北京交通大学-通信原理实验-FSK实验.docx

通信原理实验第27页学生： 学号： 指导教师： 王根英 日期： 2014.12.09 上课时间：星期 2 第 5 大节通信原理实验电子信息工程学院实验八 FSK传输系统一、 实验前的准备(1) 预习本实验的相关内容。(2) 熟悉实验指导书附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置相关模块的跳线状态。(3) 实验前重点熟悉的内容：1) 了解软件无线电的基本概念；2) 熟悉FSK调制和解调原理。(4) 思考题。1) 软件无线中的FSK调制解调方式与传统的FSK调制解调方式有什么不同？传统FSK调制使用的是模拟电路通过选择两路载波频率或者通过VCO来实现。而软件无线电中的所有调制部分全部都使用软件来实现。2) 非连续相位和连续相位的FSK信号波形有何区别？非连续相位FSK信号波形码元之间存在跳变，连续相位的FSK信号波形码元之间没有跳变。3) 定时抖动是什么意思？如何用示波器观察定时抖动？定时抖动指的是解调后码元起始位置的抖动和不确定。要观察定时抖动，应该使用输入信号作为同步，这时可以观测到解调后波形的抖动。二、 实验目的(1) 熟悉软件无线电FSK调制和解调原理。(2) 掌握FSK产生、传输和恢复过程。(3) 掌握FSK正交调制的基本原理和实现方法。(4) 加深对FSK调制和解调中现象和问题的理解。三、 实验仪器(1) ZH5001A通信原理综合实验系统(2) 20MHz双踪示波器四、 基本原理(1) FSK调制在二进制频移键控中，幅度恒定的载波频率随着输入数字信号的变化而变化。FSK信号的表达式为式中表示载波幅度，表示载波频率，公了表示FSK信号的频率偏移，表示码元的周期。产生FSK信号最简单的方法是根据输入的数字信号是0还是1，在两个独立的振荡器中切换。采用这种方法产生的信号在切换时刻的相位是不连续的，因此这种FSK信号称为相位不连续FSK信号。相位的不连续会造成频谱扩展，随着数字处理技术的不断发展，越来越多地采用连续相位FSK调制技术，这种连续相位FSK调制信号的频谱受到了一定限制，频谱宽度较窄，提高了频带利用率。基于FPGA产生FSK信号较常用的方法是，首先产生FSK基带信号，利用基带信号对载波进行频率调制。FSK可以表示为这里，为载波幅度，为调相指数，为调制数字信号。FSK调制和已调信号如图9-1所示。图9-1(a）中是数字调制信号10110101，图9-1(b)是对信号的积分，利用积分信号对载波进行调相，就可以得到数字调频信号。由于数字信号经过积分后得到的信号相位是连续的，因此这种FSK信号产生的方法所得到的信号相位是连续的。FSK产生的方法很多，下面对通信原理实验系统中FSK的调制原理进行分析。FSK信号可以表示为其中 FSK信号的瞬时角频率为FSK信号的瞬时相位为FSK信号可表示为式中如果利用FPGA芯片实现FSK信号的产生，就要对上式数字化处理，也就是要对信号进行采样，设采样周期为,可以得到 可以得到FSK正交调制器实现的电路如图所示。可以看出，如发送0码，则相位累加器在前一码元结束时相位基础上，在每个抽样到达时刻相位累加，直到该信号码元结束；如发送1码，则相位累加器在前一码元结束时相位基础上，在每个抽样到达时刻相位累加，直到该码元结束。实验中，FSK的基带信号传号采用高频了，空号采用低频了。在FSK模式下，不采用汉明纠错编译码技术。(2) FSK解调对于FSK信号的解调方式很多：相干解调、滤波非相干解调、正交相乘非相干解调。FSK的正交相乘非相干解调电路组成，如图所示。输入信号为：传号频率为：空号频率为：在图9-3中，延时信号为：其中为延时量。相乘之后结果为：式中，第一项进过低通滤波器之后可以滤除。当时，可简化为：因而经过积分器（低通滤波）之后，输出信号大小为，从而实现了FSK的正交相乘非相干解调。AB两点的波形如图所示。实验的FSK模式中，采样速率为96kHz的采样速率（每一个比特采16个样点），FSK基带信号的载频为24kHz,因而在DSP处理过程中，延时取1个样值。(3) FSK调制电路FSK调制电路如图9-22所示。FSK调制器输入的数据源可以通过实验箱右下角的菜单选择，可以有以下几种选择输入。1) 外部数据输入。可来自同步数据接口、异步数据接口和m序列。2) 全1码。