【文章內(nèi)容簡介】 性不歸零碼BNRZ，當(dāng)“0”、“1”等概時m(t)中無直流分量，S(t)中無載頻分量，2DPSK信號的頻譜與2PSK相同。 2ASK信號的時域表達(dá)式與2PSK相同，但m(t)為單極性不歸零碼NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信號中有載頻分量。 2FSK信號（相位不連續(xù)2FSK）可看成是AK與調(diào)制不同載頻信號形成的兩個2ASK信號相加。時域表達(dá)式為，式中m(t)為NRZ碼。圖25 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信號功率譜 設(shè)碼元寬度為TS，fS =1／TS在數(shù)值上等于碼速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率譜密度如圖25所示?？梢?，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率譜是數(shù)字基帶信號m(t)功率譜的線性搬移，故常稱2ASK、2PSK（2DPSK）為線性調(diào)制信號。多進(jìn)制的MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK信號的功率譜與二進(jìn)制信號功率譜類似。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中m(t)是一個周期信號，故m(t)有離散譜，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有離散譜。四、 實(shí)驗(yàn)步驟 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源單元及數(shù)字調(diào)制單元。 熟悉數(shù)字調(diào)制單元的工作原理。接通電源，打開實(shí)驗(yàn)箱電源開關(guān)。將數(shù)字調(diào)制單元單刀雙擲開關(guān)K7置于N端。 用數(shù)字信源單元的FS信號作為示波器的外同步信號，示波器CH1接信源單元的(NRZOUT)AK，CH2接數(shù)字調(diào)制單元的BK，信源單元的KKK3置于任意狀態(tài)（非全0），觀察AK、BK波形，總結(jié)絕對碼至相對碼變換規(guī)律以及從相對碼至絕對碼的變換規(guī)律。示波器CH1接2DPSK，CH2分別接AK及BK，觀察并總結(jié)2DPSK信號相位變化與絕對碼的關(guān)系以及2DPSK信號相位變化與相對碼的關(guān)系（此關(guān)系即是2PSK信號相位變化與信源代碼的關(guān)系）。注意：2DPSK信號的幅度比較小，要調(diào)節(jié)示波器的幅度旋鈕，而且信號本身幅度可能不一致，但這并不影響信息的正確傳輸。 示波器CH1接AK、CH2依次接2FSK和2ASK；觀察這兩個信號與AK的關(guān)系（注意“1”碼與“0”碼對應(yīng)的2FSK信號幅度可能不相等，這對傳輸信息是沒有影響的）。 用頻譜議觀察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信號頻譜（條件不具備時不進(jìn)行此項(xiàng)觀察）。五、 實(shí)驗(yàn)報告要求 設(shè)絕對碼為全全0或1001 1010，求相對碼。 設(shè)相對碼為全全0或1001 1010，求絕對碼。 設(shè)信息代碼為1001 1010，畫出2DPSK及2PSK信號波形。 總結(jié)絕對碼至相對碼的變換規(guī)律、相對碼至絕對碼的變換規(guī)律并設(shè)計一個由相對碼至絕對碼的變換電路。總結(jié)2DPSK信號的相位變化與信息代碼(即絕對碼)之間的關(guān)系以及2DPSK信號的相位變化與相對碼之間的關(guān)系（即2PSK的相位變化與信息代碼之間的關(guān)系）。實(shí)驗(yàn)三 模擬鎖相環(huán)與載波同步一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 掌握模擬鎖相環(huán)的工作原理，以及環(huán)路的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)、同步帶、捕捉帶等基本概念。 2. 掌握用平方環(huán)法從2DPSK信號中提取相干載波的原理及模擬鎖相環(huán)的設(shè)計方法。3. 了解相干載波相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 觀察模擬鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)及捕捉過程。 2. 觀察環(huán)路的捕捉帶和同步帶。3. 用平方環(huán)法從2DPSK信號中提取載波同步信號，觀察相位模糊現(xiàn)象。