二相PSK(DPSK)调制实验

二相PSK（DPSK）调制实验 一、实验目的 1．掌握二相PSK（DPSK）调制的工作原理及电路组成。 2．了解载频信号的产生。 3．掌握二相绝对码与相对码的码变换方法。 二、预习要求 认真预习《通信原理》中关于PSK调制有关章节的内容。 三、实验仪器仪表 （一）实验仪器仪表 1．+5V、+12V、-12V三路稳压电源；    一台 2．二踪示波器；                            一台 3．三用表；                                一台 4．电子与通信原理实验系统实验箱        一台 （二）集成电路芯片介绍 1．4066四双向模拟开关 ①典型参数：a、导通电阻Ron≤500Ω b、截止电阻Roff≥50MΩ c、每路间偏差小于50Ω ②外引线排列图                                    ③逻辑排列图 2、LM318运算放大器外引线排列图        3、LM311单比较器外引线排列图 四、实验电路工作原理 在本实验中，绝对移相键控（PSK）是采用直接调相法来实现，也就是用输入的基带信号直接控制已输入载波相位的变化来实现相位键控。 （一）电路组成 图8-1是本实验系统二相PSK（DPSK）调制器电路框图。 图8-2是本实验系统二相PSK（DPSK）调制器电原理图。 （二）电路基本工作原理 众所周知，数字相位调制又称为移相键控。它是利用载波相位的变化来传递数字信息的。通常又可把它分成绝对移相与相对移相两种方式。本实验是采用绝对移相方式，所谓绝对移相就是利用载波不同相位的绝对值来传递信息。那么，怎样才能让载波不同相位的绝对值来传递数字信息呢？如果让所需传输的数字基带信号控制载波相位改变，而载波的振幅和频率都不变，那么就得到载波的相位发生变化的已调信号，我们把这种调制方式称为数字相位调制。即移相键控PSK调制。 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先于ASK移幅键控和FSK移频键控。因此，PSK技术在中、高速数据传输中得到了十分广泛的应用。本实验采用的是二相PSK调制，其它还有四相移键控（QPSK）、八相移相键控（8PSK）、正交部分响应（QPRS）、十六进制正交调幅（16QAM）等。 设在二相调制情况下，某一数字基带信号的码元时隙传送消息为“1”时，发送相位为0o的振荡信号。 （8-1） 传送消息“0”时，发送相位为180°的振荡信号： （8-2） 当设 时： 图8-1 二相PSK（DPSK）调制器电路框图 图8-2  PSK调制电路原理图 （8-3） （8-4） 当传送消息为一随机序列时，例如话音信号经过编码后的数字信号或其它数据信号，则传送的调相信号也相应的为一随机的振荡序列，其相位与传送消息相对应，如图8-3所示。 图8-3  二相PSK调制信号波形 下面对图8-2中的电路作一分析： 1．内载波发生器 电路如图8-4所示。 图8-4  1MHz内载发生器 从电路中可知，来自信号发生器实验的1.024MHz方波信号输入至开关K304，经过耦合电容C301，由U301（LM311）、L301（330uH）、C302（10pf）、C303（7~27pf）可调电容、R301（820Ω）、W301（100KΩ）精密可调电位器，组成反相预算变换器，将1.024MHz的方波信号变换成1.024MHz的正弦波信号，其中调节W301可改变输出信号的幅度，调节L301、C303可改变输出信号的频率。由BG301（3DG6）等元件组成的是射随器电路，它起隔离作用。 2．载波倒相器 模拟信号的倒相通常采用运放作倒相器，在本实验电路中，如图8-2所示，电路由U304（LM318）、R304（10KΩ）、W302（100KΩ）组成，来自1.024MHz载波信号经电阻R304输入到高速运放LM318的反相输入端2脚，在运放的输出端即可得到一个反相的载波信号，即π相载波信号。为了使后面的合路后的0相载波与π相载波的幅度相等，在载波倒相器电路中加了增益调整电位器W302。 3．信码反相器 由U305：C（74LS04）组成。 4．模拟开关相乘器 对载波的相移键控是用乘法器来实现的，常用的乘法器有环行调制器、模拟乘法器集成电路以及模拟开关电路等，本实验采用的是模拟开关4066作乘法器，电路如图8-2右半部分。 从前面的芯片介绍中可知，4066是一种4路双向模拟开关，其中每一路引脚互相独立。 使用该芯片时应注意几点： （1）、对控制输入电压的要求： 使用该芯片时，4066的控制输入电压满足 VSS≤VCON≤VDD 否则会导致芯片的损坏。 （2）、对输入、输出信号的要求 使用这种双向模拟开关时，必须要求输入信号电平VIS或输出端的信号电平VCS不能超越电源电压范围（-VSS～+VDD）否则会大大降低模拟开关的断开电阻和大大增加模拟开关的导通电阻，使开关不能正常工作，同时还会引起芯片内部的可控硅效应，或损坏模拟开关电路。 4066的导通电阻RON≤500Ω 截止电阻ROFF≥50MΩ 每路间偏差小于50Ω。 （3）、对传输信号的要求 当传输交流信号时，应采用双电源供电，一般情况下也可采用单电源供电方式，本实验电路中，采用+5V、-5V的双电源供电方式。 （4）、对芯片内不用开关的处理 从图8-2电路原理图可知 在本实验单元电路中，只用了两个模拟开关，故还有两个模拟开关没有用到，此时应把其余没有用到的模拟开关控制端接到VSS或VDD上，否则在悬空状态下有可能受到高压静电感应而击穿芯片内部电路，导致永久性损坏。关于这点，在电路时应考虑到。 下面再作详细分析    4066多路多向模拟开关在本实验电路中的工作原理。从图可知。0相载波与π相载波分别加到模拟开关1：U302：A（4066）的输入端（1脚）、模拟开关2：U302：B（4066）的输入端（11脚），在数字基带信号的信码中，它的正极性加到模拟开关1的输入控制端（13脚），它反极性加到模拟开关2的输入控制端（12脚）。用来控制两个同频反相载波的通端。当信码为“1”码时，模拟开关1的输入控制端为高电平，模拟开关1导通，输出0相载波，而模拟开关2的输入控制端为低电平，模拟开关2截止。反之，当信码为“0”码时，模拟开关1的输入控制端为低电平，模拟开关1截止。而模拟开关2的输入控制端却为高电平，模拟开关2导通。输出π相载波，两个模拟开关的输出通过载波输出控制开关K305合路迭加后输出，即为二相PSK调制信号，波形如图8-5所示。 图8-5 模拟开关乘相器工作波形 在数据传输系统中，由于相对移相键控调制具有干抗干扰噪声能力强，在相同的信噪比条件下，可获得比其它调制方式（例如：ASK、FSK）更低的误码率，因而这种方式广泛应用在实际通信系统中。 DPSK调制是采用码型变换法加绝对调相来实现，即把数据信息源（如：伪随机码发生器输出的伪随机码序列、增量调制编码器输出的数据信号或脉冲编码调制PCM编码器输出的数字信号）作为绝对码序列｛an｝，通过差分编码器变成相对码序列｛bn｝，然后再用相对码序列｛bn｝，进行绝对移相键控，此时该调制的输出就是DPSK已调信号。 图8-6是绝对与相对码转换电路。 图8-6 绝对与相对码转换电路 上面已对绝对移相作了分析，那么相对移相的含义是什么？ 所谓相对移相，就是利用载波相位的相对值来传递信息，也就是利用前后码元载波相位的相对变化来传递信息，所以也称为“差分移相”。“绝对移相”的原理提出还是比较早的，然而由于技术实现上的困难，一直未能在实际系统中推广应用，只是后来提出了“相对移相”后，才使移相键控付诸于实现。理论分析和实际试验：在恒参信道下，移相键控比振幅键控、频率键控，不但具有较高的抗干扰性能，而且可更经济有效地利用频带。所以说它是一种比较优越的调制方式，因而在实际中得到广泛的应用。 在绝对相移方式，由于发端是以两个可能出现的相位之中一个相位作基准的。因而在收端也必须有这样一个相同的基准相位作参考，如果这个参考相位发生变化（0相变π相或π相变0相），则恢复的数字信息就会发生0变1或1变0，从而造成错误的恢复。在实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能发生的，而且在通信过程中不易被发现。如，由于某种突然的骚动，系统中的触发器可能发生状态的转移，锁相环路稳定状态也可能发生转移，等等，出现这种可能时，采用绝对移相就会使接收端恢复的数据极性相反。如果这时传输的是经增量调制的编码后话音数字信号，则并不影响话音的正常恢复，只是在相位发生跳变的瞬间，有噪声出现。但如果传输的是计算机输出的数据信号，这将会使恢复的数据面目全非，为了克服这种现象，通常在传输数据信号时采用二相相对移相（DPSK）方式。 DPSK是利用前后相邻码元对应的载波相对相移来表示数字信息的一种相移键控方式。 设载波相对相移用△φ表示，（△φ定义为本码元初相与前一码元初相之差），而且： △φ=π时，表示数字信息“1”。 △φ=0时，表示数字信息“0”。 则数字信息序列与DPSK信号的相位关系可举例说明如下： 数字信息序列：  0011100101 DPSK信号相位：000π0πππ00π 第一个“0”为基准相位。 BPSK波形与DPSK波形如图8-7所示： 图8-7  PSK DPSK编码波形 DPSK信号的产生，通常是将输入信息码（绝对码）经过转码器变成相对码，再去进行二相相移键控来实现。