通信原理实验 - 图文

实 验 报 告

实验名称 BPSK/BDPSK 数字传输系统综合实验

PCM编解码实验

课程名称 通信原理

班级学号

姓 名

开课时间 2014/2015学年， 第 二 学期

实验二 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：

S(t)?其中

2Ebcos(2?fc??c) Tb?00?c??0?180m?0m?1

（二）BPSK解调

接收的BPSK信号可以表示成：

R(t)?a(t)2Ebcos(2?fc??) Tb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，最常用的有平方环法、判决反馈环。 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，对于BPSK接收信号为：

R(t)?a(t)2Ebcos(2?fc??) Tb而恢复的相干载波为cos(2?fc????)，经相乘器、低通滤波后输出的信号为：

a'(t)?a(t)2Eb1cos? Tb2若提取的相干载波与输入载波没有相位差，即Δ=0，则解调输出的信号为

a'(t)?a(t)2Eb122

；若存在相差Δ，则输出信号下降cosΔ倍，即输出信噪比下降cosTb2Δ，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：

Eb1Pe?erfc[cos?]

2N0为了提高BPSK的解调性能，一般尽可能地减小稳态相差，在实际中一般要求其小于5。改善这方面的性能一般可通过提高路环路的开环增益、减少环路时延。当然在提高环路增益的同时，对环路的带宽可能产生影响。

２、位定时

对于接收的BPSK信号，与本地相干载波相乘并经匹配滤波之后，在什么时刻对该信号进行抽样、判决，这一功能主要由位定时来实现。

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（例如I支路），然后调整示波器的水平扫描周期（或扫描频率），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。

（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如图4.2-10所示的星座图。

（３）判决点波形：是在判决器之前的波形。判决点波形可以较好地反映最终输出性能的好坏。判决点波形上下两线聚集越好，则系统性能真好，反之越差。

0

（三）BDPSK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：a(n)?a(n?1)?b(n)

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：

Pe?E1exp(b) 2N0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、 JH5001-4实验箱 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、 实验步骤 （一）BPSK调制

1、 将JH5001-4 平台调制和解调模块的所有短路器均置于1-2连接，用排线连接

CZ01-A和CZ01-B，CZ02-A和CZ02-B、CZ03-A和CZ03-B。 2、 按1.12节中的方式将JH5001-4 平台设置成“BPSK模式”。

3、 检查DSP是否正常工作：测量TP413的波形，如果有脉冲波形，说明DSP已正常

工作；如果没有脉冲波形，则DSP没有正常工作，需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化。

4、 在“菜单”中分别选择不同的输入码型：

（１） 外部数据 （２） 全1码 （３） 全0码 （４） 0/1码 （５） 特殊码序列 （６） m序列码

5、 检查DSP是否正常工作：测量TP413的波形，如果有脉冲波形，说明DSP已正常

工作；如果没有脉冲波形，则DSP没有正常工作，需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化。

6、 观察眼图：将K701置于左端（1、2）。（1）单独观察测量点TP803的眼图；（2）

以测量点TP401进行同步，观察测量点TP803的波形。判断信号观察的效果。 7、 取消“BPSK模式”的“匹配滤波设置”，重复实验步骤4。 8、 观察测量点TP803、TP804的x-y波形, 即李沙育图形。

9、 BPSK调制信号观察：将输入数据选择为0／1码，用示波器观察TP904的调制波形，

观察相位翻转。用特殊码序列重复该实验，并判断特殊码序列。 10、 BPSK调制信号频谱测量

测量时，用一条中频电缆将示波器CH1连结接到调制器的SO01端口，按下MATH（即Fourier 变换）。调整中心频率为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、 将JH5001-4 平台调制和解调模块的所有短路器均置于1-2连接，用排线连接CZ01-A和CZ01-B，CZ02-A和CZ02-B、CZ03-A和CZ03-B，CZ04-A和CZ04-B。 2、 按1.12节中的方式将JH5001-4 平台设置成“BPSK模式”。 3、 在菜单中选择不同的输入码型；

4、 在“JH5001-4 平台” 中, 用中频电缆连接S001、S002，使其在中频上进行自环连接，

即自发自收。

5、 检查DSP是否正常工作：测量TP413的波形，如果有脉冲波形，说明DSP已正常工作；

如果没有脉冲波形，则DSP没有正常工作，需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化。

6、 李沙育图形观察：用双踪示波器观察测量点TP605、TP606两点的X-Y波形。 7、 鉴相特性观察：将跳线开关K701设置在2-3位置，调整电位器W701以改变收发频差，