三、 基本原理通信系統(tǒng)中常用平方環(huán)或同相正交環(huán)（科斯塔斯環(huán)）從2DPSK信號中提取相干載波。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的載波同步提取模塊用平方環(huán)，原理方框圖如圖31所示，電原理圖如圖32所示（見附錄）。模塊內(nèi)部使用+5V、+12V、12V電壓，所需的2DPSK輸入信號已在實(shí)驗(yàn)電路板上與數(shù)字調(diào)制單元2DPSK輸出信號連在一起。圖31 載波同步方框圖 本模塊上有以下測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： MU 平方器輸出測試點(diǎn)，VPP＞1V VCO VCO輸出信號測試點(diǎn)，VPP＞ Ud 鑒相器輸出信號測試點(diǎn) CAROUT 相干載波信號輸出點(diǎn)/測試點(diǎn) 圖31中各單元與電路板上主要元器件的對應(yīng)關(guān)系如下： 平方器 U25：模擬乘法器MC1496 鑒相器 U23：模擬乘法器MC1496；U24：運(yùn)放UA741 環(huán)路濾波器 電阻R2R68；電容C11 壓控振蕩器 CRY2：晶體；NN4：三極管3DG6 放大整形 NN6：3DG6；U26:A：74HC04 247。2 U27：D觸發(fā)器7474 移相器 U28：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7474 濾波器 電感L2；電容C30 下面介紹模擬鎖相環(huán)原理及平方環(huán)載波同步原理。鎖相環(huán)由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）及壓控振蕩器（VCO）組成，如圖33所示。圖33 鎖相環(huán)方框圖 模擬鎖相環(huán)中，PD是一個模擬乘法器，LF是一個有源或無源低通濾波器。鎖相環(huán)路是一個相位負(fù)反饋系統(tǒng)，PD檢測ui(t)與uo(t)之間的相位誤差并進(jìn)行運(yùn)算形成誤差電壓ud(t)，LF用來濾除乘法器輸出的高頻分量（包括和頻及其他的高頻噪聲）形成控制電壓uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。設(shè)ui(t)=Uisin[ωit+θi(t)]，uo(t)=Uocos[ωit+θo(t)]，則ud(t)=Udsinθe(t)，θe(t)=θi(t)θo(t)，故模擬鎖相環(huán)的PD是一個正弦PD。設(shè)uc(t)=ud(t)F(P)，F(xiàn)(P)為LF的傳輸算子，VCO的壓控靈敏度為K o，則環(huán)路的數(shù)學(xué)模型如圖34所示。圖34 模擬環(huán)數(shù)學(xué)模型 當(dāng)時，令Kd=Ud為PD的線性化鑒相靈敏度、單位為V/rad，則環(huán)路線性化數(shù)學(xué)模型如圖35所示。圖35 環(huán)路線性化數(shù)學(xué)模型 由上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，可得到以下重要結(jié)論： 當(dāng)ui(t)是固定頻率正弦信號(θi(t)為常數(shù))時，在環(huán)路的作用下，VCO輸出信號頻率可以由固有振蕩頻率ωo（即環(huán)路無輸入信號、環(huán)路對VCO無控制作用時VCO的振蕩頻率），變化到輸入信號頻率ωi，此時θo(t)也是一個常數(shù)，ud(t)、uc(t)都為直流。我們稱此為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義Δωo=ωiωo為環(huán)路固有頻差，Δωp表示環(huán)路的捕捉帶，ΔωH表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中ΔωpΔωH。當(dāng)|Δωo|ΔωP時，環(huán)路可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)。當(dāng)|Δωo|ΔωH時環(huán)路可以保持鎖定狀態(tài)。當(dāng)|Δωo|ΔωP時，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若Δωo發(fā)生變化使|Δωo|ΔωH，環(huán)路不能保持鎖定狀態(tài)。這兩種情況下，環(huán)路都將處于失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下ud(t)是一個上下不對稱的差拍電壓，當(dāng)ωiωo，ud(t)是上寬下窄的差拍電壓；反之ud(t)是一個下寬上窄的差拍電壓。 環(huán)路對θi(t)呈低通特性，即環(huán)路可以將θi(t)中的低頻成分傳遞到輸出端，θi(t)中的高頻成分被環(huán)路濾除。