北交大通原实验4_实验九BPSK传输系统 实验十二基带信号的频谱测试 实验十三

北京交通大学毕业设计(论文)开题报告

通信原理实验电子信息工程学院

学生： 学号： 指导教师： 日期： 王根英

2014 年 12 月 23 日

上课时间：星期 二 第 5 大节

实验九 BPSK传输系统

一、 实验前的准备

（1） 预习本实验的相关内容。

（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） 实验前重点熟悉的内容

i. 了解软件无线电的基本概念；

ii. 熟悉软件无线电BPSK调制和解调原理； iii. 明确波形成形的原理； iv. 明确载波提取原理； v. 明确位定时提取原理。

二、 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眼图的正确测量方法，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、 实验仪器

（1） ZH5001A通信原理综合实验系统 一台

（2） 20MHz双踪示波器 一台

四、 基本原理

(一) BPSK调制

二进制相移键控(BPSK)可以用幅度恒定，载波相位随着输入数字信号（1、0码）而变化的信号来表小，通常这两个相位相差180度。BPSK信号可表式为

s(t) Acos(2 f0 0)

其中

0

0 　　 m=0

180 　 m=1

绝对码、BPSK已调信号、相对码、DPSK已调信号波形如图1所示。

调制电路原理框图如图2所示。输入数字信号首先进行差分编码，差分编码的主要作用是解决载波相位含糊带来的问题，然后进行成形滤波。成形滤波的作用是解决信号传输的码间串扰问题，这些都在FPGA模块完成。成形滤波后的数字信号分为完全相同的两路信号分别送到D/A转换器，将数字信号转变为模拟信号，然后经过低通滤波器，得到波形成形以后的数字信号。利用该信号分别对两个正交的载波进行二相调相，可以得到两个相互正交的而相调相信号，两个相互正交的二相调相信号相加得到的仍然是一相

调相信号。

图1 绝对码、BPSK已调信号、相对码、DPSK已调信号波形

图2 BPSK调制电路原理框图

由于二进制数字信号直接对载波信号进行调相，其相位存在180度跳变号，因此，信号所占据的带宽大，从而使这种调制方式在实际运用中会产生干扰，降低传输性能。在实际通信系统中，不采用上述直接用数字信号产生PSK信号的方法，而是要采用波形成形技术，从而可以使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；在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；获得无码间串扰的信号传输。

在实验系统中，BPSK的调制工作过程如下。首先输入数据进行波形成形滤波，滤波后的信号分别送入I、Q两路支路。因为I、Q两路信号完全相同，载波是两个频率相同、相位相差90度相互正交的载波，所以经调制合路之后仍为BPSK信号。为了便于比较，现将采用直接数据调制与波形成形信号调制的BPSK波形均绘于图3。从图中可以清楚地看到两种信号的包络情况。直接调制产生的BPSK信号无包络变化，成形调制产生的BPSK信号有着明显的包络变换，其包络就是波形成形的结果，防止码间串扰就体现在包络的变化上。

图3 直接数据调制与波形成形信号调制波形

(二) BPSK解调

接收的BPSK信号可以表示为

s(t) Acos(2 f0 0)

BPSK解调电路框图如图4所示。由图可知，为了对接收信号进行正确的解调，首先经过中频放大，然后送到同相和正交两个支路。由于采用的是同步解调，要求在接收机

端得到载波的相位和频率信息，同时还要在正确时刻对信号进行判决。为了提高载波的质量，这里采用锁相环来实现。

图4 BPSK解调方框图

BPSK的DSP解调方法A/D采样速率为4倍的码元速率，即每个码元采样4个样点。采样之后，进行平方根Nyquist匹配滤波。将匹配滤波之后的样点进行样点抽取，每两个样点抽取一个采样点，即每个码元采样2个点送入后续电路进行处理。将每个码元2个点进行位定时处理，根据误差信号对位定时进行调整。再将位定时处理之后的最佳样点