观察鉴相点TP505测量点的波形。

8、 接收眼图观察：以位定时TP402（恢复时钟信号）测量点作同步，观察测量点TP605的

接收眼图。

9、 匹配滤波特性观察：（1）以位定时TP402作同步，观察TP502、TP503测量点的接收

眼图，并对该两点波形进行解释。（2）用双踪示波器观察TP502、TP503两测量点的X-Y波形, 即李沙育图形。并同步骤6的测量结果进行比较。（3）选择匹配滤波，重复该实验。解释为什么发端眼图已发生变化，而收端TP502的眼图没有发生变化。 10、 判决点观察：用示波器观察测量点的判决点TP510的工作波形。 11、 解调数据观察：用示波器观察测量点TP103的接收数据信号。

12、 位定时调整观察：TP413为DSP调整之后的最佳抽样时刻，它与TP401具有明确的相

位关系。

（1） 在输入测试数据为m序列时，用示波器同时观察TP401（发端时钟，观察时以它作同步）、

TP413（收端最佳判决时刻）之间的相位关系。

（2） 不断按确认键（此时仅对DSP位定时环路初始化），观察TP413的调整过程。 （3） 在测试数据为全1或全0码时重复该实验，并解释原因。

（4） 断开S002接收中频接头，在没有接收信号的情况下重复该步实验，并解释原因。 13、 以TP101（发送时钟）信号为同步，在不同的测试码序列下测量TP102（接收时钟）的

抖动情况，为什么在全0或全1码下观察不到位定时的抖动。

（三）BDPSK调制与解调

1、 将JH5001-4 平台调制和解调模块的所有短路器均置于1-2连接。用排线连接CZ01-A和CZ01-B，CZ02-A和CZ02-B、CZ03-A和CZ03-B，CZ04-A和CZ04-B 2、 按1.12节中的方式将JH5001-4 平台设置成“差分BPSK模式”。 3、 在该方式下只提供m序列输入码型；

4、 在“JH5001-4 平台” 中, 用中频电缆连接S001、S002，使其在中频上进行自环连接，

即自发自收。

5、 检查DSP是否正常工作：测量TP413的波形，如果有脉冲波形，说明DSP已正常工作；

如果没有脉冲波形，则DSP没有正常工作，需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化。

6、 李沙育图形观察：用双踪示波器观察TP605、TP606两测量点的X-Y波形。

7、 接收眼图观察：以位定时TP402测量点作同步，观察测量点TP605的接收眼图。此时为

什么看不到眼图。

8、 判决点观察：用示波器观察测量点判决点TP510的工作波形。

9、 位定时调整观察：TP413为DSP调整之后的最佳抽样时刻，它与TP401具有明确的相

位关系。

（1） 在输入测试数据为m序列时，用示波器同时观察TP401（发端时钟，观察时以它作同步）、

TP413（收端最佳判决时刻）之间的相位关系。

（2） 不断按确认键（此时仅对DSP位定时环路初始化），观察TP413的调整过程。 （3） 断开S002接收中频接头，在没有接收信号的情况下重复该步实验，并解释原因。 10、 以TP101（发送时钟）信号为同步，测量TP102（接收时钟）的抖动情况。

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。 (1)

(2)叙述BPSK、BDPSK调制的优缺点

2PSK,2DPSK的共同优点:

1)抗噪声性能好2)频带利用率较高3)功率利用率高

2DPSK相对于2PSK的优点:

克服了2PSK相干解调时，由于载波恢复中有0.π模糊性，导致解调过程出现“反向工作”现象的缺点。 2PSK缺陷：

1)在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，称“倒π”现象或“反相工作”。 2)信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，定时信息无法提取。

(3)比较BPSK和2ASK，它们有何异同。为什么一般不采用2ASK？

在误码率相同的情况下，2ASK所需要的信噪比最高，2PSK所需要的信噪比最低，因此，在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2ASK最差。 2PSK系统中，判决门限不随信道特性的变化而变化，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1)=P(0)时)，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，因此，2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。 2PSK的抗噪声性能优于2ASK。 2PSK的频带利用率高于2ASK。 2PSK的功率利用率高于2ASK。

（4）为什么需要差分的BDPSK调制

原始信息独立等概，则差分编码的结果也是独立等概的，因此2DPSK的功率谱和2PSK一样。2DPSK可对抗相干解调的相位模糊。2DPSK还可以非相干解调.

