1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。通信原理實驗手冊精編本20111127第二版修正含第一版增補通信原理實驗手冊通信原理實驗手冊（精編本）光電信息工程090060班2011年11月27日第二版目 錄第一章 實驗系統概述- 1 -1.1概述- 1 -1.2電路組成概述- 1 -1.3通信原理實驗箱用戶使用說明書- 5 -第二章鎖相環實驗- 6 -實驗一 模擬鎖相環模塊- 6 -實驗二 數字鎖相環實驗- 8 -第三章數字調制技術- 12 -實驗一 BPSK傳輸系統實驗- 12 -實驗二 DBPSK傳輸系統實驗- 26 -第四章語音編碼技術-

2、32 -實驗一 PCM編譯碼器系統- 32 -實驗三 ADPCM編譯碼器系統- 36 -實驗四 CVSD編碼器和CVSD譯碼器系統- 41 -第一章 實驗系統概述1.1 概述通信原理綜合實驗系統中，涉及有數字調制解調技術、糾錯編譯碼技術、語音編碼技術、數字復接技術、基帶傳輸技術、電話接口技術、數字接口技術等。該系統將當今的核心技術和新器件融入通信原理課程，其具有以下特點：1. 先進性：數字信號處理（DSP）技術+PFGA技術；2. 全面性：通過這些測試接口，可以對每一種電路模塊的功能和性能有一個全面的了解。3. 系統性：每個電路測試模塊可以放入多個系統中進行綜合實驗，4. 基礎性：與當今通信原

3、理課程和教學大綱結合緊密；5. 使用性：便于老師對實驗內容的組織和實施。1.2 電路組成概述在通信原理綜合實驗系統中，主要由下列功能模塊組成：1、 顯示控制模塊2、 FPGA初始化模塊3、 信道接口模塊4、 DSP+FPGA處理模塊5、 D/A模塊6、 中頻調制模塊7、 中頻解調模塊8、 A/D模塊9、 測試模塊10、 漢明編碼模塊11、 漢明譯碼模塊12、 噪聲模塊13、 電話接口（1、2）模塊14、 DTMF（1、2）模塊15、 PAM模塊16、 ADPCM（1、2）模塊17、 CVSD發模塊18、 CVSD收模塊19、 幀傳輸復接模塊20、 幀傳輸解復接模塊21、 AMI/HDB3碼模塊

4、22、 CMI編碼模塊23、 CMI譯碼模塊24、 模擬鎖相環模塊25、 數字鎖相環模塊在該硬件平臺中，模塊化功能較強，其電路布局見圖1.2.1所示。對于每一個模塊，在PCB板上均由白色線條將其明顯分割開來，每個測試模塊都能單獨開設實驗，便于教學與學習。在通信原理綜合實驗系統中，電源插座與電源開關在機箱的后面，電源模塊在該實驗平臺電路板的下面，它主要完成交流220V到+5V、+12V、-12V的直流變換，給整個硬件平臺供電。在平臺上具有友好的人機接口界面設計，學生可以通過鍵盤選擇相應的工作模式與設置有關參數。菜單可選擇方式及設置參數1.3一節。通信原理綜合實驗系統通過下面幾個端口與外部進行連接

5、：1. JH02（實驗箱左端同步口模塊內）：同步數據接口方式。該接口電平特性為RS422，通過該端口接收外部來的發送數據，并送入調制器中；同時將解調器解調之后的數據通過該端口送往外部設備。在該接口中，還包括調制解調器提供的收發時鐘信號。在使用RS422接口時需要通過菜單設置，選擇調制器輸入信號為“外部數據信號”。2. K002（實驗箱中上部左端的中頻Q9連接器）：為中頻發送信號連接器，調制后的中頻信號通過該口對外輸出，一般通過中頻同軸電纜送入信道仿真平臺（JH6001）或自環送到接收端設備。3. JL02（實驗箱中上部右端的中頻Q9連接器）：從信道中來的中頻信號（如加噪后的中頻信號、無線衰落后

6、的低中頻信號）由該端口輸入，送入解調模塊中進行解調。4. J007（數字測試信號輸入）、J005（模擬測試信號輸入）、J006（地）（在實驗箱左端的信號輸入接頭）：為測試信號輸入湍，用于向通信原理綜合實驗系統中送入各種測試信號。測試信號的輸入能否加入測試模塊還與測試模塊的跳線器設置有關，具體見測試步驟。5. JF01、JG01：標準異步數據端口A（JF01）和B（JG01）。A到B的異步傳輸經過信道傳輸，B到A為直通方式。通信原理綜合實驗系統接口布局見圖1.2.2所示。在通信原理綜合實驗系統中，為便于學習和實驗，各項實驗內容是以模塊進行劃分，每個測試模塊可以單獨開設實驗。各模塊之間的系統連接見

