北京交通大学通信原理实验(实验九)

《北京交通大学通信原理实验(实验九)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京交通大学通信原理实验(实验九)（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1通信原理实验电子信息工程学院通信原理实验 实验九实验九 HDB3HDB3 编码与译码实验编码与译码实验一、一、 实验前的准备实验前的准备（1）预习本实验的相关内容，掌握 BPSK 调制与解调的原理； （2）熟悉实验指导书附录 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。 （3）实验前重点掌握的内容： 了解软件无线电的基本概念； 熟悉软件无线电 BPSK 调制与解调的原理； 明确波形成形的原理 明确载波提取的原理 明确位定时提取原理 （4）思考题： 软件无线电中的 BPSK 调制与解调方式与传统的 FSK 调制与解调方式有什 么不同？ 载波提取的常用方法有哪些

2、？位定时提取的常用方法有哪些？ 二、二、实验目的实验目的 （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。 （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、三、 实验仪器实验仪器（1）ZH5001A 通信系统原理实验箱 一台 （2）20 MHz 双踪示波器 一台四、四、 基本原理基本原理（一）（一）BPS

3、KBPSK 调制调制理论上二进制相移键控（BPSKBPSK）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：通信原理实验 )2cos(2)(cc bbfTEtS其中11800000mmc绝对码、BPSK 已调信号、相对码、DBPSK 已调信号如图所示：图 4-1 数字调制信号和 BPSK 已调信号其功率谱功率谱为图 4-2 BPSK 已调信号频谱功率谱特点功率谱特点：“1” 、 “0”等概率时，只有连续谱，属线性调制； 采用二进制码流直接载波信号进行调相，相位存在 180跳变，信号占居带宽 大。

4、上面这种调制方式在实际运用中会产生以下三方面的问题： 1.浪费宝贵的频带资源； 2.会产生邻道干扰，对系统的通信性能产生影响，在移动无线系统中, 要求在 相邻信道内的带外幅射一般应比带内的信号功率谱要低 40dB 到 80dB； 3.如果该信号经过带宽受限信道会产生码间串扰（ISI） ，影响本身通信信道的 性能。 在实际通信系统中，通常采用 Nyquist 波形成形技术，它具有以下三方面的优 点：通信原理实验 1、 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； 2、 在接收端采用相同的滤波技术，对 BPSK 信号进行最佳接收； 3、 获得无码间串扰的信号传输； 实际中常用升余弦

5、滤波器完成波形成形。升余弦滤波器的传递函数为： SSSSSRC TfTfTfTTffH2/ )1 (|02/ )1 (|2/ )1 ()21|)|2(cos(1 212/ )1 (|01)(其中， 是滚降因子，取值范围为 0 到 1。一般 =0.251 时，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，而对于 =0.5 的升余统滤波器，所有能量则在 1.5Rb 的带宽内。 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

6、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。 升余弦滤波器在频域上是有限的，那它在时域上的响应将是无限的，其是一个 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短，并 进行时延使其成为因果响应。截短长度一般从中央最大点处向两边延长 4 个码元。 由截短的升余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使 用要求。 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。一般说来，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，并考虑当前输出基带信号的样点值与个码元有关，由于

7、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一时刻存储了几个符号，然 后通过查询一个代表了存储符号离散时间波形来输出这几个符号（表的大小为 210） ， 这种查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图 2-2 所示：串 / 并 变 换D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7输入码流时钟计 数 器 EPROM4 倍时钟样点锁存图 4-3 BPSK 基带成形原理电路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。通信原理实验 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

8、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 2-3 所示：归零码载波直接调制成形调制Tb图 4-4 直接数据调制与成形信号调制的波形载波相位模糊问题：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：0,180。如果是 0， 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。为 了解决这一技术问题，在发端码字上采用了差分编码，经相干解调后再进行差分译 码。 差分编码原理为： )() 1()(nbnana 实现框图如图

9、 2-4 所示：a(n-1)存贮输入码流输出码流b(n)a(n)图 4-5 差分编码示意图 （二）（二）BPSKBPSK 解调解调 接收的 BPSK 信号可以表示成：)2cos(2)()(c bbfTEtatRBPSK 信号的相干解调原理框图如下：通信原理实验 图 4-6 BPSK 信号的差分相干解调原理图 为了对接收信号中的数据进行正确的解调，这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。 、载波恢复载波恢复 对二相调相信号中的载波恢复有很多的方法，最常用的有平方变换法、判决反 馈环等。 平方变换法平方变换法如图所示：

