数字调制解调实验

武汉大学教学实验报告

电子信息学院 ** 专业 2016 年 ** 月 ** 日 实验名称 数字调制解调实验 指导教师 *** 姓名 *** 年级 14级 学号 20143012***** 成绩

一、 预习部分 1. 实验目的 2. 实验基本原理 3. 主要仪器设备（含必要的元器件、工具） 一． 实验目的 1．掌握FSK（ASK）调制器的工作原理及性能测试； 2．掌握FSK（ASK）锁相解调器工作原理及性能测试； 3. 学习基于软件无线电技术实现FSK（ASK）调制、解调的实现方法。 4. 掌握PSK DPSK调制解调的工作原理及性能要求； 5. 进行PSK DPSK调制、解调实验，掌握相干解调原理和载波同步方法； 6. 理解PSK相位模糊的成因，DSPK实现方法。 7．掌握多进制调制的方法； 8．掌握QPSK调制特性，了解QPSK解调方法。 二． 实验基本原理 实验一：ASK/FSK调制解调 数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗群时延性能较强，因此在无线中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。 （一）FSK调制电路工作原理 FSK的调制模块采用了可编程逻辑器件和D/A转换器件的软件无线电结构模式，由于调制算法采用了可编程的逻辑器件完成，因此该模块不仅可以完成ASK，FSK调制，还可以完成PSK，DPSK，QPSK，OQPSK等调制方式。不仅如此，由于该模块具备可编程的特性，学生还可以基于该模块进行二次开发，掌握调制解调的算法过程。在学习ASK，FSK调制的同时，也希望学生能意识到，技术发展的今天，早期的纯模拟电路调制技术正在被新兴的技术所替代，因此学习应该是一个不断进取的过程。 图1 FSK调制电路原理框图

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图1中，基带数据时钟和数据，通过JCLK和JD两个铆孔输入到可编程逻辑器件中，由可编程逻辑器件根据设置的工作模式，完成ASK或FSK的调制，因为可编程逻辑器件为纯数字运算器件，因此调制后输出需要经过D/A器件，完成数字到模拟的转换，然后经过模拟电路对信号进行调整输出，加入射随器，便完成了整个调制系统。 在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入码流的变化而切换（称为高音和低音，代表二进制的1 和0）。通常，FSK 信号的 表达式为： 其中Δf 代表信号载波的恒定偏移。 FSK 的信号频谱如图2 所示。 图2 FSK 的信号频谱 FSK 信号的传输带宽Br，由Carson 公式给出：,其中B 为数字基带信号的带宽。假设信号带宽限制在主。 瓣范围，矩形脉冲信号的带宽B=R。因此，FSK 的传输带宽变为：（二）FSK解调电路工作原理 图3 FSK锁相环解调器原理示意图 FSK解调采用锁相解调，锁相解调的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频上，此时对应的环路滤波器输出电压为零，而对另一载频失锁，则对应的环路滤波器输出电压不为零，那末在锁相环路滤波器输出端就可以获得原基带信号的信息。FSK锁相环解调器原理图如图3所示。FSK锁相解调器采用集成锁相环芯片MC4046。其中，压控振荡器的频率是由5C2.5R3.5R4.5U3等元件参数确定，中心频率设计在32KHz左右，并可通过调节5U3电位器进行微调。当输入信号为32KHz时，环路锁定，经形成电路后，输出高电平；当输入信号为16KHz时，环路失锁，经形成电路后，输出低电平，则在解调器输出端就得到解调的基带信号序列。 实验二：PSK/DPSK调制解调 1.PSK、DPSK调制电路工作原理 PSK/DPSK调制有“信道编码与频带调制”模块完成，该模块基于FPGA和DA芯片，采用软件无线电的方式实现频带调制。考虑到PSK调制存在相位模糊问题，模块可对输入的基带信号进行相对码和绝对码转换。PSK，DPSK调制原理框图如下如所示：

