北京交通大学-通信原理实验BPSK实验+数字信号频谱

北京交通大学毕业设计（论文）开题报告学生：学号：指导教师：王根英日期：2014.12.16上课时间：星期2第5大节通信原理实验电子信息工程学院通信原理实验第1页1实验九BPSK传输系统一、实验前的准备(1)预习本实验的相关内容。(2)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模块的跳线状态。(3)实验前重点熟悉的内容：1)了解软件无线电的基本概念；2)熟悉软件无线电BPSK调制和解调原理；3)明确波形成形的原理，4)明确载波提取原理，5)明确位定时提取原理。(4)思考题。1)软件无线中的BPSK调制解调方式与传统的调制解调方式有什么不同？软件无线电中的BPSK编码、调制、波形成形都使用软件(如FPGA)来完成；而传统的BPSK这些部分使用电路来完成。2)载波提取常用的方法有哪些？提取载波的方法一般分为两类：一类是外同步法，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；导频法有频域插入导频法和时域插入导频法。另一类是自同步法，不专门发送导频，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。直接法有平方变换法、平方环法和同相正交环法。3)位定时提取常用的方法有哪些？从基带信号中提取位定时同步的方法有插入导频法和自同步法提取位定时(自同步法包含滤波法和锁相环法)；从数字已调信号中提取位定时同步的方法有包络检波滤波法和延迟相干滤波法。二、实验目的(1)熟悉软件无线电BPSK调制和解调原理。(2)掌握BPSK调制产生、传输和解调过程。(3)掌握BPSK正交调制解调的基本原理和实现方法。通信原理实验第2页2(4)了解数字基带波形时域形成的原理和方法。(5)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的传输质量。(6)加深对BPSK调制、解调中现象和问题的理解。(7)加深对载波提取和位同步提取概念的理解。三、实验仪器(1)ZH5001A通信原理综合实验系统(2)20MHz双踪示波器四、基本原理(1)BPSK调制二进制相移键控(BPSK)可以用幅度恒定，载波相位随着输入数字信号（1、0码）而变化的信号来表小，通常这两个相位相差180度。BPSK信号可表式为00()cos(2)stAf其中00180　　m=0　　m=1绝对码、BPSK已调信号、相对码、DPSK已调信号波形如图9-5所示。调制电路原理框图如图9-6所示。输入数字信号首先进行差分编码，差分编码的主要作用是解决载波相位含糊带来的问题，然后进行成形滤波。成形滤波的作用是解决信号传输的码间串扰问题，这些都在FPGA模块完成。成形滤波后的数字信号分为完全相同的两路信号分别送到D/A转换器，将数字信号转变为模拟信号，然后经过低通滤波器，得到波形成形以后的数字信号。利用该信号分别对两个正交的载波进行二相调相，可以得到两个相互正交的而相调相信号，两个相互正交的二相调相信号相加得到的仍然是一相调相信号。由于一进制数字信号直接对载波信号进行调相，其相位存在180度跳变号，因此，信号所占据的带宽大，从而使这种调制方式在实际运用中产生以下问题。1)占用的频带宽，浪费宝贵的频带资源。2)会产生邻近信道干扰，对系统的通信性能产生影响，在移动无线通信系统中，要求在相邻信道内的带外辐射一般应比带内的信号通信原理实验第3页3功率谱低40dB--80dB,3)信号经过带宽受限信道会产生码间串扰，降低传输的性能。为了解决上述存在的问题，在实际通信系统中，不采用上述直接用数字信号产生PSK信号的方法，而是要采用波形成形技术，从而可以使发送频谱在发端将受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰；在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；获得无码间串扰的信号传输。实际中常用升余弦滤波器完成波形成形。