2.数字调制 - 通信原理实验报告

专业：通信工程        年级/班级：2011级      2013—2014学年第二学期

    1、掌握绝对码(AK)、相对码(BK)的概念以及它们之间的关系。

    2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号的方法。

    3、掌握BK与2PSK信号波形之间的关系、AK与2DPSK信号波形之间的关系。

4、了解2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。

二、实验原理及方法

数字调制分为二进制调制和多进制调制，二进制调制是多进制调制的基础。在HUST TX系列实验设备中只包含二进制数字调制，多进制调制实验由仿真软件实现，需要仿真软件的读者可以向作者索取，当然也可以使用有关商业软件或自己开发。

本实验使用数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供数字基带信号和位定时信号。调制模块将输入的绝对码AK（NRZ码）变为相对码BK、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。调制模块内部使用+5V电源。

数字调制模块的原理方框图如图2.1所示，电原理图如图2.2所示。图中CLK-IN接信源模块晶振的输出信号CLK，NRZ-IN(AK)接信源模块的输出信号NRZ-OUT（AK），BS-IN接信源模块的输出位定时信号BS-OUT，它们已在印刷电路板上连通。

图2.1  数字调制方框图

    数字调制模块上有以下信号测试点：

      CAR                    2DPSK和2ASK的载波信号测试点

      BK                        相对码测试点

      2DPSK                    2DPSK信号测试点，VP-P>0.5V

      2FSK                    2FSK信号测试点，VP-P>0.5V

      2ASK                    2ASK信号测试点，VP-P>0.5V

图2.2  数字调制模块电原理图

    图2.1中各单元与图2.2中元器件的对应关系如下：

       2（A）                U18B：双D触发器74LS74

       2（B）                U9B：双D触发器74HC74

      滤波器A                V1：三极管9013，电感L1，电容C7

      滤波器B                V6：三极管9013，电感L2，电容C2

      码变换器                U18A：双D触发器74LS74；U19A：异或门74LS86

      2ASK调制器            U22：三路二选一模拟开关4053

      2FSK调制器            U22：三路二选一模拟开关4053

      2PSK调制器            U21：八选一模拟开关4051

      放大器                    V5：三极管9013

      射随器                    V3：三极管9013

数字调制模块将数字信源模块晶振的输出信号CLK进行2分频、滤波后，得到2ASK和2DPSK的载波信号，频率为2.2165MHz。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号分别被BK的“0”码和“1”码选通。2FSK信号有两个载波信号，一个是2ASK信号的载波，另一个是将CLK信号进行4分频、滤波得到的。

    2PSK、2DPSK信号波形与信息代码的关系如图2.3所示。图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK信号相位变化180 ；相同时，2PSK信号相位不变，可简称为异变同不变。2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180 ；码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1”变“0”不变。

图2.3  2PSK、2DPSK信号波形示意图

    应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。实际工程中，2PSK和2DPSK信号的载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是那种关系，上述结论总是成立的。

    本数字调制模块用码变换—2PSK调制方法产生2DPSK信号，原理方框图及波形图如图2.4所示。相对于绝对码AK，2PSK调制器的输出就是2DPSK信号；相对于相对码BK、2PSK调制器的输出是2PSK信号。图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位与AK的关系是“1”变“0”不变，与BK的关系是异变同不变，由AK到BK的变换也符合“1”变“0”不变规律。

    图2.4中已调制信号波形也可能具有相反的相位，BK也可能具有相反的序列即00100，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。

                                       (b) 波形图

图2.4  2DPSK调制器方框图及波形图

2PSK解调器输出信号存在相位模糊现象，而2DPSK解调器输出信号则不存在此现象，故实际通信中一般采用2DPSK而不用2PSK，此问题将在数字解调实验中再详细介绍。

2PSK信号的时域表达式为 

S(t)= m(t)Cos ct                      （2.1）

式中m(t)为双极性非归零码(BNRZ)，当“0”、“1”等概时m(t)中无直流分量，S(t)中无载频分量，2DPSK信号的时域表达式与2PSK相同，只是式中的m(t)为相对码对应的基带信号。

    2ASK信号的时域表达式与2PSK相同，但m(t)为单极性非归零码(NRZ)，NRZ中有直流分量，故2ASK信号中有载频分量。

    相位不连续2FSK信号可看成是用AK和调制不同载频信号形成的两个2ASK信号相加，时域表达式为

                 （2.2) 

式中m(t)为NRZ码。

    设码元宽度为TS，fS =1／TS在数值上等于码速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率谱密度如图2.5所示。可见，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率谱是数字基带信号m(t)功率谱的线性搬移，故常称2ASK、2PSK（2DPSK）为线性已调信号。而2FSK的功率谱与m(t)的功率谱之间不是线性搬移关系，称为非线性已调信号。在多进制数字已调信号中，MASK、MPSK、MDPSK、及MQAM信号是线性已调信号，MFSK信号是非线性已调信号。

应特别说明的是，在现代通信中，常将矩形数字基带信号进行低通滤波器处理后与载波信号相乘，从而构成二进制或多进制线性已调信号，低通滤波器的频率特性为余弦滚降特性或其开平方。为了方便用示波器观察已调信号波形，HUST TX系列实验设备中仍采用矩形信号作为调制器的基带信号。另外在本实验系统中m(t)是一个周期信号，故m(t)有离散谱，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有离散谱。

图2.5  2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信号功率谱

三、实验内容及步骤

1、熟悉数字调制模块的工作原理。接通电源，打开实验箱电源开关。将数字调制模块单刀双掷开关K7置于左方N端，使信源输出周期性NRZ信号（而非m序列信号）作为调制器的基带信号。

2、将示波器置于外同步触发状态，用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT(AK)，CH2接数字调制模块的BK，信源模块的K1、K2、K3置于任意状态（非全0），观察AK、BK波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。

3、示波器CH1接2DPSK，CH2分别接AK及BK，观察并总结2DPSK信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK信号相位变化与相对码的关系（此关系即是2PSK信号相位变化与信源代码的关系）。

观察时应注意：

• 若用20MHz模拟示波器观察，可将时基扩展MAG开关置于X10档，以便更清晰地观察到多个码元周期内2PSK信号或2DPSK信号波形。

• 若用模拟示波器观察，带衰减探头的灵敏度应置于X10档，以减小探头输入电容对信号波形的影响。

• 接已调信号的示波器探头(CH1)的地线应接在数字调制模块的GND点，以免已调信号相位不连续处出现较大的毛刺。

• 几种已调信号幅度远小于基带信号的幅度，观察时要适当调节示波器CH1通道的幅度旋钮，增加此通道的灵敏度。

4、示波器CH2接AK、CH1依次接2FSK和2ASK；观察这两个信号与AK的关系（“1”码与“0”码对应的2FSK信号的幅度可能略有不同）。

5、用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱（条件不具备时可不进行此项观察）。

四、实验过程及结果

1、将示波器置于外同步触发状态，用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT(AK)，CH2接数字调制模块的BK，信源模块的K1、K2、K3置于任意状态。

AK、BK波形如下：

分析：绝对码AK：110001*********011001

相对码BK：011110001010000010001

结论：符合绝对码和相对码的关系。

2、示波器CH1接2DPSK，K1、K2、K3状态如下：

CH2接AK

CH2接BK：

教师签名：

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