實驗四? 數字解調與眼圖

一、?實驗目的

??? 1. 掌握2DPSK相干解調原理。
2. 掌握2FSK過零檢測解調原理。

二、?實驗內容

??? 1. 用示波器觀察2DPSK相干解調器各點波形。
2. 用示波器觀察2FSK過零檢測解調器各點波形。
3．用示波器觀察眼圖。

三、?基本原理

??? 可用相干解調或差分相干解調法（相位比較法）解調2DPSK信號。在相位比較法中，要求載波頻率為碼速率的整數倍，當此關系不能滿足時只能用相干解調法。本實驗系統中，2DPSK載波頻率等碼速率的13倍，兩種解調方法都可用。實際工程中相干解調法用得最多。2FSK信號的解調方法有：包絡括檢波法、相干解調法、鑒頻法、過零檢測法等。

圖4-1? 數字解調方框圖
（a）?2DPSK相干解調? （b）2FSK過零檢測解調
??? 本實驗采用相干解調法解調2DPSK信號、采用過零檢測法解調2FSK信號。2DPSK模塊內部使用+5V、+12V和-12V電壓，2FSK模塊內部僅使用+5V電壓。圖4-1為兩個解調器的原理方框圖，其電原理圖如圖4-2所示（見附錄）。
??? 2DPSK解調模塊上有以下測試點及輸入輸出點：
??? ? MU??????相乘器輸出信號測試點
??? ? LPF?????低通、運放輸出信號測試點
??? ? Vc??????比較器比較電壓測試點
??? ? CM??????比較器輸出信號的輸出點/測試點
??? ? BK??????解調輸出相對碼測試點
??? ? AK-OUT?????解調輸出絕對碼的輸出點/測試點（3個）
??? ? BS-IN?????位同步信號輸入點
??? 2FSK解調模塊上有以下測試點及輸入輸出點：
??? ? FD??????2FSK過零檢測輸出信號測試點
??? ? LPF?????低通濾波器輸出點/測試點
??? ? CM??????整形輸出輸出點/測試點
??? ? BS-IN?????位同步信號輸入點
??? ? AK-OUT?????解調輸出信號的輸出點/測試點（3個）
??? 2DPSK解調器方框圖中各單元與電路板上元器件的對應關系如下：
??? ? 相乘器?????U29：模擬乘法器MC1496
??? ? 低通濾波器????R31；C2
??? ? 運放?????U30：運算放大器UA741
??? ? 比較器?????U31：比較器LM710
??? ? 抽樣器?????U32:A：雙D觸發器7474
??? ? 碼反變換器????U32:B：雙D觸發器7474；U33:A：異或門7486
??? 2FSK解調器方框圖中各單元與電路板上元器件對應關系如下：
??? ? 整形1?????U34:A：反相器74HC04
??? ? 單穩1、單穩2???U35：單穩態觸發器74123
??? ? 相加器?????U36：或門7432
??? ? 低通濾波器????U37：運算放大器LM318；若干電阻、電容
??? ? 整形2?????U34:B：反相器74HC04
? 抽樣器?????U38:A：雙D觸發器7474

??? 在實際應用的通信系統中，解調器的輸入端都有一個帶通濾波器用來濾除帶外的信道白噪聲并確保系統的頻率特性符合無碼間串擾條件。本實驗系統中為簡化實驗設備，發端即數字調制的輸出端沒有帶通濾波器、信道是理想的，故解調器輸入端就沒加帶通濾波器。
??? 下面對2DPSK相干解調電路中的一些具體問題加以說明。
??? ? MU的波形接近圖4-3所示的理論波形，略有區別。
??? ? 信源是周期為24bit的周期信號，當24bit的相對碼BK中“1”碼和“0”碼個數不相等時，相乘器U29的輸出信號MU及低通濾波器輸出信號LPF是正負不對稱的信號。在實際的2DPSK通信系統中，抽樣判決器輸入信號是一個均值為0且正負對稱的信號，因此最佳判決電平為0。本實驗系統中，Vc決定判決電平。當Vc=0而相對碼BK中“1”碼和“0”碼個數差別太大時，可能出現誤判決，即解調器出現誤碼。因為此時LPF信號的正電平或負電平非常接近0電平，抽樣脈沖（位同步信號）稍不理想就會造成誤碼。電位器R39用來調節判決電平，當BK中“1”碼與“0”碼個數差別比較大時出現誤碼時，可調節R39使Vc等于LPF信號的中值（最佳判決門限）。實際通信系統中的2DPSK相干解調器（或差分相干解調器）不需要調節判決電平。
??? ? 比較器的輸出CM為TTL電平信號，它不能作為相對碼直接送給碼反變器，因為它并不是一個標準的單極性非歸零碼，其單個“1”碼對應的正脈沖的寬度可能小于碼元寬度、也可能大于碼元寬度。另外，當LPF中有噪聲時，CM中還會出現噪聲脈沖。
? 異或門74LS86輸出的絕對碼波形的高電平上疊加有小的干擾信號，經U34整形后即可去掉。
DPSK相干解調器模塊各點波形示意圖如圖4-3所示。

