BPSK传输系统与频谱测试

通信原理实验第页PAGE北京交通大学毕业设计（论文）开题报告通信原理实验电子信息工程学院通信原理实验电子信息工程学院姓名：学号：指导教师：日期：2015年11月30日上课时间：星期一第五大节实验九BPSK传输系统实验前的准备预习本实验的相关内容.熟悉本教材附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置;定义本实验相关模块的跳线状态.实验前重点熟悉的内容:了解软件无线电的基本概念;熟悉软件无线电BPSK调制和解调原理;明确波形形成的原理;明确载波提取原理;明确位定时提取原理.实验目的熟悉软件无线电BPSK调制和解调的原理。掌握BPSK调制产生、传输和解调过程。掌握BPSL正交调制解调的基本原理和实验方法。了解数字基带波形时域形成的原理和方法。掌握BPSK眼图的正确测试方法，能通过观察接收眼图判断信号传输的质量。加深对BPSK调制，解调中现象的问题和理解。加深对载波提取和位同步提取概念的理解.实验仪器ZH5001A通信原理综合实验系统20MHz双踪示波器基本原理理论上二进制相移键控（BPSK）可以用幅度恒定，而其载波相位随着输入信号m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°。如果每比特能量为Eb，则传输的BPSK信号为：其中一个数据码流直接调制后的信号如下图所示：在“通信原理综合实验系统”中，BPSK的调制工作过程如下：首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两路支路。因为I、Q两路信号一样，本振频率是一样的，相位相差180度,所以经调制合路之后仍为BPSK方式。采用直接数据（非归零码）调制与成形信号调制的信号如下图所示：BPSK调制原理框图如下BPSK解调原理框图如下:实验内容（一）BPSK调制BPSK调制基带信号眼图观测当通过选择菜单激活“匹配滤波”方式时，表示系统按匹配滤波最佳接收机组成，即发射机端和接收机端采用同样的开根号升余弦响应滤波器。当未激活“匹配滤波”方式时，系统为非匹配最佳接收机，整个滤波器滚降特性全部放在发射机端完成，但信道成型滤波器特性不变。通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打勾），此时基带信号频谱成形滤波器全部放在发送端。以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。成型滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。判断信号观察的效果。眼图效果较好I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察测量I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量。输入为m序列，特数码序列，0/1码时李沙育图如下两路信号是相同的，所以李沙育图形是一条斜率为1的直线。输入为全0码或全1码时李沙育图如下两路信号是相同的，所以李沙育图形变成了一个点。由图可知BPSK两路信号相同BPSK调制信号0/π相位测量选择输入调制数据为0／1码。用示波器的一路观察调制输出波形（TPK03），并选用该信号作为示波器的同步信号；示波器的一路连接到调制参考载波上（TPK06/或TPK07），以此信号作为观测的参考信号。仔细调整示波器同步，观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。如图，相位发生了π翻转。BPSK调制信号包络观察BPSK调制为非恒包络调制，调制载波信号包络具有明显的过零点。通过本测量让学生熟悉BPSK调制信号的包落特征。测量前将模拟锁相环模块内的跳线开关KP02设置在TEST位置（右端）。选择0/1码调制输入数据，观测调制载波输出测试点TPK03的信号波形。调整示波器同步，注意观测调制载波的包落变化与基带信号（TPi03）的相互关系。画下测量波形。从此图也可以看出调制信号就是已调信号的包络波形用特殊码序列重复上一步实验，并从载波的包络上判断特列码序列。画下测量波形。由于包络的过零点只有在0变1或1变0时才会有，所以可能的序列为：1101010。