实验四

移相键控 (PSK)实验

一、实验目的 1 、了解 M 序列的性能，掌握其实现方法及其作用； 2 、了解 2PSK 系统的组成验证，其调制解调原理； 3 、验证同步解调的又一方式—同相正交环 ( 或称 Costas

环 ) 的工作原理； 4 、学习集成电路压控振荡器在系统中的应用； 5 、学习 2PSK 系统主要性能指标的测试方法。 二、实验预习要求 1 、复习《通信系统原理》中有关 PSK 调制解调的章节； 2 、认真阅读本实验内容，熟悉实验步骤； 3 、了解有关技术指标的测量方法。

三、实验原理和电路说明 ÐÅ

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图 4-1 数字通信系统模型

与模拟通信系统相比，数字调制和解调同样是通过某种方式，将基带信号的频谱由一个频率位置搬移到另一个频率位置上去。不同的是，数字调制的基带信号不是模拟信号而是数字信号。

在大多数情况下，数字调制是利用数字信号的离散值去键控载波。对载波的幅度、频率或相位进行键控，便可获得 ASK 、 FSK 、PSK 等。这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面，以相干 PSK的性能最好，目前已在中、高速传输数据时得到广泛应用。

调制 2PSK 系统的调制部分框图如下图所示

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PSK

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图 4-2 2PSK 调制部分框图

1 、 M 序列发生器 实际的数字基带信号是随机的，为了实验

和测试方便，一般都是用 M 序列发生器产生一个伪随机序列来充当数字基带信号源。按照本原多项式 f(x)=X5+X3+1 组成的五级线性移位寄存器，就可得到 31 位码长的 M 序列。

码元定时与载波的关系可以是同步的，以便清晰观察码元变化时对应调制载波的相应变化；也可以是异步的，因为实际的系统都是异步的，码元速率约为 1Mbt/s 。

2 、相对移相和绝对移相

移相键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“ 1” 时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“ 0” 时，调制后载波与未调载波反相；“ 1” 和“ 0” 时调制后载波相位差 1800 。绝对移相的波形如下图所示。

图 4-3 绝对移相的波形示意图

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t

t

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在同步解调的 PSK 系统中，由于收端载波恢复存在相位含糊的问题，即恢复的载波可能与未调载波同相，也可能反相，以至使解调后的信码出现“ 0” 、“ 1” 倒置，发送为“ 1” 码，解调后得到“ 0” 码；发送为“ 0” 码，解调后得到“ 1” 码。这是我们所不希望的，为了克服这种现象，人们提出了相对移相方式。

相对移相的调制规律是：每一个码元的载波相位不是以固定的未调载波相位作基准的，而是以相邻的前一个码元的载波相位来确定其相位的取值。例如，当某一码元取“ 1” 时，它的载波相位与前一码元的载波同相；码元取“ 0” 时，它的载波相位与前一码元的载波反相。相对移相的波形如下图所示。

一般情况下，相对移相可通过对信码进行变换和绝对移相来实现。将信码经过差分编码变换成新的码组——相对码，再利用相对码对载波进行绝对移相，使输出的已调载波相位满足相对移相的相位关系。

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t

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ÂëÔª1 01100

图 4-4 相对移相的波形示意图

设绝对码为 {ai} ，相对码为 {bi} ，则二相编码的逻辑关系为： bi = ai–bi-1 (1)

差分编码的功能可由一个模二和电路和一级移位寄存器组成。

对应于差分编码，在解调部分有——差分译码。差分译码的逻辑为：

ci =bi +bi-1 (2) 将 (1) 式代入 (2) 式，得 Ci=ai-bi-1+bi-1 ∵ bi-1-bi-1=0 Ci=ai+0=ai∴ 这样，经差分译码后就恢复了原始的信码序列。 差分译码的功能同样可由一个模二和电路和一级

移位寄存器组成。

t

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0 10 1 1 0 10

1 1 1 10 0 0 0

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S (t)

t

图 4－ 5 绝对码实现相对移相的过程

3 、 调相电路调相电路可由模拟相乘器实现，也可由数字电

路实现。实验中的调相电路是由数字选择器(74LS153)完成。当 2脚和 14脚同时为高电平时， 7脚输出与 3脚输入的 0 相载波相同；当 2脚和 14脚同时为低电平时， 7脚输出与6脚输入的 π 相载波相同。这样就完成了差分信码对载波的相位调制。图 4-5 示出了一个数字序列的相对移相的过程。

