试验PSK调制与解制试验

1、实验四PSK调制与解制实验12 / 11、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、掌握产生PSK(DPSK信号的方法。、实验内容1、观察绝对码和相对码的波形。2、观察PSK(DPSK信号波形。3、观察PSK(DPSK信号频谱。4、观察PSK(DPSK相干解调器各点波形三、实验仪器1、信号源模块2、数字调制模块3、数字解调模块4、同步提取模块5、双踪示波器四、实验原理1、2PSK(2DPSK调制9原理2PSK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n相位载波分别代表传1和传0,其时域波形示意图如图1所示。设二进制单极性码为an,其对应的双

2、极性二进制码为 bn,则2PSK信号的一 般时域数学表达式为：- 1S2PSK(t)二 bng(t-nTs) cos ct(1)_ n其中：1当an=0时，概率为Pb=nn +1当an=1时，概率为1-P则(1)式可变为:J Lar2t10110Ts2Ts3Ts4TsS2 PSK(t)I匚_n、g(t - nTs) cos ct 二ILn1 g(t - nTs) cos 衣 0当 an = 0当 an =1(2)S2PSK(t)图1 2PSK信号的时域波形示意图由（1）式可见，2PSK信号是一种双边带信号，其双边功率谱表达式与 2ASK 的几乎相同，即为：-2P2PSK(f)= fsP(1 P

3、)jG(f + fc)+G(f _fc)-fs2(1 P)2G(0)2 上(f + fc) + r(f - fc)(3)42PSK信号的谱零点带宽与2ASK的相同，即B2PSK = (fc Rs)-(fc - Rs) =2Rs = 2/Ts(Hz)(4)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n ”现象，因此，实际中一般不采用

4、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），并设数字信息“ 1-0数字信息“ 0数字信息：0 0 1 1 1 0 0 1 0 12DPSK言号相位：000 n 0nnn 00n或：nnnOnOOOnnO则数字信息序列与2DPSK言号的码元相位关系可举例表示如下:图2为对同一组二进制信号调制后的2PSK与 2DPSK波形PSK波 形0 0 1 1 1 0 0 1DPS波形相对码000101110数字信息（绝对码）图2 2PSK与2DPSK波形

5、对比从图中可以看出，2DPSK言号波形与2PSK的不同。2DPSI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言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n”现象发生。同时我们也可以看到，单纯从波形上看，2PSK 与2DPSK言号是无法分辨的。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

6、便于说明概念，我们可以把每个码元用一个如图11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、n。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3（b）所示的移相方式，称为B方式。

7、在这种方式中，每个码元的载波相位相对 于基准相位可取_n /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。“ +n /2参考相位参考相位-n /2(a)(b)图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2DPS碉制，其调制的基带信号和载波信号分别从“ PSK基带输入”和“ PSK载波输入”输入，差分变 换的时钟信号从“ PSK-BS输入”点输入，其

8、原理框图如图4所示：图4 2DPSK调制原理框图2、2PSK(2DPSK解调原理2DPSKB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言号进行解调，原理框图如图5所示。2DPSKM制信号从“PSK-IN” 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U09( 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U12 ( 74HC74构成，其时钟为基带信号的位同步信号)， 那么可以得到2PSK的解调信号。再经过逆差分变换

9、电路(由 U12 (74HC74、 U13( 74HC86组成)，就可以得到2DPSK的解调信号了。T载波输入比较器(LM339抽样判决器(74HC74差分译码电路(74HC744HQ86-*DPSK调信号输出B信号输入图5 2PSK (2DPSK解调原理框图3同步载波提取当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频 同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。提取 载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上， 插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法 称为插入导频法；另一类是不专门发送导频，

10、而在接收端直接从发送信号中提取 载波，这类方法称为直接法。本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的，其原理框图如下:在科斯塔斯环环路中，误差信号 V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。压 控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经 90移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消 除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位 差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。在实际电路中，我们的乘法器使用模拟乘法器 MC1496其中乘法器1为U01, 乘法器2为U02,乘法器3为U03滤波器为运放及其外

11、围元器件组成的二阶巴 特沃斯低通滤波器，其中滤波器1由二运放芯片TL082中的一个运放（U06B及 其外围元器件组成，滤波器2由二运放芯片TL082中的一个运放（U07B及其外 围元器件组成；环路滤波器为L01和R29构成的无源低通滤波器；压控振荡器使 用集成数字压控振荡器74S124（ U04,其自由振荡频率可由电位器 W01（频率调 节）调节；90相移用集成D触发器芯片74HC74U05和集成反相器芯片74HC04 （U12）共同完成。由于数字压控振荡器74S124输出的信号为方波信号，要得到 正弦波还需经过滤波，我们使用运放U08B和 U08C及其外围元器件构成的两级带 通滤波器进行滤波