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图4 PSK、DPSK调制电路原理框图 图4中，基带数据JD和时钟JCLK，通过4P5和4P6两个铆孔输入到FPGA中，FPGA软件完成PSK和DPSK的调制后，再经DA数模转换即可输出相位键控信号。 2．相位键控解调电路工作原理 二相PSK(DPSK)解调器电路采用科斯塔斯环(Constas环)解调，其原理如图5所示。 图5 解调器原理方框图 1）解调信号输入电路 输入电路由射随器和比较器组成，射随器是为了发送（调制器）和接收（解调器）电路之间的隔离，从而使它们工作互不影响。比较电路是将正弦信号转换为脉冲信号，目的是便于控制科斯塔斯特环中的乘法器。由于跟随器电源电压为5V，因此输入的PSK已调波信号幅度不能太大，一般控制在1.8V左右，否则会产生波形失真。 2）科斯塔斯环提取载波原理（原理中标号参见原理图） PSK采用科斯塔斯特环解调，科斯塔斯特环方框原理如图6所示。 图6 科斯塔斯特环电路方框原理如图 解调输入电路的输出信号被加到模拟门5U6C和5U6D构成的乘法器，前者为正交载波乘法器，相当于图10-3中的乘法器2，后者为同相载波乘法器，相当于框图中乘法器1。5U7A,5U7B周边电路为低通滤波器。5U8，5U9为判决器，它的作用是将低通滤波后的信号整形，变成方波信号。PSK解调信号从5U8的7脚经5U11B.C两非门后输出。异或门5U10A起模2加的作用，5U11E为非门,若5U10A两输入信号分别为A和B，因（A、B同为0除外，因A与B正交，不会同时为0）因此异或门与非门合在一起，起乘法器作用，它相当于图10-3框图中的乘法器3。5U12为压控振荡器（VCO），74LS124为双VCO，本电路仅使用了其中一个VCO，环路滤波器是由5R26.5R29.5C20组成的比例低通滤波器，VCO控制电压经环路低通滤波器加到芯片的2脚，5C19为外接电容，它确定VCO自然谐振频率。5U13数字电位器用于频率微调，5D02，5E2用来稳压，以便提高VCO的频率稳定度。VCO信号从7脚经5C21输出至移相90º90º移

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相电路若用模拟电路实现。则很难准确移相90º，并且相移随频率改变而变化。图10-2电路中采用数字电路实现。非门5U11F，D触发器5U14A.B及周围电路组成数字90º移相器。由于D触发器有二分频作用。所以VCO的锁定频率应为2fc，即VCO输出2048KHZ方波，其中一路直接加到5U14A D触发器，另一路经5U11F反相再加到5U11B D触发器，两触发器均为时钟脉冲正沿触发，由于38U08A的与两D触发器的D端连接。而D触发器Q端输出总是为触发时钟到来前D端状态，根据触发器工作原理和电路连接关系，数字90º移相电路的相位波形图如7 图7 90度数字移相器的波形图 从图看出，载波一超前载波二90度，并且频率为1024KHZ，因此载波一为同相载波，载波二为正交载波。 由于科斯塔斯特环存在相位模糊，解调器可能会出现反向工作。 实验三：QPSK/OQPSK调制解调 1.QPSK 调制解调 BPSK 是用两种相位(0,π)来表示两种信息，而四相移相键控（QPSK）是利用载波的四个不同相位来表征数字信息，每一个载波相位代表两个比特的信息。因此对于输入的二进制数字序列应该先进行分组。将每两个比特编为一组，采用相应的相位来表示。当初始相位取0 时，四种不同的相位为：0, π/2, π,3π/2 分别表示数字信息：11、01、00、10；当初始相位为π/4时，四种不同的相位为：π/4、3π/4、5π/4、7π/ 4分别表示11、01、00、10。这两种QPSK 信号可以通过图8的矢量图来表征。 图8 QPSK信号的矢量图表示 QPSK信号可以表示为：上式可以得到QPSK正交调制器的方框图，如图9所示。 ，其中I(t)称为同相分量，Q(t)称为正交分量。根据 图9 QPSK系统调制器原理框图 从图9可以看出，QPSK调制器可以看作为两个BPSK调制器构成，输入的二进制信息序列经过串并转换，分成两路速率减半的序列I(t)和Q(t)，然后对cosωt和sinωt进行调制，相加后即可得到QPSK信号。经过串并变换之后的两个支路，一路为单数码元，另一路是偶数码元，这两个支路为正交，一个称为同相支路，即I支路，另一个称为正交支

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路，即Q支路。 QPSK信号可以采用两个正交的载波信号实现相干解调。通过载波恢复电路，产生相干载波，分别将同相载波和正交载波提供给同相支路和正交支路的相关器，经过积分、判决和并串转换，即可恢复原来的二进制信息。QPSK解调框图如图10所示。 图10 QPSK相干解调框图 2. OQPSK调制解调原理 偏移四相相移键控（OQPSK）是另外一种四相相移键控。将QPSK调制框图中的正交支路信号偏移TS/2，其他不变，即可得到OQPSK 信号。将正交支路信号偏移TS/2 的结果是消除了已调信号中突然相移π的现象。每个TS/2 信号只可能发生±π/2 的变化。QPSK 和OQPSK信号的相位转移图如图11所示。 图11 相位转移图 如上图所示，采用OQPSK 调制后，相位转移图中的信号点只能沿着正方形四边移动，故相位只能发生π/2 的变化。相位跳变小，所以频谱特性要比QPSK 的好。 图12 OQPSK调制器和相干解调器框图 三． 主要仪器设备 1． RZ9681实验平台 2．实验模块： ● 主控模块 ● 基带信号产生与码型变换模块A2 ● 信道编码与频带调制模块A4 ● 纠错译码与频带解调模块A5 3．100M双通道示波器 4．PC机（二次开发） 二、 实验操作部分

