bpsk調(diào)制原理

bpsk調(diào)制原理

與模擬通信系統(tǒng)相比，數(shù)字調(diào)制和解調(diào)同樣是通過(guò)某種方式，將基帶信號(hào)的頻譜由一個(gè)頻率位置搬移到另一個(gè)頻率位置上去。不同的是，數(shù)字調(diào)制的基帶信號(hào)不是模擬信號(hào)而是數(shù)字信號(hào)。
在大多數(shù)情況下，數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號(hào)的離散值去鍵控載波。對(duì)載波的幅度、頻率或相位進(jìn)行鍵控，便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號(hào)頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)得到廣泛應(yīng)用。
2PSK系統(tǒng)的調(diào)制部分框圖如下圖所示

2PSK/BPSK調(diào)制部分框圖

1、M序列發(fā)生器
實(shí)際的數(shù)字基帶信號(hào)是隨機(jī)的，為了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試方便，一般都是用M序列發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列來(lái)充當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)源。按照本原多項(xiàng)式f(x)=X5+X3+1組成的五級(jí)線性移位寄存器，就可得到31位碼長(zhǎng)的M序列。
碼元定時(shí)與載波的關(guān)系可以是同步的，以便清晰觀察碼元變化時(shí)對(duì)應(yīng)調(diào)制載波的相應(yīng)變化；也可以是異步的，因?yàn)閷?shí)際的系統(tǒng)都是異步的，碼元速率約為1Mbt/s。

2、相對(duì)移相和絕對(duì)移相

移相鍵控分為絕對(duì)移相和相對(duì)移相兩種。以未調(diào)載波的相位作為基準(zhǔn)的相位調(diào)制叫作絕對(duì)移相。以二進(jìn)制調(diào)相為例，取碼元為“1”時(shí)，調(diào)制后載波與未調(diào)載波同相；取碼元為“0”時(shí)，調(diào)制后載波與未調(diào)載波反相；“1”和“0”時(shí)調(diào)制后載波相位差1800。絕對(duì)移相的波形如下圖所示。

絕對(duì)移相的波形示意圖

在同步解調(diào)的PSK系統(tǒng)中，由于收端載波恢復(fù)存在相位含糊的問(wèn)題，即恢復(fù)的載波可能與未調(diào)載波同相，也可能反相，以至使解調(diào)后的信碼出現(xiàn)“0”、“1”倒置，發(fā)送為“1”碼，解調(diào)后得到“0”碼；發(fā)送為“0”碼，解調(diào)后得到“1”碼。這是我們所不希望的，為了克服這種現(xiàn)象，人們提出了相對(duì)移相方式。
相對(duì)移相的調(diào)制規(guī)律是：每一個(gè)碼元的載波相位不是以固定的未調(diào)載波相位作基準(zhǔn)的，而是以相鄰的前一個(gè)碼元的載波相位來(lái)確定其相位的取值。例如，當(dāng)某一碼元取“1”時(shí)，它的載波相位與前一碼元的載波同相；碼元取“0”時(shí)，它的載波相位與前一碼元的載波反相。相對(duì)移相的波形如下圖所示。

圖4-4 相對(duì)移相的波形示意圖
一般情況下，相對(duì)移相可通過(guò)對(duì)信碼進(jìn)行變換和絕對(duì)移相來(lái)實(shí)現(xiàn)。將信碼經(jīng)過(guò)差分編碼變換成新的碼組——相對(duì)碼，再利用相對(duì)碼對(duì)載波進(jìn)行絕對(duì)移相，使輸出的已調(diào)載波相位滿足相對(duì)移相的相位關(guān)系。

設(shè)絕對(duì)碼為{ai}，相對(duì)碼為{bi}，則二相編碼的邏輯關(guān)系為： bi = ai–bi-1 (1)
差分編碼的功能可由一個(gè)模二和電路和一級(jí)移位寄存器組成。
對(duì)應(yīng)于差分編碼，在解調(diào)部分有——差分譯碼。差分譯碼的邏輯為：
ci =bi +bi-1 (2)
將(1)式代入(2)式，得
Ci=ai-bi-1+bi-1
∵ bi-1-bi-1=0 ∴ Ci=ai+0=ai
這樣，經(jīng)差分譯碼后就恢復(fù)了原始的信碼序列。
差分譯碼的功能同樣可由一個(gè)模二和電路和一級(jí)移位寄存器組成。

圖4－5絕對(duì)碼實(shí)現(xiàn)相對(duì)移相的過(guò)程

3、 調(diào)相電路
調(diào)相電路可由模擬相乘器實(shí)現(xiàn)，也可由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中的調(diào)相電路是由數(shù)字選擇器(74LS153)完成。當(dāng)2腳和14腳同時(shí)為高電平時(shí)，7腳輸出與3腳輸入的0相載波相同；當(dāng)2腳和14腳同時(shí)為低電平時(shí)，7腳輸出與6腳輸入的π相載波相同。這樣就完成了差分信碼對(duì)載波的相位調(diào)制。圖4-5示出了一個(gè)數(shù)字序列的相對(duì)移相的過(guò)程。