送入后续处理（即又进行了2：1的样点抽取）。根据最佳样点值进行载波鉴相处理。鉴相后的结果送入PLL环路滤波，控制VCO。最终使本地载波与输入信号的载波达到同频同相。位定时与载波恢复之后，进行判决处理。

五、 实验内容

(一) BPSK调制

1. BPSK调制基带信号眼图测试

当通过选择菜单激活“匹配滤波”方式时，表示系统按匹配滤波最佳接收机组成，即发射机端和接收机端采用同样的平方根升余弦响应滤波器。当未激活“匹配滤波”方式时，系统为非匹配最佳接收机，整个滤波器滚降特性全部放在发射机端完成，但信道成型滤波器特性不变。

(1) 通过菜单选择不激活“匹配滤波”方式（未打钩），此时基带信号频谱成形滤波器全部放在发送端。选择输入信号为m序列，以发送时钟TPM01作同步，测试TPi03波形。TPi03就是发送信号眼图波形。此时测试得到波形选用的是滚降系数

的升余弦波成形滤波器。

图5 发送信号眼图波形

可以看出发送端眼图较为清晰。

2. 同相I支路和正交Q支路调制信号相平面矢量图测试

观察测量I支路TPi03和Q支路信号TPi04李沙育波形时，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。通过菜单选择不同的输入码型，观察并记录测试结果。 输入序列为m序列时：

图6 输入序列为m序列时的李沙育波形

输入序列为特殊码序列时：

图7 输入序列为特殊码序列时的李沙育波形

输入序列为0/1序列时：

图8 输入序列为0/1序列时的李沙育波形

以上三种情况的李沙育波形均为斜率为45度的直线，说明I支路与Q支路信号满足正交关系。

3. BPSK调制信号0/π相位反转点的测量 先将跳线开关KP02设置在T位置（右端），通过菜单选择输入调制数据为0/1码。用示波器的一个通道观察已调制信号输出TPK03，并选用该通道信号作为示波器的同步信号，示波器的另一通道连接到调制参考载波TPK06或TPK07，以载波信号作为观测的参考信号。仔细调整示波器同步，观察和验证已调信号在调制数据0/1变化点发生相位

0翻转情况。记录测试结果。

图9 BPSK调制信号0/π相位反转点的测量

如上图，两根竖线出，可以清晰的看出右侧波形相位与载波相同，而左侧波形与载波相位相差180度。

4. BPSK调制信号包络观察

实验中的BPSK调制为非恒包络信号，已调信号的包络具有明显的过零点。测量前将模拟锁相环模块内的跳线开关KP02设置在T位置（右端）。

(1) 通过菜单选择0／1码作为调制输入数据，观测已调信号输出测试点TPK03的信号波形。调整示波器的同步，注意观察已调信号的包络变化与调制信号TPi03

的相互关系。画下测量波形。

图10 BPSK已调信号包络观察

(2) 用特殊码序列重复步骤（1)

实验。画下测量波形，并从已调信号载波的包络上判断特殊码序列的可能值。

图11 BPSK已调信号包络观察

由上图可知，特殊码序列的可能值为10110…..

(二) BPSK解调

1. 接收端解调器眼图信号观测

(1) 首先用中频电缆连接K002和JL02，建立中频通路。测量解调器同相I支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形，用观测时用发时钟TPMO1作同步。将接收端与发送端眼图信号

TPi203进行比较，说明接收眼图信号有何变化。

图12 接收端解调器眼图信号

观察上图可以看出，接收端眼图较发送端明显更为模糊，眼皮较厚。

(2) 观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ06（在A/D模块内）波形，比较与

TPJ05测试波形有什么不同？根据电路原理图，分析解释其原因。

图13 接收端正交支路眼图信号

上图中下方为TPJ06波形，可以看出，TPJ06为一条水平的直线，即没有信号，这是由于正交O支路信号处于高频出被滤掉了。

2. 解调器失锁时眼图信号观测

将解调器提取相干载波的锁相环（PLL)环路跳线开关KLOI设置在23位置（开环），使环路失锁。观测失锁时同相支路的解调器眼图信号TPJ05和正交支路解调器眼图信号

