实验4PSK调制解调实验分析.docx

实验4 PSK (DPSK)调制解调实验一、实验目的1. 掌握PSK调制解调的工作原理及性能要求；2. 进行PSK调制、解调实验，掌握电路调整测试方法；3. 掌握二相绝对码与相对码的码变换方法。二、实验仪器1. PSK QPSK调制模块，位号A2. PSK QPSK解调模块，位号C3. 时钟与基带数据发生模块，位号：G4. 噪声模块，位号B5. 复接/解复接、同步技术模块，位号I6. 20M双踪示波器1台7. 小平口螺丝刀1只8. 频率计1台(选用)9. 信号连接线4根三、实验原理PSK QPSK调制/解调模块，除能完成上述PSK (DPSK)调制/解调全部实验外还能进行 QPSK. ASK调制/解调等实验。不同调制方式的转换是通过开关4SW02及插塞37K01、37K02、 38K01、38K02位置设置实现。不同调制相应开关设置如下表。调制方式4SW0237K01、 37K0238K01、 38K02PSK (DPSK)00001和位捕入捕塞1，2相连3审左边)四、PSK (DPSK)调制/解调实验进行PSK (DPSK)调制时，工作状态预置开关4SW02置于00001，37K01、37K02和 位捕入捕塞，38K01、38K02均处于1，2位相连3审塞捕左边)。相位键控调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，它具有优良的抗干扰噪声性 能及较高的频带利用率。在相同的信噪比条件下，可获得比其他调制方式(例如：ASK、FSK) 更低的误码率，因而广泛应用在实际通信系统中。本实验箱采用相位选择法实现二进制相位调制，绝对移相键控(CPSK或简称PSK)是用输入的基带信号(绝对码)直接控制选择开关通断，从而选择不同相位的载波来实现。相 对移相键控(DPSK)采用绝对码与相对码变换后，用相对码控制选择开关通断来实现。1. PSK调制电路工作原理二相相位键控的载波为1.024MHz，数字基带信号有32Kb/s伪随机码、及其相对码、32KHz 方波、外加数字信号等。相位键控调制电原理框图，如图6-1所示。PN _37'rP03?R1 11、删除37W01电位器，改用电阻，初定4.7K2、跳线器分上下两排，上下两排隔5.08MM开合、开关4闭合:QPSK3、增加37TP04和37TP05两个测试点，显示QPSK的I路和Q路数据3 7R2 53 7J0 137E031 0iiF,16V三一三湘 5123456789101 11 213141516171837J0 2123456789101 11 21 31415161 71 81 9202 1222 3242526272829303 1323 33437U06BFEME37R15100图6-1相位键控调制电原理框图1）滤波器、同相放大器和反相放大器从图6-1看出，1024KHZ的方波经37R29加到由运放37UO4A及周边元件组成的低通滤 波器，其输出变为l024KHZ正弦波，它通过37U05A同相放大和37U05B反相放大，从而得到 l024KHZ的同相和反相正弦载波，电位器37W01可调节反相放大器的增益，从而使同相载波 与反相载波的幅度相等，然后同相和反相正弦载波被送到模拟开关乘法器。2）模拟开关相乘器对载波的相移键控是用模拟开关电路实现的。同相载波与反相载波分别加到模拟开关 A： CD4066的输入端（1脚）、模拟开关B： CD4066的输入端（11脚），数字基带信号一路直 接加到模拟开关A的输入控制端（13脚），并且另一路经反相后加到模拟开关B的输入控制 端（12脚），用来控制两个同频反相载波的通断。当信码为“1 ”码时，模拟开关A的输入 控制端为高电平，模拟开关A导通，输出同相载波，而模拟开关B的输入控制端为低电平， 模拟开关B截止。反之，当信码为“0”码时，模拟开关A的输入控制端为低电平，模拟开 关A截止。而模拟开关B的输入控制端却为高电平，模拟开关B导通。输出反相载波，两个 模拟开关输出信号通过输出开关37K01合路叠加后得到二相PSK调制信号。DPSK调制是采用码型变换加绝对调相来实现，即把数据信息源（伪随机码序列）作为 绝对码序列气，通过码型变换器变成相对码序列bj，然后再用相对码序列bj，进行绝 对移相键控，这样就获得DPSK已调信号。本模块对应的操作是这样的（详细见图5-1），37P01 为PSK调制模块的基带信号输入铆孔，可以送入4P01点的绝对码信号（PSK），也可以送入 相对码基带信号（相对4P01点的数字信号来说，此调制即为DPSK调制）。通信工程实验教学中心2. 相位键控解调电路工作原理二相PSK（DPSK）解调器电路采用科斯塔斯环（Constas环）解调，其原理如图6-2所示。