二相BPSK(DPSK)调制解调实验

电子科技大学通信学院《通信原理及同步技术系列实验八》二相BPSK(DPSK)调制解调实验班级学生学号教师二相BPSK(DPSK)调制解调实验指导书二相BPSK(DPSK)调制解调实验一、实验目的1、掌握二相BPSK(DPSK)调制解调的工作原理。

2、掌握二相绝对码与相对码的变换方法。

3、熟悉BPSK(DPSK)调制解调过程中各个环节的输入与输出波形。

4、了解载波同步锁相环的原理与构成，观察锁相环各部分工作波形。

5、了解码间串扰现象产生的原因与解决方法，能够从时域和频域上分析经过升余弦滚降滤波器前后的信号。

6、掌握Matlab软件的基本使用方法，学会Simulink环境的基本操作与应用。

二、实验原理数字信号载波调制有三种基本的调制方式：幅移键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

它们分别是用数字基带信号控制高频载波的参数如振幅、频率和相位，得到数字带通信号。

PSK调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，它的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优于ASK幅移键控和FSK频移键控。

由于PSK调制具有恒包络特性，频带利用率比FSK高，并在相同的信噪比条件下误码率比FSK低。

同时PSK调制的实现也比较简单。

因此，PSK技术在中、高数据传输中得到了十分广泛的应用。

BPSK是利用载波相位的变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。

在BPSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。

其调制原理框图如图1所示，解调原理框图如图2所示。

图1 BPSK的模拟调制方式由于在BPSK 信号的载波恢复过程中存在着载波相位0 和180 的不确定性反向，所以在实际的BPSK 通信系统设计中，往往采用差分编解码的方法克服这个问题。

差分编解码是利用前后信号相位的跳变来承载信息码元，不再是以载波的绝对相位传输码元信息。

差分编解码的原理可用下式描述。

1n n n d b d -=⊕ 1ˆˆˆn n n b d d -=⊕ 其中第一个公式为差分编码原理，第二个公式为差分解码原理。

差分编码的原理框图如3图所示，差分解码的原理框图如4图所示。

在数字通信系统中，由于基带码元采用矩形波表示，其频谱是无限宽的，当信号通过实际的带限信道，频域截短，时域变为无限，产生码间串扰，为了克服码间串扰，需要对码元进行成形滤波。

实际应用中，大多采用升余弦滤波器作为成形滤波器。

滚降系数为α的升余弦滚降特性传输函数H (ω)可表示为：图2 BPSK 信号的解调原理框图图3 差分编码原理框图图4 差分解码原理框图0000000010(1)2(1)1()1cos (1)(1)42(1)0RC f f f f f H f f f f f f f f απααααα⎧≤≤-⎪⎪⎪⎧⎫⎡--⎤⎪⎪⎪⎣⎦=+-<≤+⎨⎨⎬⎪⎪⎪⎩⎭⎪⎪⎪>+⎩升余弦滚降信号在前后抽样值处的码间串扰为0，满足抽样值无失真传输条件，滚降系数α越小，则波形的振荡起伏就越大，但传输频带减小，对接收端的定时要求更严格；反之，α越大，则波形振荡起伏越小，但频带增加。

0α=时，升余弦滤波器变成了理想低通滤波器，此时信号的频带最窄；1α=时，升余弦滤波器的频带最宽，为理想低通滤波器的2倍。

所以，升余弦滚降滤波器是以频带的增加来换取码间干扰的减少。

对于特定的α值，升余滚降滤波器的时域波形如图5所示。

实际系统设计中，为了减小抽样定时脉冲误差带来的影响，滚降系数不能太小，通常选择0.2α≥。

而在高速数字传输系统中，还应该考虑频带利用率，故滚降系数α的范围一般为0.2~0.6；另外，在实际应用中，调制器端和解调器端分别选取根升余弦滤波器(SRRC)： ()()()T R G G H ωωω==其中()T G ω为发射滤波器，()R G ω为接受滤波器，若信道传输特性()1T C ω=，则可以满足无码间串扰的条件了。

在考虑信道特性不为1的情况下可以通过在接收端添加均衡器1/()T C ω，补偿信道特性。

图5 升余弦波形和对应的幅度频谱图6 平方环结构框图在通信系统中，特别是在数字通信系统中，同步（synchronization ）是一个非常重要的问题。

在BPSK(DPSK)通信系统中，同步包括载波同步（carrier synchronization ）和码元同步（symbol synchronization ）两种。

载波同步是在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地震荡，供给解调器作相干解调。

当接收信号中包含离散的载频分量时，在接收端需要从信号中分离出信号载波作为本地相干载波；这样分离出的本地相干载波频率必然和接收信号载波频率相同，但是为了使相位也相同，可能需要对分离出的载波相位作适当调整。

