通信原理实验振幅键控(ASK)调制与解调实验

通信原理实验报告 实验 七 ： 振幅键控（ASK）调制与解调实验 实验 九 ：移相键控（PSK/DPSK）调制与解调实验 系 别： 信息科学与技术系 专业班级： 电信0902 学生姓名： 同组学生： 成 绩： 指导教师： 惠龙飞 （实验时间：2011年12月1日2011年12月1日）华中科技大学武昌分校实验七 振幅键控（ASK）调制与解调实验一、 实验目的1、 掌握用键控法产生ASK信号的方法。2、 掌握ASK非相干解调的原理。一、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 号模块 一块4、 号模块 一块5、 20M双踪示波器 一台6、 连接线 若干二、 基本原理调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数字调制。由于被调载波有幅度、频率、相位三个独立的可控参量，当用二进制信号分别调制这三种参量时，就形成了二进制振幅键控(2ASK)、二进制移频键控（2FSK）、二进制移相键控(2PSK)三种最基本的数字频带调制信号，而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。1、 2ASK调制原理。在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0”，这样就可以得到2ASK信号，这种二进制振幅键控方式称为通断键控（OOK）。2ASK信号典型的时域波形如图9-1所示，其时域数学表达式为： （9-1）式中，A为未调载波幅度，为载波角频率，为符合下列关系的二进制序列的第n个码元： （9-2）综合式9-1和式9-2，令A1，则2ASK信号的一般时域表达式为： （9-3）式中，Ts为码元间隔，为持续时间 Ts/2，Ts/2 内任意波形形状的脉冲（分析时一般设为归一化矩形脉冲），而就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。 图9-1 2ASK信号的典型时域波形2ASK信号的产生方法比较简单。首先，因2ASK信号的特征是对载波的“通断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门，由二进制序列控制门的通断，1时开关导通；0时开关截止，这种调制方式称为通断键控法。其次，2ASK信号可视为S(t)与载波的乘积，故用模拟乘法器实现2ASK调制也是很容易想到的另一种方式，称其为乘积法。2、 2ASK解调原理。2ASK解调有非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）两种方法，相应的接收系统原理框图如图9-2所示：（a）非相干方式（b）相干方式图9-2 2ASK解调原理框图三、 实验原理1、 ASK调制电路在这里，我们采用的是通断键控法，2ASK调制的基带信号和载波信号分别从“ASK-NRZ”和“ASK载波”输入，其实验框图和电路原理图分别如图9-3、图9-4所示。图9-3 ASK调制实验框图图9-4 ASK调制原理图2、 ASK解调电路图9-5 ASK解调实验框图我们采用的是包络检波法。实验框图如图9-5所示。ASK调制信号从“ASKIN”输入，经C1和R1组成的耦合电路至半波整流器（由D4、D5组成），半波整流后的信号经低通滤波器U4（TL082）、电压比较器U1（LM339）与参考电位比较后送入抽样判决器进行抽样判决，最后得到解调输出的二进制信号。电位器W1用来调节电压比较器U1的判决电压。判决电压过高，将会导致正确的解调结果的丢失；判决电压过低，将会导致解调结果中含有大量错码，因此，只有合理选择判决电压，才能得到正确的解调结果。抽样判决用的时钟信号就是2ASK基带信号的位同步信号，该信号从“ASK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器来滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰的条件。本实验中为了简化实验设备，在调制部分的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道是理想的，所以在解调部分的输入端也没有加带通滤波器。四、 实验步骤（一）ASK调制实验1、 将信号源模块和模块3、4、7固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。2、 按照下表进行实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：PN（8K）模块3：ASK-NRZS4拨为1100，PN是8K伪随机序列信号源：64K同步正弦波模块3：ASK载波提供ASK调制载波，幅度为4V* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源3、 以信号输入点“ASK-NRZ”的信号为内触发源，用示波器观察点 “ASK-OUT”输出，即为PN码经过ASK调制后的波形。