本文格式為Word版，下載可任意編輯——BPSK傳輸系統試驗

通信原理硬件試驗報告

試驗名稱：

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BPSK傳輸系統試驗

南京理工大學紫金學院電光系

一、試驗目的

1.把握BPSK數據傳輸過程，熟悉典型電路

2.了解把握BPSK調制和解調的基本原理；數字基帶波形時域形成的原理和方法，把握滾降系數的概念；

3.把握BPSK眼圖觀測的正確方法，能通過觀測接收眼圖判斷信號的傳輸質量；4.熟悉BPSK調制載波包落的變化；

5.把握BPSK載波恢復特點與位定時恢復的基本方法；

二、試驗原理

接收的BPSK信號可以表示成：

R(t)?a(t)2Ebcos(2?fc??)Tb為了對接收信號中的數據進行正確的解調，這要求在接收機端知道載波的相位和頻率信息，同時還要在正確時間點對信號進行判決。這就是我們常說的載波恢復與位定時恢復。

1.載波恢復

對二相調相信號中的載波恢復有好多的方法，最常用的有平方變換法、判決反饋環等。

平方變換法如圖7所示：

抽樣失真判決門限電平過零點失真?噪聲容限

對定時誤差的靈敏度最正確抽樣時刻BPSK接收信號中心頻率為2fc帶通濾波載波恢復輸出二分頻器平方電路

圖7平方環載波恢復電路結構

接收端將接收信號進行平方變換，即將信號R（t）通過一個平方律器件后：

R2(t)?a2(t)?a2(t)?a2(t)2Ebcos2(2?fc??)Tb2Eb1[1?cos(2?2fc?2?)]Tb22Eb12E1?a2(t)bcos(2?2fc?2?)Tb2Tb2

從上式看出：R（t）經平方處理之后產生了直流分量，而在上式其次項中具有

2fC頻率分量。若應用一個窄帶濾波器將2fC項濾出，再經二分頻，便可得到所需的載波分量。

從上述電路中可以看出，由于二分頻電路的存在，恢復出的載波信號存在相位模糊。該方法的特點是載波恢復快，但由于帶通濾波器的帶寬一般不易做到很窄，因而該電路在低信噪比條件下性能較差。

為了提高所提取載波的質量，一般采用鎖相環來實現。判決反饋環結構如圖

8所示：

匹配濾波判決碼字輸出R(t)VCO900環路濾波圖8BPSK判決反饋環結構

判決反饋環鑒相器具有圖9所示的特性：

００１８００

圖9判決反饋環鑒相特性

從圖9中可以看出，判決反饋環也具有00、1800兩個相位平衡點，因而采用判決反饋環存在相位模糊點。

在采用PLL方式進行載波恢復時，PLL環路對輸入信號的幅度較為敏感，因而在實際使用中一般在前端還需加性能較好的AGC電路。

在BPSK解調器中，載波恢復的指標主要有：同步建立時間、保持時間、穩態相差、相位抖動等。

載波恢復同步時間將影響BPSK在正確解調時所需消耗的比特數，該指標一般對突發工作（解調器是一個分幀一個分幀地接收并進行解調，而且在這些分幀之間載波信息與位定時信息之間沒有任何關系）的解調器有要求，而對于連續工作的解調器該指標一般不作要求。

載波恢復電路的保持時間在不同場合要求不同，例如在無線衰落信道中，一旦接收載波出現短時的深衰落，要求接收機的恢復載波信號仍能跟蹤一段時間。

本地恢復載波信號的穩態相位誤差對解調性能存在影響，對于BPSK接收信號為：

R(t)?a(t)2Ebcos(2?fc??)Tb而恢復的相干載波為cos(2?fc????)，經相乘器、低通濾波后輸出的信號為：

a'(t)?a(t)2Eb1cos?Tb2若提取的相干載波與輸入載波沒有相位差，即Δ=0，則解調輸出的信號為

2Eb1；若存在相差Δ，則輸出信號能量下降cos2Δ倍，即輸出信a'(t)?a(t)Tb2噪比下降cos2Δ，其將影響信道的誤碼率性能，使誤碼增加。對BPSK而言，在存在載波恢復穩態相差時信道誤碼率為：

E1Pe?erfc[bcos?]

