電子科技大學通信學院《二相BPSK(DPSK)調制解調實驗指導書》二相BPSK(DPSK)調制解調實驗班級 學生 學號 教師 二相BPSK(DPSK)調制解調實驗指導書二相BPSK(DPSK)調制解調實驗一、 實驗目的1、 掌握二相BPSK(DPSK)調制解調的工作原理。2、 掌握二相絕對碼與相對碼的變換方法。3、 熟悉BPSK(DPSK)調制解調過程中各個環節的輸入與輸出波形。4、 了解載波同步鎖相環的原理與構成，觀察鎖相環各部分工作波形。5、 了解碼間串擾現象產生的原因與解決方法，能夠從時域和頻域上分析經過升余弦滾降濾波器前后的信號。6、 掌握Matlab軟件的基本使用方法，學會Simulink環境的基本操作與應用。二、 實驗原理數字信號載波調制有三種基本的調制方式：幅移鍵控(ASK)，頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。它們分別是用數字基帶信號控制高頻載波的參數如振幅、頻率和相位，得到數字帶通信號。PSK調制在數字通信系統中是一種極重要的調制方式，它的抗干擾噪聲性能及通頻帶的利用率均優于ASK幅移鍵控和FSK頻移鍵控。由于PSK調制具有恒包絡特性,頻帶利用率比FSK高,并在相同的信噪比條件下誤碼率比FSK低。同時PSK調制的實現也比較簡單。因此，PSK技術在中、高數據傳輸中得到了十分廣泛的應用。BPSK是利用載波相位的變化來傳遞數字信息，而振幅和頻率保持不變。在BPSK中，通常用初始相位0和n分別表示二進制“1”和“0”。其調制原理框圖如圖1所示，解調原理框圖如圖2所示。雙極性碼型變換不歸零-乘法器COE睜1圖1BPSK的模擬調制方式圖2BPSK信號的解調原理框圖由于在BPSK信號的載波恢復過程中存在著載波相位0。和180。的不確定性反向，所以在實際的BPSK通信系統設計中，往往采用差分編解碼的方法克服這個問題。差分編解碼是利用前后信號相位的跳變來承載信息碼元，不再是以載波的絕對相位傳輸碼元信息。差分編解碼的原理可用下式描述。d=b十dnn n-1b=d十dnn n-1其中第一個公式為差分編碼原理，第二個公式為差分解碼原理。差分編碼的原理框圖如3圖所示，差分解碼的原理框圖如4圖所示。平撫屯K2PSKi躺器平撫屯K2PSKi躺器圖3差分編碼原理框圖屯平屯平圖4差分解碼原理框圖在數字通信系統中，由于基帶碼元采用矩形波表示，其頻譜是無限寬的，當信號通過實際的帶限信道，頻域截短，時域變為無限，產生碼間串擾，為了克服碼間串擾，需要對碼元進行成形濾波。實際應用中，大多采用升余弦濾波器作為成形濾波器。滾降系數為Q的升余弦滾降特性傳輸函數H(e)可表示為：兀1+cos—0<f<(i)f兀1+cos—0(1-^)f<1fl<(1+d)foil 0f>(1+d)f0升余弦滾降信號在前后抽樣值處的碼間串擾為0,滿足抽樣值無失真傳輸條件，滾降系數d越小，則波形的振蕩起伏就越大，但傳輸頻帶減小，對接收端的定時要求更嚴格；反之，d越大，則波形振蕩起伏越小，但頻帶增加。?=0時，升余弦濾波器變成了理想低通濾波器，此時信號的頻帶最窄；?=1時，升余弦濾波器的頻帶最寬，為理想低通濾波器的2倍。所以，升余弦滾降濾波器是以頻帶的增加來換取碼間干擾的減少。對于特定的d值，升余滾降濾波器的時域波形如圖5所示。圖5升余弦波形和對應的幅度頻譜圖5升余弦波形和對應的幅度頻譜實際系統設計中，為了減小抽樣定時脈沖誤差帶來的影響，滾降系數不能太小，通常選擇d'0.2。而在高速數字傳輸系統中，還應該考慮頻帶利用率，故滾降系數d的范圍一般為0.2?0.6；另外，在實際應用中，調制器端和解調器端分別選取根升余弦濾波器(SRRC)：G(^)=g(°)二jhw其中G(°)為發射濾波器，G(°)為接受濾波器，若信道傳輸特性T RC(°)=1,則可以滿足無碼間串擾的條件了。在考慮信道特性不為1的情況下可以通過在接收端添加均衡器1/c(°)，補償信道特性。在通信系統中，特別是在數字通信系統中，同步(synchronization)是一個非常重要的問題。在BPSK(DPSK)通信系統中，同步包括載波同步(carriersynchronization)和碼兀同步(symbolsynchronization)兩種。載波同步是在接收設備中產生一個和接收信號的載波同頻同相的本地震蕩，供給解調器作相干解調。當接收信號中包含離散的載頻分量時，在接收端需要從信號中分離出信號載波作為本地相干載波；這樣分離出的本地相干載波頻率必然和接收信號載波頻率相同，但是為了使相位也相同，可能需要對分離出的載波相位作適當調整。碼元同步又稱為時鐘同步。在接收數字信號時，為了對接收碼元抽樣判決，必須知道每個接收碼元準確的起止時刻。這就是說，在接收端需要產生與接收碼元嚴格同步的時鐘脈沖序列，用它來確定每個碼元的抽樣判決時刻。時鐘脈沖序列是周期性的歸零脈沖序列，其周期與接收碼元周期相同，且相位也與接收碼元的起止時刻對正。碼元同步技術則是從接收信號中獲取同步信息，使此時鐘脈沖序列和接收碼元起止時刻保持正確關系的技術。鎖相環(Phase-LockedLoop，PLL)是一類可以鎖定某一諧波分量的閉環負反饋系統，具有良好的鑒頻域鑒相特性。在通信系統的設計仿真與實際應用中，常常用來進行載波提取與時鐘的恢復。本實驗中將采用兩種載波提取鎖相環進行載波恢復：平方環與Costas環(同相正交環)。兩種鎖相環的結構框圖如圖6、7所示。圖6平方環結構框圖圖7同相正交環結構框圖