图8-8中若将转码器短路，则为二相绝对相移键控电路，若接入转码器则为二相相对相移键控电路，在接收端，解调器后也应加入相应的反转码器，接收DPSK信号时需接入转码器，接收BPSK信号时，则不接转码器。 图8-8  PSK与DPSK系统组成 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（差分码）是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。 图8-9（a）是差分编制器电路，可用模二加法器延时器（延迟一个码元宽度Tb）来实现这两种码的互相转换。 图8-9（a） 差分编码器电路  设输入的绝对码an为1110010码，则经过转码器后输出的相对码bn为1011100，即 。 图8-9（b）是它的工作波形图。 图8-9（b）工作波形 在图8-2电路中，按键SW301的作用，用来将D触发器Q端输出置“1”。因为加电后D触发器Q端的初始状态是随机的，可能为“1”，也可能为“0”，另外在工作过程中，受到外部干扰，也会发生状态的转换，为了观察波形时得到统一的结果，我们设置SW301，使Q端置1。在观察转码器输出波形之前，先按下SW301，使Q端置1。 五、实验内容 （一）二相PSK调制器 用内载波发生器产生的信号作输入载波信号来观察TP301~TP309各测量点的波形。 （二）二相DPSK调制器，加入差分编码器电路来传输二相DPSK信号，重做上述内容。 六、实验步骤及注意事项 1．看清楚本次实验电路的元器件在实验箱的分布结构。 2．+5V、-5V、+12V、-12V工作。 3．按下按键开关K2、K3、K100、K300、K700。 4．按一下“开始”与“PSK”功能键，显示代码“5”。 5．跳线开关设置：K1011-2、K3041-2或K3042-3、K3011-2、K3021-2或K3022-3或K3024-5或K3025-6、K3031-2与K3033-4。 6．跳线开关设置功能如下： K3021-2：伪随机码，码序列为1110010，速率为32KHz的绝对码。 K3022-3：伪随机码，码序列为1110010，速率为32KHz的相对码。 K3023-4：128KHz方波，码序列为1010码。 K3025-6：64KHz方波，码序列为1100码。 K3041-2：1.024MHz方波，作为载波输入。 K3042-3：512KHz方波，作为载波输入。 7．做二相PSK实验时，必须把开关K302的1脚 与2脚相连接。做二相DPSK实验时，必须把开关K302的2脚与3脚相连接。 8．PSK调制系统各点波形见图8-10所示，该图只是简要说明。 TP304：K3041-2时，载频为1024KHz方波。 K3042-3时，载频为512KHz方波。 TP302：载频为1024KHz或512KHz的正弦波。 TP303：波形同TP302，但波形反相。 TP304：32KHz方波。 TP305： K3011-2时，由CPU控制决定的32KHz的伪随机码波形。 K3012-3时，来自增量调制编码电路的输出数字信号。 TP306： K3021-2时，绝对码输入至PSK调制电路。 K3022-3时，相对码输入至PSK调制电路。 K3024-5时，128KHz方波输入至PSK调制电路。即1010码。 K3025-6时，64KHz方波输入至PSK调制电路。即时1100码。 TP307：PSK调制第一路（0相）输出波形，当开关K303都断开时。 TP308：PSK调制第二路（π相）输出波形，当开关K303都断开时。 TP309：当开关K303都合上时，即K3031-2相连、K3033-4相连时，则为PSK调制信号输出。 图8-10  PSK调制电路各测量点波形图 七、实验讨论思考题 1．当改变W303，使“π相载波”点输出正弦波幅度为零时，调制器输出波形怎样？是否还是调相波，为什么？ 2．基带信码去控制两个模拟开关时，为什么其中一个控制信码要经过反相？如果不进行反相，而用同一个基带信码控制两个模拟开关，去调制两个互相倒相的载波，则迭加后结果如何？ 3．调节W301会改变载波幅度的大小，在TP302测量点，为什么载波幅度增大到一定程度时会出现波形失真。 4．DPSK波形与载波幅度、基带信码有何关系？PSK与DPSK从波形上来看是无法分辩的，那么，它们到底又有何不同？ 5．设给定一码组1011001110010，试画出对这个码组进行DPSK调制的波形。 八、实验要求 1．根据实验结果，作出DPSK已调信号的波形。 2．简述DPSK调制电路的工作原理及工作过程。 3．画出二相PSK调制器详细框图，并简述其工作过程。 4．根据实验测试记录（波形、频率、相位、幅度以及时间对应关系）依次画出调制器各测量点的工作波形，并给以必要的说明。