北交通原实验4 BPSK传输系统 - 图文

通信系统原理实验报告

BPSK传输系统

姓 名 学 号 班 级 成 员

老 师 时 间 2014年12月21日 上课时间 第十三周 周三 14：10—16:00

目录

一、实验目的 ................................................................................................................................... 1 二、实验仪器 ................................................................................................................................... 1 三、实验原理 ................................................................................................................................... 1

（一）BPSK简介 .................................................................................................................... 1

（二）BPSK调制信号产生电路 ............................................................................................ 1 （三）BPSK解调电路 ............................................................................................................ 2 （四）、测量工具 ..................................................................................................................... 2 四、实验内容 ................................................................................................................................... 3

（一）BPSK调制 .................................................................................................................... 3

1、 BPSK调制基带信号眼图测试 ............................................................................ 3 2、 同相I支路和正交Q支路调制信号相平面矢量图测试 ................................... 3 3、 BPSK调制信号0/π相位反转点的测量 ............................................................ 5 4、 BPSK调制信号包络观察 .................................................................................... 7 （二）BPSK解调 .................................................................................................................... 8

1、 接收端解调器眼图信号观测 ............................................................................... 8 2、 不做 ....................................................................................................................... 9 3、 接收端同相I支路和正交Q支路解调信号的相平面波形测试 ....................... 9 4、 解调器失锁时同相I支路和正交Q支路解调信号相平面波形测试 ............. 10 5、 解调器判决前抽样点信号观察 ......................................................................... 11 6、 解调器失锁时判决前抽样点信号观察 ............................................................. 11 7、 差分编码信号的测试 ......................................................................................... 12 8、 解调数据观察 ..................................................................................................... 12 9、 解调器相干载波观测 ......................................................................................... 13 10、 解调器相干载波相位模糊度的测试 ................................................................. 14 11、 解调器相干载波相位模糊对解调数据影响的观测 ......................................... 15 五、思考题 ..................................................................................................................................... 16

一、实验目的

1、熟悉软件无线电BPSK调制和解调原理。 2、掌握BPSK调制产生、传输和解调过程。

3、掌握BPSK正交调制解调的基本原理和实现方法。 4、了解数字基带波形时域形成的原理和方法。

5、掌握BPSK眼图的正确测试方法，能通过观察接受眼图判断信号的传输质量。 6、加深对BPSK调制、解调中现象和问题的理解。 7、加深对载波提取和位同步提取概念的理解。

二、实验仪器

1、ZH5001A通信系统原理实验箱 一台 2、20MHz双踪示波器 一台

三、实验原理

（一）BPSK简介

二相相移键控（BPSK (Binary Phase Shift Keying)），是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。

移相键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。

BPSK是用二进制基带信号（0、1）对载波进行二相调制。BPSK是最简单的PSK形式，相移大小为 180°，又可称为2-PSK。在群点聚集的地方，其实都不是非常有关系，在该图像中，群点分布在水平轴上的0°和180°上。由于BPSK使用严重的失真致使解调器作出错误的判断，所以该调制方式是所有PSK中最强的。但它只能以1bit/symbol调制而不适合高数据率应用情况。

BPSK信号进行相干解调的系统，其包括：用于从所述BPSK信号中恢复出频率为2F的载波信号（C）的装置；用于将频率为2F的所述信号注入到注入锁定振荡器（ILO）中的装置。

（二）BPSK调制信号产生电路

BPSK调制信号产生电路如下图，在图中，虚线部分是用FPGA芯片完成的。只有当选择外部数据时，才可以用外部信号源，除此之外，其他输入信号均在FPGA芯片内部完成。

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（三）BPSK解调电路

BPSK解调电路如下图。图中的信号处理过程，在A/D转换前均用硬件来完成，在A/D转换后的各部分，均用FPGA芯片来完成。实验中的BPSK解调是同步解调，因此解调电路中都设计了载波提取和位定时提取电路。

（四）、测量工具

最后，对通信原理综合实验系统中最常用的几个测量工具作简单介绍：眼图、星座图与抽样判决点波形。

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1、眼图：利用眼图可方便直观地估计系统的性能。对眼图的测试方法如下：用示波器的同步输入通道接收码元的时钟信号，用示波器的另一通道接在系统接收滤波器的输出端，然后调整示波器的水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。这时就可以在荧光屏上看到显示的图型很像人的眼睛，所以称为眼图。在这个图形上，可以观察到码间串扰和噪声干扰的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。一般而言，眼皮越厚，则噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。

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，这时就可以在荧光屏上看到星座图。 星座点聚焦越好，则系统性能越好；否则，噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。

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。

四、实验内容

实验前准备如下。首先通过菜单将试验系统的调制方式设置成“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，说明试验系统已正常工作；如果没有脉冲，则需按面板上的复位键对硬件进行初始化。