7、圖1.2.3所示。由圖可以看出，在系統中通信雙方的傳輸信道是不對稱的。從用戶電話1向用戶電話2的信號支路是以無線信道傳輸技術為主，信號流程為：用戶電話接口1話音編碼1漢明糾錯編碼信道調制加噪信道信道解調漢明譯碼話音解碼2用戶電話接口2。FSKBPSKDBPSKPCMADPCMCVSDHDB3CMI從用戶電話2向用戶電話1的信號支路是以有線信道傳輸技術為主，信號流程為：用戶電話接口2話音編碼2信道復接線路編碼（HDB3/CMI）線路譯碼信道解復接話音解碼1用戶電話接口1。這樣設計實驗系統的目的是為了在不增加成本的條件下最大限度的增加系統實驗內容，加強學生的動手能力，便于將各測試模塊放在不同系統中

8、進行測試、比較，加強學生對各模塊在系統中的地位、作用、性能的掌握，使學生對通信系統有一個較全面的了解，同時老師可以根據實驗實際課時對實驗項目進行組織和優化。在每一個模塊中，都有測試點與測試插座對應信號點的定義。1.3 通信原理實驗箱用戶使用說明書在通信原理綜合實驗系統中，各模塊的功能實現，需初始化不同的FPGA程序與數字信號處理DSP程序，并對它們進行一定的管理。這些都是通過操作界面，讓學生進行選擇、控制。在系統加電之后，系統按照上次關機前選擇的模式進行初始化，在這期間DSP+FPGA模塊中的初始化燈（DV01）熄滅。當初始化完成之后，初始化燈亮。在這之后大約經過5秒鐘之后，完成相應模式參數的

9、設置。在這過程中，液晶顯示器一直顯示以下內容： 通信原理實驗完成初始化與參數設定后，液晶顯示：調制方式選擇之后，將等待學生的輸入，學生必須按下箭頭鍵（除復位鍵外，其它鍵將不起作用），將進入前一次學生選擇的界面。學生通過上、下箭頭鍵進行下列菜單的選擇：菜單：調制方式選擇（該菜單上只有下箭頭和右箭頭起作用）菜單：FSK傳輸系統菜單：BPSK傳輸系統菜單：DBPSK傳輸系統菜單5：輸入數據選擇菜單6：外部數據信號菜單7：全碼菜單8：全碼菜單9：碼菜單0：特殊碼序列菜單1：m序列菜單2：工作方式選擇菜單3：匹配濾波菜單14：ADPCM菜單15：PCM（在該菜單上只有上箭頭和左箭頭起作用）通過上下箭頭，

10、學生可以在菜單到菜單15之間移動，對已選擇的模式或參數的菜單打勾，否則顯示小手。如要選擇某一種模式，當移至該菜單時按確認鍵即可。當學生可在菜單2到菜單4任一菜單上進行確認時，系統對學生選擇的模式進行初始化，在這期間左邊的初始化燈（DV01）熄滅。當初始化完成之后，初始化燈亮。在這之后大約經過5秒鐘，完成相應模式參數的設置，并且在該菜單上打勾。菜單24是調制方式選擇；菜單611是輸入數據選擇；菜單13是一個復選菜單：第一次確認選擇，第二次按確認則取消該參數的設置；菜單1415是語音編碼方式選擇。第二章 鎖相環實驗實驗一 模擬鎖相環模塊一、實驗原理和電路說明模擬鎖相環模塊在通信原理綜合實驗系統中可

11、作為一個獨立的模塊進行測試。在系統工作中模擬鎖相環將接收端的256KHz時鐘鎖在發端的256KHz的時鐘上，來獲得系統的同步時鐘，如HDB3接收的同步時鐘及后續電路同步時鐘。該模塊主要由模擬鎖相環UP01（MC4066）、數字分頻器UP02（74LS161）、D觸發器UP04（74LS74）、環路濾波器和由運放UP03（TEL2702）及阻容器件構成的輸入帶通濾波器（中心頻率：256KHz）組成。在UP01內部有一個振蕩器與一個高速鑒相器組成。該模擬鎖相環模塊的框圖見圖2.1.1。因來自發端信道的HDB3碼為歸零碼，歸零碼中含有256KHz時鐘分量，經UP03B構成中心頻率為256KHz有源由

12、帶通濾波器后，濾出256KHz時鐘信號，該信號再通過UP03A放大，然后經UP04A和UP04B兩個除二分頻器（共四分頻）變為64KHz信號，進入UP01鑒相輸入A腳；VCO輸出的512KHz輸出信號經UP02進行八分頻變為64KHz信號，送入UP01的鑒相輸入B腳。經UP01內部鑒相器鑒相之后的誤差控制信號經環路濾波器濾波送入UP01的壓控振蕩器輸入端；WP01可以改變模擬鎖相環的環路參數。正常時，VCO鎖定在外來的256KHz頻率上。模擬鎖相環模塊各跳線開關功能如下：1、 跳線開關KP01用于選擇UP01的鑒相輸出。當KP01設置于1_2時（左端），選擇異或門鑒相輸出，環路鎖定時TPP03