12、，最后再经过运放 U08D构成的同相放大器放大得到恢复后的 同步载波。在实验过程中，由于科斯塔斯环频率锁定范围较小，因此需要调节电位器 W01 （频率调节），使压控振荡器74S124的自由振荡频率接近62.5KHZ。注意，本实验模块只能从PSK调制信号中提取频率为62.5KHZ的载波。4 位同步信号提取位同步也称为位定时恢复或码元同步。在任何形式的数字通信系统中， 位同步都是必不可少的，无论数字基带传输系统还是数字频带传输系统，无 论相干解调还是非相干解调，都必须完成位同步信号的提取，即从接收信号 中设法恢复出与发端频率相同的码元时钟信号， 保证解调时在最佳时刻进行 抽样判决，以消除噪声干扰所

13、导致的解调接收信号的失真，使接收端能以较 低的错误概率恢复出被传输的数字信息。因此，位同步信号的稳定性直接影 响到整个数字通信系统的工作性能。位同步的实现方法分为外同步法和自同步法两类。 由于目前的数字通信系统 广泛采用自同步法来实现位同步， 故在此仅对位同步中的自同步法进行介绍。 采 用自同步法实现位同步首先会涉及两个问题：（1）如果数字基带信号中确实含有位同步信息，即信号功率谱中含有位同 步离散谱，就可以直接用基本锁相环提取出位同步信号，供抽样判决 使用；（2）如果数字基带信号功率谱中并不含有位定时离散谱，怎样才能获得位 同步信号。数字基带信号本身是否含有位同步信息与其码型有密切关系。应强

14、调的是， 无论数字基带信号的码型如何， 数字已调波本身一般不含有位同步信息， 因为已 调波的载波频率通常要比基带码元速率高得多， 位同步频率分量不会落在数字已 调波频带之内， 通常都是从判决前的基带解调信号中提取位同步信息。 二进制基 带信号中的位同步离散谱分量是否存在， 取决于二进制基带矩形脉冲信号的占空 比。若单极性二进制矩形脉冲信号的码元周期为 Ts,脉冲宽度为t ,则NRZ码的 t = Ts，则NRZ码除直流分量外不存在离散谱分量，即没有位同步离散谱分量 1/Ts； RZ码的T满足0T Ts，且T通常占空比为50%，此时的RZ码含有n为 奇数的n/ Ts离散谱分量，无n为偶数的离散谱分

15、量，这就是说，RZ码含有位同 步离散谱分量。 显然，为了能从解调后的基带信号中获取位同步信息， 可以采取 两种措施：（1）如原始数字基带码为NRZ码，若传输信道带宽允许，可将 NRZ 码变换为RZ码后进行解调；（2）如调制时基带码采用NRZ码，就必须在接收端 对解调出的基带信号进行码变换，即将 NRZ码变换成RZ码，码变换过程实质上 是信号的非线性变换过程， 最后再用锁相环 （通常为数字锁相环） 提取出位同步 信号离散谱分量。将NRZ码变为RZ码的最简单的办法是对解调出的基带 NRZ码 进行微分、整流，即可得到归零窄脉冲码序列。下面简单介绍一下数字锁相环的组成原理。数字锁相环的主要特点是鉴相信

16、 号为数字信号，鉴相输出也是数字信号，即环路误差电压是量化的，没有模拟环 路滤波器。由于数字锁相环的输入是经过微分和全波整流后的信号，故这种数字锁相环也称为微分整流型数字锁相环， 其原理框图如图7所示。该电路由码型变 换器、鉴相器、控制调节器组成，各部分的作用如下：码型变换器1常开门位同步信号图7微分整流型数字锁相环组成原理框图NRZ码到RZ码的变换，使鉴相输入信号 X(1) 码型变换器完成解调出的基带 含有位同步离散谱分量。(2) 鉴相器用于检测信号X与输出位同步信号(分频输出 D)相位间的超前、 滞后关系，并以量化形式提供表示实时相位误差的超前脉冲F和滞后脉冲 G供控制调节器使用。当分频输

