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移动通信实验指导材料第一部分 数字调制与调制技术实验四 MSK调制及相干解调实验一、 实验目的1、了解MSK调制原理及特性2、了解MSK解调原理及特性3、了解载波在相干及非相干时的解调特性二、 实验内容1、观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。2、观察IQ调制解调过程中各信号变化。3、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。三、 基本原理1、MSK调制原理MSK称为最小移频键控调制，是一种恒包络调制，这是因为MSK属于二进制连续相位移频键控（CPFSK）的一种特殊情况，它不存在相位跃变点，因此在带限系统中，能保持恒包络特性。恒包络调制有以下优点：极低的旁瓣能量；可使用高效率的C类功率放大器；容易恢复用于相干解调的载波；已调信号峰平比低。MSK是CPFSK满足移频系数时的特例：当时，满足在码元交替点相位连续的条件，是移频键控为保证良好的误码性能所允许的最小调制指数；且此时波形的相关性为0，待传送的两个信号是正交的。它能比PSK传送更高的比特速率。二进制MSK信号的表达式可写为：或者这里载波角频率；码元宽度；第k个码元中的信息，其取值为1；第k个码元的相位常数，它在时间中保持不变由式（4-1）可见，当ak1时，信号的频率为当ak1时，信号的频率为由此可得频率间隔为如图4-1（a）所示，由图4-1（b）中的波形可以看出，“”信号与“”信号在一个码元期间恰好相差二分之一周，即相差。下面我们就来说明MSK信号的频率间隔是如何确定的。对于一般移频键控（2FSK），两个信号波形具有以下的相关系数式中，是载波频率。MSK是一种正交调制，其信号的波形的相关系数等于零。因此，对MSK信号来说，式（4-7）应为零，也就是上式右边两项均应为零。第一项等于零的条件是（k1，2，3），令k等于其最小值1，则图4-1 MSK信号的频率间隔与波形这正是MSK信号所要求的频率间隔。第二项等于零的条件是（n=1，2，3），即这说明，MSK信号在每一个码元周期内，必须包含四分之一载波周期的整数倍。由此可得（N为正整数；m0，1，2，3）相应地图4-1（b）中的信号波形是N1，m3的特殊情况。相位常数的选择应保持信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由式（4-3）可以导出以下的相位递归条件，或者称为相位约束条件，即上式表明，MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前的ak有关，而且与前面ak1的及相位常数有关。或者说，前后码元之间存在着相关性。对于相干解调来说，的起始参考值可以假定为零，因此，从式（4-11）可以得到式（4-3）中的称为附加相位函数，它是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。式（4-3）是一直线方程式，其斜率为，截距是。另外，由于的取值为，故是分段线性的相位函数（以码元宽度Ts为段）。在任一个码元期间内，的变化量总是。时，增大，时，减小。图4-2（a）是针对一特定数据序列画出的附加相位轨迹；图4-2（b）表示的是附加相位路径的网格图，它是附加相位函数由零开始可能经历的全部路径。与ak之间的关系举例给出，如表4-1所示。图4-2 附加相位函数及附加相位路径网格（a）附加相位函数；（b）附加相位路径网格表4-1 相位常数与的关系k123456ak1111110（模）0000由以上讨论可知，MSK信号具有如下特点：（1） 已调信号的振幅是恒定的；（2） 信号的频率偏移严格地等于，相应的调制指数；（3） 以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确的线性化变化；（4） 在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍；（5） 在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突跳。下面我们讨论MSK信号的调制与解调方法MSK信号表达式可正交展开为下式：式中，等号后面的第一项是同相分量，也称I分量；第二项是正交分量，也称Q分量。和称为加权函数（或称调制函数）。是同相分量的等效数据，是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令，代入式（4-13）可得根据上面描述可构成一种MSK调制器，其方框图如图4-3所示：图4-3 MSK调制原理框图输入数据NRZ，经过差分编码后，然后通过CPLD电路进行串/并转换，串并转换后I路直接输出，Q路经半个码元延迟后输出，得到Ik、Qk两路数据。波形选择地址生成器是根据接受到的数据（Ik或Qk）输出波形选择的地址。EEPROM（各种波形数据存储在其中）根据CPLD输出的地址来输出相应的数据，然后通过DA转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK调制信号。