实验 数字解调与眼图

实验四  数字解调与眼图

一、 实验目的

    1. 掌握2DPSK相干解调原理。
2. 掌握2FSK过零检测解调原理。

二、 实验内容

    1. 用示波器观察2DPSK相干解调器各点波形。
2. 用示波器观察2FSK过零检测解调器各点波形。
3．用示波器观察眼图。

三、 基本原理

    可用相干解调或差分相干解调法（相位比较法）解调2DPSK信号。在相位比较法中，要求载波频率为码速率的整数倍，当此关系不能满足时只能用相干解调法。本实验系统中，2DPSK载波频率等码速率的13倍，两种解调方法都可用。实际工程中相干解调法用得最多。2FSK信号的解调方法有：包络括检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。

图4-1  数字解调方框图
（a） 2DPSK相干解调  （b）2FSK过零检测解调
    本实验采用相干解调法解调2DPSK信号、采用过零检测法解调2FSK信号。2DPSK模块内部使用+5V、+12V和-12V电压，2FSK模块内部仅使用+5V电压。图4-1为两个解调器的原理方框图，其电原理图如图4-2所示（见附录）。
    2DPSK解调模块上有以下测试点及输入输出点：
    • MU      相乘器输出信号测试点
    • LPF     低通、运放输出信号测试点
    • Vc      比较器比较电压测试点
    • CM      比较器输出信号的输出点/测试点
    • BK      解调输出相对码测试点
    • AK-OUT     解调输出绝对码的输出点/测试点（3个）
    • BS-IN     位同步信号输入点
    2FSK解调模块上有以下测试点及输入输出点：
    • FD      2FSK过零检测输出信号测试点
    • LPF     低通滤波器输出点/测试点
    • CM      整形输出输出点/测试点
    • BS-IN     位同步信号输入点
    • AK-OUT     解调输出信号的输出点/测试点（3个）
    2DPSK解调器方框图中各单元与电路板上元器件的对应关系如下：
    • 相乘器     U29：模拟乘法器MC1496
    • 低通滤波器    R31；C2
    • 运放     U30：运算放大器UA741
    • 比较器     U31：比较器LM710
    • 抽样器     U32:A：双D触发器7474
    • 码反变换器    U32:B：双D触发器7474；U33:A：异或门7486
    2FSK解调器方框图中各单元与电路板上元器件对应关系如下：
    • 整形1     U34:A：反相器74HC04
    • 单稳1、单稳2   U35：单稳态触发器74123
    • 相加器     U36：或门7432
    • 低通滤波器    U37：运算放大器LM318；若干电阻、电容
    • 整形2     U34:B：反相器74HC04
• 抽样器     U38:A：双D触发器7474

    在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器用来滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰条件。本实验系统中为简化实验设备，发端即数字调制的输出端没有带通滤波器、信道是理想的，故解调器输入端就没加带通滤波器。
    下面对2DPSK相干解调电路中的一些具体问题加以说明。
    • MU的波形接近图4-3所示的理论波形，略有区别。
    • 信源是周期为24bit的周期信号，当24bit的相对码BK中“1”码和“0”码个数不相等时，相乘器U29的输出信号MU及低通滤波器输出信号LPF是正负不对称的信号。在实际的2DPSK通信系统中，抽样判决器输入信号是一个均值为0且正负对称的信号，因此最佳判决电平为0。本实验系统中，Vc决定判决电平。当Vc=0而相对码BK中“1”码和“0”码个数差别太大时，可能出现误判决，即解调器出现误码。因为此时LPF信号的正电平或负电平非常接近0电平，抽样脉冲（位同步信号）稍不理想就会造成误码。电位器R39用来调节判决电平，当BK中“1”码与“0”码个数差别比较大时出现误码时，可调节R39使Vc等于LPF信号的中值（最佳判决门限）。实际通信系统中的2DPSK相干解调器（或差分相干解调器）不需要调节判决电平。
    • 比较器的输出CM为TTL电平信号，它不能作为相对码直接送给码反变器，因为它并不是一个标准的单极性非归零码，其单个“1”码对应的正脉冲的宽度可能小于码元宽度、也可能大于码元宽度。另外，当LPF中有噪声时，CM中还会出现噪声脉冲。
• 异或门74LS86输出的绝对码波形的高电平上叠加有小的干扰信号，经U34整形后即可去掉。
DPSK相干解调器模块各点波形示意图如图4-3所示。

