4相差分相移键控系统实验的开发及应用

[1 -
1 erfc ( 2
( r 2) ) ] 2
其中 r= A
2
2 2Ρn 为定义信噪比, A 为 4D PSK 信号的幅
方波) , 也用 f 0 表示; 载波 co s ( 2Π f 0 t+ Π 4 ) 用 f 0Π 4 表 示, 余类推; ( 8 ) 时钟 sin2Π f b t ( 或对应方波) , 也用 f b 表示, 余类推。
[ 1 ] 樊昌信等. 通信原理 ( 第 4 版) [M ]. 北京: 国防工业出版社 . 1996. [ 2 ] 许姜南. 数字逻辑电路 [M ]. 南京: 东南大学出版社 . 1998.
3 实验内容
实验所用的仪表有脉冲信号发生器, 多路直流稳 压电源, 数字频率计, 双踪示波器, 误码测试仪, 白噪声 发生器, 交流有效值电压表。
相法, 是一种经典方法。 而且在坐标式中把 I ( t) 对应于 x 轴, Q ( t ) 对应于 y 轴, t 作为变化参量, 可得到反映已 调信号基本性态的包络和相位变化的星座图。
1. 2 实验原理
1 理论分析
1. 1 数学模型 PSK 用所需传输的数字基带信号控制载波的相
选择 M = 4, 每 2b it 为一个 4 进制码元, 由串并变 换分组得到。 Π 4 系统 ( 最小初相为 Π 4) 的 4 种相位分 别为 Π 4、 3Π 4、 5Π 4、 7 Π 4, 在正交调制时, 分解为同 相 分量 I ( t ) 和正交分量 Q ( t ) , 取值分别为 I ( t ) = ±
Pe = 1 -
3Π 4、 5Π 4、 7 Π 4; ( 3 ) 占用频带 B: 1. 2kH z～ 3. Π 4、 6kH z; ( 4) 接口电平: T TL 工作电平; ( 5) 电源: + 5V , + 10V ( 用 于 信 道 ) ; ( 6 ) 输 入 基 本 时 钟 f cp , 9. 6 kH z ( 4f 0 ) 方波脉冲; ( 7) 符号约定: 载波 co s 2Π f 0 t ( 或对应
收稿日期: 2000204212
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实
验 室 研 究 与 探 索
第 20 卷
通 4 种不同相位的载波。
表 1 双比特码组与相位 ( 或相位变化) 的关系
格雷码
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ B′ A
沿进行相位译码, 得双比特码字, 再经差分译码, 格雷 码变换, 并串变换, 恢复出原数字序列。
自然码
B
载波相位值 (4PSK ) Υ( t ) 或相位变化值 (4D PSK ) ∃ Υ( t ) Π4 3Π 4 5Π 4 7Π 4
第 20 卷 第 3 期 2001 年 6 月
实 验 室 研 究 与 探 索
LABO RA TO R Y R ESEA RCH AND EXPLO RA T I ON
Vol . 20 N o. 3 J un. 2001
4 相差分相移键控系统实验的开发及应用
储婉琴, 朱震华
( 南京邮电学院, 江苏 南京 210003)
2 电路实现
2. 1 设计参数 ( 1) 调制数字信号比特速率 f b = 2. 4kb s, 波特率
f B = 1. 2kBoud; ( 2 ) 载波频率 f 0 = 2. 4kH z, 四种相位
0 0 1 1
0 1 1 0
0 0 1 1
0 1 0 1
信道由运算放大器来模拟, 在信道中还可以叠加 高斯白噪声。 当信道中存在噪声和干扰时会产生误码, 且误码率随信噪比的降低而增大。 理论分析系统误码 率为:
2 2
A , Q ( t) = ±
位变化, 从而形成振幅和频率都不变, 而相位取离散值 变化的已调信号。多进制相位键控M PSK 信号的一般 表达式为: S M PSK = A co s ( Ξc t + Υ( t) ) = A co s Υ( t) co s Ξc t A sin Υ( t) sin Ξc t =
