼皮厚度為0；測量得到過零率抖動為11.2us，換成百分數(shù)為；②當(dāng)采用α＝0.4升余弦濾波時眼皮厚度為0；測量得到過零率抖動為9.2us，換成百分數(shù)為；③當(dāng)采用α＝0.4開根號升余弦濾波時眼皮厚度為0920mV，換成百分數(shù)為；測量得到過零率抖動為5.6us，換成百分數(shù)為通過以上三組數(shù)據(jù)的對比，可以看出：α是作為滾降因子，取值范圍為0到1。一般α=0.25~1時，實驗中分別取α＝0.3和α＝0.4，隨著α的增加，相鄰符號間隔內(nèi)的時間旁瓣減小，這意味著增加α可以減小位定時抖動的敏感度，但增加了占用的帶寬。升余弦滾降傳遞函數(shù)可以通過在發(fā)射機和接收機使用同樣的濾波器來實現(xiàn)，其頻響為開根號升余弦響應(yīng)。根據(jù)最佳接收原理，這種響應(yīng)特性的分配提供了最佳接收方案。匹配濾波器的最佳接收機性能可以通過系統(tǒng)傳輸?shù)男旁氡?、信道誤碼率，信道頻帶利用率、有無鄰道干擾、有無碼間串?dāng)_等指標(biāo)反映出來。觀察基帶頻譜分別將KG04置于α＝0.4升余弦濾波狀態(tài)和KG04置于非歸零碼狀態(tài)（矩形脈沖）。觀察基帶信號（TPi03）的頻譜。現(xiàn)象：圖4α＝0.4升余弦濾波時頻譜圖5非歸零碼狀態(tài)時的頻譜分析：左圖是采用Nyquist波形成形技術(shù)后的波形頻譜，發(fā)送頻譜在發(fā)端受到限制，提高了信道頻帶利用率，減少了鄰道干擾。基帶信號經(jīng)過α＝0.4升余弦濾波后變?yōu)榈屯◣扌盘?，可以消除碼間串?dāng)_，但若未作成型濾波，就如同圖5非歸零碼狀態(tài)時的頻譜，則會有明顯的頻譜泄露，容易造成嚴重的碼間干擾。（二）BPSK調(diào)制解調(diào)準(zhǔn)備工作：將KG01選擇在下端測試數(shù)據(jù)位置（測試數(shù)據(jù)方式），KG02置成長m序列狀態(tài)（KG03的三個跳線器均插入），數(shù)據(jù)時鐘選擇開關(guān)KG03置于1-2狀態(tài)（左端），KG04置于ɑ=0.4的升余弦響應(yīng)。KP01置于左邊相干解調(diào)位置。BPSK調(diào)制信號0/π相位測量：KG02置成輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為0／1碼。用示波器的觀察調(diào)制輸出波形（TPK03）和調(diào)制參考載波上（TPK06/或TPK07）。觀察和驗證調(diào)制載波在數(shù)據(jù)變化點發(fā)生相位0/π翻轉(zhuǎn)?，F(xiàn)象：圖6調(diào)制載波在數(shù)據(jù)變化點相位翻轉(zhuǎn)分析： 從理論上講，二進制相移鍵控（BPSK）可以用幅度恒定，而其載波相位隨著輸入數(shù)據(jù)m（1、0碼）而改變，通常這兩個相位相差180°。如果每比特能量為Eb，則傳輸?shù)腂PSK信號為：，其中觀察圖6中兩條紅色虛線所指示的位置，（左邊）在數(shù)據(jù)變化之前輸出波形的波峰幾乎對應(yīng)載波的波峰，而在（右邊）數(shù)據(jù)變化點之后，輸出波形的波峰對應(yīng)載波的波谷。可知調(diào)制載波在數(shù)據(jù)變化點發(fā)生相位0/π翻轉(zhuǎn)。但是在實際情況下，不完全是0/π相位差，和相加有的相位差。而且由于系統(tǒng)的延遲，實際和理論分析也有一定的誤差，從圖6中也可以觀察出。I路和Q路調(diào)制信號的相平面（矢量圖）信號觀察測量I支路（TPi03）和Q支路信號（TPi04）李沙育（x-y）波形時，應(yīng)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的合成矢量圖，其相位矢量圖應(yīng)為0、π兩種相位。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進行測量；結(jié)合BPSK調(diào)制器原理分析測試結(jié)果。