17、出位同步信号D相位超前于信号X时，鉴 相器输出超前脉冲F (低电平有效)；反之，则输出滞后脉冲 G (高电平有 效)，二者均为窄脉冲。(3) 控制调节器的作用是根据鉴相器输出的误差指示脉冲，在信号 D与信号X 没有达到同频与同相时调节信号 D的相位。高稳定晶振源输出180相位 差、重复频率为nf的A、B两路窄脉冲序列作为控制调节器的输入，经 n 分频后输出重复频率为fo的被调位同步信号D,它与信号X在鉴相器中比相。因超前脉冲F低电平有效并作用于扣除门（与门），平时扣除门总是 让脉冲序列A通过，故扣除门为常开门，又因滞后脉冲 G高电平有效并作 用于附加门（与门），平时附加门总是对序列 B关闭的，

18、故附加门为常闭 门。当信号D的相位超前与信号X的相位时，鉴相器输出窄的低电平超前 脉冲F,扣除门（与门）将从脉冲序列 A中扣除一个窄脉冲，则n分频器 输出信号D的相位就推迟了 Ts In （相移360 /n ），信号D的瞬时频率也 被调低；当信号D的相位滞后于信号X的相位时，鉴相器输出窄的高电平 滞后脉冲G,附加门（与门）此时打开让脉冲序列B （与脉冲序列A保持180。固定相差）中的一个脉冲通过，经或门插进来自扣除门输出的脉冲序 列A中，则分频器输入多插入的这个脉冲使 n分频器输出信号的D相位提 前了 Ts In （相移360 In ），信号D的瞬时频率则被提高。由此可见，环 路对信号D相位和

19、频率的控制调节是通过对 n分频器输入脉冲序列步进式 加、减脉冲实现的，经环路的这种反复调节，最终可达到相位锁定，从而 提取出位同步信号。本实验只能从码速率为 15.625KHZ、10KHz 8KHz 4KHz （通过拨码开关 SW0选择）的NRZ码中提取出位同步信号。以码速率为 15.625KHZ的NRZ码为 例，将SW01的第一位拨上后，数字锁相环的本振频率就被设置在 15.625KHZ。 图中，单片机U09将输入的NRZ码与数字锁相环本振输出的信号的相位进行鉴相（比较两个信号的上升沿），用将相位差进行量化后得到的数值对数字锁相环本 振输出的相位进行调整，最后得到正确的位同步信号。电路原理图

20、如下所示：8-6VCC12019 II 17161514J31?1TVCCRSTP17P3,0P16PJ,0P15XTA12P14CTAL1P13P32P12P殆P11PJ4P10P35P37GNDUD9 89C2051RST25_ XTAL LTS-ToNRZ-INTP05TPHO5BN僮同步输出H06 TPO6 BN TP五、实验步骤1: PSK调制实验（1） 将信号源模块产生的码速率为 15.625KHz（即将SW04SW05拨为00000001 00101000）的周期性 NRZ码（所谓周期性例如：00010001 00010001 00010001）送入数字调制模块的信号输入点“ P

21、SK （DPSK）基带输入”。（2）将信号源模块产生的64KHZ的正弦波（幅度为3V左右）送入数字调制 模块的“ PSK （DPSK）载波输入”。(3) 数字调制模块中的拨位开关 S01 拨到 0，用双踪示波器同时观察点“ PSK 基带输入”与“ PSK 调制输出”的波形。2、PSK 解调实验1)将同步信号提取模块的拨码开关 SW01 的第一位拨上。将数字解调模块中 的拨位开关S01拨到0,(2)将“PSK调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点“PSK-IN” ,将“ PSK调制输出”的波形送入同步信号提取模块的信号输入点“S-IN ”，使信号输出点“载波输出”能输出提取出的正确的载

22、波信号(方法请参考 同步载波提取原理) 。3) 将同步信号提取模块的 “载波输出” 的输出波形送入数字解调模块的信号 输入点“载波输入”，观察信号输出点“ PSK-OUT”处的波形，并调节标 号为“PSK/DPSK判决电压调节”的电位器，直到在该点观察到稳定的 NRZ 码为止。(4) 将点“ PSK-OUT ”输出的波形送入同步信号提取模块的信号输入点 “NRZ-IN ”，再将同步信号提取模块的信号输出点“位同步输出”输出的 波形送入数字解调模块的信号输入点“ PSK-BS”。5)观察信号输出点“ OUT4”、“PSK 解调输出”处的波形，可将信号源产生 的NRZ码与“ PSK解调输出”进行比较，可观察到“倒 n”现象。3、D