实验报告_实验四

1、电子科技大学实验报告学生姓名：陈松 学 号： 201322010244指导教师：李恒邮 箱： 一、实验室名称：通信信号处理及传输实验室二、实验项目名称： 基带载波调制技术实验三、实验原理：1、基带线性载波调制技术原理 数字信号载波调制有三种基本的调制方式：幅度键控( ASK )，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。它们分别是用数字基带信号控制高频载波的参数 如振幅、频率和相位， 得到数字带通信号。 在接收端运用相干或非相干解调方式， 进行解调，还原为原数字基带信号。数字调制技术可以大致分为线性和非线性的。 在线性调制技术中， 传输信号 st 的幅度随调制

2、数字信号 m t 的变化而线性变化。线性调制技术带宽效率较 高，所以非常适用于有限频带内要求容纳越来越多用户的无线通信系统。在线性调制方案中，传输信号 s t 可以表示为：st ReA m t e j2 fctA mR t cos 2 fct mI t sin 2 f ct( 4.1)其中，A是信号幅度，fc是载波频率，mt mR t jmi t是通常为复数形 式的已调信号的复包络。可见，载波幅度随调制信号呈线性变化。 线性调制方案一般来说都不是恒包络。有些非线性调制的载波，即可能是线性包络也可能是恒包络， 这取决于基带 波形是否经过脉冲成形处理。线性调制方案有很好的频谱效率，但传输中必须使用

3、功率效率低的RF放大器。用功率效率高的非线性放大器会导致已滤除的边瓣再生，造成严重的相邻信 道干扰，使线性调制得到的频谱效率全部丢失。最普遍的线性调制技术包括脉冲 成形 BPSK、QPSK和OQPSK。（1）、二进制相移键控（BPSK）在二进制相移键控中，幅度恒定的载波信号随两个代表二进制 1或0的信号 m1和m2的改变而在两个不同的相位间跳变。通常这两个相位差 180如果正弦 载波的幅度为Ac，每比特能量Eb -ATb，则传输的BPSK信号为：2T cos 2 fct(4.2)0 t Tb （二进制的1）Sbpsk t或者BPSK tIf-2 cos 2 fctcos 2 fct0(4.3)

4、0 t Tb （二进制的0）出于方便，经常将m1和m2 般化为二进制数据信号 mt，它呈现两种可能 的脉冲波形中的一种。这样传输信号可以表示为：Sbpsk t m tCOS 20（4.4）BPSK信号等效于抑制载波双边带调幅波形，其中 cos 2 fct相当于载波，数 据信号mt相当于调制波形。（2）、四相相移键控（QPSK）比如0、/2、 和3 /2，四相相移键控是在一个调制符号中传输两个比特，因此其带宽效率比BPSK的带宽效率高两倍。载波的相位为四个间隔相等的值，每一个相位只对应唯一的一对消息比特。这个符号状态集的QPSK信号可定义为:Sqpsk tcos 20 tTs,i1,2,3,4（

5、 4.5）其中，Ts为符号持续时间，等于两个比特周期QPSK信号可以表示为二维星座图上幅度为.Es，相位分别0、 /2、 和3 /2的信号。从QPSK信号的星座图可以看出，星座中相邻点的距离为,2Es。因为每个符号对应于两个比特，所以 Es 2Eb，这样QPSK星座中相邻两点的距离为2 . Eb相对BPSK调制方式，QPSK在相同的带宽内传输了两倍的数据，因此在相同 的能量效率情况下，QPSK提供了两倍的频谱效率。（3）差分PSK差分PSK是相移键控的非相干形式，它不需要在接收机端有相干参考信号。非相干接收容易制造而且便宜，因此在无线通信系统中广泛使用。在 DBPSK或 者DQPSK系统中，输

6、入的二进制序列差分编码，然后再用 BPSK或者QPSK调制 器调制。差分编码后的序列 dk是通过对mk与dk i进行模2运算，由输入的二进 制序列dk产生的。其效果相当于，如果输入的二进制符号mk为1,则符号dk与 其前一个符号保持不变，而如果 mk为0，则dk就改变一次。表4-1给出了按照关 系式dk mk dk 1由mk序列中产生的DPSK信号DPSK发射机包括一个比特延迟单元和一个为了从输入二进制序列产生分编 码的逻辑电路，其输出通过一个乘法调制器得到 DPSK信号。在接收机端，通过 相应的处理过程，从调制的差分编码信号恢复出原始信号。2、基带恒包络线性载波调制技术许多实际的移动无线通信

7、系统都使用非线性调制方法，这时不管调制信号如 何改变，载波的幅度是恒定的。恒包络调制具有可以满足多种应用环境的优点， 其中：可以使用功率效率高的C类放大器，而不会使发送信号占有的频谱增大；带外辐射低，可达-60dB至-70dB;可用限幅器-鉴频器检测，从而简化接收机的 设计，并能很好地抵抗随机噪声和由Rayleigh衰落引起的信号波动。恒包络调制有很多优点，但他们占用的带宽比线性调制大。（1）、频移键控（FSK）在频移键控调制系统中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着可能的信息状 态而切换，以2FSK为例，信息状态由二进制1和0表示，分别对应某个载波频率。 根据频率变化影响发射波形的方式，FSK