13、、TPP05輸出信號將存在一定相差；當KP01設置于2_3時（右端），選擇三態門鑒相輸出，環路鎖定時TPP03、TPP05輸出信號將不存在相差，詳情請參見4046器件性能資料。調整電位器WP01可以改變模擬鎖相環的環路參數。2、 跳線開關KP021是用于選擇輸入鎖相信號：當KP021置于1_2時（HDB3：左端），輸入信號來自HDB3編碼模塊的HDB3碼信號；當KP021置于2_3時（TEST：右端）選擇外部的測試信號（J007輸入），此信號用于測量該模擬鎖相環模塊的性能。在該模塊中，各測試點的定義如下：1、 TPP01：256KHz帶通濾波器輸出2、 TPP02：隔離放大器輸出3、 TPP0

14、3：鑒相器A輸入信號（64KHz）4、 TPP04：VCO輸出信號（512KHz）5、 TPP05：鑒相器B輸入信號（64KHz）6、 TPP06：環路濾波器輸出7、 TPP07：鎖定指示檢測（鎖定時為高電平）注：以上測試點通過JP01測試頭引出，測量時請在測試引出板上進行。JP01的排列如下圖所示：二、實驗儀器1、 JH5001通信原理綜合實驗系統一臺2、 20MHz雙蹤示波器一臺3、 函數信號發生器一臺三、實驗目的1、 熟悉模擬鎖相環的基本工作原理2、 掌握模擬字鎖相環的基本參數及設計四、實驗內容準備工作：將輸入信號選擇開關KP02設置在TEST位置，鑒相輸出開關KP01設置在2_3位置（

15、右端）。1. VCO自由振蕩頻率測量（1） 將測試信號輸入端口J007接地，把函數信號發生器方式設置為記數（頻率計功能），閘門時間放在100ms或1s，測量TPP04監測點的VCO輸出振蕩頻率f0。記錄閘門每次閃動的頻率讀數（其讀數不太穩定）。（2） 求出VCO在頻率512KHz時的短期頻率穩定度（f/ f0）。2. 鎖定狀態觀測（1） 用函數信號發生器從測試信號輸入端口J007送入一個256 KHz的TTL方波信號。用示波器同時測量鑒相器輸入A、B腳的波形TPP03、TPP05的相位關系。環路鎖定該兩信號將不存在相差。（2） 將鑒相輸出開關KP01設置在1_2位置（左端），重復上述測量步驟。

16、環路鎖定該兩信號將存在相差。3. 鎖定頻率測量和分頻比計算將函數信號發生器設置在記數狀態（頻率計）。參見圖2.1.1模擬鎖相環模塊的框圖，測量各頻率。記錄測量結果，計算分頻比。4. 環路鎖定過程觀測用函數信號發生器從測試信號輸入端口J007送入一個256KHz的TTL方波信號。用示波器同時觀測TPP03、TPP05的相位關系，測量時用TPP03同步；反復斷開和接入測試信號，讓鎖相環進行重新鎖定狀態。此時，觀察它們的變化過程（鎖相過程）。5. 鎖定檢測信號觀測將跳線器KP01設置在2_3位置（由端），用函數信號發生器產生一個256KHz的TTL信號送入數字數字信號測試端口J007，用示波器觀測鎖

17、定檢測點TPP07點的波形。調整函數信號發生器輸出頻率使環路失鎖和鎖定，記錄TPP07點的波形變化。6. 同步帶測量（1） 用函數信號發生器產生一個256KHz的TTL信號送入數字信號測試端口J007。用示波器同時測量J007、TPP04的相位關系，測量時用J007同步；正常時環路鎖定，該兩信號應為同步。（2） 緩慢增加函數信號發生器輸出頻率，直至J007、TPP04兩點波形失步，記錄下失步前的頻率。（3） 調整函數信號發生器頻率為256KHz，使環路鎖定。緩慢降低函數信號發生器輸出頻率，直至J007、TPP04兩點波形失步，記錄下失步前的頻率。（4） 計算同步帶。7. 捕捉帶測量（1） 用函

18、數信號發生器產生一個256KHz的TTL信號送入數字信號測試端口J007。用示波器同時測量J007、TPP04的相位關系，測量時用J007同步；正常時環路鎖定，該兩信號應為同步。（2） 增加函數信號發生器輸出頻率，使J007、TPP04兩點波形失步；然后緩慢降低函數信號發生器輸出頻率，直至J007、TPP04兩點波形同步。記錄下同步一刻的頻率。（3） 降低函數信號發生器輸出頻率，使J007、TPP04兩點波形失步；然后緩慢增加函數信號發生器輸出頻率，直至J007、TPP04兩點波形同步。記錄下同步一刻的頻率。（4） 計算捕捉帶。8. VCO壓控靈敏度測量用函數信號發生器產生一個256KHz的T