升余弦滤波器的传递函数为0||(1)(||)()1sin(1)||(1)220||(1)bNbNrNNNNTfBTfBHfBfBBfB　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中是滚降因子，取值范围为0到1,一般0.25~1。随着的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加可以减小位定时抖动的敏感度，但是增加了占用的带宽。对于矩形脉冲BPSK信号，能量的90％在大约1.6Rs心的带宽内，而对于0.5的升余弦滤波器，所有能量则在1.5的带宽内。由此可见，经过波形成形以后的信号，带宽加宽了，但码间干扰受到了很好的改善。升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的滤波器，其频率响应为升余弦响应的平方根。根据最佳接收原理，这种响应特性的分配提供了最佳接通信原理实验第4页4收方案。升余弦滤波器在频域上是有限的，它在时域上的响应将是无限的，是一个非因果冲激响应。为了在实际系统上可实现，一般将升余弦冲激响应进行截断并进行时延，使其成为因果响应。截断长度一般从中央最大点处向两边延长4个码元。由截断的升余弦响应而成形的调制基带信号，其频谱一般能很好地满足实际系统的要求。为实现滤波器的响应，脉冲成形滤波器可以在基带实现，也可以设置在发射机的输出端。一般来说，在基带上脉冲成形滤波器用DSP或FPGA来实现，每个码元一般需采样4个样点，考虑当前输出基带信号的样点值与8个码元有关，由于这个原因使用脉冲成形的数字通信系统经常在调制器中同时刻存储了几个符号，然后通过查询存储符号离散时间波形表，输出这些值（表的大小为210）就可以得到波形成形以后的信号。这种查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图9-7所示。成形之后的基带信号经D/A变换之后，直接对载波进行调制。在实验系统中，BPSK的调制工作过程如下。首先输入数据进行波形成形滤波，滤波后的信号分别送入I、Q两路支路。因为I、Q两路信号完全相同，载波是两个频率相同、相位相差90度相互正交的载波，通信原理实验第5页5所以经调制合路之后仍为BPSK信号。为了便于比较，现将采用直接数据调制与波形成形信号调制的BPSK波形均绘于图9-8。从图中可以清楚地看到两种信号的包络情况。直接调制产生的BPSK信号无包络变化，成形调制产生的BPSK信号有着明显的包络变换，其包络就是波形成形的结果，防止码间串扰就体现在包络的变化上。在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波频率是相同的，但相位存在两种可能，可能是0度，也可能是180度。如果是0度，则解调出来的数据与发送数据一样；否则，解调出来的数据将与发送数据反相。这种现象称为载波相位模糊。为了解决这一技术问题，在发端可以采用差分编码，经相干解调后再进行差分解码。差分编码的逻辑关系为通信原理实验第6页6()()(1)bnanbn实现电路如图9-9所示差分解码逻辑关系为()()(1)anbnbn电路如图9-10所示(2)BPSK解调接收的BPSK信号可以表示为00()cos(2)stAfBPSK解调电路框图如图9-11所示。由图可知，为了对接收信号进行正确的解调，首先经过中频放大，然后送到同相和正交两个支路。由于采用的是同步解调，要求在接收机端得到载波的相位和频率信息，同时还要在正确时刻对信号进行判决。这就是前面所讲的载波提取与位定时提取技术。在前面已有叙述，对于二相调相信号的载波提取最常用的方法有平方变换法和判决反馈环。为了提高载波的质量，这里通信原理实验第7页7采用锁相环来实现。在采用PLL方式进行载波恢复时，PLL环路对输入信号的幅度较为敏感，因而在实际中一般在前端还需加入性能较好的AGC电路。在图9-11所示的实验电路中，BPSK的DSP解调方法A/D采样速率为4倍的码元速率，即每个码元采样4个样点。采样之后，进行平方根Nyquist匹配滤波。