在接收數字信號時，為了在準確的判決時刻對接收碼元進行判決，必須知道接收碼元的準確起止時刻。為此需要獲得接收碼元起止時刻的信息，依據此信息產生一個碼元同步脈沖序列，即定時脈沖序列。在無輔助導頻的情況下，系統必須由信息序列的傳輸信號生成同步信號，這種方法稱為自同步法。自同步法要充分借助傳輸信號中的某些特性，其主要的方法又可以分為兩類。第一類是開環同步法，這類方法從接收信號中直接恢復出發送時鐘的副本。第二類方法稱為閉環同步法，這類方法自己產生本地時鐘，并比較本地時鐘與接收信號，利用反饋控制使本地時鐘鎖定到接收信號的“內在節拍”上。相比之下，閉環同步法更復雜，它生成的時鐘信號也更精確。非線性濾波同步法是一種常用的開環自同步法。這種方法的實質是現對信號進行非線性處理，使它在fR處存在沖激函數。s三、實驗系統組成本實驗是運用MATLAB軟件的集成開發工具Simulink搭建了一個BPSK(DPSK)的調制解調系統，從而對該系統進行仿真，分析其傳輸性能。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。Simulink環境下的系統仿真框圖如圖8所示。Scx>pe2-80■F z IntegerDelay2SoopelBernoulli■>In1Unipolarto

Bipolar

Converterrcosirei1.10,firsort,0.5,BernoulliBinary

GeneratorDifferential-code

SubsystemUnipolarto

Bipolar

ConverterB-FFTSpectrum

SoopelB-FFTDiscreteFilter1SineWavelIllLlJ<■B-FFTIntegerDelay1Spectrum

SoopeSl〔iiL|*B-FFTSpectrum

Soope4ProductiAWGNChannelAnalogFilterDesignScope3OutlOut2Out3CanierSynoronization

