【2017年整理】实验三 PSK 调制与解制实验

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1、实验四 PSK 调制与解制实验一、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、掌握产生 PSK(DPSK)信号的方法。二、实验内容1、观察绝对码和相对码的波形。2、观察 PSK(DPSK)信号波形。3、观察 PSK(DPSK)信号频谱。4、观察 PSK(DPSK)相干解调器各点波形。三、实验仪器1、信号源模块2、数字调制模块3、数字解调模块4、同步提取模块5、双踪示波器四、实验原理1、2PSK(2DPSK)调制原理2PSK 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 相位载波分别代表传 1 和传 0，其时域波形示意图如图 1 所示。设二进

2、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：（1）tTtgbtScnsPKo)()(2 其中：Pabnn 时 ， 概 率 为当 时 ， 概 率 为当 110则（1）式可变为： （2）10cos)( 02 nncsPSK atTtgttt 当当） （ 图 1 2PSK 信号的时域波形示意图由（1）式可见，2PSK 信号是一种双边带信号，其双边功率谱表达式与2ASK 的几乎相同，即为： 222 )()()1()( cfGcfPfPsSK（3）0422 ccs fff 2PSK 信号的谱零点带宽与 2ASK 的相同，即（Hz） （4）ssscscPS

3、K TRfRfB/)()(2 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 ”现象，因此，实际中一般不采用 2PSK 方0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts1 0 1 1S2PK(t)A-A0ar2tt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

4、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： 0 0 1 1 1 0 0 1 0 12DPSK 信号相位： 0 0 0 0 0 0 或： 0 0 0 0 0图 2 为对同一组二进制信号调制后的 2PSK 与 2DPSK 波形。0 0 0 1 0 1 1 1 00 0 1 1 1 0 0 1数 字 信 息 （ 绝 对 码 ）PSK波 形DPSK波 形相 对 码图 2 2PSK 与 2DPSK 波形对比从图中可以看出，2DPSK 信号波形与 2PSK 的不同。2D

5、PSK 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 ”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 所示

6、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 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、。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 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

7、准相位可取 /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。 0 /2- /2参 考 相 位 参 考 相 位（ a） （ b）图 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 基带输入”和“PSK 载波输入”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS 输入”点输入，其原理框图如图 4 所

8、示： 图 4 2DPSK 调制原理框图2、2PSK（2DPSK）解调原理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 5 所示。2DPSK 调制信号从“PSK-IN”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 U09（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 U12（74HC74）构成，其时钟为基带信号的位同步信号），那么可以得到 2PSK 的解调信号。再经过逆差分变换电

9、路（由 U12（74HC74）、U13（74HC86）组成），就可以得到 2DPSK 的解调信号了。DPSK信 号 输 入 乘 法 器（ MC1496） 放 大 电 路（ TL082） BS信 号 输 入 DPSK解 调 信 号输 出低 通 滤 波 器（ TL082）载 波 输 入 比 较 器（ LM39） 抽 样 判 决 器（ 74HC） 差 分 译 码 电 路（ 74HC、 74HC86）图 5 2PSK（2DPSK）解调原理框图3 同步载波提取当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。提取载波的方法

10、一般分为两类：一类是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；另一类是不专门发送导频，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。本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的，其原理框图如下：图 6 科斯塔斯环原理框图在科斯塔斯环环路中，误差信号 V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制

11、电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。在实际电路中，我们的乘法器使用模拟乘法器 MC1496，其中乘法器 1 为U01，乘法器 2 为 U02，乘法器 3 为 U03；滤波器为运放及其外围元器件组成的二阶巴特沃斯低通滤波器，其中滤波器 1 由二运放芯片 TL082 中的一个运放（U06B）及其外围元器件组成，滤波器 2 由二运放芯片 TL082 中的一个运放（U07B）及其外围元器件组成；环路滤波器为 L01 和 R29 构成的无源低通滤波器；压控振荡器使用集成数字压控振荡器 74S124（U04） ，其自由振荡频率可由电位器 W01（频率调节）调节；90相移用集成 D

