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实验二 BPSK_BDPSK 传输系统综合实验

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实验三 BPSK/BDPSK 数字传输系统综合实验
一、实验原理
（一）BPSK调制
理论上二进制相移键控（BPSK)可以用幅度恒定，而其载波相位随着输入信号m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°.如果每比特能量为Eb，则传输的BPSK信号为:

其中

（二）BPSK解调
接收的BPSK信号可以表示成：

为了对接收信号中的数据进行正确的解调，这要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。这就是我们常说的载波恢复与位定时恢复。
１、 载波恢复
对二相调相信号中的载波恢复有很多的方法，最常用的有平方变换法、判决反馈环等.
在BPSK解调器中,载波恢复的指标主要有：同步建立时间、保持时间、稳态相差、相位抖动等。
本地恢复载波信号的稳态相位误差对解调性能存在影响，若提取的相干载波与输入载波没有相位差，则解调输出的信号为；若存在相差Δ，则输出信号下降cos2Δ倍，即输出信噪比下降cos2Δ,其将影响信道的误码率性能，使误码增加.对BPSK而言,在存在载波恢复稳态相差时信道误码率为：

２、 位定时
抽样时钟在信号最大点处进行抽样，保证了输出信号具有最大的信噪比性能,从而也使误码率较小。在刚接收到BPSK信号之后，位定时一般不处于正确的抽样位置，必须采用一定的算法对抽样点进行调整，这个过程称为位定时恢复。常用的位定时恢复有：滤波法、数字锁相环等.
最后，对通信原理综合实验系统中最常用的几个测量方法作一介绍：眼图、星座图与抽样判决点波形.
１、眼图：利用眼图可方便直观地估计系统的性能。示波器的通道接在接收滤波器的输出端，调整示波器的水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步.在荧光屏上看到显示的图型很像人的眼睛,所以称为眼图.
2、星座图：与眼图一样,可以较为方便地估计出系统的性能，同时它还可以提供更多的信息，如I、Q支路的正交性、电平平衡性能等。星座图的观察方法如下：用一个示波器的一个通道接收I支路信号,另一通道接Q支路信号，将示波器设置成X-Y方式.
３、抽样判决点波形:是在判决器之前的波形.抽样判决点波形可以较好地反映最终输出性能的好坏.抽样判决点波形上下两线聚集越好，则系统性能越好,反之越差.
（三)DBPSK调制与解调
由于BPSK相干载波恢复可能出现相位模糊，所以实用中经常采用DBPSK调制，是相移键控的非相干形式，它不需要在接收机端恢复相干参考信号。非相干接收机容易制造而且便宜，因此在无线通信系统中被广泛使用.在DBPSK系统中，输入的二进制序列先差分编码，然后再用BPSK调制器调制.差分编码原理为：
虽然DBPSK差分解调降低了接收机复杂度的优点，但它的能量效率比相干BPSK低3dB。在加性高斯白噪声环境中,平均错误概率如下所示：