將KG04置于ɑ=0.4的開根號升余弦響應(yīng)，重復(fù)上述實驗步驟。仔細觀察和區(qū)別兩種方式下矢量圖信號?，F(xiàn)象：圖70/1碼時IQ調(diào)制信號波形及矢量圖圖8ɑ=0.4的開根升余弦響應(yīng)調(diào)制信號矢量圖分析：星座點聚焦越好，則系統(tǒng)性能越好；否則，噪聲與ISI越嚴重，系統(tǒng)的誤碼率越高。在實驗中觀察到，當(dāng)輸入全0碼與全1碼時，在矢量圖中都表現(xiàn)為一個點。這是由于它只對應(yīng)一個相位。而由于碼型不同，相位位置不同，碼1對應(yīng)的相位與碼0對應(yīng)的相位相差π，在星座圖上點的位置一個偏左一個偏右。圖7是在α＝0.3升余弦濾波時輸入0/1碼時的波形和相位圖，從矢量圖中可以看到有兩個相位，分別對應(yīng)0和1，相位在0和1之間的跳變。曲線較為光滑，聚集性好，誤碼率較低，系統(tǒng)性能較好。圖8是開根號升余弦響應(yīng)時輸入0/1碼時的星座圖。對比圖7和圖8，可以發(fā)現(xiàn)圖8（開根號升余弦響應(yīng)）長度變長。這說明開根號升余弦響應(yīng)系統(tǒng)性能更好。相比之下，升余弦響應(yīng)系統(tǒng)的噪聲與ISI更嚴重，其誤碼率更高。BPSK調(diào)制信號包絡(luò)觀察：KG02置成輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為0／1碼。觀測調(diào)制載波輸出測試點TPK03的信號波形。調(diào)整示波器同步，注意觀測調(diào)制載波的包絡(luò)變化與基帶信號（TPi03）的相互關(guān)系。畫下測量波形。用m序列重復(fù)上一步實驗，觀測載波的包絡(luò)變化?，F(xiàn)象：圖90／1碼的調(diào)制信號包絡(luò)圖10m序列的調(diào)制信號包絡(luò)分析：從圖9和圖10中可以明顯地看出，無論是0/1碼還是m序列，可以發(fā)現(xiàn)BPSK調(diào)制信號的包絡(luò)與基帶信號是完全一致的。說明實現(xiàn)了有效的調(diào)制，在調(diào)制過程中沒有產(chǎn)生錯碼，系統(tǒng)性能佳。BPSK調(diào)制信號頻譜測量準(zhǔn)備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，觀測BPSK信號頻譜。用波器測量BPSK調(diào)制信號（TPK03）。先將示波器調(diào)到125kHz/div，選擇hanning窗，然后將頻譜擴展10倍，旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕，觀察1.024MHz頻率點附近波形。測量調(diào)制頻譜占用帶寬、電平等，記錄實際測量結(jié)果，畫下測量波形?，F(xiàn)象：圖11BPSK調(diào)制信號頻譜分析：從圖11中可以觀察到，當(dāng)輸入長m信號時，調(diào)制后的信號集中在12.5MHz附近，經(jīng)過測量得到帶寬為，譜線幅度約為。從理論上說，滾降因子α增加，相鄰符號間隔內(nèi)的時間旁瓣減小，增加了占用的帶寬。對于矩形脈沖BPSK信號能量的90%在大約1.6Rb的帶寬內(nèi)。在此圖中，由于碼元速率為32kHz，。實際與理論相符。BPSK調(diào)制信號頻譜載漏信號測量通過KG02選擇0/1碼輸入數(shù)據(jù)，觀測BPSK信號頻譜。測量調(diào)制頻譜載漏與信號電平的差值，記錄實際測量結(jié)果，畫下測量波形。思考：載漏過大會對系統(tǒng)帶來什么影響？載漏的產(chǎn)生與什么因素有關(guān)？如何減小載漏電平？現(xiàn)象：圖12BPSK調(diào)制信號頻譜載漏信號分析：載漏指的是本振信號的基波分量。由圖12可知0/1碼的BPSK頻譜在載漏兩側(cè)出現(xiàn)峰值，兩峰值間的頻距約為35kHz。