3 8R13A1 6VHR0H K .R 8E0 11 0uF/1 6V1 K3 8C1 0.1 u0.1 u38U03D 38R1TL084 1K3 8R2 538R2674LS0 4X，83 3K3 3K38R27+12 V1 W74LS04GNDVCX：1038R1 13 8U04LM3 11-12 V1 Y3 8R2 2J3 8TP0 2100VCX：3 8R1 21+ 1：DTZIF90.D1PSKQPSK3 8U0512LM3 11-1 2 V74LS0 41 238R1 9F03 PIN1 WPSK解调电路电原理图GND-12 V3 8" 1003HW!1 0K3 8E0 23 8R2 1 10K3 8R1 52 2K3 8C1 191PLHR24 |1003 8R045.1 K3 8R07 3K3 8R1 81 KP3HC1 30.1 u -12 VHR0 2 7K1 13 8R0 922KIHR2： . 1K38C0 9 07,；8R1 4KQ D38U07 D '74SL04：北0 30.0 33u38E0310ul/16V2 38K0133 8R011 0K-38lr，0.0 3 3u GND381 ,12V =3 8K0 23c3HR2 0 3A,20KPN i：H：A0 11 80PV 3 PIN,LM:14k5 100 P Lrl1、在38J01上加F0和F90网标2、增加38P03孔，测QPSK的I路数据3、增加38K01跳线器，选择解调PSK还是QPSK.'wu_."'74LS04 12U08A.S7 48U1024 .564LS1 241 INCEXTCEXT丑12.VCX：，38001 !5V108J0 1VCC = 12 34二 VCCJ- 8J0 2,12，二 121 345678, ，56781 11 213141516=F0F901 11 213141516rTZI 二171 8192021222 32425262728ILLLU171 81920212223242526272829303 13 23 334353 6ci2930313 233343536 'GND一33 8U0 74LSQ CQ DD<B4图6-2 解调器原理方框图1）解调信号输入电路输入电路由晶体三极管跟随器和运算放大器38U01组成的整形放大器构成，采用跟随器 是为了发送（调制器）和接收（解调器）电路之间的隔离，从而使它们工作互不影响。放大 整形电路输出的信号将送到科斯塔斯特环。由于跟随器电源电压为5V，因此输入的PSK已 调波信号幅度不能太大，一般控制在1.8V左右，否则会产生波形失真、频率等调节方法。2）科斯塔斯环提取载波原理PSK采用科斯塔斯特环解调，科斯塔斯特环方框原理如图6-3所示。图6-3科斯塔斯特环电路方框原理如图科斯塔斯特环解调电路的一般工作原理在现代通信原理第三版（电子工业出版社 2009年）等教科书中有详细分析，这儿不多讲述。下面我们把实验平台具体电路与科斯塔 斯特环方框原理图作一对比，讲述实验平台PSK解调电路的工作原理。解调输入电路的输出信号被加到模拟门38U02C和38U02D构成的乘法器，前者为正交载 波乘法器，相当于图6-3中的乘法器2,后者为同相载波乘法器，相当于框图中乘法器1。 38U03A,38U03D及周边电路为低通滤波器。38U04, 38U05为判决器，它的作用是将低通滤波 后的信号整形，变成方波信号。PSK解调信号从38U05的7脚经38U07A.D两非门后输出。 异或门38U06A起模2加的作用，38U07E为非门，若38U06A3两输入信号分别为A和B，因A © B = A x B （A、B同为0除外，因A与B正交，不会同时为0）因此异或门与非门合 在一起，起乘法器作用，它相当于图6-3框图中的乘法器3。38U710为压控振荡器（VCO）， 74LS124为双VCO，本电路仅使用了其中一个VCO，环路滤波器是由38R20、38R21、38C17 组成的比例低通滤波器，VCO控制电压经环路低通滤波器加到芯片的2脚，38CA01为外接电 容，它确定VCO自然谐振频率。38W01用于频率微调，38D01，38E03用来稳压，以便提高 VCO的频率稳定度。VCO信号从7脚经38C19输出至移相90°电路。科斯塔斯特环中的90。移相电路若用模拟电路实现。则很难准确移相90°，并且相移随频 率改变而变化。图6-2电路中采用数字电路实现。非门38U07F，D触发器38U08A.B及周围 电路组成数字90°移相器。由于D触发器有二分频作用。所以VCO的锁定频率应为2fc，即 VCO输出2048KHZ方波，其中一路直接加到38U08A D触发器，另一路经38U07F反相再加 到38U08B D触发器，两触发器均为时钟脉冲正沿触发，由于38U08A的0与两D触发器的 D端连接。