MSK基带波形只有两种波形组成，见图4-4所示：图4-4 MSK成形信号在MSK调制中，成型信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。如果当前数据与前一数据相同，数据第一次保持时，输出的成形信号不变（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）；从第二次保持开始，输出的成形信号与前一信号相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）。如果当前数据与前一位数据相反，数据第一次跳变时，输出的成形信号与前一信号相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2），从数据第二次跳变开始，输出的成形信号不变（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。MSK的基带成形信号波形如图4-5所示图4-5 MSK的基带信号波形2、MSK解调原理MSK信号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。已知：把该信号进行正交解调可得到：Ik路：Qk路：我们需要的是、两路信号，所以必须将其它频率成份、通过低通滤波器滤除掉，然后对、采样即可还原成、两路信号。根据上面描述可构成一种MSK解调器，其方框图如图4-6所示：CPLD图4-6 MSK解调原理框图将得到的MSK调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD的数字处理，就可解调得到NRZ码。在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端载波相同时，才能完成相干解调。由于载波同步不是本实验的内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。四、 实验原理1、实验模块简介本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块及PSK载波恢复模块。（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。2、实验框图及电路说明a、MSK调制实验IQ调制基带成型图4-7 MSK调制实验框图MSK调制实验框图如图4-7所示，基带成形模块产生的PN码（由PN31端输出）输入到串并转换电路中（由NRZ IN端输入）进行差分编码，然后进行串并转换，串并转换后I路直接输出，Q路经半个码元延迟后输出，输出的IQ两路数字基带信号，经波形预取电路判断，取出相应的模拟基带波形数据，经D/A转换后输出。IQ两路模拟基带信号送入IQ调制解调模块中的IQ调制电路分别进行DSB调制，然后相加形成MSK调制信号，经放大后输出。MSK已调信号载波为10.7MHz，是由21.4MHz本振源经正交分频产生。b、MSK解调实验IQ解调码元再生图4-8 MSK解调实验框图MSK解调实验框图如图4-8所示。MSK已调信号送入IQ调制解调模块中的IQ解调电路分别进行DSB相干解调，相干载波由调制端的本振源经正交分频产生。解调输出的IQ两路模拟基带信号送入码元再生模块进行整形及抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换，经差分译码后输出。抽样判决前IQ信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。位同步信号恢复由码元再生模块中的数字锁相环完成。IQ两路抽样判决的位同步信号相差半个码元。IQ解调电路的载波也可由PSK载波恢复模块上的本振源提供，此时解调变为非相干解调，从解调输出的模拟基带信号可以看出信号失真很大，无法进行码元再生。五、 实验步骤1、 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和PSK载波恢复模块。2、 MSK调制实验。a、关闭实验箱总电源，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明基带模块：PN31基带模块：NRZ IN提供PN31伪随机序列基带模块：I-OUTIQ模块：I-IN将基带成型后的I路信号进行调制基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN将基带成型后的Q路信号进行调制* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按基带成形模块上“选择”键，选择MSK模式（MSK指示灯亮）。c、用示波器对比观察“NRZ IN”和“NRZ OUT”信号，写出差分编码规则。d、用示波器观察基带模块上“NRZ-I”及“NRZ-Q”测试点，并分别与“NRZ OUT”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。e、用示波器观测基带模块上“I-OUT”和“Q-OUT”点信号，并分别与“NRZ-I”、“NRZ-Q”对比，说明MSK信号的成形规则。f、用频谱分析仪观测调制后MSK信号频谱（可用数字示波器上FFT功能替代观测），观测点为IQ模块调制单元的“输出”端（TP4）3、 MSK相干解调实验。