(5）叙述Nyquit滤波作用。

Nyquist设计准则为基带传输系统信号设计提供了一个方法。利用该准则一方面可以 对信号的频谱进行限制，另一方面又不会产生码间串扰。 升余弦滤波器的传递函数为：

图Nyquist升余弦滤波基带传输频域与时域特性示意图

采用Nyquist波形成形技术后的波形频谱，发送频谱在发端受到限制，提高了信道频带利用

率，减少了邻道干扰。基带信号经过升余弦滤波后变为低通带限信号，

可以消除码间串扰，但若未作成型滤波，就如同非归零码状态时的频谱，则会有明显的频谱泄露，容易造成严重的码间干扰。

实验三 PCM编解码实验

一、 实验原理

抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。

利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。

抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。通常将语音信号通过一个3400 Hz低通滤波器（或通过一个300～3400Hz的带通滤波器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这样可以用频率大于或等于6800 Hz的样值序列来表示。

实际上，设计实现的滤波器特性不可能是理想的，对限制最高频率为3400Hz的语音信号，通常采用8KHz抽样频率。这样可以留出一定的防卫带（1200Hz）。当抽样频率fs低于2倍语音信号的最高频率fh，就会出现频谱混迭现象，产生混迭噪声，影响恢复出的话音质量。

在抽样定理实验中，采用标准的8KHz抽样频率，并用函数信号发生器产生一个信号，通过改变函数信号发生器的频率，观察抽样序列和重建信号，检验抽样定理的正确性。

PAM电路模块各测试点安排如下： 1、 TP701：输入模拟信号

2、 TP702：经滤波器输出的模拟信号 3、 TP703：抽样序列 4、 TP704：恢复模拟信号 PCM实验电路工作原理如下：

PCM编译码器模块，由语音编译码集成电路U502（MC145540）、运放U501（TL082）、晶振U503（20.48MHz）组成。

PCM编译码模块将来自用户接口模块2的模拟信号进行PCM编译码，该模块采用MC145540集成电路完成PCM编译码功能。该器件具有多种工作模式和功能，工作前通过复接解复接模块中的开关KB03将其配置成直接PCM模式，使其具有以下功能：

1、对来自接口模块2发支路的模拟信号进行PCM编码输出；

2、将输入的PCM码字进行译码，并将译码之后的模拟信号送入用户接口模块1。 在PCM编译码模块中，发送信号经U501A运放后放大后，送入U502的2脚进行PCM编码。编码输入时钟为BCLK（256KHz），编码数据从U502的20脚输出（DT_ADPCM），FSX为编码抽样时钟（8KHz）。译码之后的模拟信号经运放U501B放大缓冲输出，送到用户1接口模块中。

PCM编译码模块中的各跳线功能如下：

1、 跳线开关K501是用于选择输入信号，当K501置于正常位置时，选择来自用户2

接口单元的话音信号；当K501置于测试位置时选择测试信号。测试信号从该模块的TP001模拟测试端口输入。

2、 跳线器K504是用于设置PCM译码器的输入数据选择，当K504置于右端时译码

数据来自MC145540的编码模块；当K504置于左端时译码数据来复接解复接模块。

在PCM模块中，各测试点的定义如下：

1、 TP501：发送模拟信号测试点 2、 TP502：PCM发送码字

3、 TP503：PCM编码器输入/输出时钟 4、 TP504：PCM编码抽样时钟 5、 TP505：PCM接收码字 6、 TP506：接收模拟信号测试点

二、 实验目的

1、 了解语音编码的工作原理，验证PCM编译码原理；

2、 熟悉PCM抽样时钟、编码数据和输入/输出时钟之间的关系；

3、 了解PCM专用大规模集成电路的工作原理和应用； 4、 熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法；

三、 实验仪器

1、 JH5001－4实验箱 2、 20MHz双踪示波器 3、 函数信号发生器 4、 音频信号传输损伤测试仪

一台 一台 一台 一台

四、 实验步骤

（一）PAM实验

1. 自然抽样脉冲序列测量

（1） 准备工作：由于PAM实验用的抽样信号由复接解复接模块提供，因此首先用

10针排线连接排针插槽JK501和JKB01，以获取抽样信号；将复接解复接模块中的KB04设置在右端（自然抽样状态）；将输入信号选择开关K501设置在右端以输入测试信号。将低通滤波器选择开关K702设置在滤波位置，为便于观测，调整函数信号发生器正弦波输出频率为200～1000Hz、输出电平为2Vp-p的测试信号送入信号PCM/PAM模块的测试端口TP001和接地端TP002。