而D触发器Q端输出总是为触发时钟到来前D端状态，根据触发器工作原理和电 路连接关系，数字90°移相电路的相位波形图如5-4所示。1 I1I一I I1 I1 I1I 询卒7.1S 心IJ38U083 3图6-4 90度数字移相器的波形图从图看出，38U08B的0端输出波形超前38U08A的0端90度，并且频率为1024KHZ，因 此38U08B的0端输出为同相载波，38U08A的0端输出为正交载波。由于科斯塔斯特环存在相位模糊，解调器可能会出现反向工作。在PSK解调时38K01、38K02置于的1、2位（捕在左边），分别把科斯塔斯特环提取的正 交载波及同相载波接到两正交解调器；从而实现科斯塔斯特环的闭环控制。当38K01、38K02置于的2、3位（捕在右边），将用于四相解调，将在下节讲述。若38K01、38K02的捕塞均拔掉，则科斯塔斯特环处于开环状态，可用于开环检查，便 于环路各部件故障压缩和分析。五、各测量点及可调元件的作用1. PSK QPSK调制模块37K01： PSK、ASK已调信号连接擂塞。当进行PSK实验时，因PSK是两ASK已调信号 叠加。位擂塞擂入，输出“1”码的已调信号；位擂塞擂入，输出0”码的已调信 号。当进行ASK实验时仅需位擂塞入。37K02： QPSK 已调信号连接擂塞。当进行QPSK实验时，位擂塞擂入，输出QPSK已调信号，此时37K01两捕塞必须断开。位擂座接点为空头，用以放置暂不用的捕塞，以免捕塞丢失。 跳线开关37KO1、37K02捕塞位置，请参见下表。调制方式跳线开关37KO1、37K02位置PSK、ASK、QPSK、37W01：调节反相载波幅度大小。37P01：外加数字基带信号输入铆孔。37TP01：频率为1.024MHz方波信号，由4U01芯片（EPM240）编程产生。37TP02：同相1.024MHZ载波（正弦波）信号，37TP03：反相1.024MHZ载波（正弦波）信号，调节电位器37W01使它与37TP02测量 点的0相载波幅度大小相等。37TP04： QPSK调制I路调制信号，它来自CPLD电路。37TP05： QPSK调制Q路调制信号，它来自CPLD电路。37P02： PSK、QPSK已调信号输出铆孔。输出什么信号由开关37K01、37K02状态决定： 位擂塞擂入，其它均断开时，37P02输出为同相载波ASK信号； 位擂塞擂入，其它均断开时，37P02输出为反相载波ASK信号；和位擂塞都擂入，37P02输出为两ASK已调信号叠加，即PSK已调信号。 （注意：两种相位载波幅度需调整相同，否则调制信号在相位跳变处易失真） 位擂塞擂入，其它均断开时，37P02输出为QPSK已调信号。2. PSK QPSK 解调模块38W01：载波提取电路中锁相环压控振荡器频率调节电位器。38P01： PSK、QPSK待解调信号输入铆孔。38K01：解调载波选择开关:擂在左边为PSK正交载波，捕在右边为QPSK正交载波（F9O） 38K02：解调载波选择开关:擂在左边为PSK同相载波，捕在右边为QPSK同相载波（FO） 38TP01：锁相环压控振荡器2.048MHz载波信号输出。建议用频率计监视该测量点上 的信号频率，有偏差时可调节38W01，PSK解调时，当其准确而稳定地锁定 在2.048MHz，则可解调输出数字基带信号。38TP02：频率为1.024MHz的正交载波（方波）输出信号。38TP03：频率为1.024MHz的同相载波（方波）输出信号。38P02： PSK解调输出/QPSK解调I路输出铆孔。PSK方式的科斯塔斯环解调时存在相位模糊问题，解调出的基带信号可能会出 现倒相情况；DPSK方式解调后基带信号为相对码，相绝转换由下面的“复接/ 解复接、同步技术模块”完成。38P03： QPSK解调Q路输出铆孔。3. 复接/解复接、同步技术模块39SW01：功能设置开关。设置“0010”，为32K相对码、绝对码转换。39P01 :外加基带信号输入铆孔。39P07 :相绝码转换输出铆孔。六、实验内容及步骤PSK (DPSK)调制/解调实验1. 插入有关实验模块：在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“ PSK调制模块”、“噪 声模块”、“PSK解调模块”、“同步提取模块”，插到底板“G、A、B、C、I”号的位置 插座上(具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”)。注意模块插头与底板插座 的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。