武昌分校通信10级移动通信调制实验.ppt

移动通信实验的目的、重点、难点,实验目的：熟悉当前2G和3G系统采用的主要数字调制原理与原理框图的构成；对数字调制技术的理论和工作过程进行验证；理解并能分析数字调制主要测量点的波形图；掌握数字示波器使用方法与技巧，为学习理解新型数字调制技术奠定基础。重点：理解QPSK、OQPSK、DQPSK、/4QPSK移相键控调制/解调和MSK、GAMSK移频（恒包络）键控调制/解调器特点；波形图（相位、频率、符号）与数字信号的对应关系及星座图等的观察与分析。难点：不同调制器特点的异同、串/并变换、极性变换、I/Q支路、合路调制输出、解调波形的理解与分析、波形图中相位与AB方式的判断、不同调制器星座图的（相位）分析等。参考文献：通信原理、移动通信、蜂窝移动通信等专业教材。,移动通信实验要求,1.实验前用15分钟时间阅读实验指导书,了解项目实验目的、内容、要求与方法步骤，当堂草记（录）实测数据与波形，并进行分析。2.两人一组,每人需能独立完成实验项目内容的测试与对数据波形的分析，实验上课表现、态度与动手能力列入平时成绩考核内容。3.下次实验时上交上次实验内容报告，报告内容见指导书每项实验的报告要求。报告中各相关测量波形除标注参数外并要旁边加以简要分析与比较说明。要有相关理论与实验原理框图，对不同实验项目特点予以说明。各项实验内容的实验思考题也需在报告中回答。4.实验时爱护使用仪器与实验设备，下课前整理好实验设备,关好电源并将椅橙与测试线放回原位。严格上课纪律，对无故迟到、早退者及旷课者将视情况少计或不计成绩。5.将在实验课堂上随机抽查考核学生的实验动手能力及与对实验内容（原理、波形分析、实验思考题等）理解情况并给予评分。,移动通信实验时间和实验项目安排,第一次课实验三QPSK调制解调实验第二次课实验四OQPSK调制解调实验第三次课实验五DQPSK调制解调实验第四次课实验六/4-QPSK调制解调实验第五次课实验一MSK调制解调实验第六次课实验二GMSK调制解调实验,数字信号调制技术,数字调制技术可分为线性调制和恒包络调制两类：线性调制技术类:主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、/4DQPSK和多电平PSK等。这一类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射过程中保持充分的线性，因此在制造移动设备中会增加难度和成本，但可以获得较高的频谱利用率。恒包络调制技术类:主要包括MSK、GMSK、GFSK、TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。由于这两类调制技术各有优势，因此被不同的移动通信系统所采用。如GSM系统中采用的GMSK调制，而IS-95CDMA系统采用QPSK和OQPSK调制、美国与日本数字系统中采用的/4DQPSK调制等。,QPSK调制器原理框图,QPSK也称四相绝对相移调制，QPSK是利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。在电路结构上是由两个正交的BPSK组成，在速率上较BPSK提高一倍。主要缺点是当出现四种数字信号（如“00”向“11”）跳变时产生1800相位，解调时出现相位模糊，造成误码。,QPSK调制信号矢量图,QPSK调制器原理框图串/并转换理论波形图,图中：输入数字信号序列ak经串/并转换后，按奇偶位分别分配到并支路的I（t）与Q（t）中，在码元宽度上I（t）支路与Q（t）支路将分配来数字信号延长了一个比特。在图中还可以观察到I（t）与Q（t）支路会出现数字信号“00”到“11”或“11”到“00”的跳变。,QPSK调制器原理框图串/并转换实测波形图,I路的DI与Q路的DQ实测波形有不同滞后现象，还可观察到DI和DQ数字信号为“00”时向“11”或“11”时向“00”突跳现象。