19、TL信號送入數字信號測試端口J007，將示波器放在DC輸入位置，示波器幅度顯示設置500mv/DIV，用示波器檢測VCO輸入的壓控電壓（TPP06）。緩慢增加函數信號發生器輸出頻率到276KHz，記錄此時TPP05的電壓值V1；緩慢降低函數信號發生器輸出頻率到236KHz，記錄此時TPP05的電壓值V2。計算壓控靈敏度：40KHz/（V1-V2）。亦可用數字三用表測量TPP06點的直流電壓。五、實驗報告1、 根據環路參數，解釋為什么TPP04的波形存在抖動？2、 畫出各測量點的波形。3、 分析總結各項測量結果。實驗二 數字鎖相環實驗一、實驗原理和電路說明在電信網中，同步是一個十分重要的概念。同

20、步的種類很多，有時鐘同步、比特同步等等，其最終目的使本地終端時鐘源鎖定在另一個參考時鐘源上，如果所有的終端均采用這種方式，則所有終端將以統一步調進行工作。同步的技術基礎是鎖相，因而鎖相技術是通信中最重要的技術之一。鎖相環分為模擬鎖相環與數字鎖相環，本實驗將對數字鎖相環進行實驗。數字鎖相環的結構如圖2.2.1所示，其主要由四大部分組成：參考時鐘、多模分頻器（一般為三種模式：超前分頻、正常分頻、滯后分頻）、相位比較（雙路相位比較）、高倍時鐘振蕩器（一般為參考時鐘的整數倍，此倍數大于20）等。數字鎖相環均在FPGA內部實現，其工作過程如圖2.2.2所示。在圖2.2.1，采樣器1、2構成一個數字鑒相器

21、，時鐘信號E、F對D信號進行采樣，如果采樣值為01，則數字鎖相環不進行調整（÷64）；如果采樣值為00，則下一個分頻系數為（1/63）；如果采樣值為11，則下一分頻系數為（÷65）。數字鎖相環調整的最終結果使本地分頻時鐘鎖在輸入的信道時鐘上。在圖2.2.2中也給出了數字鎖相環的基本鎖相過程與數字鎖相環的基本特征。在鎖相環開始工作之前的T1時該，圖2.2.2中D點的時鐘與輸入參考時鐘C沒有確定的相關系，鑒相輸出為00，則下一時刻分頻器為÷63模式，這樣使D點信號前沿提前。在T2時刻，鑒相輸出為01，則下一時刻分頻器為÷64模式。由于振蕩器為自由方式，因而在

22、T3時刻，鑒相輸出為11，則下一時刻分頻器為÷65模式，這樣使D點信號前沿滯后。這樣，可變分頻器不斷在三種模式之間進行切換，其最終目的使D點時鐘信號的時鐘沿在E、F時鐘上升沿之間，從而使D點信號與外部參考信號達到同步。在該模塊中，各測試點定義如下：1、 TPMZ01：本地經數字鎖相環之后輸出時鐘（56KHz）2、 TPMZ02：本地經數字鎖相環之后輸出時鐘（16KHz）3、 TPMZ03：外部輸入時鐘÷4分頻后信號（16KHz）4、 TPMZ04：外部輸入時鐘÷4分頻后延時信號（16KHz）5、 TPMZ05：數字鎖相環調整信號注：以上測試點通過JM05測試頭引出

23、，測量時請在測試引出板上進行。JM05的排列如下圖所示：二、實驗儀器1、 JH5001通信原理綜合實驗系統一臺2、 20MHz雙蹤示波器一臺3、 函數信號發生器一臺三、實驗目的1、 了解數字鎖相環的基本概念2、 熟悉數字鎖相環與模擬鎖相環的指標3、 掌握全數字鎖相環的設計四、實驗內容準備工作：用函數信號發生器產生一個64KHz的TTL信號送入數字數字信號測試端口J007（實驗箱左端）。1. 鎖定狀態測量用示波器同時測量TPMZ03、TPMZ02的相位關系，測量時用TPMZ03同步；在理論上，環路鎖定時該兩信號應為上升沿對齊。2. 數字鎖相環的相位抖動特性測量數字鎖相環在鎖定時，輸出信號存在相位