8、信号在相邻的比特之间，通常呈现连续 的相位。通常，2FSK信号的表达式为：cos 2 fct 2 ft0 t Tb （二进制的 1）（ 4.6）SFSK t2EbTbcos 2fctft0 t Tb （二进制的0）(4.7)其中2 f代表信号载波的恒定偏移一种简单的产生FSK信号的方法是，依照数据比特是0还是1,在两个独立的 振荡器中切换。m t为二进制波形。更常用的产生FSK信号的方法是，使用信号波形对单一载波振荡器进行频率 调制。这种调制方法类似于生成模拟FM信号，只是调制信号因此，2FSK可表示为:SFSK t2Eb.Tbcos 2 fctt2Ebcos 2 fct 2 kf m(4.8

9、)（2）、最小频移键控（MSK）相移键控和正交幅度键控信号在码元交替处发生相位突变，这意味着已调信 号的功率谱的高频含量较大，这种信号通过频带受限信道，因高频分量被滤除和 非线性，使信号的包络产生起伏，从而影响信号的解调质量。下面将讨论的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。 连续相位频移键控信号具有恒包络， 频谱旁瓣小，抗干扰性能也较强，因此在卫 星通信和移动通信中应用较多。最小频移键控(MSK)是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)，其最大频 移为比特率的1/4。换句话说，MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK

10、。FSK信 号的调制系数类似于FM调制系数，定义为kFSK 2 F / Rb，其中F是最大射 频频移，Rb是比特率。调制系数0.5对应着能够容纳两路正交FSK信号的最小频 带，最小频移键控的由来就是指这种调制方法的频率间隔 (带宽)是可以进行正交 检测的最小带宽。如果TvH t vL t 0( 4.9)0贝U两路FSK信号vH t和vL t是正交的。MSK有时称为快速FSK，因为其使用的频率空间仅为常规非相干 FSK空间的 一半。MSK是一种高效的调制方法，特别适合在移动无线通信系统中使用。它有 很多好的特性，例如恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步性能。MSK信号也可以看成是一类特殊形式

11、的 OQPSK。在MSK中，OQPSK的基带 矩形脉冲被半正弦脉冲取代。这些脉冲在2Tb周期中形状类似于St.Louis曲线。考 虑N比特流交错的OQPSK信号。如果用半正弦脉冲代替矩形脉冲，调制信号即为 MSK信号，N比特流的表达式为：N 1SMSK tmI t p t2iTbi 0N 1cos 2 fctmQ t p t 2iTbi 0Tb cos 2 fct(4.10)其中t.sinPt2Tb0 t 2Tb(4.11)0other其中mi t和mQ t分别是双极性数据流的奇比特和偶比特，以Rb/2的 速率输入解调器的同步积分环路。应当注意 MSK 信号有很多种形式。例如，一 种MSK信号

12、仅使用正的半正弦脉冲作为基本脉冲，另一种可能会使用正负交替 变化的半正弦脉冲为基本脉冲信号。然而，所有的MSK信号都是相位连续的FSK 信号，使用不同的技术以有效地利用频谱。MSK信号可看作一种特殊形式的连续相位的 FSK信号，MSK信号具有恒定 幅值。通过选定载波频率为四分之一比特率（1/4T）的整数倍，可以保证MSK信号 在比特转换处的相位连续性。MSK信号具有以下特点：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 1/ 4Tb 相应的调制指数为 0.5； 3）以载波相位为基准的信号相位在一个 码元期间内准确地线性变化/2； 4）在一个码元期间内， 信号应包括上载波周期的整数

13、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。（3）、高斯最小频移键控（ GMSK）在数字移运通信中进行高速率数据传输时， 为了满足邻道带外辐射功率低于 -80-60dB的指标，要求信号要有更加紧凑的功率谱。通过前面的介绍，从MSK信号的功率谱可以看出。MSK信号仍不能满足这样的要求。高斯最小频移键控（GMSK）就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能 满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求， 以其良好的生能在公共移动通信系 统中得到了广泛应用，并且被确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。为了减小已调波的主瓣宽度和邻道的带外辐射，在平滑调频（TFM）调制方式中调

14、制前对基带信号进行了相关编码处理。 如果调制前对基带信号进行高斯滤 波处理也能达到上述目的。 这就是另一种在移动通信中得到广泛应用的恒包络调 制方法 带高斯滤波的最小频移键控，简称高斯最小频移键控。GMSK的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高 斯脉冲之后进行MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无 拐点，所以经调制后的已调波相位路径在 MSK的基础上进一步得到平滑。GMSK 将MSK信号的相位路径的尖角平滑掉了，因此频谱特性优于 MSK和SFSK。采用高斯滤波器进行预凋制滤波是因为高斯滤波器具有以下特性：1）窄带锐截止特性，以便抑制高频分量；2）冲激响应