在DBPSK方式中，由于不需要恢复载波,因而不能观察到接收端的眼图信号.但可以观察抽样判决点之前的信号波形来判断接收信号的质量与解调性能。差分BPSK的抽样判决点波形较相干BPSK要差。
二、实验仪器
1、 JH5001通信原理综合实验系统 一台
2、 20MHz双踪示波器 一台
3、 频谱测量仪 一台
三、实验目的
1、 掌握BPSK调制和解调的基本原理；
2、 掌握BPSK调制的方法
3、 掌握BPSK载波恢复特点与位定时恢复的基本方法;
4、 掌握BPSK检测的方法，弄懂为什么会产生相位模糊
5、 掌握差分编码的方法
6、 熟悉BDPSK差分检测的基本工作原理；
7、 了解BPSK/BDPSK在高斯白噪声下的基本性能。
四、实验内容与实验结果
测试前检查：首先通过菜单将通信原理综合实验系统调制方式设置成“BPSK传输系统”；用示波器测量TPMZ07测试点的信号，如果有脉冲波形，说明实验系统已正常工作；如果没有脉冲波形，则需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化.输入码先选择m序列，然后按要求选择0/1码等.
（一）BPSK调制
1. BPSK调制基带信号眼图观测
（1） 通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打勾），此时基带信号频谱成形滤波器全部放在发送端。以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。成型滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。判断信号观察的效果。
（2） 通过菜单选择激活“匹配滤波”方式(打勾），此时系统构成收发匹配滤波最佳接收机,重复上述实验步骤。仔细观察和区别与上述两种方式下发送信号眼图（TPi03）的波形。
2. I路和Q路调制信号的相平面(矢量图）信号观察
（1） 测量I支路(TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育(x-y)波形时,应将示波器设置在(x-y）方式,可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK调制器原理分析测试结果.
（2） 通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤。仔细观察和区别两种方式下矢量图信号。
3. BPSK调制信号0/π相位测量
选择输入调制数据为0／1码。用示波器的一路观察调制输出波形（TPK03）,并选用该信号作为示波器的同步信号;示波器的一路连接到调制参考载波上（TPK06/或TPK07）,以此信号作为观测的参考信号.仔细调整示波器同步,观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。
4. （×）BPSK调制信号包络观察
BPSK调制为恒包络调制，由于波形成形实现电路的局限性，已调信号包络具有明显的过零点。测量前将模拟锁相环模块内的跳线开关KP02设置在TEST位置（右端）。
（1） 选择0/1码调制输入数据，观测调制载波输出测试点TPK03的信号波形。调整示波器同步，注意观测调制载波的包络变化与基带信号（TPi03)的相互关系。画下测量波形。
（2） 用特殊码序列重复上一步实验,并从载波的包络上判断特殊码序列。画下测量波形。
（3） 用m序列重复上一步实验，观测载波的包络变化。
5. BPSK调制信号频谱测量
测量时，用一条中频电缆将频谱仪连结接到调制器的KO02端口.调整频谱仪中心频率为1。024MHz，扫描频率为10KHz/DIV，分辨率带宽为1~10KHz左右,调整频率仪输入信号衰减器和扫描时间为合适位置。
通过菜单选择m序列码输入数据，观测BPSK信号频谱.测量调制频谱占用带宽、电平等，记录实际测量结果，画下测量波形。
（二）BPSK解调
1. 接收端解调器眼图信号观测
（1） 首先用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环（自发自收）.测量解调器I支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形，观测时用发时钟TPM01作同步.将接收端与发射端眼图信号TPI03进行比较，观测接收眼图信号有何变化（有噪声）。
（2） 观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ06(在A/D模块内）波形，比较与TPJ05测试波形有什么不同?根据电路原理图，分析解释其原因.
（3） 测试模块中的TPN02测试点为接收端经匹配滤波器之后的眼图信号观测点。通过菜单选择“匹配滤波”方式设置，重复上述实验步骤.解释为什么发端眼图已发生变化，而收端TPN02的眼图没有发生变化(仅电平变化）。
2. 解调器失锁时的眼图信号观测
将解调器相干载波锁相环(PLL)环路跳线开关KL01设置在2_3位置（开环），使环路失锁。观测失锁时的解调器眼图信号TPJ05,熟悉BPSK调制器失锁时的眼图信号（未张开)。观测失锁时正交支路解调器眼图信号TPJ06波形。
注意：将示波器时基从正常位置调整2～5ms/DIV对比观测.
3. 接收端I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察