,PSK同相支路数字调制实测波形图分析A方式,图中：数字电平由“-1”“+1”时，波形相位由0；数字电平由“+1”“-1”时，波形相位由0.,PSK正交支路数字调制实测波形图分析A方式,图中：数字电平由“-1”“+1”时，波形相位由“-/2”“+/2”；数字电平由“+1”“-1”时，波形相位由“+/2”“-/2”。,QPSK(合路)数字调制输出实测波形分析A方式,图中：QPSK调制输出波形相位分别有/4（对应数字信号“11“）、-3/4（对应数字信号“00”）等对应A方式变化的相位角度波形。,QPSK数字调制A方式星座图,变化,图中：可见星座图相位对应四相数字信号”11“、”01“、”00“、”10“分别有/4、3/4、-3/4、-/4等符合A方式变化的/2的相位跳变。还可观察到对角如”00“到”11“、”01“到”10“跳变时产生的的相位跳变。,OQPSK原理框图,OQPSK又叫偏移四相相移键控，它同QPSK的不同之处是在正交支路引入了一个码元的Tb延时，这使得两个支路的数据错开了一个码元时间，不会同时发生变化，而不象QPSK那样产生的相位跳变，而仅能产生/2的相位跳变，避免接收解调时可能出现的相位模糊现象。,QPSK与OQPSK调制器串/并转换理论波形比较图,图中：OQPSK调制的Q支路信号I支路的比特滞后一个信息比特（1/2个Ts）发生变化，避免了IQ支路信息比特的同时跳变（即不会出现1800的相位变化）。,NRZ与DI、DQ串/并转换实测波形图,由图中可观察出：由于Q支路增加延迟装置，DI和DQ未出现数字信号“00”向“11”等突跳，产生相位1800的可能。避免了解调时造成的相位模糊现象。,OQPSK(合路)数字调制输出实测波形分析,观察比较图中波形前后相位相对只有900的变化，克服QPSK有1800跳变现象。如图中的-3/4-（-1/4）=/2；/4-（-/4）=/2。,OQPSK数字调制A方式星座图,观察星座图中相对只有900的变化，没有1800跳变现象。,移动通信原理实验箱面板图,表一调制类型选择（8位拨码开关）,表二基带码速率选择（4位拨码开关）,实验箱调制各测试点含义(1),NRZ：调制器基带信号输出点；为周期为15位的NRZ码，码速率（比特宽窄）受拨码开关SW602控制（见表二）。/NRZ：基带信号的差分编码信号输出点（仅在MSK、GMSK调制时有效）；BS：基带信号的位同步信号；输出为方波，频率受拨码开关SW602控制，见表二DI：I路数据信号输出点；输出为NRZ码。DQ：Q路数据信号输出点；输出为NRZ码。路成形：“DI”信号经基带成形后信号输出点。路成形：“DQ”信号经基带成形后信号输出点。路调制：“I路成形”经载波调制后信号输出点，波形类似于PSK调制波形。路调制：“Q路成形”经载波调制后信号输出点，波形类似于PSK调制波形。调制输出：各调制方式的调制信号输出。,实验箱解调各测试点含义(2),I路解调：I路信号解调后信号输出点。Q路解调：Q路信号解调后信号输出点。I路滤波：“I路解调”信号经低通滤波后信号输出点。Q路滤波：“Q路解调”信号经低通滤波后信号输出点。DI：I路数据信号输出点；应与调制器“DI”一致。DQ：Q路数据信号输出点；应与调制器“DQ”一致。/NRZ：NRZ码的差分编码信号输出点（仅在MSK、GMSK调制时有效）；应与调制器“/NRZ”一致。NRZ：NRZ码输出点；应与调制器“NRZ”一致。“解调类型选择”拨码开关（SW701、SW702），分别与SW601、SW602对应，用来选择解调的实验类型和速率，做解调实验时其应与“调制类型选择”一致。,实验箱（O）QPSK调制实验原理框图,EEPROM存储各种调制参数的数据；D/A转换器将数字信息转换为方波或波形信号；波形选择生成存储各种调制方式的地址码,时序电路产生各种调制所需的载波信号,可编程逻辑芯片,实验箱（O）QPSK解调实验原理框图,解调实测波形分析,图中：上波形为将调制信号解调后的包含有高频载波信号的解调输出；下波形为低通滤波输出（可见去掉高频载波后的低频包络信号）。,调制信源信号NRZ与解调还原（信宿）信号NRZ实测波形,图中：可观察到解调输出的信宿信号调制器输入的信源信号码型相同，另是时间上有滞后现象。说明解调器能正确还原调制输入的信源信号。,DQPSK调制实验原理框图,DQPSK又叫四相相对相移键控，是由两路的DPSK正交组成。