移动通信原理实验箱实验指导书V1[1].0

移动通信原理实验指导书第二章调制与解调实验一MSK调制解调实验一、实验目的1、掌握MSK调制和解调的原理。2、理解MSK的优缺点。二、实验内容1、观察MSK调制过程中各信号的波形。2、观察MSK解调过程中各信号的波形。三、预备知识1、MSK调制和解调的基本原理。2、MSK调制和解调部分的工作原理及电路说明。四、实验器材1、移动通信原理实验箱一台2、20M双踪示波器一台五、实验原理1、MSK调制原理MSK称为最小移频键控，是移频键控（FSK）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK传送更高的比特速率。二进制MSK信号的表达式可写为：costSMSKkkctTsat2kTstTsk)1(c——载波角频率；Ts——码元宽度；ka——第k个码元中的信息，其取值为±1；移动通信原理实验指导书-1-k——第k个码元的相位常数，它在时间kTstTsk)1(中保持不变；当ka＝＋1时，信号的频率为：2f＝cf＋Ts41当ka＝－1时，信号的频率为：1f＝cf－Ts41由此可得频率之差为：f＝2f－1f＝Ts21那么MSK信号波形如图2.1-1所示：＋－－＋＋＋－－图2.1-1MSK信号波形为了保持相位的连续，在t=kTs时间内应有下式成立：k=1k＋（1ka－ka）2（1k）即：当ka＝1ka时，k=1k；当ka≠1ka时，k=1k±（1k）π；若令0＝0，则k＝0或±π，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。costSMSKkkctTsat2=kcos）（tTs2costccos－kakcos）（tTs2sintcsinkTstTsk)1(令kcos＝kI，－kakcos＝kQ则：tSMSK＝kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsinkTstTsk)1(移动通信原理实验指导书-2-为了便于理解如图2.1-2所示：1234567891011121314151617181920212223240+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1kakkdkcoskkacos)2sin(cosTstakk000000000000000+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1)2cos(cosTstkk图2.1-2码元变换及成形信号波形图根据上面描述可构成一种MSK调制器，其方框图如图2.1-3所示：差分编码串/并转换波形选择地址生成器CosωctSinωctMSK信号波形选择地址生成器EEPROMEEPROMD/A转换器乘法器乘法器加法器（运放）D/A转换器CPLD时序电路低通滤波器时序电路低通滤波器IkQk延时TsNRZ图2.1-3MSK调制原理框图输入数据NRZ，然后通过CPLD电路实现差分编码及串/并转换，得到Ik、Qk两路数据。波形选择地址生成器是根据接受到的数据（Ik或Qk）输出波形选择的地址。EEPROM（各种移动通信原理实验指导书-3-波形数据存储在其中）根据CPLD输出的地址来输出相应的数据，然后通过D／A转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK调制信号。MSK基带波形只有两种波形组成，见图2.1-4所示：波形1波形2图2.1-4MSK成形信号在MSK调制中，成形信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。如果当前数据与前一位数据相同，输出的成形信号就相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）；如果当前数据与前一位数据相反，输出的成形信号就相同（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。2、MSK解调原理MSK信号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。已知：tSMSK＝kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsin把该信号进行正交解调可得到：Ik路[kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsin]tccos=21kI）（tTs2cos+41kItTsc）（22cos+41kItTsc）－（22cos－41kQtTsc）（22cos+41kQtTsc）（22cosQk路[kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsin]tcsin=21kQ）（tTs2sin+41kItTsc）（22sin+41kItTsc）－（22sin－41kQtTsc）（22sin+41kQtTsc）（22sin我们需要的是21kI）（tTs2cos、21kQ）（tTs2sin两路信号，所以必须将其它频率成份）（Tsc22、）（Tsc22通过低通滤波器滤除掉，然后对21kI）（tTs2cos、移动通信原理实验指导书-4-21kQ）（tTs2sin采样即可还原成kI、kQ两路信号。根据上面描述可构成一种MSK解调器，其方框图如图2.1-5所示：MSK信号乘法器乘法器时序电路低通滤波器低通滤波器电平比较器电平比较器抽样判决抽样判决数据还原数据还原时序电路并/串转换差分译码SinωctCosωctNRZCPLDCLKBSIkQk图2.1-5MSK解调原理框图将得到的MSK调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD的数字处理，就可解调得到NRZ码。