24、抖動是數字鎖相環的固有特征。測量時，以TPMZ03為示波器的同步信號，用示波器測量TPMZ02，仔細調整示波器時基，使示波器剛好容納TPMZ02的一個半周期，觀察其上升沿。可以觀察到其上升較粗（抖動），其寬度與TPMZ02周期的比值的一半即為數字鎖相環的時鐘抖動。3. 鎖定頻率測量和分頻比計算將函數信號發生器設置在記數狀態（頻率計）。參見數字鎖相環的結構如圖2.2.1數字鎖相環的結構，測量各點頻率。記錄測量結果，計算分頻比。4. 鎖定過程觀測（1） 用示波器同時觀測TPMZ03、TPMZ02的相位關系，測量時用TPMZ03同步；復位通信原理綜合實驗系統，則FPGA進行初始化，數字鎖相環進行重鎖

25、狀態。此時，觀察它們的變化過程（鎖相過程）。（2） 用示波器測量TPMZ05波形，復位通信原理綜合實驗系統，觀察調整的變化過程。5. 同步帶測量（1） 用函數信號發生器產生一個64KHz的TTL信號送入數字信號測試端口J007。用示波器同時測量TPMZ03、TPMZ02的相位關系，測量時用TPMZ03同步；正常時環路鎖定，該兩信號應為上升沿對齊。（2） 緩慢增加函數信號發生器輸出頻率，直至TPMZ03、TPMZ02兩點波形失步，記錄下失步前的頻率。（3） 調整函數信號發生器頻率，使環路鎖定。緩慢降低函數信號發生器輸出頻率，直至TPMZ03、TPMZ02兩點波形失步，記錄下失步前的頻率。（4）

26、計算同步帶。6. 捕捉帶測量（1） 用函數信號發生器產生一個64KHz的TTL信號送入數字信號測試端口J0007。用示波器同時測量TPMZ03、TPMZ02的相位關系，測量時用TPMZ03同步；在理論上，環路鎖定時該兩信號應為上升沿對齊。（2） 增加函數信號發生器輸出頻率，使TPMZ03、TPMZ02兩點波形失步；然后緩慢降低函數信號發生器輸出頻率，直至TPMZ03、TPMZ02兩點波形同步。記錄下同步一刻的頻率。（3） 降低函數信號發生器輸出頻率，使TPMZ03、TPMZ02兩點波形失步；然后緩慢增加函數信號發生器輸出頻率，直至TPMZ03、TPMZ02兩點波形同步。記錄下同步一刻的頻率。（

27、4） 計算捕捉帶。7. 調整信號脈沖觀測（1） 用函數信號發生器產生一個64KHz的TTL信號送入數字數字信號測試端口J0007。用示波器觀測數字鎖相環調整信號TPMZ05處波形。（2） 增加或降低函數信號發生器輸出頻率，觀測TPMZ05處波形的變化規律。五、實驗報告1、 畫出數字鎖相環的鎖定過程。2、 畫出各測量點的波形。3、 分析總結數字鎖相環與模擬鎖相環同步帶和捕捉帶的大致關系。第三章 數字調制技術實驗一 BPSK傳輸系統實驗一、實驗原理和電路說明（一）BPSK調制理論上二進制相移鍵控（BPSK）可以用幅度恒定，而其載波相位隨著輸入信號m（1、0碼）而改變，通常這兩個相位相差180

28、76;。如果每比特能量為Eb，則傳輸的BPSK信號為：其中一個數據碼流直接調制后的信號如圖3.2.1所示：圖3.2.1 數據碼流直接調制后的BPSK信號采用二進制碼流直接載波信號進行調相，信號占居帶寬大。上面這種調制方式在實際運用中會產生以下三方面的問題：1、 浪費寶貴的頻帶資源；2、 會產生鄰道干擾，對系統的通信性能產生影響，在移動無線系統中, 要求在相鄰信道內的帶外幅射一般應比帶內的信號功率譜要低40dB到80dB；3、 如果該信號經過帶寬受限信道會產生碼間串擾（ISI），影響本身通信信道的性能。在實際通信系統中，通常采用Nyquist波形成形技術，它具有以下三方面的優點：1、 發送頻譜在

29、發端將受到限制，提高信道頻帶利用率，減少鄰道干擾；2、 在接收端采用相同的濾波技術，對BPSK信號進行最佳接收；3、 獲得無碼間串擾的信號傳輸；升余弦濾波器的傳遞函數為：其中，是滾降因子，取值范圍為0到1。一般=0.251時，隨著的增加，相鄰符號間隔內的時間旁瓣減小，這意味著增加可以減小位定時抖動的敏感度，但增加了占用的帶寬。對于矩形脈沖BPSK信號能量的90%在大約1.6Rb的帶寬內，而對于=0.5的升余統濾波器，所有能量則在1.5Rb的帶寬內。升余弦滾降傳遞函數可以通過在發射機和接收機使用同樣的濾波器來實現，其頻響為開根號升余弦響應。根據最佳接收原理，這種響應特性的分配提供了最佳接收方案。