DQPSK没有固定的参考相位，后一个四进制码元总是以它相邻的前一个四进制码的终止相位为参考相位（或称为基准相位），因此，它是以前后两个码元的相位差值来表示信息的，使得解调时不存在相位模糊问题。可以采用非相干解调。,DPSK的编码与译码,由于DPSK信号是利用前后两相邻比特载波频率相位差来传送数字信息的，接收机就可以利用接收到的前后相邻两比特的相位差来判别发送的数字信息。可采用差分相干的解调方法，将接收的前一比特DPSK信号延时一比特时间Tb，作为相干基准信号同当前这一比特PSK信号相乘，因而差分相干解调又叫延迟解调。如果前一比特与当前比特相位相同，则相乘器(鉴相器)输出为“+”，判为数据“1”如果前一比特与当前比特相位不同，则相乘器(鉴相器)输出为“一”，判为数据“0”。DPSK的调制和解调过程的结果如表所示。,2PSK与2DPSK波形对比,实验箱DQPSK调制实验原理框图,为保证解调时不出现相位模糊现象，在QPSK调制器中的串/并转换后进行差分编码，将绝对码变成相对码，再将得到的相对码与载波进行调制。,实验箱DQPSK解调制实验原理框图,图中的串/并转换前进行差分译码，是为了将相对码变成绝对码，变成QPSK解调器。,/4-DQPSK调制原理框图,/4-DQPSK是对QPSK信号特性的进行改进的一种调制方式。改进之一是将QPSK的最大相位跳变，降为3/4，从而改善了/4-DQPSK的频谱特性（旁辨较QPSK小）；改进之二是解调方式，QPSK只能用于相干解调，而/4-DQPSK既可以用相干解调也可以采用非相干解调。,在码元转换时刻的相位跳变量只有/4和3/4四种取值。,/4-DQPSK的相位关系,从图中可以看出信号相位跳变必定在图中的“0”组和“”组之间跳变。即在相邻码元，仅会出现从“0”组到“”组相位点（或“组”到“0”组）的跳变，而不会在同组内跳变。同时也可以看到，Uk和Vk只可能有0，1五种取值，分别对应图中八个相位点的座标值。,IK、QK与K的对应关系,实验箱/4-QPSK调制实验原理框图,实验箱/4-QPSK解调实验原理框图,MSK调制原理框图,MSK叫最小移频键控是移频键控（FSK）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK传送更高的比特速率。,MSK调制信号变换关系(1),MSK调制信号变换关系(2),为了保持相位的连续，在t=kts时间内应有下式成立：k=k-1（ak-1-ak）（/2（k-1）即：当akak-1时，k=k-1当akak-1时，k=k-1k若令00，则k0或，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。,MSK输出信号波形图,MSK输出信号为I路与Q路分别与载波调制后的两路信号波形的叠加，从波形图中可以看出，对应输入数字信号“0”“1”变化，MSK调制输出的是两个不同频率的等幅信号。,MSK调制信号变换关系(3),MSK调制信号变换关系(2),为了保持相位的连续，在t=kts时间内应有下式成立：k=k-1（ak-1-ak）（/2（k-1）即：当akak-1时，k=k-1当akak-1时，k=k-1k若令00，则k0或，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。,路与路调制后合成的MSK输出信号波形图,GMSK调制原理框图,GMSK调制方式，是在MSK调制器之前加入一个基带信号预处理滤波器，即高斯低通滤波器，由于这种滤波器能将基带信号变换成高斯脉冲信号，其包络无陡峭边沿和拐点，从而达到改善MSK信号频谱特性的目的。,GMSK信号的功率谱密度,MSK调制实验原理框图,将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，,实测差分编码波形图,MSK解调实验原理框图,“解调类型选择”拨码开关拨为10000000、0100,予备知识,QPSK信号波形图,李沙育图形观察同频率的两个信号相位差波形（fy/fx=1）,实验用数字示波器及基本使用方法,上