10、BPSK 接收 信号平方电路中心频率为 2fc 带通滤波二分频器载波恢复输出图 4-7 平方环载波恢复电路结构 接收端将接收信号进行平方变换，即将信号 R（t）通过一个平方律器件后：通信原理实验 )222cos(212)(212)()222cos(1 212)()2(cos2)()(222222c bbbbc bbc bbfTEtaTEtafTEtafTEtatR从上式看出：R（t）经平方处理之后产生了直流分量，而在上式第二项中具有 2fC 频率分量。若应用一个窄带滤波器将 2fC项滤出，再经二分频，便可得到所需的载 波分量。 从上述电路中可以看出，由于二分频电路的存在，恢复出的载波信号 存在

11、相位模糊。该方法的特点是载波恢复快，但由于带通滤波器的带宽一般不易做 到很窄，因而该电路在低信噪比条件下性能较差。 为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环 PLL 来实现。判决反馈环结构如 图所示：R(t)匹配滤波码字输出判决VCO900环路滤波图 4-8 BPSK 判决反馈环结构 判决反馈环鉴相器具有图所示的特性：图 4-9 判决反馈环鉴相特性 从图中可以看出，判决反馈环也具有 00、800两个相位平衡点，因而采用判 决反馈环存在相位模糊点。 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 在实际使用中一般在前端还需加性能较好的 AGC 电路。 在 BPSK

12、 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 在正确解调时所需消耗的比特数，该指标通信原理实验 一般对突发工作（解调器是一个分帧一个分帧地接收并进行解调，而且在这些分帧 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。 载波恢复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，要求接收机的恢复载波信号仍能跟踪一段时间。 本地恢复载波信号的稳态相位误差对解调性能存在影响，对于 BPSK 接收信号 为：)2cos(2)()(c bb

13、fTEtatR而恢复的相干载波为，经相乘器、低通滤波后输出的信号)2cos(cf为：cos212)()(bb TEtata若提取的相干载波与输入载波没有相位差，即 =0，则解调输出的信号为；若存在相差 ，则输出信号下降 cos2 倍，即输出信噪比212)()(bb TEtata下降 cos2，其将影响信道的误码率性能，使误码增加。对 BPSK 而言，在存在载 波恢复稳态相差时信道误码率为：cos210NEerfcPb e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 其小于 50。改善这方面的性能一般可通过提高路环路的开环增益、减少环路时延。 当然在提高环路增益的同

14、时，对环路的带宽可能产生影响。 环路的相位抖动是指环路输出的载波在某一载波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：一方面其与稳态相差一样对 BPSK 解调器 的误码率产生影响；另一方面还使环路产生一定的跳周率（按工程经验，在门限信 噪比条件时跳周一般要求小于每二小时一次） 。 采用 PLL 环路进行载波恢复具有环路带宽可控。一般而言，环路带宽越宽，载 波恢复时间越短，输出载波相位抖动越大，环路越容易出现跳周（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它的错误规 律） ；反之亦然。因而，可根据实际需要，调整环路带宽的大小。 、位定时位定

15、时 对于接收的 BPSK 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。 解调器输出的基带信号如图 4-10 所示，抽样时钟 B 偏离信号能量的最大点, 使信噪比下降。由于位定时存在相位差，使误码率有所增加。而抽样时钟 A 在信号 最大点处进行抽样，保证了输出信号具有最大的信噪比性能，从而也使误码率较小。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。常用的通信原理实验 第 9 页9位定时恢复有：滤波法、数字锁相环等。本实验采用锁相环法。AB图 4-10 BPSK 的位最佳判决时刻 （1 1）滤波法）滤波法 在不归零的随机二进制脉冲序列功率谱中没有位同步信号的离散分量，所以不 能直接从中提取位同步，若将不归零脉冲变为归零二进制脉冲序列，则变换后的信 号中出现了码元信号的频率分量，然后再采用窄带滤波器提取、移相后形成位定时 脉冲。图 4-11 就是滤波法提取位同步的原理方框图。 解调基 带信号判决非归零码产生器 （单稳电路）窄带滤波 （Rb）时钟沿 调整图 4-11 采用滤波法