PSK/DPSK调制解调

• 实验目的

1. 掌握PSK/DPSK调制的工作原理与调整测试方法。
2. 掌握PSK/DPSK解调的工作原理与调整测试方法。
3. 掌握差分编码与差分译码的原理及实现方法。
4. 掌握PSK/DPSK调制、解调的电路连接与测试

• 主要仪器设备及软件

硬件：多功能实验箱、示波器、导线

软件：无

• 实验原理

1. 2PSK 调制原理

2PSK调制是一种基本的PSK调制方式，也称为BPSK调制（Binary Phase Shift Keying）。在2PSK调制中，数字“0”被映射到0度相位，数字“1”被映射到180度相位。其调制原理如下：

1. 数字信号编码：将数字信号转换为二进制码流。
2. 相位调制：将二进制码流转换为相位角度，即将“0”映射为0度相位，将“1”映射为180度相位。
3. 载波调制：将相位调制后的信号与载波信号相乘，得到调制后的信号。
4. 信号传输：将调制后的信号传输到接收端。

2PSK调制具有简单、易实现的优点，但由于只有两个相位角度，传输速率较低，且对于噪声和干扰的抵抗能力较弱。因此，在实际应用中，通常采用更高阶的PSK调制方式来提高传输速率和抗干扰性能。

2. 2PSK 解调原理

PSK相干解调是一种基于相位同步的解调方式，能够提高解调性能和降低误码率。其解调原理如下：

1. 本地载波生成：接收端通过本地载波发生器产生与发送端相同频率的载波信号，并通过相位锁定电路与接收信号进行相位同步。
2. 接收信号采样：接收端对接收到的信号进行采样，得到一系列的采样值。
3. 相乘：将接收信号的采样值与本地载波信号相乘，得到相乘后的信号。
4. 低通滤波：通过低通滤波器滤波得到基带信号。
5. 比较：将基带信号与阈值进行比较，判断接收信号的相位角度，即判断接收的数字信号是“0”还是“1”。
6. 数字信号恢复：通过相位检测得到的数字信号，进行解码，即将“0”转换为数字“0”，将“1”转换为数字“1”。
7. 数字信号输出：输出解码后的数字信号。

2PSK相干解调需要接收端与发送端的相位同步，因此在实际应用中需要采用相位同步电路来实现。相干解调能够提高解调性能和降低误码率，但需要较高的硬件成本和复杂度。因此，在一些低成本和低功耗的应用中，通常采用非相干解调方式来进行2PSK信号的解调。

3. DPSK 调制原理

DPSK 调制是在原2PSK 调制的基础上增加了差分编码的过程。

DPSK（Differential Phase Shift Keying）调制是一种基于相邻码元之间的相位差来表示数字信息的调制方式。其调制原理如下：

1. 将数字信号转换为二进制码流。
2. 将二进制码流分组，每组包含N个比特，称为码元。
3. 对于每组码元，通过差分编码器对其进行编码。具体地，对于第n个码元，其编码方式为：
4. 若该码元为“1”，则其相位角度与前一个码元的相位角度相差180度；
5. 若该码元为“0”，则其相位角度与前一个码元的相位角度相同。
6. 对于每个编码后的码元，通过相位调制器将其转换为相应的相位角度。
7. 将相位调制后的信号与载波信号相乘，得到调制后的信号。

DPSK调制的特点是不需要进行相位同步，因此可以简化调制器和解调器的设计。但由于码元之间的相位差只有两种情况，因此DPSK调制的传输速率较低，且对于噪声和干扰的抵抗能力较弱。因此，在实际应用中，通常采用更高阶的DPSK调制方式来提高传输速率和抗干扰性能。

差分译码的过程和差分编码正好相反，信号先输入到D触发器，同时作为异或门的一个输入端，异或门的另一输入端为D触发器的输出，因此差分译码的实质就是此刻的状态和前一时刻的状态的异或。

4. DPSK 解调原理

HDB3码的原理是将二进制数据按照规则进行编码，是AMI的改进型，目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点。具体规则如下：

1. 将二进制数据转换为符号，0表示0，1表示+1或-1（交替表示）。
2. 将符号按照交替顺序进行编码，即第一个符号为正，第二个符号为负，第三个符号为0，如果连续出现四个0，则定义为BOOV，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲。
3. V与前一个相邻的非零脉冲的极性相同，并且要求相邻的V码之间极性必须交替。V的取值为+1或-1。
4. B的取值可取0、+1或-1，以V同时满足3)中的两个要求。

例如，二进制数据1000010000110000000011，使用HDB3编码后，可以得到以下符号序列：

-1 0 0 0–V +1 0 0 0 +V -1 +1–B 0 0–V +B 0 0 0 +V -1 +1

这种编码方式的优点是可以保持直流分量的平衡，避免因为长时间的0或1导致的直流分量偏移问题。同时，HDB3编码也能减少码元传输，提高利用率，但是需要更复杂的解码和控制电路，实现代价更高。

