通信报告-BPSK传输系统实验

BSK传输系统实验实验目的了解Nyquist基带传输设计准则；熟悉升余弦基带传输信号的特点；掌握眼图信号的观察方法并学习和评价眼图信号；掌握BPSK调制和解调的基本原理；熟悉BPSK调制载波包络的变化；观察BPSK解调数据反相的现象；实验仪器JH5001通信原理基础实验箱 一台双踪示波器 一台函数信号发生器 一台实验原理(一)基带成型Nyquist设计准则为基带传输系统信号设计提供了一个方法。利用该准则一方面可以对信号的频谱进行限制，另一方面又不会产生码间串扰。升余弦滤波器的传递函数为：图aNyquist升余弦滤波基带传输频域与时域特性示意图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。对眼图性能判断主要依据图6中所示的主要测量指标。图b眼图主的性能指标示意图（二）BPSK调制解调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数据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：其中在实际通信系统中，通常采用Nyquist波形成形技术，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图9所示：图c直接数据调制与成形信号调制的波形在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波在频率上是一样的，但相位存在两种关系：0０、180０。如果是0０，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。接收的BPSK信号可以表示成：为了对接收信号中的数据进行正确的解调，要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。这就是我们常说的载波恢复与位定时恢复。为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。在刚接收到BPSK信号之后，位定时一般不处于正确的抽样位置，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。以2倍码元速率抽样为例：信号取样如图13所示。S（n-1）、S（n+1）为调整后的最佳样点，S（n）为码元中间点。首先位定时误差的提取时刻为其基带信号存在过零点，即如图13中的情况所示。位定时误差的大小按下式进行计算：如果，则位定时抽样脉冲应向前调整；反之应向后调整。这个调整过程主要是通过调整分频计数器进行的。实验现象记录与分析（一）基带成形α＝0.3升余弦滤波的眼图观察准备工作：将数字调制解调模块中的KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02置成长m序状态（KG02的三个跳线器均插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（左端），KG04置于α＝0.3升余弦滤波状态。KP01置于2-3状态（相干解调位置）。以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。测量过零率抖动与眼皮厚度（换算成百分数）。总结信号特征并解释原因。α＝0.4升余弦滤波的眼图观察准备工作：KG04置于α＝0.4升余弦滤波状态。以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。测量过零率抖动与眼皮厚度（换算成百分数）。总结信号特征并解释原因。α＝0.4开根号升余弦滤波的眼图观察准备工作：KG04置于α＝0.4开根号升余弦滤波状态。以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。测量过零率抖动与眼皮厚度（换算成码元宽度的百分数）。总结信号特征并解释原因。思考：怎样的系统才是最佳的？匹配滤波器最佳接收机性能如何从系统指标中反映出来？现象：图1α＝0.3升余弦滤波的眼图图2α＝0.4升余弦滤波的眼图图3α＝0.4开根号升余弦滤波的眼图分析：无论采用何种滤波方式，码元速率是一定的，均为32kHz，即码元宽度。过零率抖动 由眼图的原理可知(如右图所示)：过零率抖动眼皮宽度是最佳抽样时刻的波形宽度，过零率抖动则是经过门限时的失真。①当采用α＝0.3升余弦滤波时眼皮厚度为0；测量得到过零率抖动为11.2us，换成百分数为；②当采用α＝0.4升余弦滤波时眼皮厚度为0；测量得到过零率抖动为9.2us，换成百分数为；③当采用α＝0.4开根号升余弦滤波时眼皮厚度为0920mV，换成百分数为；测量得到过零率抖动为5.6us，换成百分数为通过以上三组数据的对比，可以看出：α是作为滚降因子，取值范围为0到1。一般α=0.25~1时，实验中分别取α＝0.3和α＝0.4，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。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来实现，其频响为开根号升余弦响应。根据最佳接收原理，这种响应特性的分配提供了最佳接收方案。匹配滤波器的最佳接收机性能可以通过系统传输的信噪比、信道误码率，信道频带利用率、有无邻道干扰、有无码间串扰等指标反映出来。观察基带频谱分别将KG04置于α＝0.4升余弦滤波状态和KG04置于非归零码状态（矩形脉冲）。