30、升余弦濾波器在頻域上是有限的，那它在時域上的響應將是無限的，其是一個非因果沖激響應。為了在實際系統上可實現，一般將升余弦沖激響應進行截短，并進行時延使其成為因果響應。截短長度一般從中央最大點處向兩邊延長4個碼元。由截短的升余響應而成形的調制基帶信號，其頻譜一般能很好地滿足實際系統的使用要求。為實現濾波器的響應，脈沖成形濾波器可以在基帶實現，也可以設置在發射機的輸出端。一般說來，在基帶上脈沖成形濾波器用DSP或FPGA來實現，每個碼元一般需采樣4個樣點，并考慮當前輸出基帶信號的樣點值與個碼元有關，由于這個原因使用脈沖成形的數字通信系統經常在調制器中同一時刻存儲了幾個符號，然后通過查詢一個代表了存

31、儲符號離散時間波形來輸出這幾個符號（表的大小為210），這種查表法可以實現高速數字成形濾波，其處理過程如圖3.2.2所示：圖3.2.2 BPSK基帶成形原理示意圖成形之后的基帶信號經D/A變換之后，直接對載波進行調制。在“通信原理綜合實驗系統”中，BPSK的調制工作過程如下：首先輸入數據進行Nyquist濾波，濾波后的結果分別送入I、Q兩路支路。因為I、Q兩路信號一樣，本振頻率是一樣的，相位相差180度, 所以經調制合路之后仍為BPSK方式。采用直接數據（非歸零碼）調制與成形信號調制的信號如圖3.2.3所示：圖3.2.3 直接數據調制與成形信號調制的波形在接收端采用相干解調時，恢復出來的載波與

32、發送載波在頻率上是一樣的，但相位存在兩種關系：0,180。如果是0，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。為了解決這一技術問題，在發端碼字上采用了差分編碼，經相干解調后再進行差分譯碼。差分編碼原理為：實現框圖如圖3.2.4所示：圖3.2.4 差分編碼示意圖一個典型的差分編碼調制過程如圖3.2.5所示：圖3.2.5 差分編碼與調制相位示意圖BPSK的實現框圖如圖3.2.6所示。（二）BPSK解調接收的BPSK信號可以表示成：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

33、位定時恢復。、 載波恢復對二相調相信號中的載波恢復有很多的方法，最常用的有平方變換法、判決反饋環等。平方變換法如圖3.2.7所示：圖3.2.7 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：從上式看出：R（t）經平方處理之后產生了直流分量，而在上式第二項中具有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

34、用鎖相環來實現。判決反饋環結構如圖3.2.8所示：圖3.2.8 BPSK判決反饋環結構判決反饋環鑒相器具有圖3.2.9所示的特性：圖3.2.9 判決反饋環鑒相特性從圖3.2.9中可以看出，判決反饋環也具有00、800兩個相位平衡點，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，

35、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：而恢復的相干載波為，經相乘器、低通濾波后輸出的信號為：若提取的相干載波與輸入載波沒有相位差，即=0，則解調輸出的信號為；若存在相差，則輸出信號下降cos2倍，即輸出信噪比下降cos2，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：

36、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擺動,其擺動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，環路越容易出現跳周（所謂跳周是指環路從一

37、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。、 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3.2.10 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

38、位置，必須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。圖3.2.10 BPSK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3.2.11就是濾波法提取位同步的原理方框圖。 圖3.2.11 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3.2.12是頻帶受限的二相相移

39、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。圖3.2.12 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3.2.13所示。S（n-2）、S（n+2）為調整后的最佳樣點，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3.2.13中的情況所示。位定時誤差的大小按下式進行計算：圖3.2.13 位定時誤差提取示意圖如果，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3.2.14所示。圖3.2.14

40、 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。最后，對通信原理綜合實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。、眼圖：利用眼圖可方便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3.2.15所示）。在這個圖形上，可以觀察到碼間串擾和噪聲干擾的影響，從而估計出系

41、統性能的優劣程度。圖3.2.15 BPSK眼圖的觀察方法一般而言，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，可以較為方便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。星座圖的觀察方法如下：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3.2.16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3.2.16 BPSK星座圖、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

42、抽樣判決點波形如圖3.2.17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3.2.17 BPSK的抽樣判決點波形在通信原理實驗平臺中BPSK的DSP解調方法如圖3.2.18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佳樣點送入后續處理（即又進行了2:

43、1的樣點抽取）。6、 根據最佳樣點值進行載波鑒相處理，鑒相輸出在測量點TPN03可以觀察到。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）BPSK系統性能對于調相信號，的測量一般采用圖3.2.19所示的測量方法。圖3.2.19 采用頻譜儀測量連接示意圖利用頻譜儀可以直接在B點測量出。將頻譜儀的帶寬調整到較為合適的狀態，使BPSK的信號頻譜占據頻譜儀的2/3左右。頻譜儀的分析帶寬調整到BPSK信號帶寬的1/101/100左右，一般可得到如圖3.2.20