可测试传号时的发送频率（高）。3) 全0码。可测试空号时的发送频率（低）。4) 0/1码。01交替码型，用作一般测试。5) 特殊码序列。周期为7的码序列，用于常规测试。6) m序列。用于通道性能测试。电路中的同相基带和正交基带分别利用FPGA芯片输出两路相互正交的基带FSK信号，经过D/A转换器并经过低通滤波后，变为模拟信号。因此，在TPi03和TPi04所测试到的就是基带FSK信号，两路信号相互正交。两路正交的基带FSK信号再经过相互正交的载波调制并相加则得到单边带FSK信号。其频谱变换过程如图9-23所示。(4) FSK解调电路五、 实验内容实验前准备：首先将通信系统原理实验箱菜单中的调制方式设置成FSK传输系统”；用示波器测量TPMZ07测试点的信号，如果有脉冲波形，说明实验系统已正常工作，如果没有脉冲波形，则需按面板上的复位按钮对硬件进行初始化。(一) FSK调制1. 基带FSK信号观测(1) 在D/A模块内的TPi03是基带FSK波形。通过菜单选择为1码输入数据信观测TPi03信号波形，测量其信号周期。周期为26s。(2) 通过菜单选择为0码输入数据信号，观测TPi03信号波形，测量其信号周将测量结果与1码比较。周期为52s。2. 发端同相支路和正交支路信号时域波形观测TPi03和TPi04分别是基带FSK输出信号的同相支路和正交支路信号。将输入信号选为全1码（或全0码），测量两信号的时域波形，画出测试波形。通过测试波形分析两信号是否满足正交关系。由图可见TPi03和TPi04两路信号相位差约为90，即两者之间相位存在正交关系。3. 发端同相支路和正交支路信号的李沙育波形观测将示波器设置在(x-y)方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的正交性。过菜单选择在不同的输入码型下进行测量，画出李沙育波形。可以看到，TPi03和TPi04的李沙育波形成一个圆形。当选择在不同的输入码型时，波形稍有抖动，但基本呈圆形。4. 连续相位基带FSK信号观测(1) TPM02是发送数据信号（DSP+FPGA模块左下脚），TPi03是基带FSK波形。通过菜单选择为0/1码输入数据，并以TPM02作为同步信号。观测TPMO2与TPi03点波形的对应关系，画出测量波形。上方为TPMO2波形，下方为TPi03波形。从发送数据TPMO2波形可以观测出原始0/1信号；从TPi03可以观测出FSK调制后的波形。有两者对比可见，1码FSK调制后的对应较高频率，0码FSK调制后的对应较低频率。并且两者连续，不存在跳变。(2) 通过菜单选择为特殊码序列作为输入信号波形及对应关系。测量并画出TPM02、TPi03点的波形及其对应关系。上方为TPMO2波形，下方为TPi03波形。从发送数据TPMO2波形可以观测出原始特殊码序列10011110；从TPi03可以观测出FSK调制后的波形。有两者对比可见，1码FSK调制后的对应较高频率，0码FSK调制后的对应较低频率。并且两者连续，不存在跳变。5. FSK调制中频信号波形观测在FSK正交调制方式中，必须采用FSK的同相支路与正交支路两路信号如果只采用一路同相FSK信号或一路正交FSK信号进行调制，会产生两个FSK频谱信号。要想去掉一个信号频谱，需在后面采用较复杂的中频窄带滤波器，这种方法的实现比较复杂。本实验中采用的是正交调制相加抵消法去掉其中一个FSK频谱的。(1) 调制模块测试点TPK03为FSK调制中频信号观测点。通过菜单选择为0/1码输入数据信号，并以TPM02作为同步信号。观测TPM02与TPK03点波形。上方为TPMO2波形，下方为TPK03波形。(3) 将正交调制输入信号中的一路基带调制信号断开(D/A模块内的跳线器Ki01或Ki02，重复（1)测量步骤。观测并定性画出TPM02与TPK03点波形，分析波形变化原因。上方为TPMO2波形，下方为TPK03波形。与(1)相比较，此时少了一路基带信号，频谱上面有一个边带不能相互抵消，因此输出波形不再是幅度不变的正弦波，而是与DSB信号类似的波形。并且其中存在载波反相点。(二) FSK解调1. 解调基带FSK信号观测首先用中频电缆连接KO02和JL02，建立中频通道。测量FSK解调基带信号测试点TPJ05的波形，观测时仍用发送数据（TPMO2）作同步，比较两者的对应关系。