a、关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：源端口目的端口IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2）IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3）IQ模块(载波单元)：输出（J5）IQ模块(载波单元)：输入（J4）* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、示波器探头分别接IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调后的波形。c、对比解调前后I路信号示波器探头分别接IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意观察两者是否一致。(若一致表示解调正确，若不一致则可能是载波相位不对，可按IQ模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。)d、对比观测解调前后Q路信号示波器探头分别接IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致则可能是载波相位不对，可将按IQ模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。）4、 MSK再生信号观察a、关闭实验箱总电源，保持步骤2、3中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明IQ模块：I-OUT再生模块：I-IN将解调后的I路信号进行抽样判决IQ模块：Q-OUT再生模块：Q-IN将解调后的Q路信号进行抽样判决* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按再生模块上“选择”键，选择MSK模式（MSK指示灯亮）。c、对比观测原始NRZ信号与再生后的NRZ信号示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤2重新实验。5、 观测载波非相干时信号波形断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与PSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时载波不同步。从步骤2开始再次观察各信号。六、 思考题MSK及OQPSK基带信号有什么区别？这些区别产生了什么结果？实验五 GMSK调制及相干解调实验一、 实验目的1、了解GMSK调制原理及特性2、了解GMSK解调原理及特性3、了解载波在相干及非相干时的解调特性4、掌握MSK调制与GMSK调制的差别二、 实验内容1、观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。2、观察IQ调制解调过程中各信号变化。3、观察MSK调制及GMSK调制信号的区别。4、观察解调载波相干时和非相干时各信号的区别。三、 基本原理1、GMSK调制原理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。基带的高斯低通滤波平滑了MSK信号的相位曲线，因此稳定了信号的频率变化，这使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。实现GMSK信号的调制，关键是设计一个性能良好的高斯低通滤波器，它必须具有如下特性：有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中多余的高频成分。脉冲响应过冲量应尽量小，防止已调波瞬时频偏过大。输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为/2，使调制系数为1/2。以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所需要的。高斯低通滤波器的冲击响应为式中，Bb为高斯滤波器的3dB带宽。该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为式中当BbTb取不同值时，g(t)的波形如图5-1所示图5-1 高斯滤波器的矩形脉冲响应GMSK的信号表达式为GMSK的相位路径如图5-2所示。图5-2 GMSK的相位轨迹从图5-1和5-2可以看出，GMSK是通过引入可控的码间干扰（即部分响应波形）来达到平滑相位路径的目的，它消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点。从图中还可以看出，GMSK信号在一码元周期内的相位增量，不像MSK那样固定为/2，而是随着输入序列的不同而不同。由式（5-4）可得式中尽管g(t)的理论是在t范围取值，但实际中需要对g(t)进行截短，仅取(2N+1)Ts区间，这样可以证明在码元变换时刻的取值是有限的。这样我们就可以事先制作和两张表，根据输入数据读出相应的值，再进行正交调制就可以得到GMSK信号，如图5-3所示图5-3波形存储正交调制法产生GMSK信号图5-4描述出了GMSK信号的功率谱密度。