44、所示的頻譜：圖3.2.20 BPSK的頻譜示意圖在圖中X是信號譜密度與噪聲密度的差值，有下式成立：因而通過頻譜儀可以較為方便地測量。對信道誤碼率的測量一般需通過專用儀表“誤碼測試儀”進行。誤碼測試儀首先發送一串偽碼數據給信道設備，在信道設備進行BPSK調制，并經信道返回（主要是完成加噪功能），然后解調。解調之后的數據送入誤碼測試儀中進行比較，將誤碼進行計數。且將誤碼率顯示出來。二、實驗儀器1、 JH5001通信原理綜合實驗系統一臺2、 20MHz雙蹤示波器一臺3、 JH9001型誤碼測試儀（或GZ9001型）一臺4、 頻譜測量儀一臺三、實驗目的1、 掌握BPSK調制和解調的基本原理；2、 掌握

45、BPSK數據傳輸過程，熟悉典型電路；3、 了解數字基帶波形時域形成的原理和方法，掌握滾降系數的概念；4、 掌握BPSK眼圖觀察的正確方法，能通過觀察接收眼圖判斷信號的傳輸質量；5、 熟悉BPSK調制載波包落的變化；6、 掌握BPSK載波恢復特點與位定時恢復的基本方法；7、 了解BPSK/DBPSK在噪聲下的基本性能。四、實驗內容測試前檢查：首先通過菜單將通信原理綜合實驗系統調制方式設置成“BPSK傳輸系統”；用示波器測量TPMZ07測試點的信號，如果有脈沖波形，說明實驗系統已正常工作；如果沒有脈沖波形，則需按面板上的復位按鈕重新對硬件進行初始化。（一）BPSK調制1. BPSK調制基帶信號眼圖

46、觀測（1） 通過菜單選擇不激活“匹配濾波”方式（未打勾），此時基帶信號頻譜成形濾波器全部放在發送端。以發送時鐘（TPM01）作同步，觀測發送信號眼圖（TPi03）的波形。成型濾波器使用升余弦響應，=0.4。判斷信號觀察的效果。（2） 通過菜單選擇激活“匹配濾波”方式（打勾），此時系統構成收發匹配濾波最佳接收機，重復上述實驗步驟。仔細觀察和區別與上述兩種方式下發送信號眼圖（TPi03）的波形。注：當通過選擇菜單激活“匹配濾波”方式時，表示系統按匹配濾波最佳接收機組成，即發射機端和接收機端采用同樣的開根號升余弦響應濾波器。當未激活“匹配濾波”方式時，系統為非匹配最佳接收機，整個濾波器滾降特性全部放

47、在發射機端完成，但信道成型濾波器特性不變。思考：怎樣的系統才是最佳的？匹配濾波器最佳接收機性能如何從系統指標中反映出來？采用什么手段測量？2. I路和Q路調制信號的相平面（矢量圖）信號觀察（1） 測量I支路（TPi03）和Q支路信號（TPi04）李沙育（x-y）波形時，應將示波器設置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的合成矢量圖，其相位矢量圖應為0、兩種相位。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進行測量；結合BPSK調制器原理分析測試結果。（2） 通過菜單選擇“匹配濾波”方式設置，重復上述實驗步驟。仔細觀察和區別兩種方式下矢量圖信號。3. BPSK調制信號0/相位測量選擇輸入調

48、制數據為01碼。用示波器的一路觀察調制輸出波形（TPK03），并選用該信號作為示波器的同步信號；示波器的一路連接到調制參考載波上（TPK06/或TPK07），以此信號作為觀測的參考信號。仔細調整示波器同步，觀察和驗證調制載波在數據變化點發生相位0/翻轉。4. BPSK調制信號包絡觀察BPSK調制為非恒包絡調制，調制載波信號包絡具有明顯的過零點。通過本測量讓學生熟悉BPSK調制信號的包落特征。測量前將模擬鎖相環模塊內的跳線開關KP02設置在TEST位置（右端）。（1） 選擇0/1碼調制輸入數據，觀測調制載波輸出測試點TPK03的信號波形。調整示波器同步，注意觀測調制載波的包落變化與基帶信號（TP

49、i03）的相互關系。畫下測量波形。（2） 用特殊碼序列重復上一步實驗，并從載波的包絡上判斷特列碼序列。畫下測量波形。（3） 用m序列重復上一步實驗，觀測載波的包絡變化。5. BPSK調制信號頻譜測量此項測量視學校儀表情況而定，無頻譜儀可不測量。測量時，用一條中頻電纜將頻譜儀連結接到調制器的KO02端口。調整頻譜儀中心頻率為1.024MHz，掃描頻率為10KHz/DIV，分辨率帶寬為110KHz左右，調整頻率儀輸入信號衰減器和掃描時間為合適位置。通過菜單選擇m序列碼輸入數據，觀測BPSK信號頻譜。測量調制頻譜占用帶寬、電平等，記錄實際測量結果，畫下測量波形。6. BPSK調制信號頻譜載漏信號測量

