移相键控调制与解调实验

通信原理实验报告实验二移相键控（PSK/DPSK）调制与解调实验专业班级：学号：姓名：指导老师：时间：2013年12月9日一、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、③号模块一块3、④号模块一块4、⑦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π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：tnTtgbtScnsnPSKcos)()(2（11-1）其中：PaPabnnn－时，概率为＝当＋时，概率为当11101则（11-1）式可变为：10cos)(0cos)(2ncnsncnsPSKatnTtgatnTtgtS当当）＝（（11-2）0Ts2Ts3Ts4Ts1011S2PSK(t)A-A0ar2tt图11-12PSK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π”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1数字信息“”00数字信息“”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：000π0πππ00π或：πππ0π000ππ000010111000111001数字信息（绝对码）PSK波形DPSK波形相对码图11-22PSK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π”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、π。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π/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。π0＋π/2-π/2参考相位参考相位（a）（b）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：载载载载载载载载载载载载载载载载K3载载载图11-４2DPSK调制原理框图①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1110010码，则经过差分编码器后输出的相对码bn为1011100，即bn=anbn–1。图11-6（b）是它的工作波形图。②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解调原理相乘器低通滤波器逆差分变换抽样判决器运放调制信号输入本地载波解调信号输出位同步信号延迟低通滤波器抽样判决器位同步信号带通滤波器相乘器调制信号输入解调信号输出(a)(b)（a）极性比较法（b）相位比较法图10-32DPSK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、测试点说明1、信号输入点参考说明PSK调制模块：PSK-NRZ：PSK基带信号输入点。PSK载波：PSK载波信号输入点。PSK-BS：PSK差分编码时钟输入点。PSK解调模块：PSKIN：PSK调制信号输入（观测点）。PSK-BS：PSK解调位同步时钟输入点。载波输入：PSK解调同步载波信号输入点。2、信号输出点参考说明PSK-OUT：PSK/DPSK调制信号输出点。PSK-DOUT：PSK解调信号经电压比较器后的信号输出点（未经同步判决）。OUT3：PSK/DPSK解调信号输出点（K1的1、2脚相连，输出DPSK解调信号，2、3脚相连，输出PSK解调信号）。六、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。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3：PSK-BSDPSK位同步时钟输入以信号输入点“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。5、通过信号源模块上的拨码开关S4改变PN码频率后送出，重复上述实验。6、实验结束关闭电源。（二）PSK/DPSK解调实验1、恢复PSK调制实验的连线，K3拨到“PSK”端，然后增加以下连线：源端口目的端口连线说明模块3：PSK-OUT模块4：PSKINPSK解调输入模块3：PSK-OUT模块7：PSKIN载波同步提取输入模块7：载波输出模块4：载波输入提供同步解调载波模块4：PSK-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：PSK-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“0110”，观察模块4上信号输出点“PSK-DOUT”处的波形。并调节模块4上的电位器W4（逆时针拧到最大），直到在该点观察到稳定的PN码。3、用示波器双踪分别观察模块3上的“PSK-NRZ”和模块4上的“OUT3”处的波形，比较二者波形。4、通过信号源模块上的拨码开关S4改变PN码频率后送出，重复上述实验。5、DPSK解调与PSK解调基本相同，它多了一个逆差分变换过程，注意通过开关K1选择DPSK方式解调，学生可以在老师的指导下自己完成连线观察解调波形。6、实验结束关闭电源，拆除连线，整理实验数据及波形完成实验报告。七、实验报告要求1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。3、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进建议。