2ASK、2FSK、2PSK解调设计

光电工程学院信息综合训练 1 平时成绩 报告成绩 综合成绩 成成绩绩评评定定 信息综合训练信息综合训练 振幅键控 移频键控 移相键控调制的设计振幅键控 移频键控 移相键控调制的设计 班级 学号 姓名 电话 指导教师 指导教师 指导教师 2013 年 12 月 19 日 光电工程学院信息综合训练 2 目录目录 一 绪论一 绪论 1 二 硬件总体设计二 硬件总体设计 5 1 数字调制的目的 要求 5 2 数字调制的原理及说明 5 3 2ASK 2FSK 2PSK 调制设计 6 三 系统调试及其工作过三 系统调试及其工作过 程程 12 四 结论与心得体四 结论与心得体 会会 14 五 参考文献五 参考文献 14 六 附六 附 光电工程学院信息综合训练 3 录录 15 摘要摘要 随着通信技术的日新月异的发展 尤其是数字通信的快速发展越来越普及 研究人员对其 相关技术投入了极大地兴趣 为使数字信号能在通信道中传输 必须用数字信号对载波进 行调制 其调制方式与模拟信号调制相类似 根据数字信号控制载波的参量不同也分为调 幅 调频和调相三种方式 因数字信号对载波参数的调制通常采用数字信号的离散值对载 波进行键控 故这三种数字调制方式被称为辅以键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键 控 PSK 精调制后的信号 通过信道传输 在接收端解调后恢复成数字信号 因此 调 制解调技术是实现现代通信的重要手段 促使通信的快速发展 关键字 关键字 数字调制 通信 光电工程学院信息综合训练 4 正文正文 一 绪论 通信的目的是远距离传递信息 虽然基带数字信号可以再传输距离不远的情况下直接 传送 但如果要远距离传输时 特别是在无线或光纤信道上传输时 则必须经过调制将信 号频谱搬移到高频处 才能在信道中传输为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输 必 须对数字信号经行载波调制 如同传输模拟信号时一样 传输数字信号时也有三种基本的 调制方式 幅度键控 频移键控和相位键控 它们分别对应于用载波 正弦波 的幅度 频率和相位来传递数字基带信号 可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况 理论上数字调制和模拟调制在本质上没有什么不同 它们都是属于正弦波调制 但是 数字调制时调制信号为数字型的正弦波调制 二模拟调制可是调制信号为连续性的正弦波 调制 因而 数字调制具有有数字信号带来的一些特点 调制信号为二进制数字信号时 这种调制称为二进制数字调制 在二进制数字调制中 载波的幅度 频率或相位只有两种变化状态 调制中常见和基本的方式有 二进制振幅键 控 2ASK 二进制移频键控 2FSK 二进制移相键控 2PSK 二进制差分相位键控 2DPSK 光电工程学院信息综合训练 5 二 二 硬件总体设计硬件总体设计 1 设计目的 设计目的 1 掌握绝对码 相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法 2 掌握用键控法产生 2ASK 2FSK 2DPSK 信号的方法 3 掌握相对码波形与 2PSK 信号波形之间的关系 绝对码波形与 2DPSK 信号波形之间 的关系 4 掌握 2ASK 2FSK 2DPSK 信号的频谱特性 2 设计 设计要求要求 1 观察绝对码 相对码波形 2 观察 2ASK 2FSK 2DPSK 信号波形 3 观察 2ASK 2FSK 2DPSK 信号频谱 3 设计原理 设计原理 调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数值调制 由于被调载波有幅度 频率 相位三个独立的可控参量 当用二进制信号分别调制这三种参量时 就形成了二进 制振幅键控 2ASK 二进制移频键控 2FSK 二进制移相键控 2PSK 三种最基本的数字 频带调制信号 而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态 1 1 2ASK 调制原理 在振幅键控中载波幅度是随着基带信号而变化的 将载波在二进制基带信号 1 或 0 的 控制下通或断 即用载波幅度的有无来代表信号中的 1 或者是 0 这样就可以得到 2ASK 信号 这种二进制振幅键控方式称为通 断键控 OOK 2ASK 信号典型的时域 波形如图 1 1 所示 其时域数学表达式为 1 1 2 cos ASKnc StaAt 式中 A 为未调载波幅度 为载波角频率 为符合下列关系的二进制序列的第 n c n a 个码元 1 2 P P an 出现概率为 出现概率为 11 0 综合式 15 1 和式 