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1. 实验数据、表格及数据处理 2. 实验操作过程（可用图表示） 3. 实验结论 一． 实验数据、表格及数据处理 实验一：ASK/FSK调制解调 a.基带数据设置与观测 b.ASK调制信号观测 c.载波频率为16kHz d.载波频率为20kHz e.载波频率为48kHz f.全0时信号频率32kHz g.全1时信号频率16kHz h.FSK调制信号时域观测 i. FSK调制信号频域观测 j. FSK解调观测 实验二：PSK/DPSK调制解调

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k.DPSK调制信号观测 l.DPSK解调 m.相位反转 实验三：QPSK/OQPSK调制解调 n.QPSK调制相位观察 o.OQPSK调制相位观察 二． 实验操作过程 * 测量点说明 1.主控模块 4.纠错译码与频带解调模块 2.基带产生与码型变换模块 5P1：解调信号输入 2P1：基带数据输出； 5P6：解调数据输出 2P3：基带时钟输出； 5TP3：本地载波输出 3.信道编码与频带调制模块 5. 信道编码与调制模块状态指示 4P5：调制数据输入； 6.纠错译码与解调模块状态指示 4P6：调制数据时钟输入； 4P9：FSK（ASK）调制输出； 实验一：ASK/FSK调制解调 1.实验模块在位检查 在关闭系统电源的情况下，确认下列模块在位： ● 基带产生与码型变换模块A2； ● 信道编码与频带调制模块A4； ● 纠错译码与频带解调模块A5； 2.信号线连接： 用鼠标在液晶上选择“数字调制解调实验”中“ASK/FSK调制解调”，按图连线。 注：流程图中： “基带设置”用于改变调制数据 “载波频率”用于改变FSK调制的中心频率，默认fc=24KHZ,； “频率分离”用于改变FSK频偏，默认Δf=8KHZ；

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3.加电 打开系统电源开关，A2.A4和A5模块右上角红色电源指示灯亮，几秒后A2.A4和A5模块左上角绿色运行指示灯开始闪烁，说明模块工作正常。若两个指示灯工作不正常，需关电查找原因。 4.ASK调制信号观察： 选择ASK实验，按图9-5连接线路，示波器一个通道测基带信号2TP1，并用基带信号作示波器同步源；用示波器另一个通道观测研究4TP9调制信号，分析ASK调制信号特性； 5.FSK两个载波观察： 按图9-4上“基带设置”按钮，基带码型选“16位设置数据”，分别设置成全“1”和全“0”，用示波器观测4TP9，读出信号频率；调整“载波频率”和“频率分离”再观测4TP9载波信号； 6.FSK调制信号观察： 在实验步骤5的基础上，改变基带信号（随机码或16位设置数据，速率2K），示波器一个通道测基带信号2TP1，并用基带信号作示波器同步源；用示波器另一个通道观测研究4TP9调制信号，分析FSK调制信号特性； 7.FSK解调 接实验步骤6，示波器一个通道测4TP5（作同步源），另一通道测解调信号5TP6，左右旋转模块右下角编码开关，使5TP6的信号和4TP5信号基本一致即实现FSK（ASK）解调； 8.基带速率与FSK调制带宽 改变基带信号速率为4K或8K，按实验步骤7，观测FSK能否解调 9.关机拆线： 实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放实验附件。 实验二：PSK/DPSK调制解调 1.实验模块在位检查 在关闭系统电源的情况下，确认下列模块在位： ● 基带产生与码型变换模块A2； ● 信道编码与频带调制模块A4； ● 纠错译码与频带解调模块A5； 2.信号线连接： 用鼠标在液晶上选择PSK调制解调实验，按图连接信号线 注：流程图中： “基带设置”用于改变调制数据 “载波频率”用于改变PSK调制的载波频率，默认fc=1024KHZ；旋转频率度盘可以改变载波频率； 解调输出选择：PSK科斯塔斯特环中只有PSK和本地载波同相或反相的那路才能解出基带数据，正交的那路不能解出基带数据，实验时我们可以用鼠标点击环路左侧的两个乘号选择进入抽样判决电路的信号； 相位模糊观测：鼠标点击“VCO”按钮，相干载波会反相，输出数据也会反相 3.加电 打开系统电源开关，A2.A4和A5模块右上角红色电源指示灯亮，几秒后A2.A4和A5模块左上角绿色运行指示灯开始闪烁，说明模块工作正常。若两个指示灯工作不正常，需关电查找原因。 4.PSK或DPSK调制信号观察 设置基带数据为随便机码或设置数据，用示波器一个通道观测基带数据4TP5，用4TP5信号作同步；另一个通道观测PSK调制信号4TP9。研究PSK或DSPK载波相位和基带的对应关系； 5.PSK解调 用示波器一个通道观测基带数据4TP5，用4TP5信号作同步；另一个通道观测PSK解调信号5TP6，左右旋转模块右下角编码开关，使5TP6的信号和4TP5信号基本一致即实现PSK（DPSK）解调； 如果旋转编码开关不起作用，可切换相干解调的另一路作为解调输出（方法见图10-5注）。