4、 实验结束关闭电源。 图7-1 64K同步正弦波 图7-2 ASK调制输出波形分析1：ASK调制输出波形是PN与载波相乘的结果。分析2：ASK信号的特点是对载波的通断键控，用模拟开关作为调制载波输出的 通断控制门，由二进制PN序列控制门的通断，PN=1导通，PN=0截止。（二）ASK解调实验1、 接着上面ASK调制实验继续连线：源端口目的端口连线说明模块3：ASK-OUT模块4：ASKINASK解调输入模块4：ASK-DOUT模块7：DIN锁相环法位同步提取信号输入模块7：BS模块3：ASK-BS提取的位同步信号* 检查连线是否正确，检查无误后再次打开电源2、 将模块7上的拨码开关S2拨为“ASK-NRZ”频率的16倍，如：“ASK-NRZ” 选8K时，S2选128K，即拨“1000”。观察模块4上信号输出点“ASK-DOUT”处的波形，把电位器W3顺时针拧到最大，并调节的电位器W1（改变判决门限），直到在“ASK-DOUT”处观察到稳定的PN码。 图7-3 提取的位同步信号 图7-4 非相干解调检波-低通输出 图7-5 稳定的ASK解调比较输出波形 图7-6 解调判决输出波形分析3：H2的波形是CH2波形的一半，这样可以将所产生的波形转换为同一 方向的波形，这样极性就不会改变，后续电路输出ASK解调后的波形 出现错误的可能性就会减小。分析4：解调判决输出波形与输入的原基带信号基本保持一致，有一点延迟， 但是在允许范围内，顶部和底部还保留着低通滤波输出的形状。 2ASK相干解调是利用载波信号区与已调信号相乘后，得出一个频率 更高的谐波分量和一个直流分量，我们只需要加一个低通滤波器，滤 除高频成分，保留我们所需要的直流成分，也就是源输入基带信号。实验九 移相键控（PSK/DPSK）调制与解调实验一、 实验目的1、 掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。2、 掌握用键控法产生PSK/DPSK信号的方法。3、 掌握PSK/DPSK相干解调的原理。4、 掌握绝对码波形与DPSK信号波形之间的关系。二、 实验内容1、 观察绝对码和相对码的波形和转换关系。2、 观察PSK/DPSK调制信号波形。3、 观察PSK/DPSK解调信号波形。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 号模块 一块4、 号模块 一块5、 20M双踪示波器 一台6、 连接线 若干四、 实验原理1、 2PSK/2DPSK调制原理PSK调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，它的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK移幅键控和FSK移频键控。因此，PSK技术在中、高速数据传输中得到了十分广泛的应用。PSK信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和相位载波分别代表传1和传0，其时域波形示意图如图11-1所示。设二进制单极性码为an，其对应的双极性二进制码为bn，则2PSK信号的一般时域数学表达式为： （11-1）其中：则（11-1）式可变为： （11-2）图11-1 2PSK信号的典型时域波形由（11-1）式可见，2PSK信号是一种双边带信号我们知道，2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在这种绝对移相的方式中，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为2PSK的“倒”现象，因此，实际中一般不采用2PSK方式，而采用差分移相（2DPSK）方式。2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移x表示（x定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设”则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息：00111001012DPSK信号相位：000000或： 0 0 0 0 0图11-2 2PSK与2DPSK波形对比图11-2为对同一组二进制信号调制后的2PSK与2DPSK波形。从图中可以看出，2DPSK信号波形与2PSK的不同。2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调2DPSK信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值。只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。同时我们也可以看到，单纯从波形上看，2PSK与2DPSK信号是无法分辨的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看成是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。