2N0為了提高BPSK的解調性能，一般盡可能地減小穩態相差，在實際中一般要

求其小于50。改善這方面的性能一般可通過提高路環路的開環增益、減少環路時延。當然在提高環路增益的同時，對環路的帶寬可能產生影響。

環路的相位抖動是指環路輸出的載波在某一載波相位點按一定分布隨機搖擺,其搖擺的方差對解調性能有很大的影響：一方面其與穩態相差一樣對BPSK解調器的誤碼率產生影響；另一方面還使環路產生一定的跳周率（按工程經驗，在門限信噪比條件時跳周一般要求小于每二小時一次）。

采用PLL環路進行載波恢復具有環路帶寬可控。一般而言，環路帶寬越寬，載波恢復時間越短，輸出載波相位抖動越大，環路越簡單出現跳周（所謂跳周是指環路從一個相位平衡點跳向相鄰的平衡點，從而使解調數據出現倒相或其它的錯誤規律）；反之，環路帶寬越窄，載波恢復時間越長，輸出載波相位抖動越小，環路的跳周率越小。因而，可根據實際需要，調整環路帶寬的大小。

１、位定時

對于接收的BPSK信號，與本地相干載波相乘并經匹配濾波之后，在什么時刻對該信號進行抽樣、判決，這一功能主要由位定時來實現。

解調器輸出的基帶信號如圖10所示，抽樣時鐘B偏離信號能量的最大點,使信噪比下降。由于位定時存在相位差，使誤碼率有所增加。而抽樣時鐘A在信號最大點處進行抽樣，保證了輸出信號具有最大的信噪比性能，從而也使誤碼率較小。

在剛接收到BPSK信號之后，位定時一般不處于正確的抽樣位置，必需采用一定的算法對抽樣點進行調整，這個過程稱為位定時恢復。常用的位定時恢復有：濾波法、數字鎖相環等。

AB

圖10BPSK的位定時恢復

（1）濾波法

在不歸零的隨機二進制脈沖序列功率譜中沒有位同步信號的離散分量，所以不能直接從中提取位同步，若將不歸零脈沖變為歸零二進制脈沖序列，則變換后的信號中出現了碼元信號的頻率分量，然后再采用窄帶濾波器提取、移相后形成位定時脈沖。圖11就是濾波法提取位同步的原理方框圖。

解調基帶信號判決非歸零碼產生器（單穩電路）窄帶濾波（Rb）時鐘沿調整

圖11采用濾波法恢復BPSK的位定時結構框圖

另外一種波形變換的方法是對帶限信號進行包絡檢波。這種方法常用于數字微波的中繼通信系統中，圖12是頻帶受限的二相相移信號2PSK的位同步提取過程。由于頻帶受限，在相鄰碼元相位突變點附近會產生幅度的“凹陷〞，經包絡檢波后，可以用窄帶濾波器提取位同步信號。

接收中頻信號檢波窄帶濾波（Rb）時鐘沿調整

圖12采用檢波恢復BPSK位定時結構框圖

（2）鎖相環法

以四倍碼元速率抽樣為例：信號取樣如圖13所示。S（n-2）、S（n+2）為調整后的最正確樣點，S（n）為碼元中間點。

首先位定時誤差的提取時刻為其基帶信號存在過零點，即如圖3.13中的情

況所示。位定時誤差的大小按下式進行計算：

eb(n)?S(n)[S(n?2)?S(n?2)]