15 2 令 A 1 则 2ASK 信号的一般时域表达式为 tnTtgatS c n snASK cos 2 1 3 ttS c cos 式中 Ts为码元间隔 为持续时间 Ts 2 Ts 2 内任意波形形状的脉冲 分析 g t 光电工程学院信息综合训练 6 时一般设为归一化矩形脉冲 而就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列 S t 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts 1 0 1 1 S2ASK t A A 0 ar2 t t 图图 1 1 2ASK 信号的典型时域波形信号的典型时域波形 为了更深入掌握 2ASK 信号的性质 除时域分析外 还应进行频域分析 由于二进制 序列一般为随机序列 其频域分析的对象应为信号功率谱密度 设为归一化矩形脉冲 g t 若的傅氏变换为 则为二进制随机单极性矩形脉冲序列 且任意码元为 0 g t G f S t 的概率为 P 则的功率谱密度表达式为 S t 1 4 0 1 1 2 22 2 fGPffGPPffP sss 式中 Hz 并与二进制序列的码元速率 Rs在数值上相 sin s s s T G fT fT 1 s s f T 等 可以看出 单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量 2ASK 信号的双边功率谱密度表 达式为 22 2 1 4 1 ccsASK ffGffGPPffP 1 5 0 1 4 12 2 2 ccs ffffGpf 式 15 5 表明 2ASK 信号的功率谱密度由两个部分组成 1 由经线性幅 g t 度调制所形成的双边带连续谱 2 由被调载波分量确定的载频离散谱 图 1 2 为 2ASK 信号的单边功率谱示意图 光电工程学院信息综合训练 7 fc 4Rs fc 2Rs fc fc 2Rs fc 4Rs fc 3Rs fc Rs fc Rs fc 3Rs P2ASK f dB f 图图 1 2 2ASK 信号的单边功率谱密度示意图信号的单边功率谱密度示意图 对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽 在不同应用场合 信号带 宽有多种度量定义 但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的 谱零点 带宽 这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含信号大部分功率的信号 显然 2ASK 信号的谱零点带宽为 Hz 1 6 20 22 FSKcscsss BfRfRfRT 式中 Rs为二进制序列的码元速率 它与二进制序列的信息率 比特率 Rb bit s 在数值上相等 载波 基带信号 开关电路 2ASK信号 图图 1 3 2ASK 调制原理框图调制原理框图 1234 A B C D 4321 D C B A 5 R406 10k 3 2 1 U400A TL082 5 R405 1K R404 1K 7 6 1 U401B LM339 S402 BN S401 BN TP402 TP C403 334 R403 1K C406 334 C405 104 C404 104 R402 1K 5 TP401 TP S403 BN TP403 TP 12 13 U402A 74HC4066 R421 300K R424 300K 5 ASK ASK ASK 图图 1 4 2ASK 调制电路原理图调制电路原理图 光电工程学院信息综合训练 8 2ASK 信号的产生方法比较简单 首先 因 2ASK 信号的特征是对载波的 通 断键 控 用一个模拟开关作为调制载波的输出通 断控制门 由二进制序列控制门的通断 S t 1 时开关导通 0 时开关截止 这种调制方式称为通 断键控法 其次 S t S t 2ASK 信号可视为 S t 与载波的乘积 故用模拟乘法器实现 2ASK 调制也是很容易想到的另 一种方式 称其为乘积法 在这里 我们采用的是通 断键控法 2ASK 调制的基带信号 和载波信号分别从 ASK 基带输入 和 ASK 载波输入 输入 其原理框图和电路原理图 分别如图 1 3 图 1 4 所示 1 2 2FSK 调制原理 2FSK 信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的 被调载波的频率随二进制 序列 0 1 状态而变化 即载频为时代表传 0 载频为时代表传 1 显然 2FSK 信号 0 f 1 f 完全可以看成两个分别以和为载频 以和为被传二进制序列的两种 2ASK 信号 0 f 1 f