2. PSK、DPSK信号线连接：绝对码调制(PSK)时的连接：用专用导线将4P01、37P01； 37P02、3P01； 3P02、38P01 连接。相对码调制(DPSK)时的连接：用专用导线将4P03、37P01； 37P02、3P01； 3P02、38P01； 38P02、39P01 连接。注意连接铆孔的箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔。3. 加电：打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关 闭电源，查找异常原因。4. 基带输入信号码型设置：拨码器4SW02设置为“00001 “，4P01产生32K的15位m序列输出；4P03输出为4P01波形的相对码。5. 跳线开关设置：37K01位和位都入捕塞。6. 载波幅度调节：双踪示波器分别接在37P01和37P02，观测调制信号和己调波，调节电位器37W01 使正交载波幅度和同相载波幅度大小相等。7. 相位调制信号观察：(1 )PSK调制信号观察：双踪示波器，触发测量探头测试4P01点，另一测量探头测试37P02， 调节示波器使两波形同步，观察BPSK调制输出波形，记录实验数据。(2) DPSK调制信号观察：双踪示波器，触发测量探头测试4P03点，另一测量探头测试 37P02,调节示波器使两波形同步，观察DPSK调制输出波形，记录实验数据。8. 噪声模块调节：调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；调节3W02，使3P02信号峰峰值23.6V。9. PSK解调参数调节：调节38W01电位器，使压控振荡器工作在2048KHZ，同时可用频率计鉴测38TP01点。注意观察38TP02和38TP03两测量点波形的相位关系。10. 相位解调信号观测：(1) PSK调制方式观察38P02点PSK解调输出波形，并作记录，并同时观察PSK调制端37P01的基带信号， 比较两者波形相近为准(可能反向，如果波形不一致，可微调38W01)。(2) DPSK调制方式“同步提取模块”的拨码器39SW01设置为“0010”。观察38P02和37P01的两测试点，比较两相对码波形，观察是否存在反向问题；观察 39P07和4P01的两测试点，比较两绝对码波形，观察是否还存在反向问题。作记录。11. 加入噪声相位解调信号观测：调节3W01逐步增加调制信号的噪声电平大小，看是否还能正确解调出基带信号。观看 完噪声影响，再调节3W01，使噪声为0，以方便后面实验。12. 关机拆线：实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。七、实验结果分析由实验过程画出调制解调器各测量点的信号波形，并给以必要的说明(波形、频率、相 位、幅度以及时间对应关系等)。PSK的Matlab仿真结果原始基带信号调制后的信号接收到有噪声的信号解调后的信号抽样判决后的信号调制信号的频谱分析实验室演示的图形基带信号和恢复信号（倒n现象）基带信号和调制信号注：在实际通信系统中，分频器或锁相环路有可能发生状态转移，参考相位有可能发生 180度相位变化。这就是倒n现象。实验心得本实验让我熟悉了 DPSK调制和解调的功能和运用。特别是在仿真花了很多功夫，但还 是有收获的。初步掌握了二相BPSK (DPSK)调制解调的工作原理及电路组成，在二相绝 对码与相对码的码变换上，学会了利用选取参考码元的方法进行设计电路，采用异或利用延 时的方式进行，对以后设计电路给予了很大帮助。绝对码是以基带信号码元的电平直接表示 数字信息的，如规定高电平代表“1”，低电平代表“0”。相对码是利用基带信号码元的电平 与前一码元的电平有无变化来表示数字信息的，如规定：相对码中有跳变表示1，无跳变表 示0。KMPSK的Matlab程序主程序close allclear alln=16;fc=1000000;bitRate=1000000;N=50;noise=10;signal=source(n,N);transmittedSignal=bpskModu(signal,bitRate,fc,N);signal1=gussian(transmittedSignal,noise);configueSignal=demoBPSK(signal1,bitRate,fc,n,N);子程序function bitstream=demoBPSK(receivedSignal,bitRate,fc,n,N) load num %读取num中存储的低通滤波用的数据 signal1=receivedSignal;t=linspace(0,1/bitRate,N);c=sin(2*pi*t*fc);signal=;for i=1:nsignal=signal,c;end%LPF包络检波%延迟时间signal2=signal1.