調(diào)制頻譜載漏與信號電平的差值約為36.8dB。載漏過大會在很大程度上消耗功率,同時在解調(diào)器中易產(chǎn)生直流漂移。載漏產(chǎn)生與以下的幾個因素有關(guān)：（1)平衡調(diào)制器直流工作點不平衡；(2)平衡調(diào)制器I、Q兩支路不平衡；(3)收、發(fā)本振源的輻射。要減小載漏電平，可以將模擬鎖相環(huán)模塊的輸入信號選擇開關(guān)KP02設(shè)置在TEST位置，然后將D/A模塊內(nèi)Ki01、Ki02的短路器拔除，使調(diào)制模塊沒有信號輸入，隨后再調(diào)整電位器WK01、WK02使TPK03的信號(即載漏)輸出最小。接收端解調(diào)器眼圖信號觀測準(zhǔn)備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，并用中頻電纜連結(jié)KO02和JL02，建立中頻自環(huán)（自發(fā)自收）。信道噪聲放在最小位置（SW001跳線插入最下端）。KL01設(shè)置在1_2位置（閉環(huán)）。測量解調(diào)器Q支路眼圖信號測試點TPJ05（在A/D模塊內(nèi)）波形，觀測時用發(fā)時鐘TPM01作同步。將接收端與發(fā)射端眼圖信號TPi03進行比較，觀測接收眼圖信號有何變化。從下到上不斷加大噪聲，觀察TPJ05眼圖變化。現(xiàn)象：圖13不同噪聲等級下解調(diào)器Q支路眼圖信號分析：對比圖13中左圖和圖3，可以發(fā)現(xiàn)接收端信號的眼圖和發(fā)送端相比，其眼皮厚度增加了許多，過零率抖動更加嚴重，噪聲容限變小，抗干擾能力變?nèi)?。對比圖13中的左圖和右圖，當(dāng)不斷加大噪聲時，可以發(fā)現(xiàn)鹽眼圖中噪聲容限越來越小，知道已經(jīng)無法容納噪聲。右圖中信號眼圖已經(jīng)嚴重被噪聲干擾，波形十分變形，噪聲容限很小，抽樣判決時很可能由于噪聲而造成誤判決。解調(diào)器失鎖時的眼圖信號觀測將解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置（開環(huán)），使環(huán)路失鎖。噪聲放回最小位置。觀測失鎖時的解調(diào)器眼圖信號TPJ05，熟悉BPSK調(diào)制器失鎖時的眼圖信號（未張開）。觀測失鎖時正交支路解調(diào)器眼圖信號TPJ06波形。現(xiàn)象：圖14解調(diào)器失鎖后TPJ05、TPJ06眼圖信號分析：相位失鎖時，眼圖中已經(jīng)看不出有噪聲容限，如圖14中兩圖所示。為了對接收信號中的數(shù)據(jù)進行正確的解調(diào)，一般要求接收機端知道載波的相位和頻率信息，同時還要在正確時間點對信號進行判決，也即載波恢復(fù)與位定時恢復(fù)。而為了提高所提取載波的質(zhì)量，一般采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)。解調(diào)器失鎖時，波形相位不固定，在輸出端疊加時表現(xiàn)為眼圖未張開。接收端I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形觀察準(zhǔn)備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置（閉環(huán)），使環(huán)路鎖定。測量I支路（TPJ05）和Q支路信號（TPJ06）李沙育（x-y）波形時，應(yīng)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPJ05和TPJ06的合成矢量圖?，F(xiàn)象：圖15閉環(huán)時接收端I、Q路解調(diào)信號矢量圖分析： 觀察圖15中的左圖可知，兩路信號波形上幾乎完全一致，成上下對稱形式。觀察圖15中右圖可知，由于閉環(huán)的作用，I、Q兩條之路解調(diào)后的信號相位基本穩(wěn)定，存在兩個比較穩(wěn)定的相點。