（一）BPSK调制

1、 BPSK调制基带信号眼图测试

当通过选择菜单激活“匹配滤波”方式时，表示系统按匹配滤波最佳接受机组成，即发射机端和接收机端采用同样的平方根余弦响应滤波器。当未激活“匹配 滤波”方式时，系统为非匹配最佳接收机，整个滤波器滚降特性全部放在发射机端完成，但信道成型滤波器特性不变。

（1）通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打钩）此时基带信号频谱成形

滤波器全部放在发送端。选择输入信号为m序列，以发送时钟TPM01作同步，测试TPi03波形。TPi03就是发送信号眼图波形。此时测试得到波形选用的是滚降系数α=0.4的升余弦成形滤波器。

2、 同相I支路和正交Q支路调制信号相平面矢量图测试

观察测量I支路TPi03和Q支路信号TPi04李沙育波形时，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。通过菜单选

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择不同的输入码型，观察并记录测试结果。

m码：

两路信号是相同的，所以李沙育图形是一条斜率为1的直线。 0/1码

两路信号是相同的，所以李沙育图形是一条斜率为1的直线。 全1码：

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全0码：

3、 BPSK调制信号0/π相位反转点的测量

先将跳线开关KP02设置在T位置（右端），通过菜单选择输入调制数据为0/1码。用示波器的一个通道观察已调制信号输出TPK03，并选用该通道信号作为示波器的同步信号；示波器的另一通道连接到调制参考载波TPK06或TPK07，以载波信号作为观测的参考信号。仔细调整示波器同步，观察和验证已调信号在调制数据0/1变化点发生相位0/π翻转情况。记录测试结果。

通道连接到调制参考载波TPK06，其波形如下：

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通道连接到调制参考载波TPK06，其波形如下：

从示波器中可以看到，归零点左边，已调制信号和调制参考载波同相；归零点右边，已调制信号和调制参考载波反相。

从理论上讲，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数据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：

观察上图可知，调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。但是在实际情况下，不完全是0/π相位差，m(t)cos(wct)和m(t)sin(wct)相加有π/4的相位差。而且由于系统的延迟，实际和理论分析也有一定的误差。

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4、 BPSK调制信号包络观察

实验中的BPSK调制为非恒包络信号，已调信号的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T位置（右端）。

（1）通过菜单选择0/1码作为调制输入数据，观测已调信号输出测试点TPK03

的信号波形。调整示波器的同步，注意观察已调信号的保罗变化与调制信号TPi03的相互关系。画出测量波形。

BPSK调制信号的包络与基带信号是完全一致的。说明实现了有效的调制，在调制过程中没有产生错码，系统性能佳。

（2）用特殊码序列重复步骤（1）实验。画下测量波形，并从已调信号的包络上

判断特殊码序列的可能值。

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可能值为10001000或01110111。

BPSK调制信号的包络与基带信号是完全一致的。说明实现了有效的调制，在调制过程中没有产生错码，系统性能佳。

（二）BPSK解调

1、 接收端解调器眼图信号观测

（1）首先用中频电缆连接KO02和JL02，建立中频通路。测量解调器同相I支

路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形，观测时用发始终TPM01作同步。将接收端与发送端眼图信号TPi03进行比较，说明接受眼图信号有何变化。

观察接收端眼图，眼皮较厚，质量没有发送端的好。

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2、 不做

3、 接收端同相I支路和正交Q支路解调信号的相平面波形测试

将示波器设置在（x-y）方式，将示波器的两个通道分别接到I支路TPJ05测试点和Q支路TPJ06测试点，即可得到TPJ05和TPJ06的合成矢量图，也就是李沙育波形图。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，并说明其差异。 m码：

0/1码：

Q支路没有信号，所以李沙育图形是一条横的直线，两者区别不大。 全1码：

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全0码：

4、 解调器失锁时同相I支路和正交Q支路解调信号相平面波形测试

将解调器提取相干载波的锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（右端），使环路开环失锁。观测接收端锁相环失锁时I路和Q路合成矢量，对观测结果加以分析。

0/1码

M码

两路信号是随机的，李沙育图形是个混乱的圆型。

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5、 解调器判决前抽样点信号观察

选择输入测试数据为m序列，用示波器观察测试模块内判决全抽样点TPN04的工作波形（示波器时基设定在2~5ms观测效果较好）。

虽然有噪声，但是可以判断出来0码和1码。

6、 解调器失锁时判决前抽样点信号观察

将解调器提取相干载波的锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（右端），使环路开环失锁。用示波器观察测试模块内判决前抽样点TPN04信号波形，观测时示波器时基设定在2~5ms效果较好。定性画出测试波形。