*signal;%乘同频同相 sinsignal3=filter(num1,1,signal2);IN=fix(length(num1)/2);bitstream=;LL=fc/bitRate*N;%判决i=IN+LL/2;while (i<=length(signal3)bitstream=bitstream,signal3(i)>=0;i=i+LL;endfigure(5)subplot(3,1,1);plot(1:length(signal1),signal1);title('Wave of receiving terminal(including noise)');grid on;subplot(3,1,2);plot(1:length(signal2),signal2);title('After Multipling sin Fuction');grid on;subplot(3,1,3);plot(1:length(signal3),signal3);title('Wave of LPF');grid on;bit=;for i=1:length(bitstream)if bitstream(i)=0 bit1=zeros(1,N);elsebit1=ones(1,N);endbit=bit,bit1;endfigure(6)plot(bit);title('binary of receiving terminal');grid on;axis(0,N*length(bitstream),-2.5,2.5);endfunction transmittedSignal=askModu(signal,bitRate,fc,N)t=linspace(0,1/bitRate,N);c=sin(2*pi*t*fc);transmittedSignal=;for i=1:length(signal)transmittedSignal=transmittedSignal,signal(i)*c;endfigure(2)plot(1:length(transmittedSignal),transmittedSignal);title('Modulation of ASK');grid on;figure(3)m=0:length(transmittedSignal)-1;F=fft(transmittedSignal);plot(m,abs(real(F),title('ASK_frequency-domain analysis real');grid on;endfunction transmittedSignal=bpskModu(signal,bitRate,fc,N)t=linspace(0,1/bitRate,N);c1=sin(2*pi*t*fc);c2=sin(2*pi*t*fc + pi);transmittedSignal=;for i=1:length(signal)if signal(i)=1transmittedSignal=transmittedSignal,c1;elsetransmittedSignal=transmittedSignal,c2;endendfigure(2) plot(1:length(transmittedSignal),transmittedSignal);title('Modulation of BPSK'); grid on; figure(3) m=0:length(transmittedSignal)-1; F=fft(transmittedSignal); plot(m,abs(real(F),title('BPSK_frequency-domain analysis real'); grid on; endfunction PeWrong=CheckRatePe(signal1,signal2,s) rights=0; wrongs=0; for ki=1:s-2if(signal1(ki)=signal2(ki) rights=rights+1; elsewrongs=wrongs+1;endendPeWrong=wrongs/(wrongs+rights);Endfunction signal=gussian(transmittedSignal,noise)signal=sqrt(2)*transmittedSignal;signal=awgn(signal,noise);figure(4)plot(1:length(signal),signal),grid on;title('Adding noise') end