圖4-3? 2DPSK相干解調波形示意圖

??? 2FSK解調器工作原理及有關問題說明如下：
? 圖4-4為2FSK過零檢測解調器各點波形示意圖，圖中設“1”碼載頻等于碼速率的兩倍，“0”碼載頻等于碼速率。
??? ? 整形1和整形2的功能與比較器類似，在其輸入端將輸入信號疊加在2.5V上。74HC04的狀態轉換電平約為2.5V，可把輸入信號進行硬限幅處理。整形1將正弦2FSK信號變為TTL電平的2FSK信號。整形2和抽樣電路共同構成一個判決電平為2.5V的抽樣判決器。
??? ? 單穩1、單穩2分別被設置為上升沿觸發和下降沿觸發，它們與相加器一起共同對TTL電平的2FSK信號進行微分、整流處理。電位器R43和R44決定上升沿脈沖寬度及下降沿脈沖寬度（應基本相等）。
??? ? R48可以調節濾波器的頻率特性及LPF信號幅度，LPF不是TTL電平信號且不是標準的非歸零碼，必須進行抽樣判決處理。U34對抽樣判決輸出信號進行整形。

圖4-4? 2FSK過零檢測解調器各點波形示意圖

四、?實驗步驟

本實驗使用數字信源單元、數字調制單元、載波同步單元、2DPSK解調單元及2FSK解調單元，它們之間的信號連結方式如圖4-5所示,其中實線是指已在電路板上布好的,虛線是實驗中要連接的。實際通信系統中，解調器需要的位同步信號來自位同步提取單元。本實驗中尚未用位同步提取單元,所以位同步信號直接來自數字信源。在做2DPSK解調實驗時，位同步信號送給2DPSK解調單元，做2FSK解調實驗時則送到2FSK解調單元。

圖4-5? 數字解調實驗連接圖

??? 1. 復習前面實驗的內容并熟悉2DPSK解調單元及2FSK解調單元的工作原理，接通實驗箱電源。將數字調制單元單刀雙擲開關K7置于N端。
??? 2. 檢查數字信源模塊、數字調制模塊及載波同步模塊是否工作正常，使載波同步模塊提取的相干載波CAR-OUT與2DPSK信號的載波CAR同相（或反相）。
??? 3. 2DPSK解調實驗
??? （1）將數字信源單元的BS-OUT連接到2DPSK解調單元的BS-IN點,以信源單元的FS信號作為示波器外同步信號，將示波器的CH1接數字調制單元的BK，CH2（請用衰減X10探頭）接2DPSK解調單元的MU。MU與BK同相或反相，其波形應接近圖4-3所示的理論波形。
??? （2）示波器的CH2接2DPSK解調單元的LPF，可看到LPF與MU同相。當一幀內BK中“1”碼“0”碼個數相同時，LPF的正、負極性信號電平與0電平對稱，否則不對稱。
（3）示波器的CH1接Vc，調節電位器R39，使Vc為LPF的中值（當BK中“1”與“0”等概時LPF的中值為0電平），此即為抽樣判決器的最佳門限。
（4）觀察數字調制單元的BK與2DPSK解調單元的MU、LPF、BK之間的關系，再觀察數字調制單元中AK信號與2DPSK解調單元的MU、LPF、BK、AK-OUT信號之間的關系。
（5）斷開、接通電源若干次，使發端CAR信號與載波同步CAR-OUT信號的相位關系出現跳變，重新進行步驟（4）中的觀察。
（6）將數字調制單元單刀雙擲開關K7置于M端，此時數字調制器基帶信號是偽隨機序列（本系統中是M序列）信號。用示波器觀察2DPSK解調單元LPF點，即可看到無噪聲的眼圖。
??? 4. 2FSK解調實驗
將數字調制單元單刀雙擲開關K7還原置于N端。將數字信源單元的BS-OUT換接到2FSK解調單元的BS-IN點,示波器探頭CH1接數字調制單元中的AK，CH2分別接2FSK解調單元中的FD、LPF、CM及AK-OUT，觀察2FSK過零檢測解調器的解調過程（注意：低通及整形2都有倒相作用）。LPF的波形應接近圖4-4所示的理論波形，若相差較大可微調節電位器R48。

五、?實驗報告要求

??? 1. 設絕對碼為1001101，相干載波頻率等于碼速率的1.5倍，根據實驗觀察得到的規律，畫出CAR-OUT與CAR同相、反相時2DPSK相干解調MU、LPF、BS、BK、AK波形示意圖，總結2DPSK克服相位模糊現象的機理。
2. 設信息代碼為1001101，2FSK的兩個載頻分別為碼速率的四倍和兩倍，根據實驗觀察得到的規律，畫出2FSK過零檢測解調器輸入的2FSK波形及FD、LPF、BS、AK波形（設低通濾波器及整形2都無倒相作用）。