数字通信是当前通信发展的主流, 在 “通信原理” 中也是比较重要和难学的部分, 因此开发出有代表性 的 4D PSK 实验 ( 即 4 相差分相移键控系统) , 可使学 生通过观察现象验证理论, 加深理性思维, 从而更好地 辅助理论教学。
sin Ξc t 的两个幅度调制, 采取此原理调相, 称为正交调
第 3 期
储婉琴, 等: 4 相差分相移键控系统实验的开发及应用
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电路原理如图 2 所示, 其波形如图 3 所示。
实验步骤可根据具体情况增删, 一般有如下过程: ( 1) 将电源、 脉冲信号发生器与实验电路板相接, 可用示波器观测 f b、 f 0Π 4、 f 03Π 4、 f 05Π 4、 f 07Π 4 的波形。 ( 2) 在输入四种固定双比特码组 A B ( 00, 01, 10, 11) 情况下, 不经格雷码编码, 经格雷码编码后的 (A ′
摘 要: 介绍了 4D PSK 实验的理论基础、 电路实现和实验内容, 通过实验可使学生掌握数字调制、 解调 的原理和数学模型, 掌握数字调制系统的性能及测试方法。 关键词: 4 相差分相移键控系统; 码组; 电路设计; 数学模型; 调制; 解调 中图分类号: TN 911 文献标识码: A 文章编号: 100627167 ( 2001) 0320029203
2. 2 总体框图
2 度, Ρn 为噪声功率。
在接收端, 首先用比较器把信号整形为单极性方 波, 再通过后沿提取电路提取后沿, 选择有代表性的后
总体框图如图 1 所示。
图 1 4D PSK 数字调制系统框图
2. 3 单元电路 ( 1) M 序列发生器。 实验中调制信号可采用固定
( 3) 格雷码 自然码、 自然码 格雷码变换电路。格
) , 调制输出的 4D PSK 信号, 同时观察接收端对应 B′
图 2 四相载波发生器
的信号波形。 ( 3 ) 输入内部 M 序列, 观察其波形及码字, 再观 察接收端M 序列, 计算出延迟了多少个 T 0 周期。 还可 以观察 4D PSK 信号星座图和眼图。 ( 4 ) 输入外部数字序列, 例如从误码测试仪输入 周期为 511 的 m 序列, 实验板 f bx 接测试仪 “发定时” 。 观察此时的 4D PSK 信号星座和眼图。 ( 5 ) 从白噪声发生器输入噪声至信道, 调节噪声 大小, 观察并计算误码率, 分析有无格雷误码, 并与实 测的误码率进行比较。
D e ve lopm e n t a nd A pp lica tion of the 4 D iffe re n tia l P uls e 2 C ode M odula tion Expe ri m e nt
CH U W an 2qin , ZH U Z hen 2hua
(N an jing U n iv. of Po st and T elecomm un ica t ion, N an jing, 210003, Ch ina ) Abstract: T h is a rt icle in t roduced the ba sic theo ry, circu it design and con ten t s of 4D PSK exp eri m en t. T h rough the exp eri m en t, studen t s can understand the p rincip le of d ig ita l m odu la t ion and dem odu la t ion, and the m a the2 m a t ica l m odel etc. Studen t s can a lso know the p erfo rm ance and m ea su rem en t of the d ig ita l m odu la t ion sy stem. Key words: 4 d ifferen t ia l p u lse 2code m odu la t ion; code; circu it design; m a them a t ica l m odel; m odu la t ion; dem odu la t ion