(1) 通过菜单选择为1码输入数据信号，观察TPJ05信号波形，测量并记录其信号周期。(2) 通过菜单选择为0码输入数据信号，观察TPJ05信号波，测量并记录其信号周期。试与FSK调制步骤（1)的测量结果比较。2. 解调基带信号的李沙育波形观测将示波器设置在(x-y)方式，从相平面上观察TPJ05和TPJ06的李沙育波形。(1) 通过菜单选择为1码（或0码）输入数据信号，测试并画出李沙育信号波形。是一个圆，由于有一个正交频率，相位始终相差90，因此李沙育波形是一个圆。(2) 通过菜单选择为0/1码（或特殊码）输入数据信号，测试并画出李沙育信号波形。实际上是两个同心圆，这是由于有两个不同的正交频率，每一个正交的频率就对应了一个圆。3. 接收位同步信号相位抖动观测用发送时钟TPMOI（DSP+FPGA模块左下脚）信号作同步，输入信号选择为m序列，利用噪声模块的跳线，将噪声增加到最大，测量接收时钟TPMZ07（DSP芯片左端）的抖动情况，估计定时的抖动值，抖动的单位用单位间隔(UI)来描述。将噪声增加到最大，接收时钟TPMZ07的抖动大约为0.1-0.3个UI。4. 判决前抽样点波形观测理想情况下，正交相乘经低通滤波之后在判决器之前的信号幅度应仅两个值，这两个值应是+A或-A,然而，实际的输出并非如此，抽样点的幅度有起伏，其主要原因有以下几个方面。(1) 位定时抖动引起。由于位定时的抖动，一方面偏离了最佳判决点；另一方面还使前后的码元产生了码间串扰串(ISI)，从而引起判决之前的幅度起伏。(2) 剩余频差的影响。由于收发频率不同，当这种差别较大时，会引起判决之前的幅度起伏。(3) A/D量化时的直流漂移的影响。由于A/D在量化时存在直流漂移，从而引起判决之前的幅度起伏。(4) 线路噪声的影响。当接收支路存在噪声时，将引起判决之前的幅度的起伏。设置输入信号为0/1码，测试在无噪声情况下判决前取样点的波形，定性画出波形。调整噪声模块的跳线，分别将噪声增加到中等和最大，观测判决前取样点的波形，定性画出两种情况下的波形。在观察时，示波器的扫描时间选择大约2ms观察效果较好。没有误码的波形：可以看出，此时解调输出的波形基本与输入的波形一样，这样来说抽样判决后的可以正确的求出原信号。噪声为一半的波形：可以看出，此时解调后的波形抖动很大了，抽样判据判决后基本可以得到原始信号。噪声加到最大：噪声加大最大后，解调后的波形就基本不能分开，因此没法正确得到原始信号。5. 位定时同步和非同步状态的观测TPMZ07为接收端恢复的时钟，在同步状态下它与发端时钟TPMOI具有确定的相位关系。(1) 在输入测试数据为m序列时，观察并画出发端定时脉冲TPMO1和收端定时提取出的脉冲TPMZ07波形，观测时注意两波形之间的相位对应关系。上方为TPM01，下方为TPMZ07，此时可以正确的同步。(2) 不断按确认键，此时仅对DSP位定时提取环路初始化，让环路重新调整锁定，观察经过重新调整和锁定后TPMZ07测试点位定时提取出的脉冲信号与发端定时脉冲TPMO1的相位关系是否发生了变化？其结论说明什么问题？不断按确认键，稳定之后锁定后的TPMZ07定时脉冲在同一位置，不会变化。这说明只要有信号就可以正确的重新锁定定时脉冲。(3) 在测试数据为全1或全0码时重复实验（2），并加以分析；断开JL02接收中频电缆，重复上述步骤（2），观测TPMOI和TPMZ07之间的相位关系，记录并解释测量结果。在测试数据为全1或全0码时，不断按确认键，稳定之后锁定后的TPMZ07定时脉冲在不同位置。这说明信号为全1或全0码时由于没有跳变，就相当于没有信号，不能正确的重新锁定定时脉冲。6. FSK调制输入信号和解调输出信号的测量测试点TPM02是调制输入数据，TPM04是解调输出数据。通过菜单选择特殊码序列和0/1码数据输入，观测输出数据信号是否正确。观测时，用TPM02点信号同步。画出选择输入特殊码序列和0/1码时TPM02和TPM04点的测试波形。特殊码序列输入输出波形：0/1序列输入输出波形：可以看出输入输出有一定的延时。这正是因为发送时调制和接收的解调电路造成的。六、 实验结论分析本实验使用了FPGA产生FSK信号用于实验。这种连续相位FSK调制信号的频谱受到了一定限制，频谱宽度较窄，提高了频带利用率。观测了FSK信号的波形，验证了FSK信号的调制波形，了解了软件无线电FSK信号的发送和接收过程