SubsystemScope4roo5ir€l1.10,:fic'sqrtsqrtjIOXz)DisoreteFilter2Discrete-TimeEyeDiagramSoopena：In，OvtiDisplay1-H++H-EZero-OrderHoldlB-FFTTransportZefo-Ord€<Hold2Scx>pe2-80■F z IntegerDelay2SoopelBernoulli■>In1Unipolarto

Bipolar

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Bipolar

ConverterB-FFTSpectrum

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SubsystemScope4roo5ir€l1.10,:fic'sqrtsqrtjIOXz)DisoreteFilter2Discrete-TimeEyeDiagramSoopena：In，OvtiDisplay1-H++H-EZero-OrderHoldlB-FFTTransportZefo-Ord€<Hold2ErrorRateCalculationSubsystemIn，OvtiErrorRateCalculationSubsystemAHPowerCalculation

Subsystemjnl.JdkTriggereoSubsystem^ourIMOut2Out3SymbolSynoromzationSubsystemSpectrum

Scope5*.TnggerecSubsystem1Spectrum

Scope€-Pulse

GeneratOfCDScopeS圖8系統整體仿真框圖實驗系統各部分組成如下。信源與差分編解碼部分。信道編碼部分(即平方根升余弦滾降濾波器)。信道傳輸部分。載波同步部分。

定時同步部分。定時判決部分。誤碼率計算部分。信號功率與信噪比計算顯示部分。圖9信源與差分編解碼部分仿真圖Intsgs-fDelsyS.rcc?5ins|/1,1fl."fif^rt^D.5,5)|zJsartflD)(z)DiscreteFilteil<4 |也1」E-FFTE-FFTSpectrumSccpelSpectrumSccp-ES圖10信道編碼部分(即平方根升余弦滾降濾波器)仿真圖SineWave圖11信道傳輸部分仿真圖圖12載波同步部分仿真圖圖13定時同步部分仿真圖D.D1105■l-r^t■(3utl 2k-|n7 r1S1EjtdjRateCalculationSubs>3temDisplay1圖15誤碼率計算部分仿真圖FA'YetCBlculaticnBubsystem四、實驗內容及步1、 啟動MATLAB6.5,打開文件BPSK_v6_l.mdl和SBPSK_v4_l.mdl文件。2、 單擊快捷工具欄中的圖標卜，或者單擊菜單欄中的Simulation—Start,開始進行仿真。3、 觀察各個SpectrumScope顯示的信號功率譜并記錄之，填畫與報告上。4、 雙擊各個示波器Scope，觀察各處信號時域波形并記錄之，填畫與報告上。5、根據第五項“實驗及報告要求”中的具體要求修改系統相關參數并記錄實驗結果。五、實驗及報告要求根據實驗指導書的內容，實驗報告要求內容為：實驗報告名稱、實驗目的、實驗器材、實驗同組人員、實驗日期、實驗簡要步驟及記錄，最后通過分析，完成思考題。噪聲功率0.050.10.120.140.20.3信噪比E/Nb 0誤碼率實驗記錄表格如下:實驗操作如下：⑴在觀察系統運行穩定后（建議使用SBPSK_v4_1.mdl）,雙擊打開AWGNChannel模塊K，選擇Mode為Variancefrommask。（2） 設置下面的Variance選項中的值分別為記錄表中的噪聲功率值（初始值為0.1）。（3） 每次設置好之后運行系統，找到PowerCalculationSubsystem模塊（圖16中有顯示），雙擊打開，模塊Display2中顯示即為E/N數值。b0（4） 系統運行一段時間后，記錄誤碼率計算部分（圖15所示）Display模塊顯示的誤碼率。注：每次運行時，務必要保證所測試碼元數目超過5000個，這樣才能測得穩定的誤碼率數值。每次修改參數時，要先單擊停止按鈕■或單擊菜單欄中的Simulation—Stop，之后再進行參數修改。六、思考題1、 BPSK通信系統中為什么要進行差分編碼？若發送信息碼元101,結合仿真系統中的差分編碼和解碼子系統（假設單位延遲寄存器的初始條件為0），分析差分編解碼過程。2、 系