n a n a 的合成 2FSK 信号的典型时域波形如图 1 5 所示 其一般时域数学表达式为 1 7 tnTtgatnTtgatS n sn n snFSK102 cos cos 式中 是的反码 即 00 2 f 11 2 f n a n a P P an 概率为 概率为 11 0 P P an 概率为 概率为 10 1 S2FSK t A A 0 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts 1 0 1 1 ar2 t t 光电工程学院信息综合训练 9 图图 1 5 2FSK 信号的典型时域波形信号的典型时域波形 因为 2FSK 属于频率调制 通常可定义其移频键控指数为 1 8 ss RffTffh 0101 显然 h 与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的 其大小对已调波带宽有很大影 响 2FSK 信号与 2ASK 信号的相似之处是含有载频离散谱分量 也就是说 二者均可以 采用非相干方式进行解调 可以看出 当 h 1 时 2FSK 信号功率谱呈双峰状 此时的信号带宽近似为 Hz 1 9 sFSK RffB2 012 2FSK 信号的产生通常有两种方式 1 频率选择法 2 载波调频法 由于频率 选择法产生的 2FSK 信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和 在二进制码元状态 转换 或 时刻 2FSK 信号的相位通常是不连续的 这会不利于已调信号功10 01 率谱旁瓣分量的收敛 载波调频法是在一个直接调频器中产生 2FSK 信号 这时的已调信 号出自同一个振荡器 信号相位在载频变化时始终时连续的 这将有利于已调信号功率谱 旁瓣分量的收敛 使信号功率更集中于信号带宽内 在这里 我们采用的是频率选择法 其调制原理框图如图 1 6 所示 载波2 基带信号 载波1 相加器 倒相器 开关1 开关2 2FSK信号 图图 1 6 2FSK 调制原理框图调制原理框图 由图可知 从 FSK 基带输入 输入的基带信号分成两路 1 路经 U404 LM339 反 相后接至 U405B 4066 的控制端 另 1 路直接接至 U405A 4066 的控制端 从 FSK 载波输入 1 和 FSK 载波输入 2 输入的载波信号分别接至 U405A 和 U405B 的输入端 当基带信号为 1 时 模拟开关 U405A 打开 U405B 关闭 输出第一路载波 当基带信 号为 0 时 U405A 关闭 U405B 打开 此时输出第二路载波 再通过相加器就可以得 到 2FSK 调制信号 1 3 2DPSK 调制原理 2PSK 信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的 通常规定 0 相位载波和 相 位载波分别代表传 1 和传 0 其时域波形示意图如图 1 7 所示 设二进制单极性码为 an 其对应的双极性二进制码为 bn 则 2PSK 信号的一般时域数 学表达式为 1 10 tnTtgbtS c n snPSK cos 2 光电工程学院信息综合训练 10 其中 Pa Pa b n n n 时 概率为 当 时 概率为当 111 01 则 15 10 式可变为 1 11 10cos 0cos 2 nc n s nc n s PSK atnTtg atnTtg tS 当 当 图图 1 7 2PSK 信号的典型时域波形信号的典型时域波形 由 15 10 式可见 2PSK 信号是一种双边带信号 比较 1 10 式于 1 3 式 可知 其双边功率谱表达式与 2ASK 的几乎相同 即为 22 2 1 c ffG c ffGPPffP sPSK 1 12 0 1 4 12 2 2 ccs ffffGPf 2PSK 信号的谱零点带宽与 2ASK 的相同 即 Hz 1 13 ssscscPSK TRRfRfB 22 2 我们知道 2PSK 信号是用载波的不同相位直接去表示相应数字信号的 在这种绝对 移相的方式中 由于发送端是以某一个相位作为基准的 因而在接收系统也必须有这样一 个固定基准相位作参考 如果这个参考相位发生变化 则恢复的数字信息就会与发送的数 字信息完全相反 从而造成错误的恢复 这种现象常称为 2PSK 的 倒 现象 因此 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts 1 0 1 1 S2PSK t A A 0 ar2 t t 光电工程学院信息综合训练 11 实际中一般不采用 2PSK 方式 而采用差分移相 2DPSK 方式 2DPSK 方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式 