50、此項測量視學校儀表情況而定，無頻譜儀可不測量。頻譜儀連接、設置同上。通過菜單選擇0/1碼輸入數據，觀測BPSK信號頻譜。測量調制頻譜載漏與信號電平的差值，記錄實際測量結果，畫下測量波形。思考：載漏過大會對系統帶來什么影響？載漏的產生與什么因素有關？如何減小載漏電平？（二）BPSK解調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T

51、PJ06（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。通過菜單選擇“匹配濾波”方式設置，重復上述實驗步驟。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. 解調器失鎖時的眼圖信號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（開環），使環路失鎖。觀測失鎖時的解調器眼圖信號TPJ05，熟悉BPSK調制器失鎖時的眼圖信號（未張開）。觀測失鎖時正交支路解調器眼圖信號TPJ06波形。注意：將示波器時基從正常位置調整25

52、ms/DIV對比觀測。3. 接收端I路和Q路解調信號的相平面（矢量圖）波形觀察測量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，可從相平面上觀察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、兩種相位。通過菜單選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。4. 解調器失鎖時I路和Q路解調信號的相平面（矢量圖）波形觀察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。掌握解調器時I路和Q路解調信號的相平面（矢量圖）波

53、形的變化，分析測量結果。5. 判決反饋環解調器鑒相特性觀察解調器相干載波鎖相環（PLL）環路跳線開關KL01設置在2_3（右端）位置，觀察鎖相環鑒相器輸出點TPN03的波形（在測試模塊）。通信原理綜合實驗系統中對BPSK信號解調采用判決反饋環解調器，其PLL環路鑒相特性具有鋸齒余弦特性。6. 解調器PLL環路鑒相器差拍電壓和鎖定過程觀察將跳線開關KL01設置在1_2位置（PLL閉環）和2_3（PLL開環）位置來回切換，仔細觀察測試模塊內TPN01測量點的工作波形。觀測時將示波器時基設定在5ms10 ms，有條件可使用存儲示波器觀測。7. 解調器抽樣判決點信號觀察（1） 選擇輸入測試數據為m序列

54、，用示波器觀察測試模塊內抽樣判決點（TPN04）的工作波形（示波器時基設定在25ms）。（2） TPMZ07為接收端DSP調整之后的最佳抽樣時刻。用示波器同時觀察TPMZ07（觀察時以此信號作同步）和觀察抽樣判決點TPN04信號波形之間的相位關系。8. 解調器失鎖時抽樣判決點信號觀察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，使環路失鎖。用示波器觀察測試模塊內抽樣判決點TPN04信號波形，觀測時示波器時基設定在25ms。熟悉解調器失鎖時的抽樣判決點信號波形。9. 差分編碼信號觀測通信原理實驗箱僅對“外部數據輸入”方式輸入數據提供差分編碼功能。外部數據可以來自誤碼儀產生

55、或漢明編碼模塊產生的m序列輸出數據。當使用漢明編碼模塊產生的m序列輸出數據時，將漢明編碼模塊中的信號工作跳線器開關SWC01中的H_EN和ADPCM開關去除，將輸入信號跳線開關KC01設置在m序列輸出口DT_M上（右端）；將漢明譯碼模塊中漢明譯碼使能開關KW03設置在OFF狀態（右端），輸入信號和時鐘開關KW01、KW02設置在來自信道CH位置（左端）。通過菜單選擇發送數據為“外部數據輸入”方式。（1） 將漢明編碼模塊中的信號工作跳線器開關SWC01中M_SEL2跳線器插入，產生7位周期m序列。用示波器同時觀察DSP+FPGA模塊內發送數據信號TPM02和差分編碼輸出數據TPM03，分析兩信號

56、間的編碼關系。記錄測量結果。（2） 將漢明編碼模塊中的信號工作跳線器開關SWC01中M_SEL2和M_SEL2跳線器都插入，產生15位周期m序列，重復上述測量步驟。記錄測量結果。10. 解調數據觀察（1） 在上述設置跳線開關基礎上，用示波器同時觀察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相同一致（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。11. 解調器相干載波觀測首先建立中頻自環，通過菜單選擇輸入測試數據為“特殊碼序列”或“m序列”。（1） 用雙蹤示波器同時測量發端調制載波（TPK07）和收端恢復相干載波（TPLZ07），并以TPK07作為示波器的同步信號。在環路正常鎖定時，觀測收發載波信號的相關關系。（2） 將解調器相干載波鎖相環（PLL）環路跳線開關KL01設置在2