将匹配滤波之后的样点进行样点抽取，每两个样点抽取一个采样点，即每个码元采样2个点送入后续电路进行处理。将每个码元2个点进行位定时处理，根据误差信号对位定时进行调整。再将位定时处理之后的最佳样点送入后续处理（即又进行了2：1的样点抽取）。根据最佳样点值进行载波鉴相处理。鉴相后的结果送入PLL环路滤波，控制VCO。最终使本地载波与输入信号的载波达到同频同相。位定时与载波恢复之后，进行判决处理。在BPSK解调器中，载波恢复的指标主要有同步建立时间、保持时间、稳态相差、相位抖动等。载波提取同步建立时间将影响BPSK在正确解调时所丢失的比特数，该指标一般对突发工作（解调器是一帧一帧地接收进行解调，而且在这帧之间载波信息与位定时信息之间没有任何关系）的解调器有要求，而对于连续工作的解调器该指标一般不作要求。载波提取电路的保持时间在不同场合要求不同。例如，在无线衰落信道中，一旦接收载波出现短时的深衰落，要求接收机提取的载波信号仍能跟踪一段时间。对BPSK信号，当提取的载波信号存在稳态相位误差时，信道误码率为01cos2beEPerfcN为了提高BPSK的解调性能，一般尽可能地减小稳态相差，在实际中一般要求提取出的载波信号稳态相位误差小于5度。改善该性能一般可通过提高环路的开环增益、减少环路时延来完成。需要注意到在提高环路增益的同时，对环路的带宽可能产生影响。相位抖动是指环路输出的载波在某一相位点按一定分布随机摆动，其摆动的方差对解调性能有很大的影响。相位抖动与稳态相差一样对BPSK解调器的误码率产生影响，另外，它还使环路产生一定的跳周现象。所谓跳周，是指环路从一个相位平衡点跳向相邻的平衡点，从而使解调数据出现倒相或其他的错误规律。按工程经验，在门限信噪比条件时跳周一般要求每2小时小于1次。采用PLL环路提取载波，其环路带宽是可控的。一般而言，环路带宽越宽，载波恢复时间越短，输出的载波相位抖动就越大，环路越通信原理实验第8页8容易出现跳周反之，环路带宽越窄，载波恢复时间越长，输出载波相位抖动就越小，环路的跳周率越小。因而，可根据实际需要，调整环路带宽的大小，以达到设计的要求。位定时对于接收BPSK信号的性能也是相当重要的。输入信号与本地相干载波相乘并经匹配滤波之后，在什么时刻对该信号进行抽样、判决，这一功能主要由位定时来实现。解调器输出判决之前的基带信号如图9-12所示。抽样时钟A在信号最大点处进行抽样，也是眼图张开最大点进行判决，这一判决时刻为最佳判决点。由于在最佳判决点进行判决，因此可以保证输出信号具有最大的信噪比，从而也能保证误码率最低。如果选择抽样时钟B进行判决，则偏离最佳判决时刻，使信噪比要下降，误码率由于位定时存在相位差而增加。在接收到BPSK信号之后，提取出的位定时一般不处于最佳抽样判决点的位置，必须采用一定的算法对抽样点进行调整，这个过程称为位定时恢复。常用的位定时恢复有滤波法、数字锁相环等。本实验采用的是锁相环法。下面对其基本原理加以分析。以4倍码元速率抽样为例，对于解调低通滤波器输出信号进行取样，取样点如图9-13所示。设S(n-2)和S(n+2)为调整后的最佳取样判决点，S(n)为两个相邻码元最佳取样判决点的中点。要进行位定时取样判决点的调整，必须提取误差信息。我们知道，位定时提取基带信号存在着过零点，如图9-13所示的情况。位定时误差的大小按下式进行计算：通信原理实验第9页9()()[(2)(2)]enSnSnSn如果()0en，则位定时抽样脉冲应向后调整反之应向前调整。其调整过程主要是通过调整分频计数器来完成，电路构成如图9-14所示。当定时误差()0en时，选择器选择计数器c输出，当定时误差()0en时，选择器选择计数器a输出，当定时误差()0en时，选择器选择计数器b输出。需要说明的是，一般在实际应用中还需对位定时的误差信号进行滤波（利用位定时环路滤波），这样可以提高环路的抗噪声性能。(3)眼图利用眼图可以方便直观地估计系统的性能。对眼图的测试方法如下：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通信原理实验第10页10的时钟，用示波器的另一通道接在系统接收