15、过冲量小，以防止过大的瞬时频偏； 3）滤波器输出冲激响应曲线下的面积对应于/2的相移，以使调制指数为0.5高斯低通滤波器的单位冲激响应为：r2ht expt（ 4.12）显然h t不是时限的，但是随t2按指数规律迅速下降，可近似认为其宽度有限。傅里叶变换后可得:exp(4.13)高斯预调制滤波器的脉冲响应:(4.14)四、实验目的:1. 研究相移键控的线性载波调制技术原理；分析二进制相移键控 （BPSK）、 四进制相移键控（QPSK）技术的原理；分别观察BPSK、QPSK调制信号的波形 及频谱，比较BPSK和QPSK两种线性调制技术间的功率效率和数据带宽比。2. 研究差分相移键控的线性载波调制

16、技术原理；分析差分二进制相移键控 （DBPSK）、差分四进制相移键控（DQPSK）技术的原理；分别观察DBPSK、 DQPSK调制信号的波形及频谱，比较DBPSK和DQPSK两种线性调制技术间 的功率效率和数据带宽比。3. 研究恒包络线性载波调制技术原理；熟悉频移键控 （FSK）、最小频移键控 （MSK）、高斯最小频移键控（GMSK）技术的原理；分别观察FSK、MSK、GMSK 调制信号波形及频谱。4. 掌握如何用FPGA来实现BPSK、QPSK、FSK、MSK调制9五、实验内容：（ 1）基带载波调制技术基础实验； 分析并观察 BPSK、QPSK、DBPSK、DQPSK、FSK、MSK、GMS

17、K调制信号的波形及频谱；（2）基于FPGA的基带信号调制实验。六、实验器材（设备、元器件） ：计算机、软件无线电实验箱、示波器、 DSP 仿真器、 FPGA 仿真器、 5V 电源七、实验步骤及实验数据结果分析：1. 基带载波调制技术基础实验通过实验平台的菜单窗口提示， 利用键盘选择菜单内容， 逐级进入该实验操 作界面，根据操作步骤的提示，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。 具体步骤如下：检查实验平台左上方和右下方的 Power Switch是否处于关闭（OFF）状态； 检查实验平台的电源线是否连接正确，若连接正确，实验平台右下方的Power Ready指示灯会亮起；将实验平台左上方的P

18、ower Switch置为开启（ON）状态，实验系统进入启 动状态，观察实验平台中部的显示屏直至进入 “高级软件无线电教学系统 ”； 按下“确认（回车） ”键进入系统实验列表；选择“2按 Enter键，进入基带实验列表；选择“ 1按 Enter键，屏幕显示进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基带 调制实验列表；1) BPSK 调制选择 “1进”入 BPSK 调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示 进行后续操作，将示波器分别观测实验平台 TXI 和 TXQ 端口，通过示波器观察 输出波形和频谱。根据示波器上产生波形的频谱图， 观察并记录发送波形经过 BPSK 调制后的频谱 特征(2)

19、QPSK 调制选择“2进”入 QPSK 调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示 进行后续操作，将示波器分别观测实验平台 TXI 和 TXQ 端口，通过示波器观察 输出波形和频谱。根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过 QPSK调制后的频谱 特征(3) DBPSK调制9选择“ 3进”入 DBPSK 调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提 示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台 TXI 和 TXQ 端口，通过示波器观 察输出波形和频谱。根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过DBPSK调制后的频谱特征(4) DQPSK调制9选择“4进”入 DQPSK

20、调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提 示进行后续操作，将示波器分别观测实验平台 TXI 和 TXQ 端口，通过示波器观 察输出波形和频谱。根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过DQPSK调制后的频谱特征(5) FSK调制选择“5进入FSK调制仿真实验窗，按照软件无线电实验平台界面的提示进 行后续操作，将示波器分别观测实验平台 TXI 和 TXQ 端口，通过示波器观察输 出波形和频谱。根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过FSK调制后的频谱特 征(6)MSK调制选择“6进”入 MSK 调制仿真实验窗， 按照软件无线电实验平台界面的提示进 行后续操作，将示波器

21、分别观测实验平台 TXI和TXQ端口，通过示波器观察输 出波形和频谱。根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过 MSK 调制后的频谱 特征( 7) GMSK 调制选择“7进”入 GMSK 调制仿真实验窗， 按照软件无线电实验平台界面的提示 进行后续操作，将示波器分别观测实验平台 TXI 和 TXQ 端口，通过示波器观察 输出波形和频谱。根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过GMSK调制后的频谱 特征2. FPGA基带信号调制实验(1) FPGA基带信号调制基础实验A. 从应用程序界面进入 -扩展实验 -FPGA 扩展实验 -基带信号调制 实验；B. 打开 ISE8.1-Open Project打开 FPGA_modulate工程；C. 在 modula_main.vhd 中，确定Constant modulation_sel ：std_logic_vector(3 downto 0) ：=“ 0001 ”;D. 编译程序后下载.bit文件到FPGA中E. 从应用程序界面输入数据，按确认发送，用示波器观察平台 TXI 、TXQ 输出信号波形2)FPGA 基带信号调制扩展实验1)在 modula_main.vhd 中找到如下语句