码元同步又称为时钟同步。

在接收数字信号时，为了对接收码元抽样判决，必须知道每个接收码元准确的起止时刻。

这就是说，在接收端需要产生与接收码元严格同步的时钟脉冲序列，用它来确定每个码元的抽样判决时刻。

时钟脉冲序列是周期性的归零脉冲序列，其周期与接收码元周期相同，且相位也与接收码元的起止时刻对正。

码元同步技术则是从接收信号中获取同步信息，使此时钟脉冲序列和接收码元起止时刻保持正确关系的技术。

锁相环（Phase-Locked Loop ，PLL ）是一类可以锁定某一谐波分量的闭环负反馈系统，具有良好的鉴频域鉴相特性。

在通信系统的设计仿真与实际应用中，常常用来进行载波提取与时钟的恢复。

本实验中将采用两种载波提取锁相环进行载波恢复：平方环与Costas 环（同相正交环）。

两种锁相环的结构框图如图6、7所示。

图7 同相正交环结构框图在接收数字信号时，为了在准确的判决时刻对接收码元进行判决，必须知道接收码元的准确起止时刻。

为此需要获得接收码元起止时刻的信息，依据此信息产生一个码元同步脉冲序列，即定时脉冲序列。

在无辅助导频的情况下，系统必须由信息序列的传输信号生成同步信号，这种方法称为自同步法。

自同步法要充分借助传输信号中的某些特性，其主要的方法又可以分为两类。

第一类是开环同步法，这类方法从接收信号中直接恢复出发送时钟的副本。

第二类方法称为闭环同步法，这类方法自己产生本地时钟，并比较本地时钟与接收信号，利用反馈控制使本地时钟锁定到接收信号的“内在节拍”上。

相比之下，闭环同步法更复杂，它生成的时钟信号也更精确。

非线性滤波同步法是一种常用的开环自同步法。

这种方法的实质是现对信号进行非线性处理，使它在s f R 处存在冲激函数。

三、实验系统组成本实验是运用MATLAB 软件的集成开发工具Simulink 搭建了一个BPSK(DPSK)的调制解调系统，从而对该系统进行仿真，分析其传输性能。

Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

Simulink 环境下的系统仿真框图如图8所示。

图8 系统整体仿真框图实验系统各部分组成如下。

(1) 信源与差分编解码部分。

(2) 信道编码部分（即平方根升余弦滚降滤波器）。

(3) 信道传输部分。

(4) 载波同步部分。

(5)定时同步部分。

(6)定时判决部分。

(7)误码率计算部分。

(8)信号功率与信噪比计算显示部分。

图9 信源与差分编解码部分仿真图图10 信道编码部分（即平方根升余弦滚降滤波器）仿真图图11 信道传输部分仿真图图12 载波同步部分仿真图图13 定时同步部分仿真图图14 定时判决部分仿真图图15 误码率计算部分仿真图图16 信号功率与信噪比计算显示部分仿真图四、实验内容及步骤1、启动MATLAB 6.5，打开文件BPSK_v6_1.mdl和SBPSK_v4_1.mdl文件。

2、单击快捷工具栏中的图标，或者单击菜单栏中的Simulation→Start，开始进行仿真。

3、观察各个Spectrum Scope显示的信号功率谱并记录之，填画与报告上。

4、双击各个示波器Scope，观察各处信号时域波形并记录之，填画与报告上。

五．根据第五项“实验及报告要求”中的具体要求修改系统相关参数并记录实验结果。

五、实验及报告要求根据实验指导书的内容，实验报告要求内容为：实验报告名称、实验目的、实验器材、实验同组人员、实验日期、实验简要步骤及记录，最后通过分析，完成思考题。

实验记录表格如下：实验操作如下：(1) 在观察系统运行稳定后（建议使用SBPSK_v4_1.mdl ），双击打开AWGN Channel 模块，选择Mode 为Variance from mask 。

(2) 设置下面的Variance 选项中的值分别为记录表中的噪声功率值（初始值为0.1）。

(3) 每次设置好之后运行系统，找到Power Calculation Subsystem 模块（图16中有显示），双击打开，模块Display 2中显示即为0/b E N 数值。

(4) 系统运行一段时间后，记录误码率计算部分（图15所示）Display 模块显示的误码率。

注：每次运行时，务必要保证所测试码元数目超过5000个，这样才能测得稳定的误码率数值。

每次修改参数时，要先单击停止按钮或单击菜单栏中的噪声功率0.05 0.1 0.12 0.14 0.2 0.3 信噪比0/b E N 10.557.664 6.977 6.405 5.285 4.617 误码率0 0.006241 0.009826 0.01149 0.0171 0.03182Simulation→Stop，之后再进行参数修改。

六、思考题1、B PSK通信系统中为什么要进行差分编码？若发送信息码元101，结合仿真系统中的差分编码和解码子系统（假设单位延迟寄存器的初始条件为0），分析差分编解码过程。

减小传输运输中带来的误差。

2、系统中的平方根升余弦滚降滤波器的作用是什么？从频域上看，经过升余弦滚降滤波器前后的信号有什么差别？保证信号经过传输后，整个波形发生了变化后，但只要保证其特定的抽样点不变，那么用再次抽样的方法，仍然可以准确无误地恢复原始信号。

关于X轴对称。

3、分别比较使用Costas环与平方环进行载波提取的系统，分析两者异同。

Costas环与平方环都是利用锁相环提取载波的.在AWGN噪声下，利用平方环和Costas提取DSB-SC调制信号的载波是可行的.Costas环与平方环相比，虽然在电路上要复杂一些但它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率则是载波频率的2倍.显然，当载波频率很高时，工作频率较低的Costas环易于实现，并且Costas较平方环而言具有更强的抗噪声能力.但平方环结构较科斯塔斯环简单，因此当条件受限且输入载波频率较低时可采用平方环。

七、参考文献1、《现代通信原理》曹志刚、钱亚生编，清华大学出版社，1992年8月。

2、《数字通信原理》徐台松、李在铭编，电子工业出版社，1991年8月。