图中，横坐标的归一化频率（），纵坐标为谱密度，参变量为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽与码元长度的乘积。的曲线是MSK信号的功率谱密度，由图可见，GMSK信号的频谱随着值的减小变得紧凑起来。需要说明的是，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误比特率性能变得越差。不过，当时，误比特率性能下降并不严重。图5-4 GMSK的功率谱密度在本实验中，不采用硬件构成高斯低通滤波器进行调制的方法，而是将GMSK的所有组合波形数据（高斯滤波后的）计算出来，然后将得到的数据输入EEPROM中，最后通过数据（、）进行寻址访问，取出相应的GMSK成形信号。2、GMSK解调原理GMSK信号的解调可以采用相干解调，也可采用非相干解调，相干解调的原理与MSK相干解调相同，可参阅MSK相干解调原理。非相干解调在下个实验中介绍。四、 实验原理1、实验模块简介本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块及PSK载波恢复模块。（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。本实验只使用其载波源。2、实验框图及电路说明IQ调制基带成型图5-6 GMSK调制实验框图IQ解调码元再生图5-7 GMSK解调实验框图本实验原理与MSK调制解调实验基本相同，GMSK基带信号即是将MSK基带信号通过高斯滤波器得到，消除MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点。五、 实验步骤1、 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和PSK载波恢复模块。2、 GMSK调制实验。a、用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明基带模块：PN31基带模块：NRZ IN提供PN31伪随机序列基带模块：I-OUTIQ模块：I-IN将基带成型后的I路信号进行调制基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN将基带成型后的Q路信号进行调制* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按基带成形模块上“选择”键，选择GMSK模式（GMSK指示灯亮）。c、用示波器对比观察“NRZ IN”和“NRZ OUT”信号，写出差分编码规则d、用示波器观察基带模块上“NRZ-I”及“NRZ-Q”测试点，并分别与“NRZ OUT”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。e、用示波器观测基带模块上“I-OUT”和“Q-OUT”点信号，并分别与“NRZ-I”、“NRZ-Q”对比，说明GMSK信号成形规则。f、用频谱分析仪观测调制后GMSK信号频谱（可用数字示波器上FFT功能替代观测），观测点为IQ模块调制单元的“输出”端（TP4）3、 GMSK相干解调实验。a、 关闭实验箱总电源，保持步骤2中的连线不变，用同轴视频线完成如下连接：源端口目的端口IQ模块（IQ调制单元）：输出（J2）IQ模块（IQ解调单元）：输入（J3）IQ模块(载波单元)：输出（J5）IQ模块(载波单元)：输入（J4）* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、示波器探头分别接IQ解调单元上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察解调后的波形。c、对比解调前后I路信号示波器探头分别接IQ模块的“I-OUT”端及“I-IN”端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致则可能是载波相位不对，可按IQ模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。)d、对比观测解调前后Q路信号示波器探头分别接IQ模块的“Q-OUT”端及“Q-IN”端，注意观察两者是否一致。（若一致表示解调正确，若不一致则可能是载波相位不对，可将按IQ模块复位键S1复位或重新开关该模块电源复位。）4、 GMSK再生信号观察a、关闭实验箱总电源，保持步骤2、3中的连线不变，用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明IQ模块：I-OUT再生模块：I-IN将解调后的I路信号进行抽样判决IQ模块：Q-OUT再生模块：Q-IN将解调后的Q路信号进行抽样判决* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按再生模块上“选择”键，选择GMSK模式（GMSK指示灯亮）。c、对比观测原始NRZ信号与再生后的NRZ信号示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤2重新实验。