（2） PAM脉冲抽样序列观察：用示波器同时观测正弦波输入信号（TP701）和抽样

脉冲序列信号（TP703），观测时以TP701做同步。调整示波器同步电平和微调调整函数信号发生器输出频率，使抽样序列与输入测试信号基本同步。测量抽样脉冲序列信号与正弦波输入信号的对应关系。

（3） PAM脉冲抽样序列重建信号观测：TP704为重建信号输出测试点。保持测试信

号不变，用示波器同时观测重建信号输出测试点和正弦波输入信号，观测时以TP701输入信号做同步。

2. 平顶抽样脉冲序列测量

（1） 准备工作：与自然抽样脉冲序列测量准备工作不同之处是将复接解复接模块内

的抽样时钟模式开关KB04设置在左端进行平顶抽样。

（2） PAM平顶抽样序列观察：方法同1测量，请同学自拟测量方案。记录测量波形，

与自然抽样测量结果做比较。

（3） 平顶抽样重建信号观测：方法同1测量，请同学自拟测量方案。与自然抽样测

量结果对比分析平顶抽样的测试结果。

3. 信号混迭观测

（1） 准备工作：同PAM脉冲抽样实验；

（2） 注意：将跳线开关K702设置在2-3位置（无输入滤波器）。调整函数信号发生

使器正弦波输出频率为7.5KHz左右、电平为2Vp-p的测试信号送入信号测试端口TP001和TP002（地）。

（3） 用示波器观测重建信号输出波形。缓慢变化测试信号输出频率，注意观察输入

信号与重建信号波形的变化是否对应一致，分析解释测量结果。

（二）PCM实验

1. 准备工作：由于PCM实验用的时钟信号由复接解复接模块的UB03提供，因此首先用

10针排线连接排针插槽JK501和JKB01，以获取时钟信号；加电后，将复接解复接模块中的跳线开关KB03置于左端PCM编码位置，此时MC145540工作在PCM编码状态。

2. PCM串行接口时序观察

（1） 输出时钟和帧同步时隙信号观测：用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）

和输出时钟信号（TP503），观测时以TP504做同步。分析和掌握PCM编码抽样时钟信号与输出时钟的对应关系（同步沿、脉冲宽度等）。

（2） 抽样时钟信号与PCM编码数据测量：用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）

和编码输出数据信号端口（TP502），观测时以TP504做同步。分析和掌握PCM编码输出数据与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。

3. PCM编码器

（1） 方法一：

（A） 准备：将跳线开关K501设置在测试位置，用函数信号发生器产生一

个频率为1000Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入该模块的信号测试端口TP001和TP002（地）。

（B） 用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和编码输出数据信号端口

（TP502），观测时以TP504做同步。分析和掌握PCM编码输出数据与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。分析为什么采用一般的示波器不能进行有效的观察。

4. PCM译码器

（1） 准备：跳线开关K501设置在测试位置、K504设置在右端自环工作位置，此时

将PCM输出编码数据直接送入本地译码器，构成自环。用函数信号发生器产生一个频率为1000Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入信号测试端口TP001和TP002（地）。

（2） PCM译码器输出模拟信号观测：用示波器同时观测解码器输出信号端口

（TP506）和编码器输入信号端口（TP501），观测信号时以TP501做同步。定性的观测解码信号与输入信号的关系：质量、电平、延时。

5. PCM频率响应测量：将测试信号电平固定在2Vp-p，调整测试信号频率，定性的观测

解码恢复出的模拟信号电平。观测输出信号信电平相对变化随输入信号频率变化的相对关系。

6. PCM动态范围测量：将测试信号频率固定在1000Hz，改变测试信号电平，定性的观测

解码恢复出的模拟信号质量。

五、实验报告

（6） 记录实验波形和数据 （7） 叙述PCM编解码的基本步骤 （8） 叙述PCM的优缺点 （9） 量化有没有反变换？对通信有何影响？从实验中看对波形影响有多大？

（10） PCM通信中为什么需要同步？需要哪些同步？实验中可不可以省去同步过程？ （11） 对PCM可有什么改进，举出改进方式的例子。

（1）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tru2.html