12、触发器芯片 74HC74（U05）和集成反相器芯片 74HC04（U12）共同完成。由于数字压控振荡器 74S124 输出的信号为方波信号，要得到正弦波还需经过滤波，我们使用运放 U08B 和 U08C 及其外围元器件构成的两级带通滤波器进行滤波，最后再经过运放 U08D 构成的同相放大器放大得到恢复后的同步载波。在实验过程中，由于科斯塔斯环频率锁定范围较小，因此需要调节电位器W01（频率调节） ，使压控振荡器 74S124 的自由振荡频率接近 62.5KHz。注意，本实验模块只能从 PSK 调制信号中提取频率为 62.5KHz 的载波。4 位同步信号提取位同步也称为位定时恢复或码元同步。在任

13、何形式的数字通信系统中，位同步都是必不可少的，无论数字基带传输系统还是数字频带传输系统，无论相干解调还是非相干解调，都必须完成位同步信号的提取，即从接收信号中设法恢复出与发端频率相同的码元时钟信号，保证解调时在最佳时刻进行抽样判决，以消除噪声干扰所导致的解调接收信号的失真，使接收端能以较低的错误概率恢复出被传输的数字信息。因此，位同步信号的稳定性直接影响到整个数字通信系统的工作性能。位同步的实现方法分为外同步法和自同步法两类。由于目前的数字通信系统广泛采用自同步法来实现位同步，故在此仅对位同步中的自同步法进行介绍。采用自同步法实现位同步首先会涉及两个问题：（1）如果数字基带信号中确实含有位同步

14、信息，即信号功率谱中含有位同步离散谱，就可以直接用基本锁相环提取出位同步信号，供抽样判决使用；（2）如果数字基带信号功率谱中并不含有位定时离散谱，怎样才能获得位同步信号。数字基带信号本身是否含有位同步信息与其码型有密切关系。应强调的是，无论数字基带信号的码型如何，数字已调波本身一般不含有位同步信息，因为已调波的载波频率通常要比基带码元速率高得多，位同步频率分量不会落在数字已调波频带之内，通常都是从判决前的基带解调信号中提取位同步信息。二进制基带信号中的位同步离散谱分量是否存在，取决于二进制基带矩形脉冲信号的占空比。若单极性二进制矩形脉冲信号的码元周期为 Ts，脉冲宽度为 ，则 NRZ 码的 T

15、s，则 NRZ 码除直流分量外不存在离散谱分量，即没有位同步离散谱分量 1/Ts；RZ 码的 满足 0T s，且 通常占空比为 50，此时的RZ 码含有 n 为奇数的 n/ Ts离散谱分量，无 n 为偶数的离散谱分量，这就是说，RZ 码含有位同步离散谱分量。显然，为了能从解调后的基带信号中获取位同步信息，可以采取两种措施：（1）如原始数字基带码为 NRZ 码，若传输信道带宽允许，可将 NRZ 码变换为 RZ 码后进行解调；（2）如调制时基带码采用 NRZ 码，就必须在接收端对解调出的基带信号进行码变换，即将 NRZ 码变换成 RZ 码，码变换过程实质上是信号的非线性变换过程，最后再用锁相环（通

16、常为数字锁相环）提取出位同步信号离散谱分量。将 NRZ 码变为 RZ 码的最简单的办法是对解调出的基带 NRZ 码进行微分、整流，即可得到归零窄脉冲码序列。下面简单介绍一下数字锁相环的组成原理。数字锁相环的主要特点是鉴相信号为数字信号，鉴相输出也是数字信号，即环路误差电压是量化的，没有模拟环路滤波器。由于数字锁相环的输入是经过微分和全波整流后的信号，故这种数字锁相环也称为微分整流型数字锁相环，其原理框图如图 7 所示。该电路由码型变换器、鉴相器、控制调节器组成，各部分的作用如下：图 7 微分整流型数字锁相环组成原理框图（1）码型变换器完成解调出的基带 NRZ 码到 RZ 码的变换，使鉴相输入信号 X含有位