0S(n-2)S(n-1)S(n)S(n+1)S(n+2)圖13位定時誤差提取示意圖

假使eb(n)?0，則位定時抽樣脈沖應向前調整；反之應向后調整。這個調整過程主要是通過調整分頻計數器進行的，如圖14所示。

前調：計數器1/（N－1）選擇器位定時輸出本振源標準：計數器1/N后調：計數器1/（N＋1）

圖14位定時調整示意圖

須注意的是，一般在實際應用中還須對位定時的誤差信號進行濾波（位定時環路濾波），這樣可提高環路的抗噪聲性能。

最終，對通信原理綜合試驗系統中最常用的幾個測量工具作一介紹：眼圖、星座圖與抽樣判決點波形。

１、眼圖：利用眼圖可便利直觀地估計系統的性能。對眼圖的測試方法如下：用示波器的同步輸入通道接收碼元的時鐘信號，用示波器的另一通道接在系統接收濾波器的輸出端（例如I支路），然后調整示波器的水平掃描周期（或掃描頻率），使其與接收碼元的周期同步。這時就可以在熒光屏上看到顯示的圖型很像人的眼睛，所以稱為眼圖（如圖15所示）。在這個圖形上，可以觀測到碼間串擾和噪聲干擾的影響，從而估計出系統性能的優劣程度。

圖15BPSK眼圖的觀測方法

一般而言，眼皮越厚，則噪聲與ISI越嚴重，系統的誤碼率越高。

2、星座圖：與眼圖一樣，可以較為便利地估計出系統的性能，同時它還可以提供更多的信息，如I、Q支路的正交性、電平平衡性能等。星座圖的觀測方法如下：用一個示波器的一個通道接收I支路信號，另一通道接Q支路信號，將示波器設置成X-Y方式，這時就可以在熒光屏上看到如圖16所示的星座圖。

星座點聚焦越好，則系統性能越好；否則，噪聲與ISI越嚴重，系統的誤碼率越高。

圖16BPSK星座圖

３、抽樣判決點波形：是在判決器之前的波形。抽樣判決點波形可以較好地反映最終輸出性能的好壞。一般的抽樣判決點波形如圖17所示。抽樣判決點波形上下兩線聚集越好，則系統性能越好，反之越差。

圖17BPSK的抽樣判決點波形

在通信原理試驗平臺中BPSK的DSP解調方法如圖3.18所示：1、在圖中，A/D采樣速率為4倍的碼元速率，即每個碼元采樣4個樣點。2、采樣之后，進行平方根Nyquist匹配濾波。

3、將匹配濾波之后的樣點進行樣點抽取，每兩個樣點抽取一個采樣點。

即每個碼元采樣2個點送入后續電路進行處理。

4、將每個碼元2個點進行位定時處理，根據誤差信號對位定時進行調

整。TPMZ07測量點為最終恢復的位定時時鐘。

5、再將位定時處理之后的最正確樣點送入后續處理（即又進行了2:1的

樣點抽取）。

6、根據最正確樣點值進行載波鑒相處理，鑒相輸出在測量點TPN03可以

觀測到。鑒相后的結果送PLL環路濾波，控制VCXO。最終使本地載波與輸入信號的載波達到同頻、同相（也可能存在180度相差）。

7、位定時與載波恢復之后，進行判決處理，判決前信號可在測量點觀

察到。

三、試驗內容

1.接收端解調器眼圖信號觀測

（1）首先用中頻電纜連結KO02和JL02，建立中頻自環（自發自收）。測量解調器I支路眼圖信號測試點TPJ05（在A/D模塊內）波形，觀測時用發時鐘TPM01作同步。將接收端與發射端眼圖信號TPI03進行比較，觀測接收眼圖信號有何變化（有噪聲）。

（2）觀測正交Q支路眼圖信號測試點TPJ06（在A/D模塊內）波形，比較與TPJ05測試波形有什么不同？根據電路原理圖，分析解釋其原因。（3）測試模塊中的TPN02測試點為接收端經匹配濾波器之后的眼圖信號觀測點。通過菜單項選擇擇“匹配濾波〞方式設置，重復上述試驗步驟。解釋為什么發端眼圖已發生變化，而收端TPN02的眼圖沒有發生變化（僅電平變化）。

2.接收端I路和Q路解調信號的相平面（矢量圖）波形觀測

測量I支路（TPJ05）和Q支路信號（TPJ06）李沙育（x-y）波形時，應將示波器設置在（x-y）方式，可從相平面上觀測TPJ05和TPJ06的合成矢量圖。在解調器鎖定時，其相位矢量圖應為0、π兩種相位。通過菜單項選擇擇在不同的輸入碼型下進行測量；結合BPSK解調器原理分析測試結果。