或者說，θo(t)中只含有θi(t)的低頻成分，θi(t)中的高頻成分變成了相位誤差θe(t)。所以當(dāng)ui(t)是調(diào)角信號時，環(huán)路對ui(t)等效為一個帶通濾波器，離ωi較遠(yuǎn)的頻率成分將被環(huán)路濾掉。 環(huán)路自然諧振頻率ωn及阻尼系數(shù)ζ(具體公式在下文中給出)是兩個重要參數(shù)。ωn越小，環(huán)路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；ζ越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。 當(dāng)環(huán)路輸入端有噪聲時，θi(t)將發(fā)生抖動，ωn越小，環(huán)路濾除噪聲的能力越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)一中的電荷泵鎖相環(huán)4046的性能與模擬環(huán)相似，所以它可以將一個周期不恒定的信號變?yōu)橐粋€等周期信號。 有關(guān)鎖相環(huán)理論的詳細(xì)論述，請讀者參閱文獻(xiàn)[3]。對2DPSK信號進(jìn)行平方處理后得，此信號中只含有直流和2ωc頻率成分，理論上對此信號再進(jìn)行隔直流和二分頻處理就可得到相干載波。鎖相環(huán)似乎是多余的，當(dāng)然并非如此。實(shí)際工程中考慮到下述問題必須用鎖相環(huán)： 平方電路不理想，其輸出信號幅度隨數(shù)字基帶信號變化，不是一個標(biāo)準(zhǔn)的二倍頻正弦信號。即平方電路輸出信號頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。 接收機(jī)收到的2DPSK信號中含有噪聲（本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為理想信道，無噪聲），因而平方電路輸出信號中也含有噪聲，必須用一個窄帶濾波器濾除噪聲。 鎖相環(huán)對輸入電壓信號和噪聲相當(dāng)于一個帶通濾波器，我們可以選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)路參數(shù)使帶通濾波器帶寬足夠小。 對于本模擬環(huán)，ωn、ζ、環(huán)路等效噪聲帶寬BL及等效帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)的計算公式如下： 式中fo=106（HZ），等于載頻的兩倍。 設(shè)計環(huán)路時通過測量得到Kd、Ko，~1，根據(jù)任務(wù)要求選定ωn后即可求得環(huán)路濾波器的元件值。當(dāng)固有頻差為0時，模擬環(huán)輸出信號的相位超前輸入相位90176。，必須對除2電路輸出信號進(jìn)行移相才能得到相干載波。移相電路由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U28:A和U28:B構(gòu)成。U28:A被設(shè)置為上升沿觸發(fā)，U28:B為下降沿觸發(fā)，故改變U28:A輸出信號的寬度即可改變U28:B輸出信號的相位，從而改變相干載波的相位。此移相電路的移相范圍小于90176。在鎖定狀態(tài)下微調(diào)C34也會改變輸出信號與輸入信號的相位關(guān)系（為什么，請思考）?？蓪ο喔奢d波的相位模糊作如下解釋。在數(shù)學(xué)上對cos2ωct進(jìn)行除2運(yùn)算的結(jié)果是cosωct或cosωct。實(shí)際電路也決定了相干載波可能有兩個相反的相位，因二分頻器的初始狀態(tài)可以為“0”也可以是“1”。四、 實(shí)驗(yàn)步驟 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源單元、數(shù)字調(diào)制單元和載波同步單元。 。接好電源線，打開實(shí)驗(yàn)箱電源開關(guān)。 （用示波器觀察NRZ(AK)和2DPSK信號有無，兩者邏輯關(guān)系正確與否）。 3. 用示波器觀察載波同步模塊鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)，測量環(huán)路的同步帶、捕捉帶。 環(huán)路鎖定時ud為直流、環(huán)路輸入信號頻率等于反饋信號頻率（此鎖相環(huán)中即等于VCO信號頻率）。環(huán)路失鎖時ud為差拍電壓，環(huán)路輸入信號頻率與反饋信號頻率不相等。本環(huán)路輸入信號頻率等于2DPSK載頻的兩倍，即等于調(diào)制單元CAR信號頻率的兩倍。環(huán)路鎖定時VCO信號頻率等于CAROUT信號頻率的兩倍。所以環(huán)路鎖定時調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的CAROUT頻率完全相等。