5、 观测载波非相干时信号波形断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与PSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时载波非相干。从步骤2开始再次观察各信号。六、 思考题1、 MSK及GMSK基带信号有什么区别？这些区别产生了什么结果？2、 比较MSK信号及GMSK频谱的区别。实验六 MSK、GMSK非相干数字解调实验一、 实验目的通过本实验掌握MSK、GMSK差分解调原理及方法。二、 实验内容1、观察I、Q两路解调基带信号在载波不相干时的特征。2、观察非相干解调过程中各信号的变化。3、观察载波频率偏差对解调输出的影响。4、观察位同步过程及其抖动。5、观察解调结果。三、 基本原理MSK/GMSK信号均可采用非相干解调。由于MSK、GMSK调制都是FSK调制的一种方式，因此可以采用FSK调制非相干解调方式，有包络检波、频率检波等。由于MSK、GMSK调制信号的相位在码元间存在关联，因此MSK、GMSK信号还可采用时延检波方式进行非相干解调。时延检波是用1个码元的检波器输入信号的相位差，进行码判决的解调方式。时延检波分为IF频带时延检波、基带时延检波、限幅鉴频时延检波和相位时延检波4种类型。（1）IF频带时延检波（如图6-1所示）：IF频带时延检波接收信号波形与其时延波形相乘，用滤波器滤除载波频率中的二倍载波频率分量。延迟线采用移位寄存器，它对输入信号进行高速采样，由移位寄存器延迟一个符号的时间。码判决时,检波器输入信号可表示为:图6-1 IF频带时延检波式中，为相位调制，及分别表示热噪声时的同相分量及正交分量，R为调制波与热噪声之和的包络，为噪声引起的相位波动：。时延检波器输出为式中 表示发送2比特数据地相对应的信号相位差。由I与Q可求得模2=。根据相位平面上的码判决法则有：I和Q输出极性与2比特发送数据和的正负一致，因此也可以如式（6-5）那样进行正负判决；GMSK是2值调制，因此，宜采用1比特时延检波。正弦时延检波的输出极性与发送数据的正负一致，因此，可根据正弦时延检波进行码判决。若低通滤波器归一化的3dB带宽变小，由于码间干扰的影响使时隙变窄，则误码率特性变坏。这时，宜采用利用2比特间相位差为0或者的2比特余弦时延检波（2）基带时延检波（如图6-2所示）：对于基带时延检波，用IF频带的接收信号跟中心频率一致的本振信号进行准同步检波，获得基带分量与。式中，为任意相位。由式（6-6）可求得I与Q：与IF频带时延检波一样，由式（6-5）进行码判决，这种方式适用于数字信号处理。图6-2 基带时延检波（3）限幅鉴频时延检波（如图6-3所示）：如果对瞬时角频率进行积分，则获得相位差，采用限幅鉴频器与积分时间为T的积分滤波器，求得1码元间相位变化，进行码判决的检波就是限幅鉴频时延检波。限幅鉴频输出经常产生卡嗒噪声，因此，积分滤波器输出为：式中，为1符号区间产生的卡嗒噪声数。因此，若采用限幅鉴频，则产生弧度整数倍的跳跃，根据模的运算（见式（6-8），就可以消除卡嗒噪声的影响，求得与IF频带时延检波和基带时延检波一样的，根据式（6-4）进行码判决。图6-3 限幅鉴频时延检波（4）相位时延检波（如图6-4所示）：IF频带时延检波是根据IF频带的时延乘积运算求得，而基带时延检波是根据正交坐标表示的基带运算求得与，由采用限幅鉴频器瞬时角频率的积分求得。对于相位时延检波，首先要求得与中心频率一致的基准信号的相位差。采样点的可表示为：因为值恒定，若求得与1符号前时刻的相位差的差值，则得：因此，可以得到与一致的相位差。采用同步检波的载波恢复过程的相位时延检波称为ACT（Adaptive Carrier Tracking）检波。由上述可知，基准信号的频率与调制波的载波频率一致。若频率编移为，则时延检波输出为时则截止，因此，码判决时易出错。图6-4 相位时延检波本实验采用简化基带时延检波方式。四、 实验原理 1、实验模块简介本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、PSK载波恢复模块及MSK、GMSK非相干数字解调模块。（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源，本实验只使用其压控载波源功能。（4）MSK、GMSK非相干数字解调模块：本模块主要功能：对输入的非相干解调I、Q基带信号，经过A/D采样后，用数学运算方法完成MSK及GMSK信号解调。2、实验框图及电路说明IQ解调MSK/GMSK非相干数字解调图6-5 MSK/GMSK非相干数字解调实验框图本实验调制部分与实验四及实验五完全相同。MSK/GMSK非相干数字解调实验框图如图6-5所示，MSK/GMSK已调信号送入IQ调制解调模块中的IQ解调电路分别进行解调，载波由PSK载波恢复模块中的压控载波源提供，该载波标称频率为21.4MHz，与IQ调制模块相同，该载波经正交分频产生同相及正交载波用于解调。解调输出的IQ两路模拟基带信号送入MSK/GMSK非相干解调模块中，分别经A/D采样后（采样频率等于码元速率，即16K），送入单片机中完成如下运算： ，对信号进行过零判决即可完成解调。由于基带成形模块和MSK/GMSK非相干解调模块分别使用不同的时钟源，存在频率及相位偏差，因此对信号进行判决时，还需根据判决结果调整A/D采样时刻，使判决出的码元信号与发端码元信号相位锁定。