TPJ06波形。说明失锁时眼图的特点。

图14解调器失锁时眼图信号观测

上图分别为接收信号TPJ05和TPJ06眼图波形，由于解调器失锁，接收端不能同步，接收眼图出现一片混乱。

3. 接收端同相I支路和正交Q支解调信号的相平面波形测试

将示波器设置在(x-y)方式，将示波器的两个通道分别接到1支路TPJ05测试点和Q支路TPJ06测试点，即可得到TPJ05和TPJ06的合成矢量图，也就是李沙育波形图。在解调器锁定时，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，并说明其差异。

图16 接收端同相I支路和正交Q支解调信号的相平面波形

从上至下，从左至右依次为输入m序列、特殊码序列、0/1码序列、全0序列。由于锁定时，正交支路恒为0，因此前三种情况的相平面为一条水平直线。

4. 解调器失锁时同相I支和正交Q支解调信号相平面波形测试

将解调器提取相干载波的锁相环（PLL)环路跳线开关KLO1设置在23位置（右端），使环路开环失锁。观测接收端锁相环失锁时I路和Q

路合成矢量图，对测量结果加以分析。

图17 解调器失锁时同相I支和正交Q支解调信号相平面波形测试

解调器失锁时，相平面波形并不稳定。 5. 解调器判决前抽样点信号观察

选择输入测试数据为m序列，用示波器观察测试模块内判决前抽样点TPN04

的工作波形。

图18 解调器判决前抽样点信号

6. 解调器失锁时判决前抽样点信号观察

将解调器提取相干载波的锁相环（PLL)环路跳线开关KLOI设置在23位置（右端），使环路开环失锁。用示波器观察测试模块内判决前抽样点TPN04信号波形，观测时示波器时基设定在2～

5ms效果较好。定性画出测试波形。

图19 解调器失锁时判决前抽样点信号

差分编码信号的测试

测试前的准备及跳线开关设置；由于通信系统原理实验箱仅对“外部数据输入”方式输入的数据提供差分编码功能，因此必须通过菜单将输入信号设置为“外部数据输入”。外部数据可以来自误码仪，也可以从汉明编码模块产生的m序列输出数据。本实验选择汉明编码模块产生的m序列输出数据。将汉明编码模块中的跳线器开关SWCO1中的HEN和ADPCM跳线开关拔除，将输入信号跳线开关KCOI设置在m序列输出口DTM上（右端）。将汉明译码模块中汉明译码使能开关KW03设置在OFF位置（右端），输入信号和时钟开关KW01、KW02设置在来自信道CH位置（左端)0将汉明编码模块信号工作跳线器开关SWCO1中的MSEL1跳线器插入，产生7位周期m序列。用示波器同时观察DSP+FPGA模块内发送数据信号测试点TPM02和差分编码输出数据测试点

TPM03波形，分析两信号间的编码关系是否正确，画出测试波形。

7.

图20 差分编码信号

上图中，上方为发送数据，下方为差分编码输出数据，发送数据为10111001011….，差分编码数据为1101000110….，满足差分编码关系。

8. 解调数据观察

(1) 在上述实验内容7设置跳线开关基础上，用示波器同时观察DSP+FPGA模块内接收数据信号测试点TPM04和发送数据信号测试点TPM02

，说明两数据信号是否相同。测量发送与接收数据信号的传输延时，记录量结果。

图21 发送数据与接收数据

上图中，上方为发送数据，下方为接收数据，两数据信号存在时延，但是是相同的，时延大约为96微秒。

(2) 在“外部数据输入”方式下，重复按选择菜单的确认按键，让解调器重新锁定，这时的载波信号实际存在相位模糊度，在没有差分编码的条件下会使解调数据反向，通过观测，说明本实验步驟是否能够解决载波相位模糊带来的问题。