• 实验电路图

节点说明：

1.2P1:基带输出

2.2P3:基带时钟

3.4P5:调制数据输入

4.4P6:调制数据时钟输入

5.4P9:PSK调制输出

6.5P1:解调信号输入

7.5TP3:本地载波输出

8.5TP5:I路滤波输入

9.5TP7:Q路滤波输入

10.5P2:I路判决输出

11.5TP2:Q路判决输出

12.5P6:PSK调解输出

• 实验步骤

1. 设置有关实验模块

打开多功能实验箱，了解基础操作，设置实验模块。实验内容选择：实验项目->原理实验->数字调制解调实验->DPSK调制解调实验。

2. 导线连接

使用信号连接线按照实验电路图进行连接。

3. 接入示波器

打开示波器开关，将导线接入实验箱的对应要测量的节点。

4. PSK调制观测

1)基带数据设置及时域观测

使用双踪示波器分别观察2P1和2P3，点击“基带设置”按钮,设置基带速率为“15-PN”“64K”，点击“设置”进行修改。观察示波器观测波形的变化，理解并掌握基带数据设置的基本方法。

2)基带数据频域观测

采用频谱仪或示波器的FFT功能，观测分析2P3的频谱特性。思考将信号进行PSK调制频谱会有什么变化?

3)PSK调制信号时域观测

用示波器通道1观测2P1，通道⒉观测PSK调制信号4TP9，分析PSK调制后，基带信号和载波相位对应关系;

4)PSK 调制信号频谱观测

采用频谱仪或示波器的FFT功能，观测分析PSK调制信号4TP9的频谱特性;通过“载波频率”旋钮修改载波频率，观察频谱特性的变化。

修改基带信号时钟速率的设置，设置为64K，128K，观测调制信号的频谱变化。和基带信号频谱结合，分析基带信号经PSK调制后，频谱的变化情况。分析 PSK 调制信号的带宽与基带信号速率、载波频率的关系。

注:结束该步骤时，调整“基带设置”为“15-PN”“64K";“载波频率”f为1024K。

5. PSK解调观测

1).Costas环载波输出观测

用示波器通道Ⅰ观测基带时钟2TP3，作为同步通道;通道2观测costas环载波输出5TP3;观察当前本地载波频率为多少，是否已经锁定?

2).判决前电平观测

在PSK解调时，Costas环中只有和载波同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，点击环路左侧的两个乘号，可以分别选择进入判决电路的信号为同向端或正交端。

用示波器通道1观测基带时钟2TP1，作为同步通道;通道2观测costa环判决前信号5TP5，分析判决前信号是否正确;通过点击同向端和正交端按钮，切换两路信号。

3).PSK判决后观测

用示波器一个通道观测基带数据2TP1，作为同步通道;另一个通道观测COSTAS环同向端(Ⅰ路）判决后信号5P2，分析判决后信号是否正确（如信号反向,也视为相同)。

通过A5模块右下角“编码器”逐渐调节判决电平，观察判决输出的变化，将判决输出调节到最佳状态。

另一个通道观测COSTAS环正交端(Q路)判决后信号5TP2,分析判决后信号是否正确?(4).PSK同步后信号观测

用示波器一个通道观测基带数据2TP1，作为同步通道;另一个通道观测PSK解调信号5TP6，观测两路信号是否相同（如信号反向,也视为相同)。

5).PSK 相位模糊观察

PSK解调时如果本地载波和调制信号载波反相，则输出的基带数据也会反相，这就是相位模糊（前面步骤中应该有部分同学会观察到该现象)，实验中我们用两种方法观测相位模糊的现象。

6. PSK系统加噪及误码率分析

1).PSK系统加噪设置

在前面实验步骤中,直接将调制输出4P9连接到了解调输入端5P1,没有经过模拟信道。为测试PSK解调性能，下面为调制信号添加噪声后再解调。将4P9调制信号连接到2P5，加噪后信号2P6连接到调制输入端5P1。可以通过A2模块右下角编码器调节噪声电平(右旋增大);

2).PSK加噪后信号观测

用示波器观测加噪前信号4TP9和加噪后信号2TP6，调节噪声电平，观测加噪前和加噪后信号的变化;

(3).PSK加噪后解调观测

用示波器一个通道观测基带数据2TP1，作为同步通道;另一个通道观测PSK判决后信号5TP6。逐渐增大噪声电平，是否会出现解调错误（以观测明显错误为准)，观测噪声对解调的影响。此时可拔掉2P5上的输入信号，测量2P6输出的噪声电平（峰峰值)，为系统可最大容纳的噪声电平。

(4).PSK系统误码率测试

系统内置了误码仪功能，在实验时可以通过实验框图右上角按钮，选择“误码仪”进入到误码仪功能页面，具体使用方法参考实验原理部分误码仪使用说明。

将解调输出连接5P6连接到误码仪输入端2P8,修改误码仪设置参数为:时钟->64K”; 码型->15位PN;插误码->0。点击“测试”按钮，即可开始进行误码率测试。