运算式成立，要求发端与收端的载波频率偏差必须足够小，因此在实验中需调整收端载波源频率，即调整PSK载波恢复模块上的压控载波源的频率，使收发端载波频率偏差满足要求。五、 实验步骤1、 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、MSK、GMSK非相干解调模块（以下简称非相干解调模块）和PSK载波恢复模块。2、 MSK非相干解调实验a、关闭实验箱总电源，按如下要求连接好连线。用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明基带模块：PN31基带模块：NRZ IN提供PN31伪随机序列基带模块：I-OUTIQ模块：I-IN基带成形后的I路信号输入基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN基带成形后的Q路信号输入IQ模块：I-OUT非相干解调模块：I-IN非相干解调后的I路信号输入IQ模块：Q-OUT非相干解调模块：Q-IN非相干解调后的Q路信号输入用同轴视频线完成如下连接：源端口目的端口IQ模块(IQ调制)：输出（J2）IQ模块(IQ调制单元)：输入（J3）PSK载波恢复：VCO-OUT（J1）IQ模块(载波单元)：输入（J4）* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。b、按基带成形模块上“选择”键，选择MSK(MSK指示灯亮)。c、示波器探头接IQ解调模块上的“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察波形失真情况（此时为不稳定波形）d、将示波器探头分别接非相干解调模块的观测点“I”和“Q”，分别调节电位器“I幅度”和“Q幅度”使两点信号峰峰值一致，约为2.8Ve、用示波器对比观测载波恢模块上“VCO OUT”端和IQ模块载波单元的“输出”端的信号，调节载波恢复模块上“锁相”电位器，使二者频率一致。f、观测非相干解调波形示波器探头分别接非相干解调模块上“NRZ OUT”端和基带模块上“NRZ IN”端，观察两路码元是否一致（注意解调出的NRZ码比输入的NRZ码有延迟）。若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤b重新实验。g、示波器探头分别接非相干解调模块上“NRZ OUT”端和该模块上“”端，观察信号的特点及与NRZ OUT信号的关联。3、保持上面的连线不变，进行GMSK非相干解调实验。a、按基带成形模块上“选择”键，选择GMSK(GMSK指示灯亮)。b、重复步骤2的cg，记录波形。六、思考题1、与MSK、GMSK相干解调系统对比，想一想非相干解调系统是否存在相位模糊问题？2、QPSK、OQPSK可以采用非相干解调吗？为什么？3、为什么解调过程中必须设法保持与发端基带信号的位同步？第四章 移动信道传播特性实验十四 白噪声信道模拟实验一、 实验目的1、了解白噪声产生原因。2、了解多径干扰对信号的影响二、 实验内容观察白噪声对信号的干扰三、 基本原理在移动通信中，严重影响移动通信性能的主要噪声与干扰大致可分为3类：加性正态白噪声、多径干扰和多址干扰。这里加性是指噪声与信号之间的关系服从叠加原理的线性关系，正态则是指噪声分布遵从正态（高斯）分布，而白则是指频谱是平坦的，仅含有这类噪声的信道一般文献上称为AWGN信道。这类噪声是最基本的噪声，非移动信道所特有，一般简称这类噪声为白噪声。这类噪声以热噪声、散弹噪声及宇宙噪声为代表，其特点是，无论在时域内还是在频域内它们总是普遍存在和不可避免的。热噪声是在电阻一类导体中自由电子的布朗运动引起的噪声。导体中的每一个自由电子由于其热能而运动。电子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的，因而其平均值为零。然而，电子的这种随机运动还会产生一个交流电流成分。这个交流成分称为热噪声。根据热噪声的物理性质不难看出，它是服从高斯分布的，因为它满足中心极限定理的条件。而且，分析和测量都表明，在从直流到微波（1013Hz的频率范围内，电阻或导体的热噪声具有均匀的功率谱密度2kTG，其中k为玻耳兹曼常数（k1.380510-23J/K），T为热噪声源的绝对温度，G为电阻R的电导。散弹噪声是由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的。散弹噪声的物理性质可由平行板二极管的热阴极电子发射来说明。在给定的温度下，二极管热阴极每秒发射的电子平均数目是常数，不过电子发射的实际数目随时间是变化的和不能预测的。这就是说，如果我们将时间轴分为许多等间隔的小区间，则每一小区间内电子发射数目不是常量而是随机变量。因此，发射电子所形成的电流并不是固定不变的，而是在一个平均值上起伏变化。总电流实际上是许多单个电子单独作用的总结果。由于从阴极发射的每一个电子可认为是独立出现的，且观察表明，每1安培多平均电流相当于在1秒钟内通过约61018个电子，所以总电流便是相当多的独立小电流之和。于是，根据中心极限定理可知，总电流是一个高斯随机过程。也就是说散弹噪声是一个高斯随机过程。宇宙噪声是指天体辐射波对接收机形成的噪声。