多次按确认键后，波形稳定后相位对应关系唯一，说明差分编码不存在相位模糊。

9. 解调器相干载波观测

首先建立中频通路，通过菜单选择输入测试数据为“特殊码序列”或“m序列”。

(1) 用双踪示波器同时测量发端调制载波TPK07和收端提取出的相干载波TPLZ07，并以TPK07作为示波器的同步信号。在环路正常锁定时，

观测收发载波信号的相位关系，说明测试结果。

图22 解调器相干载波观测

多次按确认键后，能出现上图情况，可见BPSK直接解调存在相位模糊(下图中有一定的时延)。

(2) 将解调器相干载波提取锁相环(PLL)（右端）

，使环路开环失锁。重复上述测量步骤，观测并说明在解调器失锁时收发载波信号的相位关系。

图23 解调器失锁时收发载波信号的相位关系

由上图可见，解调环路失锁时，无法提取到相干载波。

(3) 将解调器相干载波提取锁相环(PLL)的环路跳线开关KLOI设置在23位置的环路跳线开关KLOI设置在12位置（左端），让解调器锁相环闭环锁定，如无法锁定，可按

选择菜单上的确认键，让解调器重新同步锁定。断开中频连接电缆，说明在无输入信号情况下，解调器载波是否与发端同步。

图24 解调器收发载波信号的相位关系

由图可见，断开中频连接电缆后，解调器无法提取到相干载波。 10. 解调器相干载波相位模糊度的测试

首先建立中频通路，通过菜单选择输入数据为“特殊码序列”或“m序列”。用双踪示波器同时测量发端调制载波TPK07和收端提取出的相干载波TPLZ07，并以TPK07作为示波器的同步信号。反复断开和接通中频电缆，观测并记录两载波从失步到同步后的

相位关系。

图25 解调器收发载波信号的相位关系

载波相位模糊，反应在接收端载波与发送端载波可能存在0度相位差(实际中可能由于线路延时，有一个小的相位差)，或者180度相位差，具体出现哪一种相位差无法确定，这就是相位模糊。

11. 解调器相干载波相位模糊对解调数据影响的观测

首先建立中频通路，通过菜单选择发送数据为“特殊码序列”。用双踪示波器同时测试接收数据信号TPJ05和发送数据信号TPi03，并以TPi03作为示波器的同步信号。不断

断开和接通中频电缆，观测收发信号。画出测试波形，分析接收信号极性发生反转的原

因。

图26 解调器相干载波相位模糊对解调数据影响

由上图的两种情况可以看出，载波的相位模糊可能会导致接收信号出现翻转的情况。 12. 解调器位定时恢复信号锁定与非锁定状态的观测

TPMZ07为位定时提取出的脉冲信号，TPMO1为发端时钟信号，正常工作条件下，两者之间具有确定的相位关系。

(1) 通过菜单选择输入数据为m序列，用示波器同时观测TPMO1和TPMZ07脉冲波形之间的相位关系。画出波形。

图27 解调器位定时恢复信号锁定状态

上方为发端时钟信号TPM01，下方为位定时提取出的脉冲信号TPMZ07。可见，两者相位对应关系唯一，是同步状态。

(2) 不断按确认键，这相当于仅对DSP位定时环路进行初始化，观察接收位定时提取脉冲TPMZ07的调整过程。对测试结果加以说明。 波形从左或从右向中间移动，最后达到锁定。

(3) 断开K002接收中频电缆，在没有接收信号的情况下重复步骤（2）

。画出两种不

同的波形，并解释原因。

图28 解调器位定时恢复信号锁定与非锁定状态

断开中频电缆后，两波形相位对应关系不唯一，位定时恢复信号处于非锁定状态。 13. 解调器位定时信号相位抖动观测

以发送时钟TPMO1信号为同步，在输入序列情况下，调整噪声模块的跳线将噪声加到最大，观测接收提取出的时钟TPMZ07相位抖动情况，并估计抖动值。抖动值用单位间隔(UI)来表示。

噪声最大时，抖动值约为1╱40UI

六、 实验结论分析

本次实验系统的观测了BPSK调制过程的基带信号和调制信号，同是也测试了BPSK解调的信号，并探究了差分编码解决相位模糊的原理，同时解调器相干载波和位定时信