失锁时无法判断出0码和1码，示波器中并不能区别出两个电平。

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7、 差分编码信号的测试

测试前的准备及跳线开关设置：由于通信系统原理实验箱仅对“外部数据输入”方式输入的数据提供差分编码功能，因此必须通过菜单将输入信号设置为“外部数据输入”。外部数据可以来自误码仪，也可以从汉明编码模块产生的m序列输出数据。本实验选择汉明编码模块产生m序列输出数据。将汉明编码模块中的跳线开关SWC01中的H_EN和ADPCM跳线开关拨除，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位置（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）。将汉明编码模块信号工作跳线器开关SWC01中的M_SEL1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测试点TPM02和差分编码输出数据测试点TPM03波形，分析两信号间的编码关系是否正确，画出测试波形。

示波器上面是bk-1=[0 1 0 1 1 1 0] 下面是ak=[1 1 1 0 0 1 0] 符合ak = bk⊕bk-1

8、 解调数据观察

（1）在上述实验内容7设置跳线开关基础上，用示波器同时观察DSP+FPGA模

块内接受数据信号测试点TPM04和发送数据信号测试点TPM02，说明两数据信号是否相同。测量发送与接收数据信号的传输时延，记录测量结果。

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接收数据有延时，但是和发送端同相。

（2）在“外部数据输入”方式下，重复按选择菜单的确认按键，让解调器重新

锁定，这时的载波信号实际存在相位模糊度，在没有差分编码的条件下会使解调数据反向。通过观测，说明本实验步骤是否能够解决载波相位模糊带来的问题。

接收数据有延时，按确定键以后每次锁定后和发送端都是同相的，说明差分编码可以解决相位模糊带来的问题。

9、 解调器相干载波观测

首先建立中频通路，通过菜单选择输入测试数据为“特殊码序列”或“m序列”。

（1）用双踪示波器同时测量发端调制载波TPK07和收端提取的相干载波

TPLZ07，并以TPK07作为示波器的同步信号。在环路正常锁定时，观测收发载波信号的相位关系，说明测试结果。

相干载波与调制载波频率相同，相位有很小的误差。 （2）、将解调器相干载波提取锁环（PLL）的环路跳线开关KL01设置在2_3位

置（右端），使环路开环失锁。重复上述测量步骤，观测并说明在解调器失锁时收发载波信号的相位关系。

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环路失锁时，无法得到相干载波。

（3）将解调器相干载波提取锁相环（PLL）的环路跳线开关KL01设置在1_2

位置（左端），让解调器锁相环闭环锁定，如无法锁定，可按选择菜单上的确认键，让解调器重新同步锁定。断开中频连接电缆，说明在无输入信号情况下，解调器载波是否与发端同步。

无输入信号情况下，解调器载波与发端不同步。

10、解调器相干载波相位模糊度的测试

首先建立中频通路，通过菜单选择输入数据为“特殊码序列”或“m序列”。用 双踪示波器同时测量发端调制载波TPK07和收端提取出的相干载波TPLZ07，并以TPK07作为示波器的同步信号。发乎断开和接通中频电缆，观测并记录两载波从失步到同步后的相位关系。

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相位模糊致使载波可能有两种相位，两种相位相差180度。

11、解调器相干载波相位模糊对解调数据影响的观测

首先建立中频通路，通过菜单选择发送数据为“特殊码序列”。用双踪示波器同时测试接收数据信号TPJ05和发送数据信号TPi03，并以TPi03作为示波器的同步信号。不断断开和接通中频电缆，观测收发信号。画出测试波形，分析接收信号极性发生反转的原因。

接收数据与发送数据相同或者相反，说明相位模糊可能把接收数据全部反相。

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五、思考题

1、如果用特殊码序列作为输入信号，能否得到测试眼图？为什么？

不能，因为只有随机信号做输入才能产生眼图。 2、为什么失锁时会出现所测试到的波形？

因为失锁时两路信号是随机的。

3、载波同步与不同步如何判断？

在接收设备中是否能产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡。 4、载波的相位模糊如何反应？

BPSK载波提取出的相干载波的相位有2种可能，并且是随机的。相干载波与调制载波可能是同相的，也可能是反相的。 5、载波的相位模糊对解调信号有什么影响？

相位模糊可能把接收数据全部反相。

6、该实验用到通信系统原理实验箱中哪些模块？各模块的作用是什么？

①、测试模块：测抽样点的信号 ②、D/A模块：调制电路数模转换 ③、调制模块：用于PSK的调制 ④、解调模块：用于PSK的解调

⑤、汉编汉译模块：产生差分编码时输入的m序列 ⑥、DSP+FPGA模块：软件无线电PSK调制和解调 ⑦、A/D模块：解调电路模数转换 7、如何测试眼图？通过观察眼图如何反映信号质量？

输入信号选择为随机数字信号，用示波器的同步输入通道接到码元的时钟，用示波器的另一通道接在系统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。这时就可以测到眼图信号。

一般而言，眼皮越厚，则噪声与码间干扰越严重，系统的误码率越高。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7wf8.html