根據(jù)上述特點(diǎn)可判斷環(huán)路的工作狀態(tài)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）觀察鎖定狀態(tài)與失鎖狀態(tài)打開電源后用示波器觀察ud，若ud為直流，則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的可變電容C34，ud隨C34減小而減小，隨C34增大而增大（為什么？請思考），這說明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。用示波器同時觀察調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的CAROUT，可以看到兩個信號頻率相等。若有頻率計則可分別測量CAR和CAROUT頻率。在鎖定狀態(tài)下，向某一方向變化C34，可使ud由直流變?yōu)榻涣?，CAR和CAROUT頻率不再相等，環(huán)路由鎖定狀態(tài)變?yōu)槭фi。接通電源后ud也可能是差拍信號，表示環(huán)路已處于失鎖狀態(tài)。失鎖時ud的最大值和最小值就是鎖定狀態(tài)下ud的變化范圍（對應(yīng)于環(huán)路的同步范圍）。環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時，CAR和CAROUT頻率不相等。調(diào)節(jié)C34使ud的差拍頻率降低，當(dāng)頻率降低到某一程度時ud會突然變成直流，環(huán)路由失鎖狀態(tài)變?yōu)殒i定狀態(tài)。（2）測量同步帶與捕捉帶環(huán)路處于鎖定狀態(tài)后，慢慢增大C34，使ud增大到鎖定狀態(tài)下的最大值ud1（此值不大于+12V）；繼續(xù)增大C34，ud變?yōu)榻涣鳎ㄉ蠈捪抡闹芷谛盘枺?，環(huán)路失鎖。再反向調(diào)節(jié)減小C34，ud的頻率逐漸變低，不對稱程度越來越大，直至變?yōu)橹绷鳌Ｓ洯h(huán)路剛剛由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時鑒相器輸出電壓為ud2；繼續(xù)減小C34，使ud減小到鎖定狀態(tài)下的最小值ud3；再繼續(xù)減小C34，ud變?yōu)榻涣鳎ㄏ聦捝险闹芷谛盘枺h(huán)路再次失鎖。然后反向增大C34，記環(huán)路剛剛由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時鑒相器輸出電壓為ud4。令ΔV1=ud1 ud3，ΔV2=ud2 ud4，它們分別為同步范圍內(nèi)及捕捉范圍內(nèi)環(huán)路控制電壓的變化范圍，可以發(fā)現(xiàn)ΔV1＞ΔV2。設(shè)VCO的靈敏度為K0(HZ/V)，則環(huán)路同步帶ΔfH及捕捉帶ΔfP分別為：ΔfH =K0ΔV1/2 ，ΔfP =K0ΔV2/2 。應(yīng)說明的是，由于VCO是晶體壓控振蕩器，它的頻率變化范圍比較小，調(diào)節(jié)C34時環(huán)路可能只能從一個方向由鎖定狀態(tài)變化到失鎖狀態(tài)，此時可用ΔfH =K0(ud16）或ΔfH =K0(6ud3）、ΔfP =K0(ud26）或ΔfP =K0(6ud4）來計算同步帶和捕捉帶，式中6為ud變化范圍的中值（單位：V）。作上述觀察時應(yīng)注意： ud差拍頻率低但幅度大，而CAR和CAROUT的頻率高但幅度很小，用示波器觀察這些信號時應(yīng)注意幅度旋鈕和頻率旋鈕的調(diào)整。 失鎖時，CAR和CAROUT頻率不相等，但當(dāng)頻差較大時，在鑒相器輸出端電容的作用下，ud幅度較小。此時向某一方向改變C34，可使ud幅度逐步變大、頻率逐步減小、最后變?yōu)橹绷鳎h(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。 環(huán)路鎖定時，ud不是一個純凈的直流信號，在直流電平上疊加有一個很小的交流信號。這種現(xiàn)象是由于環(huán)路輸入信號不是一個純凈的正弦信號所造成的。 4. 觀察環(huán)路的捕捉過程 先使環(huán)路處于失鎖定狀態(tài)，慢慢調(diào)節(jié)C34，使環(huán)路剛剛進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，關(guān)閉電源開關(guān)，然后再打開電源，用示波器觀察ud，可以發(fā)現(xiàn)ud由差拍信號變?yōu)橹绷鞯淖兓矐B(tài)過程。ud的這種變化表示了環(huán)路的捕捉過程。 5. 觀察相干載波相位模糊現(xiàn)象使環(huán)路鎖定，用示波器同時觀察調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的CAROUT信號，調(diào)節(jié)電位器P1或微調(diào)電容C34使兩者成為反相或同相。反復(fù)斷開、接通電源可以發(fā)現(xiàn)這兩個信號有時同相、有時反相。五、實(shí)驗(yàn)報告