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判决信号观察：用示波器一个通道观测基带数据4TP5，用4TP5信号作同步；另一个通道观测5TP2，左右旋转模块右下角编码开关，使5TP2的信号最清晰；这时用观测5TP2的通道测5TP6，看解调输出是否正常； 6.PSK相位模糊观察 PSK解调时如果本地载波和调制信号反相，则输出的基带数据也会反相，这就是相位模糊。实验时我们用示波器一个通道观测基带数据4TP5，用4TP5信号作同步；另一个通道观测5TP6，正常解调时观察两个通道信号是否反相，如果反相说明有相位模糊，可通过改变载波相位消除相位模糊（方法见图10-5注）。 7.DPSK调制解调 采用DPSK调制解调时，输入的基带数据首先进行相对码转换，解调完后再转成绝对码，实验方法同4和5，点击“VCO”按钮，观测5TP6和4TP5相位关系； 8.（D）PSK信道误码测试，点击图10-6右上解“！”图标，系统可调出误码仪功能，如图： 选择误码仪，设置码型、速率等，将5P6解调数据输出到2P8误码数据输入，启动误码测试（见第一部分模块介绍中误码仪使用）， 实验三：QPSK/OQPSK调制解调 1.实验模块在位检查 在关闭系统电源的情况下，确认下列模块在位： ● 基带产生与码型变换模块A2； ● 信道编码与频带调制模块A4； ● 纠错译码与频带解调模块A5； 2.信号线连接： 用鼠标在液晶上选择PSK调制解调实验，按图连接信号线 注：流程图中： “基带设置”用于改变调制数据 “载波频率”用于改变PSK调制的载波频率，缺省fc=128KHZ；旋转频率度盘可以改变载波频率； 3.加电 打开系统电源开关，A2.A4和A5模块右上角红色电源指示灯亮，几秒后A2.A4和A5模块左上角绿色运行指示灯开始闪烁，说明模块工作正常。若两个指示灯工作不正常，需关电查找原因。 4.QPSK调制相位观察 用示波器一个通道观测基带数据4TP5，并用该通道作同步；另一个通道观测4TP9。在示波器上观测QPSK相位跳变； 5.OQPSK调制相位观察 用示波器一个通道观测基带数据4TP5，并用该通道作同步；另一个通道观测4TP9。在示波器上观测OQPSK相位跳变； 6.关机拆线 实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块和附件。 三． 实验结论 分析FSK输出数字基带信号序列与发送数字基带信号序列相比有否产生延迟，这种解调方式在什么情况下会出现解调输出的数字基带信号序列反向的问题? 有稍许延时，原理为机器运转时数据传送产生的延时。解调时，恢复载波接反会导致解调输出的数字基带信号序列反向。 三、 实验效果分析（包括仪器设备等使用效果） 本次实验让我知道了FSK、ASK、PSK、DPSK、QPSK、OQPSK调制电路的工作原理。FSK的关键是采用锁相解调。输

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出数字基带信号序列与发送数字基带信号序列相比有产生延迟。当使用了相位调制方式的话，解调输出的数字基带信号序列可能出现反向的问题。这个现象叫做相位模糊，需要用特殊的约定内容或者差分的方法进行解决。QPSK、OQPSK 调制解调电路的差异：一般认为，和QPSK相比，由于OQPSK调制信号没有180度相位突变，采用OQPSK调制方式可以降低信号的峰均功率比，但却不仅无助于频谱扩散指标的改善，反而导致频谱扩散指标的轻度恶化。 实验中需要注意一点就是：在FSK解调时，数字基带信号的频率与载频的频率应满足一定的关系，以免频谱重叠，此时FSK解调电路解调不出数字基带信号。 四、 教师评语 指导教师 年 月 日