数字调相器的主要指标 在设计与调整一个数字调相器时，主要考虑的性能指标是调相误差和寄生调幅。

(1) 调相误差 由于电路不理想，往往引进附加的相移，使调相器输出信号的

载波相位取值为 0° 及 180°＋ ΔΦ ，我们把这个偏离的相角 ΔΦ 称为调相误差。调相器的调相误差相当于损失了有用信号的能量。

(2) 寄生调幅 理想的二相相位调制器，当数码取“ 0” 或“ 1” 时，其输出信

号的幅度应保持不变，即只有相位调制而没有附加幅度调制。但由于调制器的特性不均匀及脉冲高低电平的影响，使得“ 0”码和“ 1” 码的输出信号幅度不等。设“ 0” 码和“ 1” 码所对应的输出信号幅度分别为 Uom 或 Uim ，则寄生调幅为：

m=(Uom-Uim)/(Uom+Uim)×100% (3)

解调 2PSK 系统的解调部分框图如下图所示

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图 4－ 6 2PSK 解调部分框图

1 、 本实验采用同相正交环，同相正交环又叫科斯塔斯（ Cosatas）环。原理框图如下图所示。

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图 4－ 7 同相正交环原理框图

2 、集成电路压控振荡器（ IC－ VCO） 压控振荡器（ VCO）是锁相环的关键部件，它的频率

调节和压控灵敏度决定于锁相环的跟踪性能。 实验电路采用一种集成电路的压控振荡器 74S124 。集

成片配以简单的外部元件并加以适当调整，即可得到令人满意的结果。如图所示。

1 2 3 4 5 6 7 8

910111213141516

+5VVr

V

CextÊä³ö

74S124

f

集成片的每一个振荡器都有两个电压控制端， Vr用于控制频率范围（ 14脚）， Vf 用于控制频率范围调节（ 1脚）。外接电容器 Cext 用于选择振荡器的中心频率。当 Vr和 Vf 取值适当，振荡器工作正常时，振荡器频率f0 与 Cext 的关系近似为：

f0=5×10－ 4/Cext （ 4）

f0 与 Cext 的关系曲线如图所示。

1 100 10000 (PF)

Cext1k

10k

100k

1M

10M

100M

f0(HZ)

Vr=Vf=2V

频率 f0 与 CEXT 的关系曲线

由右图的曲线可以看出，随 Vr 的增大， VCO 的压控灵敏度和线性范围都在增大。选取适当的 Vr 值和 Cext值，将误差电压经线性变换后充当控制电压 Vf ，这样就可实现由误差电压控制 VCO 。当 f0=10MHz 时，一组典型的实验数据为Cext=27.5pf ， Vr=3.76V ，这时 Vf在 2.8V左右移动。

0 1 2 3 4 5 60.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Vf

(V)

fn

Vr=2V

Vr=3V

Vr=4.5V

fn 随 Vf 的变化曲线

3 、传输畸变和眼图 数字信号经过非理想的传输系统必定产生畸变，为了衡量这种畸变的严重程度，一般都采用观察眼图的方式。眼图是示波器重复扫描所显示的波形，示波器的输入信号是解调后经低通滤波器恢复的未经再生的基带信号，同步信号是位定时。这种波形示意图如下图所示。

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U+

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图 4-8 眼图

衡量眼图的几个重要参数有：眼图开启度（ U-2ΔU） /U (U = U+ + U-) 指在最佳抽样点处眼图幅度的“张开”程度。无畸变眼图的开启度为 100% 。

（ 2）“眼皮”厚度 2ΔU/U 指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之

比，无畸变眼图的“眼皮”后度为 0 。（ 3）交叉点发散度 ΔT/TS 指眼图波形过零点交叉线的发散程度。无畸变眼图的

交叉发散度为 0 。 （ 4）正、负极性不对称度 |（ U+ - U-） |/|（ U+ +

U-） | 指在最佳抽样点处眼图正、负幅度不对称的程度。无畸变眼图的极性不对称度为 0 。

如果传输信道不理想，产生传输畸变，就会很敏感地由眼图的这几个参数反映出来。其后果可以看成有效信号的能量损失。可以推导出，等效信号信噪比的损失量 ΔEb/No 与眼图开启度（ U-2ΔU） /U有如下关系：

ΔEb/No=20log[（ U-2ΔU） /U] (dB) (5) 同样，交叉点发散度对信噪比损失的影响也可以等效为眼图开启度对信噪比损失的影响，这里不再详述。

四、实验仪器 双踪同步示波器 ≥ 20MHz 1台直流稳压电源 +5V -5V +12V 1台低频信号发生器 输出频率范围满足 50Hz-8KHz

输出电压范围满足 0--5V（峰峰值） 1台PSK 实验箱 1台数字频率计 测量频率范围 50Hz—10MHz1台万用表 1台特别提醒：在连接电源和实验箱之前，一定要先确认三组电源的电压极性和电压值正确，在确认完全无误之前不允许将实验箱和电源连接，，另外在连接实验箱和电源时请务必关断电源开关。