也可能为：0010101（二）BPSK解调接收端解调器眼图信号观测首先用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环（自发自收）。测量解调器I支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形，观测时用发时钟TPM01作同步。将接收端与发射端眼图信号TPi03进行比较，观测接收眼图信号有何变化。显然出现噪声,观察接收端眼图，眼皮较厚，质量没有发送端的好。观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ06（在A/D模块内）波形，比较与TPJ05测试波形有什么不同？根据电路原理图，分析解释其原因。Q支路没有信号解调器失锁时的眼图信号观测将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（开环），使环路失锁。观测失锁时的解调器眼图信号TPJ05，熟悉BPSK调制器失锁时的眼图信号（未张开）。观测失锁时正交支路解调器眼图信号TPJ06波形。解调器眼图信号TPJ05波形失锁时，I路信号看不清眼图信号TPJ06波形失锁时，Q路信号看不清接收端I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察测量I支路（TPJ05）和Q支路信号（TPJ06）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPJ05和TPJ06的合成矢量图。在解调器锁定时，其相位矢量图应为0、π两种相位。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量，并说明其差异.波形都如上图所示，因噪声原来的线段平移成了矩阵；左边输入是m序列，右边输入时特殊序列，Q支路没有信号，所以李沙育图形是一条横的直线，左右区别不大。解调器失锁时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（右端），使环路失锁。观测接收端失锁时I路和Q路的合成矢量图。掌握解调器时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形的变化，分析测量结果。失锁后幅值不确定故形成圆形解调器抽样判决点信号观察选择输入测试数据为m序列，用示波器观察测试模块内抽样判决点（TPN04）的工作波形（示波器时基设定在2～5ms）。此时虽然有噪音但仍可以分辨出0码1码解调器失锁时抽样判决点信号观察将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置，使环路失锁。用示波器观察测试模块内抽样判决点TPN04信号波形，观测时示波器时基设定在2～5ms。熟悉解调器失锁时的抽样判决点信号波形。失锁后无法判断0码1码，示波器中并不能区别出两个电平。差分编码信号观测通信原理实验箱仅对“外部数据输入”方式输入数据提供差分编码功能。外部数据可以来自误码仪产生或汉明编码模块产生的m序列输出数据。当使用汉明编码模块产生的m序列输出数据时，将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中的H_EN和ADPCM开关去除，将输入信号跳线开关KC01设置在m序列输出口DT_M上（右端）；将汉明译码模块中汉明译码使能开关KW03设置在OFF状态（右端），输入信号和时钟开关KW01、KW02设置在来自信道CH位置（左端）。通过菜单选择发送数据为“外部数据输入”方式。将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中M_SEL2跳线器插入，产生7位周期m序列。用示波器同时观察DSP+FPGA模块内发送数据信号TPM02和差分编码输出数据TPM03，分析两信号间的编码关系。记录测量结果。发送信号为11001011，对应拆分编码应为0101110，符合差分编码的规则a解调数据观察在上述设置跳线开关基础上，用示波器同时观察DSP+FPGA模块内接收数据信号TPM04和发送数据信号TPM02，比较两数据信号进行是否相同一致。测量发送与接收数据信号的传输延时，记录测量结果。