其中: I ( t) = A co s Υ( t) ; Q ( t) = A sin Υ( t) 即其已调信号可以表示为一个同相分量 I ( t) 调制 co sΞc t 和一个正交分量 Q ( t) 调制 sin Ξc t 之和。由此可 见, 数字相位调制可以分解为 I ( t) 与 Q ( t) 对 co s Ξc t 和
A′ i= X
i
输出逻辑函数为: F = A ( f b r 2) + (B f 式中, f
br
X
i- 1
B′ i ・Y i- 1 ( = X i
X i-
1
ϖ i・Y i- i) Y
br
( 5) 四相载波发生器。 电路提供调相所需的四种
2, f
br
2为指对应波形。
不同相位载波, 由基本时钟 4f 0 控制初相分频而得。 其
4 结 语
本实验装置属自制设备, 耗资少, 并可节省实验经 费。 实验不仅加深了学生对理论知识的理解, 而且实验 过程中使用很多测量仪表, 可培养学生正确使用各种 仪表, 为今后的学生与工作打下基础。 实验内容较灵 活, 可根据时间、 场地、 仪表以及学生的不同程度与要 求, 灵活增减实验步骤, 以满足不同专业的需求。 参考文献:
码组和数字序列两种, 而数字序列又有外部和内部 M 序列,M 序列更接近于随机数字信号。本系统M 序列 周期为 16, 各种码组合都可能出现, 由 4 级移位寄存 器 加 反 馈 网 络 构 成, 其 反 馈 函 数 为 f = Q 4 { 3Q { 2Q { 1)。 (Q 速率为 f b 的串行码变成波特率为 f B = f
b
Q3
( 2) 串 并变换、 并 串变换电路。串并变换电路将 2 的双比特 2 时钟同
b
并行码, 由于只需双比特并行, 因此只需在 f b 速率下 将前一比特 (A 比特) 延迟一周期, 用 f B = f
b
雷码与自然码是两种码组顺序关系, 且它们的变换是 ) 为自然码 互为对称的, 假设 (A B ) 为格雷码组, (A ′ B′ 组, 有如下逻辑关系: A′ i= A i 格雷 自然码变换: B ′ Bi i= A i A i= A ′ i 自然 格雷码变换: B i = A ′ B′ i i ( 4) 差分编码和差分译码。 差分编码前的双比特 码 (A B ) 和差分编码后的双比特码 (X Y ) 之间的逻辑关 系为:
Y i= B X i= A
i i
Y iX
1
时读出即可。在本系统中接收时钟是 f b r , 其频率与 f 速率为 f
br
i- 1
B i ・Y i-
1
相同, 相位滞后多个周期, 已知收端解调得到的并行码
2, 可用简单的与非门来实现并 串变换。 其 2)
差分译码的逻辑关系为: B′ Y i- 1 i= Y i
图 3 四相载波波形
( 6) 其它电路。 逻辑选相电路可根据输入的两位 码按自然码对应关系选择一种相位的载波输出, 由四 选一电路实现, 信道模拟电路用运算放大器实现, 其高 斯白噪声在输入端可与已调信号叠加; 相位提取电路 可首先由后沿提取电路从经比较器整形后的 4D PSK 信号中提取波形的后沿, 再用选通窗口 PT 选通具有 代表性的后沿, 这些沿真正代表了每个码元的相位; 相 位译码电路则可把所提取的后沿相位脉冲译成双比特 自然码, 这可由后沿相位脉冲跟一定初相的 f 0、 2f 0 相 与来实现。
I ( t) co sΞc t - Q ( t) sin Ξc t
2 2
A 。它们与数字调制信号的二
元码组 X 、 Y ( 取值为 0, 1 ) 呈比例位移关系, 把二元码
X、 Y 对应坐标系中的 x 、 y 轴, 能间接得到信号星座
图。 在双比特码与离散相位对应关系上, 有自然码 ( 二 进码) 对应与格雷码对应。 格雷码对应能保证相邻相位 判决错误时, 只产生一比特误码。 本系统用自然码和格 雷码任选, 码组与相位的对应关系如表 1 所示。 在进行相对调相时, 采用差分编码加绝对调相的 方法, 其差分码与原码组的关系可根据表 1 推算出来, 分别有 16 种对应。 然后进行绝对调相, 由双比特码选