數(shù)字調(diào)相器的主要指標(biāo)
在設(shè)計(jì)與調(diào)整一個(gè)數(shù)字調(diào)相器時(shí)，主要考慮的性能指標(biāo)是調(diào)相誤差和寄生調(diào)幅。
(1) 調(diào)相誤差
由于電路不理想，往往引進(jìn)附加的相移，使調(diào)相器輸出信號(hào)的載波相位取值為0°及180°＋ΔΦ，我們把這個(gè)偏離的相角ΔΦ稱(chēng)為調(diào)相誤差。調(diào)相器的調(diào)相誤差相當(dāng)于損失了有用信號(hào)的能量。
(2) 寄生調(diào)幅
理想的二相相位調(diào)制器，當(dāng)數(shù)碼取“0”或“1”時(shí)，其輸出信號(hào)的幅度應(yīng)保持不變，即只有相位調(diào)制而沒(méi)有附加幅度調(diào)制。但由于調(diào)制器的特性不均勻及脈沖高低電平的影響，使得“0”碼和“1”碼的輸出信號(hào)幅度不等。設(shè)“0”碼和“1”碼所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅度分別為Uom或Uim，則寄生調(diào)幅為：
m=(Uom-Uim)/(Uom+Uim)×100% (3)
解調(diào)
2PSK系統(tǒng)的解調(diào)部分框圖如下圖所示

1、 本實(shí)驗(yàn)采用同相正交環(huán)，同相正交環(huán)又叫科斯塔斯（Cosatas）環(huán)。原理框圖如下圖所示。

圖4－7 同相正交環(huán)原理框圖

2、集成電路壓控振蕩器（IC－VCO）
壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)的關(guān)鍵部件，它的頻率調(diào)節(jié)和壓控靈敏度決定于鎖相環(huán)的跟蹤性能。
實(shí)驗(yàn)電路采用一種集成電路的壓控振蕩器74S124。集成片配以簡(jiǎn)單的外部元件并加以適當(dāng)調(diào)整，即可得到令人滿意的結(jié)果。如圖所示。

集成片的每一個(gè)振蕩器都有兩個(gè)電壓控制端，Vr用于控制頻率范圍（14腳），Vf用于控制頻率范圍調(diào)節(jié)（1腳）。外接電容器Cext用于選擇振蕩器的中心頻率。當(dāng)Vr和Vf取值適當(dāng)，振蕩器工作正常時(shí)，振蕩器頻率f0與Cext的關(guān)系近似為：
f0=5×10－4/Cext （4）
f0與Cext的關(guān)系曲線如圖所示。

由右圖的曲線可以看出，隨Vr的增大，VCO的壓控靈敏度和線性范圍都在增大。選取適當(dāng)?shù)腣r值和Cext值，將誤差電壓經(jīng)線性變換后充當(dāng)控制電壓Vf，這樣就可實(shí)現(xiàn)由誤差電壓控制VCO。當(dāng)f0=10MHz時(shí)，一組典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為Cext=27.5pf，Vr=3.76V，這時(shí)Vf在2.8V左右移動(dòng)。

3、傳輸畸變和眼圖
數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)非理想的傳輸系統(tǒng)必定產(chǎn)生畸變，為了衡量這種畸變的嚴(yán)重程度，一般都采用觀察眼圖的方式。眼圖是示波器重復(fù)掃描所顯示的波形，示波器的輸入信號(hào)是解調(diào)后經(jīng)低通濾波器恢復(fù)的未經(jīng)再生的基帶信號(hào)，同步信號(hào)是位定時(shí)。這種波形示意圖如下圖所示。

圖4-8 眼圖

衡量眼圖的幾個(gè)重要參數(shù)有：
眼圖開(kāi)啟度（U-2ΔU）/U (U = U+ + U-)
指在最佳抽樣點(diǎn)處眼圖幅度的“張開(kāi)”程度。無(wú)畸變眼圖的開(kāi)啟度為100%。
（2）“眼皮”厚度2ΔU/U
指在最佳抽樣點(diǎn)處眼圖幅度的閉合部分與最大幅度之比，無(wú)畸變眼圖的“眼皮”后度為0。
（3）交叉點(diǎn)發(fā)散度ΔT/TS
指眼圖波形過(guò)零點(diǎn)交叉線的發(fā)散程度。無(wú)畸變眼圖的交叉發(fā)散度為0。
（4）正、負(fù)極性不對(duì)稱(chēng)度|（U+ - U-）|/|（U+ + U-）|
指在最佳抽樣點(diǎn)處眼圖正、負(fù)幅度不對(duì)稱(chēng)的程度。無(wú)畸變眼圖的極性不對(duì)稱(chēng)度為0。
如果傳輸信道不理想，產(chǎn)生傳輸畸變，就會(huì)很敏感地由眼圖的這幾個(gè)參數(shù)反映出來(lái)。其后果可以看成有效信號(hào)的能量損失。可以推導(dǎo)出，等效信號(hào)信噪比的損失量ΔEb/No與眼圖開(kāi)啟度（U-2ΔU）/U有如下關(guān)系：
ΔEb/No=20log[（U-2ΔU）/U] (dB) (5)
同樣，交叉點(diǎn)發(fā)散度對(duì)信噪比損失的影響也可以等效為眼圖開(kāi)啟度對(duì)信噪比損失的影響，這里不再詳述。