在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端载波相同时，才能完成相干解调。由于载波同步不是本实验的研究内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。载波同步的实验可在本实验箱的CDMA系统中实现。六、实验步骤1、MSK调制实验①将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000、0001，则调制类型选择为MSK调制。说明1：为了能用示波器观察调制输出信号波形的相位关系，所以NRZ的码速率采用与载波相当的速率，由于本系统的载波频率为12KHz，所以做调制实验时选择NRZ码速率为12Kb/s②分别观察差分编码后的“／NRZ”处波形，并由此串并转换得到的“DI”、“DQ”两路数据波形。③分别观察“I路成形”信号波形、“Q路成形”信号波形、“I路调制”同相调制信号波形、“Q路调制”正交调制信号波形、“调制输出”波形。说明2：如果在步骤②、③中发现波形不正确，请按“调制复位”键后继续观察。④用示波器观察“I路成形”信号、“Q路成形”信号的X-Y波形。说明3：此波形即为MSK调制的星座图。用示波器的双踪分别接“I路成形”和“Q路成形”，并选择示波器的“X-Y”模式。2、MSK解调实验移动通信原理实验指导书-5-①将“调制类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，“解调类型选择”拨码开关拨为10000000、0100，则解调类型选择为MSK解调。说明4：为了能在解调端滤波时能得到与调制端成形信号一致的波形，须加大载波信号与NRZ码速率之间的频率差值，所以NRZ的码速率采用比载波频率小得多的码速率，由于本系统的载波频率为12KHz，所以做解凋实验时选择NRZ码速率为1.5Kb/s。②分别观察“I路解调”信号波形、“Q路解调”信号波形、“I路滤波”信号波形、“Q路滤波”信号波形。③分别观察解调的“DI”、“DQ”两路数据波形，由此并/串转换得到的差分编码“／NRZ”波形，并观察解调输出的波形。④最后比较调制端“NRZ”波形和解调端“NRZ”波形，看解调是否正确。说明5：如果发现解调输出波形不正确，请按下“解调复位”键后继续观察。七、实验思考题1、什么是最小移频键控？2、MSK信号具有哪些特点？八、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MSK分别在调制和解调中的各测量点的波形图。3、画出MSK在调制和解调中的X-Y波形图（即星座图）。4、对实验思考题加以分析，并画出原理图。移动通信原理实验指导书-6-实验二QPSK调制解调实验一、实验目的1、掌握QPSK调制解调原理。2、理解QPSK的优缺点。二、实验内容1、观察QPSK调制过程中各信号波形。2、观察QPSK解调过程中各信号波形。三、预备知识1、QPSK调制解调的基本原理。2、QPSK调制解调部分的工作原理及电路说明。四、实验器材1、移动通信原理实验箱一台2、20M双踪示波器一台五、实验原理1、QPSK调制原理QPSK又叫四相绝对相移调制，QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表2.3-1所示，矢量关系如图2.3-1所示。图（a）表示A方式时QPSK信号矢量图，图（b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A方式中：45°、135°、225°、315°，则数据kI、kQ通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值±2/2；B方式中：0°、90°、180°、270°，则数据kI、kQ通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值±1、0。表2.3-1双比特码元与载波相位关系双比特码元载波相位abA方式B方式01100011225°315°45°135°0°90°180°270°移动通信原理实验指导书-7-图2.3-1QPSK信号的矢量图下面以A方式的QPSK为例说明QPSK信号相位的合成方法。串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行数据，然后通过基带成形得到的双极性序列（从D/A转换器输出，幅度为±2/2）。设两个双极性序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图2.3-2中虚线矢量，将两路输出叠加，即得到QPSK调制信号，其相位编码关系如表2.3-2所示。图2.3-2矢量图表2.3-2QPSK信号相位编码逻辑关系a1－1－11b11－1－1a路平衡调制器输出b路平衡调制器输出合成相位0°90°45°180°90°135°180°270°225°0°270°315°a(1)b(1)b(0)a(0)(-1,1)(1,-1)(-1,-1)(1,1)(1,1)(0,1)(0,0)(1,0)45°(1,0)(1,1)(0,1)(0,0)0°参考相位参考相位(a)(b)移动通信原理实验指导书-8-用调相法产生QPSK调制原理框图如图2.3-3所示。串/并转换波形选择地址生成器CosωctSinωctQPSK信号波形选择地址生成器EEPROMEEPROMD/A转换器乘法器乘法器加法器（运放）D/A转换器CPLD时序电路低通滤波器时序电路低通滤波器IkQkNRZ图2.3-3QPSK调制原理框图2、QPSK解调原理由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图2.3-4所示。QPSK信号乘法