为了便于说明概念，我们可以把每个码元用一个如图11-3所示的矢量图来表示。图中，虚线矢量位置称为基准相位。在绝对移相中，它是未调制载波的相位；在相对移相中，它是前一码元载波的相位。如果假设每个码元中包含有整数个载波周期，那么，两相邻码元载波的相位差既表示调制引起的相位变化，也是两码元交界点载波相位的瞬时跳变量。根据ITU-T的建议，图11-3（a）所示的移相方式，称为A方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取0、。因此，在相对移相后，若后一码元的载波相位相对于基准相位为0，则前后两码元载波的相位就是连续的；否则，载波相位在两码元之间要发生跳变。图11-3（b）所示的移相方式，称为B方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取/2。因而，在相对移相时，相邻码元之间必然发生载波相位的跳变。这样，在接收端接收该信号时，如果利用检测此相位变化以确定每个码元的起止时刻，即可提供码元定时信息，这正是B方式被广泛采用的原因之一。图11-3 二相调制移相信号矢量图2DPSK的调制原理与2FSK的调制原理类似，也是用二进制基带信号作为模拟开关的控制信号轮流选通不同相位的载波，完成2DPSK调制，其调制的基带信号和载波信号分别从“PSK-NRZ”和“PSK载波”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS”点输入，其原理框图如图11-4所示：图11- 2DPSK调制原理框图差分变换在数据传输系统中，由于相对移相键控调制具有抗干扰噪声能力强，在相同的信噪比条件下，可获得比其他调制方式（例如：ASK、FSK）更低的误码率，因而这种方式广泛应用在实际通信系统中。DPSK调制是采用码型变换法加绝对调相来实现，既把数据信息源（如伪随机码序列、增量调制编码器输出的数字信号或脉冲编码调制PCM编码器输出的数字信号）作为绝对码序列an，通过差分编码器变成相对码序列bn，然后再用相对码序列bn，进行绝对移相键控，此时该调制的输出就是DPSK已调信号。 绝对码是以宽带信号码元的电平直接表示数字信息的，如规定高电平代表“1”，低电平代表“0”。 图11-6（a） 差分编码器电路 图11-6（b） 工作波形相对码（差分码）是用基带信号码元的电平与前一码元的电平有无变化来表示数字信息的，如规定：相对码中有跳变表示1，无跳变表示0。 图11-6（a）是差分编码器电路，可用模二加法器延时器（延时一个码元宽度Tb)来实现这两种码的互相转换。设输入的相对码an为码，则经过差分编码器后输出的相对码bn为，即bn= an bn1。 图11-6（b）是它的工作波形图。相乘器实现输入载波信号和基带信号的相乘变换，输出相应调制信号。2、 2DPSK解调原理（a）极性比较法（b）相位比较法图10-3 2DPSK解调原理框图2DPSK解调最常用的方法是极性比较法和相位比较法，这里采用的是极性比较法对2DPSK信号进行解调，原理框图如图10-3（a）所示。2PSK调制信号从“PSKIN”输入，位同步信号从“PSK-BS”输入，同步载波从“载波输入”点输入。调制信号经过U11（MC1496）与载波信号相乘后，去掉了调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，对此信号进行抽样判决（抽样判决器由U15（74LS74）构成，其时钟为基带信号的位同步信号），将K1的2、3脚相连，即可得到基带信号，对于2DPSK信号，将K1的1、2脚相连，即将PSK解调信号再经过逆差分变换电路（由U15（74LS74）、U13（74LS86）组成），就可以得到基带信号了。五、 实验步骤（一）PSK/DPSK调制实验1、 将信号源模块和模块3、4、7固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。2、 按照下表进行实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：PN（32K）模块3：PSK-NRZS4拨为“1010”，PN是32K伪随机码信号源：128K同步正弦波模块3：PSK载波提供PSK调制载波，幅度为4V* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源3、 将开关K3拨到“PSK”端，以信号输入点“PSK-NRZ”的信号为内触发源，用双踪示波器同时观察点“PSK-NRZ”与“PSK-OUT”输出的波形。 图9-1 128K同步正弦波 图9-2 PSK调制波形分析1：当发送的PSK-NRZ码元是“1”时由相位为0的载波为其进行调制， 码元为“0”时由相位为的载波为其进行调制，输出的PSK-OUT用 两种不同相位的载波表示PSK-NRZ的0和1。 将PSK-NRZ码变为换双极性码，再与载波直接相乘就可以得到所需信 号。4、 不改变PSK调制实验连线。将开关K3拨到“DPSK”端，增加连线：源端口目的端口连线说明信号源：CLK1（32K）模块