3.解調器失鎖時I路和Q路解調信號的相平面（矢量圖）波形觀測

將解調器相干載波鎖相環（PLL）環路跳線開關KL01設置在2_3位置（右端），使環路失鎖。觀測接收端失鎖時I路和Q路的合成矢量圖。把握解調器時I路和Q路解調信號的相平面（矢量圖）波形的變化，分析測量結果。4.解調數據觀測

（1）在上述設置跳線開關基礎上，用示波器同時觀測DSP+FPGA模塊內接收數據信號TPM04和發送數據信號TPM02，比較兩數據信號進行是否一致一致（正常差分譯碼）。測量發送與接收數據信號的傳輸延時，記錄測量結果。

（2）在“外部數據輸入〞方式下，重復按選擇菜單的確認按鍵，讓解調器重新鎖定

（存在相位模糊度，會使解調數據反向），觀測解調器差分譯碼電路是否正確譯碼。

四、試驗步驟中的思考題

BPSK解調

（1）接收端解調器眼圖信號觀測

思考：觀測正交Q支路眼圖信號測試點TPJO6波形，比較與TPJO5測試波形有什么不同？根據電路原理圖，分析解釋其原因。

答：①可以發現接收端信號的眼圖和發送端相比，其眼皮厚度增加了大量，過零率抖動更加嚴重，噪聲容限變小，抗干擾能力變弱。②當不斷加大噪聲時，可以發現鹽眼圖中噪聲容限越來越小，知道已經無法容納噪聲。信號眼圖已經嚴重被噪聲干擾，波形十分變形，噪聲容限很小，抽樣判決時很可能由于噪聲而造成誤判決。

（2）接收端I路與Q路解調信號的相平面（矢量圖）波形觀測

通過菜單項選擇擇在不同的輸入碼形下進行測量，結合BPSK解調器原理分析測試結果。

分析：①兩路信號波形上幾乎完全一致，成上下對稱形式。②由于閉環的作用，I、Q兩條之路解調后的信號相位基本穩定，存在兩個比較穩定的相點。③在接收端采用相干解調時，恢復出來的載波與發送載波在頻率上是一樣的，但相位存在兩種關系：0０、180０。假使是0０，則解調出來的數據與發送數據一樣，否則，解調出來的數據將與發送數據反相。

（3）解調器失瑣時I路與Q路解調信號的相平面（矢量圖）波形觀測把握解調器時I路與Q路解調信號的相平面波形的變化，分析測試結果。

分析：在試驗過程中調整電位器對波形和矢量圖幾乎不產生任何作用。從圖中仍舊可以看到I、Q兩路之路的波形對稱關系。在右圖中反映的二者相位，類似于無數的扁圓環疊加，兩之路信號的相位關系在不斷地跳變，這是由于鎖相環失鎖所造成的。

五．試驗總結

1、寫出眼圖正確的觀測方法。

答：用一個示波器跨接在抽樣判決器的輸入端,然后調整示波器水平掃描周期,使其與接收碼元的周期同步.此時可以從示波器顯示的圖形上,觀測碼間干擾和信道噪聲等因素影響的狀況,從而估計系統性能的優劣程度。

抽樣失真

判決門限電平

過零點失真

噪聲容限對定時誤差的靈敏度

最正確抽樣時刻

（1）眼圖張開的寬度決定了接收波形可以不受串擾影響而抽樣再生的時間間隔。顯然，最正確抽樣時刻應選在眼睛張開最大的時刻。

（2）眼圖斜邊的斜率，表示系統對定時抖動（或誤差）的靈敏度，斜率越大，系統對定時抖動越敏感。

（3）眼圖左（右）角陰影部分的水平寬度表示信號零點的變化范圍，稱為零點失真量，在大量接收設備中，定時信息是由信號零點位置來提取的，對于這種設備零點失真量很重要。

(4）在抽樣時刻，陰影區的垂直寬度表示最大信號失真量。

（5）在抽樣時刻上、下兩陰影區間隔的一半是最小噪聲容限，噪聲瞬時