它在整个空间的分布是不均匀的，最强的来自银河系的中部，其强度与季节、频率等因素有关。实测表明，在20300MHz的频率范围内，它的强度与频率的三次方成反比。因而，当工作频率低于300MHz时就要考虑到它的影响。实践证明宇宙噪声也是服从高斯分布律的，在一般的工作频率范围内，它也具有平坦的功率谱密度。从通信系统来看，白噪声是最基本的噪声来源。但是从调制信道的角度来看，到达或集中于解调器输入端的噪声并不是上述白噪声本身，而却是它的某种变换方式通常是一种带通型噪声。这是因为，在到达解调器之前，起伏噪声通常要经过接收转换器，而接收转换器主要作用之一是滤出有用信号和部分的滤除噪声，因此，它可等效为一个带通滤波器。它的输出噪声是带通型噪声。由于这种噪声通常满足“窄带”的定义，故常称它为窄带噪声。又考虑到带通滤波器常常是一种线性网络，其输入端的噪声是高斯白噪声。因此，它的输出窄带噪声应是窄带高斯噪声。设带通型噪声的功率谱密度Pn()如图14-1所示，它可以由高斯白噪声通过一个带通滤波器而得到。图14-1 带通型噪声的功率谱密度假设在0及-0处分别有最大值Pn(0)及最小值Pn(-0)，则该噪声带宽Bn被定义为Bn已表示在图14-1中。它的意义是明显的，即表征图中虚线下的面积等于功率谱密度曲线下的面积。可见，对于带宽为Bn的窄带高斯噪声，可以认为它的功率谱密度Pn()在带宽Bn内是平坦的。四、 实验原理1、实验模块简介本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块及信道模拟模块。（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）信道模拟模块本模块主要功能：采用数字信号处理算法模拟白噪声、慢衰落及多径干扰三种信道。2、实验框图及电路说明IQ调制模块输出的10.7M已调信号，送入信道模拟模块，首先进行降频处理，将频率降为1.5M，主要目的是为了A/D采样及数字处理方便。1.5M信号经信号调理电路处理以适合A/D采样。在FPGA时序电路的控制下，A/D芯片将模拟信号转换为数字处理送入FPGA中进行处理。FPGA中有四个独立的处理模块，分别是模拟信号采样控制及信号通道、白噪声产生、慢衰信号产生及信号多径时延模块。根据使用者选择的不同输出不同的信号。当用户选择白噪声信道，FPGA输出两路数字信号，一路是原信号、一路是白噪声信号，经D/A转换后变为两路模拟信号。两路信号可以分别进行幅度调节，以满足实验需求。两路信号经加法器相加后成为白噪声干扰信号，送入混频电路，将频率变回为10.7M送出，完成白噪声干扰的模拟。五、 实验步骤1、 在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）及信道模拟模块（以下简称信道模块）。2、 关闭实验箱电源，按如下方式连线：a用台阶插座线完成如下连接：源端口目的端口连线说明基带模块：PN31IQ模块：I-IN提供PN31伪随机序列b用同轴视频线完成如下连接：源端口目的端口连线说明IQ模块：输出(J2)信道模块：输入将调制信号送入模拟信道中* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。3、 示波器探头接信道模块“AD”测试点，调节“AD幅度”电位器，使“AD”处信号峰峰值为1V左右。4、 按下“选择”键，选择白噪声信道，“白噪”指示灯亮。5、 用示波器观测“OUT2”测试点处的原始信号，调节“OUT2 幅度”电位器可以改变信号幅度。6、 用示波器观测“OUT1”测试点，输出为白噪声信号，调节“OUT1 幅度”电位器可以改变噪声信号的大小。7、 将“OUT2 幅度”电位器顺时针旋到底，“OUT1 幅度”电位器逆时针旋到底，用示波器观测信道模块上“输出”点信号波形，此时信号输出幅度最大，无噪声输出。8、 顺时针调节“OUT1 幅度”电位器，增大噪声信号，用示波器观测“输出”点信号波形，观测噪声对信号的影响。第二部分 移动通信应用系统实验十九 GSM通信系统实验一、 实验目的通过本实验将正交调制及解调的单元实验串起来，让学生建立起GSM通信系统的概念，了解GSM通信系统的组成及特性。二、 实验内容1、搭建GSM数据通信系统。2、观察GSM通信系统各部分信号。三、 基本原理由于GSM是一个全数字系统，话音和不同速率数据的传输都要进行数字化处理。为了将源数据转换为最终信号并通过无线电波发射出去，需要经过几个连续的过程。相反，在接收端需要经过一系列的反过程来重现原始数据。下面我们主要针对数据的传输过程进行描述。信源端的主要工作有1、信道编码信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。信道编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是通过某种约定从圆熟数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。如果收到的数据经过同样的计算所得的冗余比特同收到的不一样时，我们就可以确定传输有误。根据传输模式不同，在无线传输中使用了不同的码型。GSM使用的编码方式主要有块卷积码、纠错循环码、奇偶码。