五、实验内容 （一）、时钟源 本实验箱中的载波信号可以有外部输入，也可以本地

产生。本地主振的频率为 10MHz 。将开关 K1切换到 2-1连接，在（ 4）观察到该主振信号，记录该波形。

（二）、 M 序列发生器 M 序列发生器是一个五级线性移位寄存器，其生成多

项式为 f(x)=X5+X3+1 。以（ 1）为同步信号，观察并记录（ 2）的波形。验证 M 序列的主要性质。

（三）、差分编码 由于 PSK 系统由相位模糊问题，为了克服这个相位

模糊度，发送信码必须进行差分编码。在 BPSK 中差分编码方式为延时模二和。

以（ 1）为同步信号，观察并记录（ 3）差分编码后的波形。将（ 2）与（ 3）的波形进行比较，验证差分编码的规律。

（四）、数字调相电路 将 K1短接 1 和 2 ，即采用内部 10MHz 信号源。将

K2拨至”同步”（开关接 3-2），以（ 3）为同步信号，观察并记录（ 5）的载波波形；观察并记录（ 6）的数字调相波形。

以载波信号（ 5）输入双踪同步示波器 YB ，用 YA 观察（ 6）的 2PSK 信号，利用双踪同步示波器屏幕上的刻度， 测量 π 相位对于 0 相位的相位差 ΔФ 。

（五）、同相正交环 用同轴电缆连接位于电路板中间的两个 BNC插头。 载波恢复采用同相正交环，测试点（ 10）是本地

恢复的振荡信号，将这个信号分频得到本地相干载波并同时完成载波的移相。测试点（ 8）、（ 9）是相差 900 的两路相干载波。观察并记录上述波形。

（六）、同步带和捕捉带 同步带和捕捉带是锁相环性能优劣的标志。我们可用发信

码与收信码的比较来判断锁相环是否锁定。 用双踪同步示波器同时观察收信码（ 13）、发信码（ 2），并以发信码作同步。

用高频信号发生器从电缆插座“ EXT-IN” 输入外载波，频率为 10MHz ，幅度 2V（峰峰值）。将 K1插至“异步”（即插在 1-2） K2插至“外载波”（即插在 2-3）数字频率计接在（ 4），高频信号发生器的输出幅度保持在 1.5VP-P,由低往高缓缓调节频率。当双踪同步示波器上出现收信码与发信码同步，并且波形一致时，这时就是无误码情况，锁相环捕捉到外载波并锁定，此点频率记作 f2 。继续向高调节频率，直到双踪同步示波器上的收信码与发信码不同步时，此时锁相环已不能同步跟踪外载波而失锁，该点频率记作 f4 。将外载波频率由此点往低调节，调到再次捕捉到收信码与发信码同步一致时，锁相环再次捕捉到外载波并锁定，此点频率记作 f3 。继续向低调节频率直到收信码与发信码再次失步，此点频率记作 f1 。为提高测量精度，上述过程可反复进行几次。

右图是根据环路电压Ud 与频率的关系画出的同步带和捕捉带示意图。图中 f1 、 f2 、 f3 、 f4 与实验中测得的 f1 、 f2 、 f3 、 f4 一一对应。这样，

同步带 Δf1=f4-f1

捕捉带 Δf2=f3-f2

f1

f2

f1

f2

f3

f4Ud

f

f

同步带和捕捉带示意图

（七）、眼图 将载波恢复为内载波，同步方式改为同步方式（在恢复

位内载波后，如果发现接收端没有锁定，可以按动位于电路板中间的红色复位按钮，使环路复位。）。以码元定时（ 12）作为同步信号，观察解调后的基带信号（ 7）。利用双踪同步示波器的刻度测量眼图的几个指标：

(1) 眼图开启度（ U－ 2ΔU） /U 其中 U＝ U+ ＋ U- (2) “眼皮”厚度 2ΔU/U (3) 交叉点发散度 ΔT/TS (4) 正、负极性不对称度 |（ U+ - U-） |/|（ U+ + U-）

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（八）、差分译码

由于 PSK 载波恢复有相位模糊度，为了克服这个相位模糊度，发送信码采用了差分编码技术。为了得到发端的信码，在接收端必须采用差分译码来恢复信码。

在测试点（ 14）比较与发送端的信码（ 3）的差别。差分译码电路完成差分译码，在测试点（ 13）可以观察到译码后的信号，比较与发送端信号（ 2）的区别。

六、实验报告

1 、整理实验中的记录，画出相应的曲线和波形。 2 、 2PSK 系统由哪些部分构成？各部分的作用是什么？ 3 、设给定一码组 100110011100 ，画出对这一码组进

行 2PSK 的调制和解调的波形图。 4 、为什么利用眼图可大致估计系统性能的优劣？ 5 、简述同相正交环工作原理。 6 、对改进实验内容和电路有什么建议？

PSK 实验电路图