图4-3  2DPSK相干解调波形示意图

    2FSK解调器工作原理及有关问题说明如下：
• 图4-4为2FSK过零检测解调器各点波形示意图，图中设“1”码载频等于码速率的两倍，“0”码载频等于码速率。
    • 整形1和整形2的功能与比较器类似，在其输入端将输入信号叠加在2.5V上。74HC04的状态转换电平约为2.5V，可把输入信号进行硬限幅处理。整形1将正弦2FSK信号变为TTL电平的2FSK信号。整形2和抽样电路共同构成一个判决电平为2.5V的抽样判决器。
    • 单稳1、单稳2分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，它们与相加器一起共同对TTL电平的2FSK信号进行微分、整流处理。电位器R43和R44决定上升沿脉冲宽度及下降沿脉冲宽度（应基本相等）。
    • R48可以调节滤波器的频率特性及LPF信号幅度，LPF不是TTL电平信号且不是标准的非归零码，必须进行抽样判决处理。U34对抽样判决输出信号进行整形。

图4-4  2FSK过零检测解调器各点波形示意图

四、 实验步骤

本实验使用数字信源单元、数字调制单元、载波同步单元、2DPSK解调单元及2FSK解调单元，它们之间的信号连结方式如图4-5所示,其中实线是指已在电路板上布好的,虚线是实验中要连接的。实际通信系统中，解调器需要的位同步信号来自位同步提取单元。本实验中尚未用位同步提取单元,所以位同步信号直接来自数字信源。在做2DPSK解调实验时，位同步信号送给2DPSK解调单元，做2FSK解调实验时则送到2FSK解调单元。

图4-5  数字解调实验连接图

    1. 复习前面实验的内容并熟悉2DPSK解调单元及2FSK解调单元的工作原理，接通实验箱电源。将数字调制单元单刀双掷开关K7置于N端。
    2. 检查数字信源模块、数字调制模块及载波同步模块是否工作正常，使载波同步模块提取的相干载波CAR-OUT与2DPSK信号的载波CAR同相（或反相）。
    3. 2DPSK解调实验
    （1）将数字信源单元的BS-OUT连接到2DPSK解调单元的BS-IN点,以信源单元的FS信号作为示波器外同步信号，将示波器的CH1接数字调制单元的BK，CH2（请用衰减X10探头）接2DPSK解调单元的MU。MU与BK同相或反相，其波形应接近图4-3所示的理论波形。
    （2）示波器的CH2接2DPSK解调单元的LPF，可看到LPF与MU同相。当一帧内BK中“1”码“0”码个数相同时，LPF的正、负极性信号电平与0电平对称，否则不对称。
（3）示波器的CH1接Vc，调节电位器R39，使Vc为LPF的中值（当BK中“1”与“0”等概时LPF的中值为0电平），此即为抽样判决器的最佳门限。
（4）观察数字调制单元的BK与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK之间的关系，再观察数字调制单元中AK信号与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK、AK-OUT信号之间的关系。
（5）断开、接通电源若干次，使发端CAR信号与载波同步CAR-OUT信号的相位关系出现跳变，重新进行步骤（4）中的观察。
（6）将数字调制单元单刀双掷开关K7置于M端，此时数字调制器基带信号是伪随机序列（本系统中是M序列）信号。用示波器观察2DPSK解调单元LPF点，即可看到无噪声的眼图。
    4. 2FSK解调实验
将数字调制单元单刀双掷开关K7还原置于N端。将数字信源单元的BS-OUT换接到2FSK解调单元的BS-IN点,示波器探头CH1接数字调制单元中的AK，CH2分别接2FSK解调单元中的FD、LPF、CM及AK-OUT，观察2FSK过零检测解调器的解调过程（注意：低通及整形2都有倒相作用）。LPF的波形应接近图4-4所示的理论波形，若相差较大可微调节电位器R48。

五、 实验报告要求

    1. 设绝对码为1001101，相干载波频率等于码速率的1.5倍，根据实验观察得到的规律，画出CAR-OUT与CAR同相、反相时2DPSK相干解调MU、LPF、BS、BK、AK波形示意图，总结2DPSK克服相位模糊现象的机理。
2. 设信息代码为1001101，2FSK的两个载频分别为码速率的四倍和两倍，根据实验观察得到的规律，画出2FSK过零检测解调器输入的2FSK波形及FD、LPF、BS、AK波形（设低通滤波器及整形2都无倒相作用）。