块卷积码主要用于纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果，纠错循环码主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码是一种普遍使用的最简单的检测误码的方法。2、交织在移动通信中这种变参的信道上，比特差错通常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。但是，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长差错串时才有效，为了解决这一问题，希望找到把一条消息中的相继比特分开的方法，即一条消息的相继比特以非相继的方式被发送，使突发差错信道变为离散信道。这样，即使出现差错，也仅是单个或者很短的比特出现错误，也不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码，这时可再用信道编码的纠错功能来纠正差错，恢复原来的消息，这种方法就是交织技术。3、调制调制和解调是信号处理的最后一步。简单的说GSM所使用的调制是BT0.3的GMSK技术，其调制速率是270.833kbit/s，使用的是Viterbi算法进行的解调。调制功能就是按照一定的规则把某种特性强加到电磁波上，这个特性就是我们要发射的数据。GSM系统中承载信息的是电磁场的相位，即采用调相方式。从发送角度看，首先要完成二进制数据到一个低频调制信号的变换，然后在进一步把它变到电磁波的形式。接收端则是经过解调，解交织，信道译码等一系列的反过程来重现原始数据。四、 实验原理1、实验模块简介本实验需两台实验箱共同完成，一台实验箱作发射用，另一台作接收用。发射用实验箱需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、信道编码模块及信源模块。接收用实验箱需用到IQ调制解调模块、PSK载波恢复模块、MSK/GMSK非相干解调模块、码元再生模块、信道译码模块及信源模块。（1）基带成形模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源；将基带信号进行串并转换；按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。（2）IQ调制解调模块：本模块主要功能：产生调制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。（3）码元再生模块：本模块主要功能：从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。（4）PSK载波恢复模块：本模块主要功能：与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。（5）信道编码及交织模块：本模块主要功能：产生PN31伪随机序列作为信源，并进行（2，1，4）卷积编码，然后可选择有无块交织，再加上帧同步信号组成成帧数据后输出，输出的码可以选择有无差错、随机差错或突发差错。（6）信道译码及解交织模块：本模块主要功能：完成帧同步捕获，同步后取出信息元进行（2，1，4）维特比卷积译码及解交织。（7）MSK、GMSK非相干数字解调模块：本模块主要功能：输入非相干解调IQ基带信号，A/D采样后，用数学运算方法完成MSK及GMSK信号解调。（8）信源编码模块：本模块主要功能：音频信号放大、音频信号CVSD编译码及射频信号发射、接收。2、实验系统组成框图五、 实验步骤1、在发射用实验箱上正确安装信道编码及交织模块（以下简称编码模块）、基带成形模块（以下简称基带模块）及IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）。2、在接收用实验箱上正确安装IQ调制解调模块、CDMA接收模块（以下简称接收模块）、PSK载波恢复模块（以下简称载波模块）、MSK/GMSK非相干解调模块（以下简称非相干模块）及信道译码及解交织模块（以下简称译码模块）。3、发送用实验箱连线：a、用台阶插座线完成如下连接源端口目的端口连线说明基带模块：BS编码模块：BS IN提供PN31发生器的时钟编码模块：编码OUT基带模块：NRZ IN将编码信号进行基带成形基带模块：I-OUTIQ模块：I-IN将I路信号进行调制基带模块：Q-OUTIQ模块：Q-IN将Q路信号进行调制b、用同轴视频线连接IQ模块（IQ调制单元）上“输出”端口和信源模块上“发射”端口。4、接收用实验箱上连线：a用台阶插座线完成如下连接源端口目的端口连线说明IQ模块：I-OUT非相干模块：I-IN对I路信号进行A/D变换IQ模块：Q-OUT非相干模块：Q-IN对Q路信号进行A/D变换非相干模块：NRZ 译码模块：编码IN将再生的信号进行译码非相干模块：BS 译码模块：BS IN提供译码时所需的时钟b用同轴视频线完成如下连接源端口目的端口连线说明载波模块：VCOOUTIQ模块(载波单元)：输入提供调制所需的载波信源模块：接收接收模块：输入将接收信号进行小信号放大接收模块：输出2IQ模块(解调单元)：输入将收到的调制信号进行解调* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源。5、按前面单元实验要求调整好各模块，主要有发送端的信号输出幅度调整、接收端的载波频率调整、信道编译码模式选择等。