测量I支路(TPJ05)和Q支路信号(TPJ06）李沙育(x—y)波形时，应将示波器设置在（x—y)方式,可从相平面上观察TPJ05和TPJ06的合成矢量图。在解调器锁定时，其相位矢量图应为0、π两种相位。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量;结合BPSK解调器原理分析测试结果。
4. 解调器抽样判决点信号观察
（1） 选择输入测试数据为m序列,用示波器观察测试模块内抽样判决点（TPN04）的工作波形（示波器时基设定在2~5ms）。
（2） TPMZ07为接收端DSP调整之后的最佳抽样时刻。用示波器同时观察TPMZ07（观察时以此信号作同步）和观察抽样判决点TPN04信号波形之间的相位关系.
5. 解调器失锁时抽样判决点信号观察
将解调器相干载波锁相环（PLL)环路跳线开关KL01设置在2_3位置,使环路失锁。用示波器观察测试模块内抽样判决点TPN04信号波形，观测时示波器时基设定在2～5ms。熟悉解调器失锁时的抽样判决点信号波形。
（三)DBPSK调制
1. 差分编码观测
通信原理实验箱仅对“外部数据输入”方式输入数据提供差分编码功能。外部数据可以来自误码仪产生或汉明编码模块产生的m序列输出数据。当使用汉明编码模块产生的m序列输出数据时,将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中的H_EN和ADPCM开关去除,将输入信号跳线开关KC01设置在m序列输出口DT_M上（右端)；将汉明译码模块中汉明译码使能开关KW03设置在OFF状态（右端）,输入信号和时钟开关KW01、KW02设置在来自信道CH位置左端）。
通过菜单选择发送数据为“外部数据输入”方式。
（1） 将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中M_SEL2跳线器插入，产生7位周期m序列.用示波器同时观察DSP+FPGA模块内发送数据信号TPM02（或汉明编码模块TPC04输出的m码序列）和差分编码输出数据TPM03，分析两信号间的编码关系。记录测量结果。
（2） 将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中M_SEL2和M_SEL2跳线器都插入，产生15位周期m序列,重复上述测量步骤.记录测量结果。
2. DBPSK调制信号0/π相位测量
选择输入调制数据为0／1码。用示波器的一路观察调制输出波形（TPK03），并选用该信号作为示波器的同步信号；示波器的一路连接到调制参考载波上（TPK06/或TPK07）,以此信号作为观测的参考信号。仔细调整示波器同步,观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。
3. DBPSK调制信号频谱测量
测量时，用一条中频电缆将频谱仪连结接到调制器的KO02端口。调整频谱仪中心频率为1.024MHz，扫描频率为10KHz/DIV，分辨率带宽为1~10KHz左右，调整频率仪输入信号衰减器和扫描时间为合适位置。
通过菜单选择m序列码输入数据，观测DBPSK信号频谱。测量调制频谱占用带宽、电平等，记录实际测量结果,画下测量波形。
（四）DBPSK解调
1. 接收端解调眼图信号观测
（1） 首先用中频电缆连结KO02和JL02,建立中频自环(自发自收)。测量解调器I支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形,观测时用发时钟TPM01作同步.
（2） 将跳线开关KL01设置在2_3位置，调整电位器WL01以改变收发频差,重复上述测量步骤（示波器时基设定在2～5ms），并分析测试结果。
（3） 观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ06（在A/D模块内）波形。联系BPSK解调器失锁时的眼图信号测量内容，分析解释其原因.
（4） 测试模块中的TPN02测试点为接收端经匹配滤波器之后的眼图信号观测点.通过菜单选择“匹配滤波"方式设置，重复上述实验步骤。
2. 解调器抽样判决点信号观察
（1） 选择输入测试数据为m序列,用示波器观察测试模块内抽样判决点（TPN04）的工作波形(示波器时基设定在2～5ms).
（2） 将跳线开关KL01设置在2_3位置，调整电位器WL01以改变收发频差，观察对抽样判决点信号波形有无影响。
（3） TPMZ07为接收端DSP调整之后的最佳抽样时刻.用示波器同时观察TPMZ07(观察时以此信号作同步）和观察抽样判决点TPN04波形（抽样判决点信号）的之间的相位关系。
3. 解调数据观察
（1） 在上述设置跳线开关基础上，用示波器同时观察DSP+FPGA模块内接收数据信号TPM04和发送数据信号TPM02，比较两数据信号进行是否相同一致（正常差分译码）。
（2） 通过菜单选择发送数据为“特殊码序列”方式，测量发送与接收数据信号的传输延时，记录测量结果。
（3） 在“特殊码序列"方式下，重复按选择菜单的确认按键,让解调器重新锁定，观测DBPSK解调器电路是否正确解码。
五、 实验报告
（1） 记录实验波形和数据
（2） 叙述BPSK、BDPSK调制的优缺点
（3） 比较BPSK和2ASK，它们有何异同。为什么一般不采用2ASK？
（4） 为什么需要差分的BDPSK调制
（5） 叙述Nyquist滤波的作用
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