发送信号与接收信号一致但有一个码元周期的时延在“外部数据输入”方式下，重复按选择菜单的确认按键，让解调器重新锁定（存在相位模糊度，会使解调数据反向），观测解调器差分译码电路是否正确译码。发送接收波形发生变化，但仍满足译码关系。说明BPSK可以解决相位模糊带来的问题。解调器相干载波观测首先建立中频自环，通过菜单选择输入测试数据为“特殊码序列”或“m序列”。用双踪示波器同时测量发端调制载波（TPK07）和收端恢复相干载波（TPLZ07），并以TPK07作为示波器的同步信号。在环路正常锁定时，观测收发载波信号的相关关系。相干载波与调制载波频率相同，相位有很小的误差。将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（开环），使环路失锁。重复上述测量步骤，观测在解调器失锁时收发载波信号的相关关系。失锁后无法提取相干载波将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在1_2位置（闭环），让解调器锁定（如无法锁定，可按选择菜单上的确认键，让解调器重新同步锁定）。断开中频连接电缆，观测在无输入信号情况下，解调器载波是否与发端同步。记录测量结果。断开电缆同样无法提取相干载波解调器相干载波相位模糊度观测首先建立中频自环，通过菜单选择输入测试数据为“特殊码序列”或“m序列”。用双踪示波器同时测量发端调制载波（TPK07）和收端恢复相干载波（TPLZ07），并以TPK07作为示波器的同步信号。反复的断开和接回中频自环电缆，观测两载波失步后再同步时之间的相位关系。通过反复插拔中频电缆，可以看出发端载波和提取的载波存在两种关系，同相和反相，这是由于相位模糊引起的。解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响观测首先建立中频自环，通过菜单选择发送数据为“特殊码序列”方式。用双踪示波器同时比较接收数据信号眼图（TPJ05）和发送数据信号眼图（TPi03），并以TPi03作为示波器的同步信号。不断的断开和接回中频自环电缆，观测收发眼图信号。（在“特殊码序列”方式下，重复按选择菜单的确认按键，让解调器重新锁定。）分析接收时眼图信号的电平极性发生反转的原因。第1次载波与发端同相，第2次和第3次载波和发端反相。因为是BPSK，相位模糊致使载波可能有两种相位，两种相位相差180度。解调器位定时恢复信号调整锁定过程观察TPMZ07为DSP调整之后的最佳抽样时刻，它与TPM01（发端时钟）具有明确的相位关系。通过菜单选择输入测试数据为m序列，用示波器同时观察TPM01（观察时以它作同步）、TPMZ07（收端最佳判决时刻）之间的相位关系。不断按确认键（此时仅对DSP位定时环路初始化），观察TPMZ07的调整过程。接收时钟信号相位没有发生改变，因为有锁相环回路，所以相位差事固定的一个非常小的值。断开S002接收中频接头，在没有接收信号的情况下重复该步实验，并解释原因。接收时钟信号相位发生改变，没有输入信号，就得不到相干载波，所以提取不出时钟信号，接收时钟信号相位是随机的。解调器位定时信号相位抖动的观测以发送时钟TPM01信号为同步，在输入m序列情况下，调整噪声模块的跳线将噪声加以最大，观测接收提取出的时钟TPMZ07相位抖动情况，并估计抖动值。抖动值用单位间隔来表示。可以观测到时钟抖动，时钟抖动非常小，大概在0.03UI实验结论分析BPSK调制，已调波形中存在反相点，频谱收敛性较差，在接收端限带滤波后，波形失真，产生拖尾和码间串扰，故需将基带BPSK信号送入成形滤波器。使用相干解调将频带BPSK搬移到基带，需要提取相干载波；对基带BPDK的抽样判决需要提取定时信号；以上两个层次不同步，解调就会出现严重错误。绝对BPSK天然带有载波相位模糊问题，将使解调出现大片的错误，使用差分编码，可以解决之。思考题该实验用到通信系统原理试验箱哪些模块？各模块的作用是什么？测试模块：测抽样点的信号；D/A模块：调制电路数模转换；调制模块：用于BPSK的调制；解调模块：用于BPSK的解调；汉编汉译模块：产生差分编码时输入的m序列；DSP+FPGA模块：软件无线电BPSK调制和解调；A/D模块：解调电路模数转换。如何测试眼图?通过观察眼图如何反映信号的质量?输入信号选择随机数字信号，用示波器的同步输入通道接到码元的时钟，用示波器的另一通道接在系统接收滤波器的输出端，调整示波器的水平扫描周期使其与接收码元同步。这时就可以测到眼图信号。眼皮越后，则噪声与码间干扰越严重，系统的误码率越高。[补充]：载波相位含糊，对解调信号有何影响？如何解决相位含糊照成的影响？