观察基带信号（TPi03）的频谱。现象：图4α＝0.4升余弦滤波时频谱图5非归零码状态时的频谱分析：左图是采用Nyquist波形成形技术后的波形频谱，发送频谱在发端受到限制，提高了信道频带利用率，减少了邻道干扰。基带信号经过α＝0.4升余弦滤波后变为低通带限信号，可以消除码间串扰，但若未作成型滤波，就如同图5非归零码状态时的频谱，则会有明显的频谱泄露，容易造成严重的码间干扰。（二）BPSK调制解调准备工作：将KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02置成长m序列状态（KG03的三个跳线器均插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（左端），KG04置于ɑ=0.4的升余弦响应。KP01置于左边相干解调位置。BPSK调制信号0/π相位测量：KG02置成输入调制数据为0／1码。用示波器的观察调制输出波形（TPK03）和调制参考载波上（TPK06/或TPK07）。观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。现象：图6调制载波在数据变化点相位翻转分析： 从理论上讲，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数据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：，其中观察图6中两条红色虚线所指示的位置，（左边）在数据变化之前输出波形的波峰几乎对应载波的波峰，而在（右边）数据变化点之后，输出波形的波峰对应载波的波谷。可知调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。但是在实际情况下，不完全是0/π相位差，和相加有的相位差。而且由于系统的延迟，实际和理论分析也有一定的误差，从图6中也可以观察出。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，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；结合BPSK调制器原理分析测试结果。将KG04置于ɑ=0.4的开根号升余弦响应，重复上述实验步骤。仔细观察和区别两种方式下矢量图信号。现象：图70/1码时IQ调制信号波形及矢量图图8ɑ=0.4的开根升余弦响应调制信号矢量图分析：星座点聚焦越好，则系统性能越好；否则，噪声与ISI越严重，系统的误码率越高。在实验中观察到，当输入全0码与全1码时，在矢量图中都表现为一个点。这是由于它只对应一个相位。而由于码型不同，相位位置不同，码1对应的相位与码0对应的相位相差π，在星座图上点的位置一个偏左一个偏右。图7是在α＝0.3升余弦滤波时输入0/1码时的波形和相位图，从矢量图中可以看到有两个相位，分别对应0和1，相位在0和1之间的跳变。曲线较为光滑，聚集性好，误码率较低，系统性能较好。图8是开根号升余弦响应时输入0/1码时的星座图。对比图7和图8，可以发现图8（开根号升余弦响应）长度变长。这说明开根号升余弦响应系统性能更好。相比之下，升余弦响应系统的噪声与ISI更严重，其误码率更高。BPSK调制信号包络观察：KG02置成输入调制数据为0／1码。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络变化与基带信号（TPi03）的相互关系。画下测量波形。用m序列重复上一步实验，观测载波的包络变化。现象：图90／1码的调制信号包络图10m序列的调制信号包络分析：从图9和图10中可以明显地看出，无论是0/1码还是m序列，可以发现BPSK调制信号的包络与基带信号是完全一致的。说明实现了有效的调制，在调制过程中没有产生错码，系统性能佳。BPSK调制信号频谱测量准备：通过KG02使输入调制数据为长m序列，观测BPSK信号频谱。用波器测量BPSK调制信号（TPK03）。先将示波器调到125kHz/div，选择hanning窗，然后将频谱扩展10倍，旋转水平位移旋钮，观察1.024MHz频率点附近波形。测量调制频谱占用带宽、电平等，记录实际测量结果，画下测量波形。现象：图11BPSK调制信号频谱分析：从图11中可以观察到，当输入长m信号时，调制后的信号集中在12.5MHz附近，经过测量得到带宽为，谱线幅度约为。从理论上说，滚降因子α增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，增加了占用的带宽。对于矩形脉冲BPSK信号能量的90%在大约1.6Rb的带宽内。在此图中，由于码元速率为32kHz，。实际与理论相符。BPSK调制信号频谱载漏信号测量通过KG02选择0/1码输入数据，观测BPSK信号频谱。测量调制频谱载漏与信号电平的差值，记录实际测量结果，画下测量波形。思考：载漏过大会对系统带来什么影响？载漏的产生与什么因素有关？如何减小载漏电平？现象：图12BPSK调制信号频谱载漏信号分析：载漏指的是本振信号的基波分量。由图12可知0/1码的BPSK频谱在载漏两侧出现峰值，两峰值间的频距约为35kHz。调制频谱载漏与信号电平的差值约为36.8dB。载漏过大会在很大程度上消耗功率,同时在解调器中易产生直流漂移。载漏产生与以下的几个因素有关：（1)平衡调制器直流工作点不平衡；(2)平衡调制器I、Q两支路不平衡；(3)收、发本振源的辐射。