在接收端采用相干解調(diào)時，恢復(fù)出來的載波與發(fā)送載波在頻率上是一樣的，但相位存在兩種關(guān)系：0０、180０。如果是0０，則解調(diào)出來的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一樣，否則，解調(diào)出來的數(shù)據(jù)將與發(fā)送數(shù)據(jù)反相。解調(diào)器失鎖時I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形觀察：準(zhǔn)備：通過KG02使輸入調(diào)制數(shù)據(jù)為長m序列，解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置（右端），使環(huán)路失鎖。觀測接收端失鎖時I路和Q路的合成矢量圖。掌握解調(diào)器時I路和Q路解調(diào)信號的相平面（矢量圖）波形的變化，分析測量結(jié)果?，F(xiàn)象：圖15失鎖時接收端I、Q路解調(diào)信號矢量圖分析： 在實驗過程中調(diào)整電位器對波形和矢量圖幾乎不產(chǎn)生任何作用。從圖15的左圖中依然可以看到I、Q兩路之路的波形對稱關(guān)系。在右圖中反映的二者相位，類似于無數(shù)的扁圓環(huán)疊加，兩之路信號的相位關(guān)系在不斷地跳變，這是由于鎖相環(huán)失鎖所造成的。解調(diào)器相干載波相位模糊度觀測準(zhǔn)備：通過KG02選擇輸入測試數(shù)據(jù)為較短的“特殊碼序列”，解調(diào)器相干載波鎖相環(huán)（PLL）環(huán)路跳線開關(guān)KL01設(shè)置在1_2位置（閉環(huán)），使環(huán)路鎖定。用雙蹤示波器同時測量發(fā)端調(diào)制載波（TPK06）和收端恢復(fù)相干載波（TPLZ06），并以TPK06作為示波器的同步信號。反復(fù)的斷開和接回中頻自環(huán)電纜，觀測兩載波失步后再同步時之間的相位關(guān)系。現(xiàn)象：圖16發(fā)端調(diào)制載波和收端恢復(fù)相干載波關(guān)系分析： 在實驗時輸入的碼序列是0/1碼。從圖16中截取的兩張圖來看，端調(diào)制載波（TPK06）和收端恢復(fù)相干載波（TPLZ06）存在著兩種明顯的相位關(guān)系，接近00和１800。從理論上看，判決反饋環(huán)鑒相器具有右圖所示的特性：從上圖中可以看出，判決反饋環(huán)也具有00、１800兩個相位平衡點，因而采用判決反饋環(huán)存在這兩個相位模糊點。在反復(fù)的斷開和接回中頻自環(huán)電纜的過程中，兩載波失步后再同步時不斷尋找同步平衡點，所以有時是00有時是1800，但是由于電路本身的延遲，有一定相位偏差。解調(diào)器相干載波相位模糊度對解調(diào)數(shù)據(jù)的影響觀測通過KG02選擇輸入測試數(shù)據(jù)為較短的“特殊碼序列”，用示波器同時觀察解調(diào)輸出數(shù)據(jù)（TPM05）和發(fā)送數(shù)據(jù)（TPM02），并以TPM02作為示波器的同步信號，調(diào)整示波器使波形動態(tài)穩(wěn)定。不斷的斷開和接回中頻自環(huán)電纜，觀測TPM05數(shù)據(jù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，分析原因?，F(xiàn)象：圖17解調(diào)器相干載波相位模糊度對解調(diào)數(shù)據(jù)的影響分析： 在實驗時輸入的碼序列是0/1碼。對比圖17和圖16可知，同樣的，發(fā)送數(shù)據(jù)（TPM02）和解調(diào)輸出數(shù)據(jù)（TPM05）之間存在著00和１800兩種明顯的相位關(guān)系。造成這種現(xiàn)象的原因和上題是一樣的，都是由判決反饋環(huán)鑒相器的特性引