答：载波相位含糊，解调信号与发送信号可能完全相反；在进行BPSK之前，对信码进行差分编码，可以解决相位含糊造成的影响。实验十二基带信号的频谱测试实验前的准备预习本实验的相关内容。熟悉虚拟仪器的操作方法。熟悉附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置。实验前重点熟悉的内容．了解周期和非周期信号的频谱；了解各种随机数字信号的功率谱，熟悉虚拟仪的主要功能和测试频谱的方法。实验目的加深对各种基带数字信号频谱的理解。加深对各种数字基带信号频谱带宽的理解。掌握虚拟仪测试各种数字基带信号频谱和带宽的方法。实验仪器ZH5001A通信原理综合实验系统20MHz双踪示波器计算机虚拟仪基本原理本次实验是基于VIRTINS虚拟仪的基带信号频谱分析。单极性不归零码的功率谱所谓不归0，就是指，此时，，，所以，二进制单极性不归0码随机序列的功率谱密度表达式为其波形如图10-7所示。由图可以看出，这种码型不存在定时分量。单极性归零码的功率谱现在分析二进制单极性归0码随机序列的功率谱密度。归0就是指，一般归0码利用50％占空比，即，此时，，当时，，所以，这种码型存在离散谱，并且在码元速率点存在定时分量。二进制单极性归0码随机序列的功率谱密度表达式如式（10-20）所示。(式10-20)其波形如图10-8所示。由图可以看出，这种码型在单数码元速率点都存在离散频谱。可以从中提取出定时分量。AMI和HDB3码在接收端经过全波整流后就是这种码型，因此，能够提取出定时分量。双极性不归零码的功率谱对于双极性二进制矩形方波随机序列(式10-21)(式10-22)(式10-23)在这种情况下，，由此可得双极性二进制矩形脉冲随机序列的功率谱密度为(式10-24)将式10-23带入式10-24，可得二进制双极性不归0码，与前面所述单极性归0的含义一样，就是，此时，，因此，一进制双极性不归0码随机序列的功率谱密度表达式如式（10-26）所示。由式（10-26）可以看出，双极性不归0码的功率谱密度仅在0频处有一根离散线谱，其他所有的离散谱均为0，如图10-9所示。根据式（10-26），当二进制信号等概时，在0频处的离散谱也消失，因为等概的双极性信号是不会存在直流分量的，所以在0频处的离散分量消失也是不难理解的。双极性归零码的功率谱对于双极性归零二进制矩形脉冲随机序列的功率谱密度可以用下式求得双极性二进制归0码，与前面所述单极性归0的含义一样，就是指，利用50％占空比，即，此时，，当时，，因此，二进制双极性归0码随机序列的功率谱密度表达式如式（10-27）所示。其功率谱密度如图10-10所示。由图可知，这种码型的功率谱密度与二进制单极性码的功率谱密度相同。实际上，这两者是有区别的，因为是否相同，还要看其包含的各种分量的大小，对于双极性信号，其线谱分量是很小的。因为从式中可以看到，线谱分量的大小与一进制码元出现的概率有关。当等概情况下，离散谱全部消失。实验内容本实验根据实验箱中存在的信号，确定测试点并设计测试方法。单极性归0码频谱测试TPD08；可以看出单极性归零码有丰富的时钟分量和直流分量。单极性不归0码频谱测试TPD01单极性不归码时钟分量是0，有直流分量。双极性归0码频谱测试TPD05双极性码没有直流分量，也没有时钟分量。1kHz方波信号频谱测试（示波器校准信号）可以看到1kHz方波有基次谐波实验结论分析本实验测试了各个常见数字基带信号的频谱，得出的了理论与实际一致的结论。

实验十三频带信号的频谱测试实验前的准备预习本实验的相关内容。熟悉虚拟仪器的操作方法。熟悉附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置。实验前重点熟悉的内容．FSK信号的频谱分布；BPSK信号的频谱分布；DBPSK信号的频谱分布；熟悉虚拟仪的主要功能和测试频谱的方法。思考题。实验内容中被测信号理论上的频谱应该什么样．'如何使用虚拟仪测试信号的频谱？实验目的加深对各种数字已调信号频谱的理解。加深对各种数字已调信号频谱带宽的理解。掌握虚拟仪测试各种数字已调信号频谱和带宽的方法。实验仪器ZH5001A通信原理综合实验系统20MHz双踪示波器计算机虚拟仪基本