要减小载漏电平，可以将模拟锁相环模块的输入信号选择开关KP02设置在TEST位置，然后将D/A模块内Ki01、Ki02的短路器拔除，使调制模块没有信号输入，随后再调整电位器WK01、WK02使TPK03的信号(即载漏)输出最小。接收端解调器眼图信号观测准备：通过KG02使输入调制数据为长m序列，并用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环（自发自收）。信道噪声放在最小位置（SW001跳线插入最下端）。KL01设置在1_2位置（闭环）。测量解调器Q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。从下到上不断加大噪声，观察TPJ05眼图变化。现象：图13不同噪声等级下解调器Q支路眼图信号分析：对比图13中左图和图3，可以发现接收端信号的眼图和发送端相比，其眼皮厚度增加了许多，过零率抖动更加严重，噪声容限变小，抗干扰能力变弱。对比图13中的左图和右图，当不断加大噪声时，可以发现盐眼图中噪声容限越来越小，知道已经无法容纳噪声。右图中信号眼图已经严重被噪声干扰，波形十分变形，噪声容限很小，抽样判决时很可能由于噪声而造成误判决。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。噪声放回最小位置。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。现象：图14解调器失锁后TPJ05、TPJ06眼图信号分析：相位失锁时，眼图中已经看不出有噪声容限，如图14中两图所示。为了对接收信号中的数据进行正确的解调，一般要求接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决，也即载波恢复与位定时恢复。而为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。解调器失锁时，波形相位不固定，在输出端叠加时表现为眼图未张开。接收端I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察准备：通过KG02使输入调制数据为长m序列，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），使环路锁定。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。现象：图15闭环时接收端I、Q路解调信号矢量图分析： 观察图15中的左图可知，两路信号波形上几乎完全一致，成上下对称形式。观察图15中右图可知，由于闭环的作用，I、Q两条之路解调后的信号相位基本稳定，存在两个比较稳定的相点。在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波在频率上是一样的，但相位存在两种关系：0０、180０。如果是0０，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。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：准备：通过KG02使输入调制数据为长m序列，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。现象：图15失锁时接收端I、Q路解调信号矢量图分析： 在实验过程中调整电位器对波形和矢量图几乎不产生任何作用。从图15的左图中依然可以看到I、Q两路之路的波形对称关系。在右图中反映的二者相位，类似于无数的扁圆环叠加，两之路信号的相位关系在不断地跳变，这是由于锁相环失锁所造成的。解调器相干载波相位模糊度观测准备：通过KG02选择输入测试数据为较短的“特殊码序列”，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），使环路锁定。用双踪示波器同时测量发端调制载波（TPK06）和收端恢复相干载波（TPLZ06），并以TPK06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。现象：图16发端调制载波和收端恢复相干载波关系分析： 在实验时输入的码序列是0/1码。从图16中截取的两张图来看，端调制载波（TPK06）和收端恢复相干载波（TPLZ06）存在着两种明显的相位关系，接近00和１800。从理论上看，判决反馈环鉴相器具有右图所示的特性：从上图中可以看出，判决反馈环也具有00、１800两个相位平衡点，因而采用判决反馈环存在这两个相位模糊点。在反复的断开和接回中频自环电缆的过程中，两载波失步后再同步时不断寻找同步平衡点，所以有时是00有时是1800，但是由于电路本身的延迟，有一定相位偏差。解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响观测通过KG02选择输入测试数据为较短的“特殊码序列”，用示波器同时观察解调输出数据（TPM05）和发送数据（TPM02），并以TPM02作为示波器的同步信号，调整示波器使波形动态稳定。不断的断开和接回中频自环电缆，观测TPM05数据发生反转，分析原因。现象：图17解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响分析： 在实验时输入的码序列是0/1码。对比图17和图16可知，同样的，发送数据（TPM02）和解调输出数据（TPM05）之间存在着00和１800两种明显的相位关系。造成这种现象的原因和上题是一样的，都是由判决反馈环鉴相器的特性引