将噪声电平（峰峰值）分别调节到200mv，500mv，1v，分析系统的误码率。(可拔掉2P5上的输入信号，测量当前2P6输出的噪声电平)

人为将PSK调节到“相位模糊”状态，分析系统的误码率。

7. DPSK调制观测

1）差分编码观测

编码码型选择所需观测编码码型点击“基带设置”按钮，设置基带数据设置为:“15-PN"，“128K”，点击“设置”进行修改。使用示波器通道分别观察:绝对码-4P7和对应的相对码-4P8，分析差分编码输出是否正确。

2）DPSK调制观测

将基带数据设置为:“16bit”，“128K"，自设16bit拨码开关，观察绝对码-相对码转换是否正确。

8. DPSK调制观测

1)未差分译码信号解调观测

采用PSK调制解调实验步骤相同的方法，将DPSK解调调节到解调同步状态。

用示波器分别观察差分编码4P8和 PSK解调输出未经差分译码的信号5P2，观测两个信号是否反向，如不反向，可人为设置，将其调整到反向状态,即相位模糊状态。

2)差分译码及DPSK解调观测

分别在正常状态和“倒T”状态下用示波器观测差分编码前信号2P1和差分译码后信号5P6，观测两信号

9. DPSK系统加噪及误码率分析

1)DPSK 系统加噪设置

在前面实验步骤中,直接将调制输出4P9连接到了解调输入端5P1,没有经过模拟信道。为测试DPSK解调性能，下面为调制信号添加噪声后再解调。将4P9调制信号连接到2P5,加噪后信号2P6连接到调制输入端5P1。可以通过A2模块右下角编码器调节噪声电平(右旋增大);

2)DPSK加噪后信号观测

用示波器观测加噪前信号4TP9和加噪后信号2TP6，调节噪声电平，观测加噪前和加噪后信号的变化;

3)DPSK加噪后解调观测

用示波器一个通道观测基带数据2TP1，作为同步通道;另一个通道观测DPSK判决后信号5TP6。逐渐增大噪声电平，是否会出现解调错误（以观测明显错误为准)，观测噪声对解调的影响。此时可拔掉2P5上的输入信号，测量2P6输出的噪声电平（峰峰值)，为系统可最大容纳的噪声申平。

10. 关机拆线

实验结束，关闭电源，拆除导线，还原实验箱。

• 实验成果

1. 叙述costas环的工作原理

Costas环是一种数字信号处理技术，主要用于解调数字调制信号，以下是其工作原理：

1. 数字调制信号经过一系列前置处理后，进入Costas环。

2. Costas环中包含两个相位锁定环路，一个是I路相位锁定环路，一个是Q路相位锁定环路。

3. 在I路相位锁定环路中，将输入信号乘以一个正弦波，并将其与一个相位参考信号相乘，得到一个误差信号。通过不断调整正弦波的相位，使误差信号最小化，从而实现I路相位锁定。

4. 在Q路相位锁定环路中，将输入信号乘以一个余弦波，并将其与一个相位参考信号相乘，得到一个误差信号。通过不断调整余弦波的相位，使误差信号最小化，从而实现Q路相位锁定。

5. 通过I路和Q路相位锁定环路的协同作用，实现对数字调制信号的解调。解调后的信号可以用于后续的数字信号处理和分析。

2. 什么是相位模糊？如何解决相位模糊？

相位模糊是指在数字通信系统中，接收端接收到的信号中包含了相位偏移，导致信号的相位无法精确确定的现象。相位模糊会导致接收端无法正确地解调和处理信号，从而影响通信质量和可靠性。

解决相位模糊的方法主要有两种：

1. 等化器

等化器是一种数字信号处理技术，可以对接收到的信号进行处理，从而消除相位偏移和失真。等化器可以根据信道的特性，对信号进行预测和补偿，从而实现对相位模糊的消除。常见的等化器有线性等化器、最小均方误差等化器、自适应等化器等。

2. 相位同步技术

相位同步技术是一种通过对接收信号进行相位估计和校正，从而消除相位偏移和模糊的技术。相位同步技术可以通过对接收信号的特征进行分析和处理，从而实现对信号相位的精确估计和校正。常见的相位同步技术有Costas环、追踪环等。

3. 叙述差分编码和差分译码的原理

差分编码是一种将数据转换为差分形式的编码方式，即将每个数据位与前一个数据位的差值作为编码后的数据位。差分编码的优点是可以消除传输过程中的直流分量，从而减小误码率和增强抗干扰能力。

差分译码是一种将差分编码的数据还原为原始数据的解码方式，即将每个差分数据位与前一个数据位的和作为解码后的数据位。差分译码的原理是利用每个数据位与前一个数据位的差值，以及前一个数据位的值，来计算出当前数据位的值。

• 实验小结

通过本次实验，对PSK/DPSK调制、调节的工作原理与调整测试方法有了很多了解。掌握了差分编码与差分译码的原理及实现方法以及PSK/DPSK调制、解调的电路连接与测试。