例 如 假设相位值用相位偏移 x 表示 x 定义为本码元初相与前一码元初相之差 并设 1数字信息 00数字信息 则数字信息序列与 2DPSK 信号的码元相位关系可举例表示如下 数字信息 0011100101 2DPSK 信号相位 000 0 00 或 0 0 0 0 0 图 1 8 为对同一组二进制信号调制后的 2PSK 与 2DPSK 波形 从图中可以看出 2DPSK 信号波形与 2PSK 的不同 2DPSK 波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号 而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号 这说明 解调 2DPSK 信号时并不依赖于 某一固定的载波相位参考值 只要前后码元的相对相位关系不破坏 则鉴别这个相位关系 就可以正确恢复数字信息 这就避免了 2PSK 方式中的 倒 现象发生 同时我们也可 以看到 单纯从波形上看 2PSK 与 2DPSK 信号时无法分辨的 这说明 一方面 只有已 知移相键控方式是绝对的还是相对的 才能正确判定原信息 另一方面 相对移相信号可 以看成是把数字信息序列 绝对码 变换成相对码 然后再根据相对码进行绝对移相而形 成 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1数字信息 绝对码 PSK波形 DPSK波形 相对码 图图 1 8 2PSK 与与 2DPSK 波形对比波形对比 为了便于说明概念 我们可以把每个码元用一个如图 1 9 所示的矢量图来表示 图中 光电工程学院信息综合训练 12 虚线矢量位置称为基准相位 在绝对移相中 它是未调制载波的相位 在相对移相中 它 是前一码元载波的相位 如果假设每个码元中包含有整数个载波周期 那么 两相邻码元 载波的相位差既表示调制引起的相位变化 也是两码元交界点载波相位的瞬时跳变量 根 据 ITU T 的建议 图 1 9 a 所示的移相方式 称为 A 方式 在这种方式中 每个码元的 载波相位相对于基准相位可取 0 因此 在相对移相后 若后一码元的载波相位相对 于基准相位为 0 则前后两码元载波的相位就是连续的 否则 载波相位在两码元之间要 发生跳变 图 1 9 b 所示的移相方式 称为 B 方式 在这种方式中 每个码元的载波相 位相对于基准相位可取 2 因而 在相对移相时 相邻码元之间必然发生载波相位的 跳变 这样 在接收端接收该信号时 如果利用检测此相位变化以确定每个码元的起止时 刻 即可提供码元定时信息 这正是 B 方式被广泛采用的原因之一 0 2 2 参考相位 参考相位 a b 图图 1 9 二相调制移相信号矢量图二相调制移相信号矢量图 2DPSK 的调制原理与 2FSK 的调制原理类似 也是用二进制基带信号作为模拟开关 的控制信号轮流选通不同相位的载波 完成 2DPSK 调制 其调制的基带信号和载波信 号分别从 PSK 基带输入 和 PSK 载波输入 输入 差分变换的时钟信号从 PSK BS 输入 点输入 其原理框图如图 1 10 所示 选相开关载波输入已调信号 基带信号反相器差分变换 图图 1 10 2DPSK 调制原理框图调制原理框图 三 系统调试及其工作过程三 系统调试及其工作过程 1 将信号源模块 数字调制模块 频谱分析模块小心地固定在主机箱中 确保电源接触 良好 2 插上电源线 打开主机箱右侧的交流开关 再分别按下三个模块中的开关 光电工程学院信息综合训练 13 POWER1 POWER2 对应的发光二极管 LED001 LED002 D400 D401 L1 L2 发光 按一下信号源模块的复位键 三个模块均开始工作 3 ASK 调制设计 将信号源模块产生的码速率为 15 625KHz 的 NRZ 码和 64KHz 的正弦波 幅度为 3V 左右 分别送入数字调制模块的信号输入点 ASK 基带输入 和 ASK 载波 输入 以信号输入点 ASK 基带输入 的信号为内触发源 用双踪示波器同时 观察点 ASK 基带输入 和点 ASK 调制输出 的波形 并将这两点的信号送入 频谱分析模块进行分析 观察其频谱 改变送入的基带信号和载波信号 重复上述设计 4 FSK 调制设计 将信号源模块产生的码速率为 15 625KHz 的 NRZ 码和 32KHz 正弦波 幅度为 3V 左右 64KHz 的正弦波 幅度为 3V 左右 分别送入数字调制模块的信号输入 点 FSK 基带输入 FSK 载波输入 1 和 FSK 载波输入 2 以信号输入点 FSK 基带输入 的信号为内触发源 用双踪示波器同时观察点 FSK 基带输入 和点 FSK 调制输出 的波形 并将这两点的信号送入频谱分析模块进行分析 观察其频谱 改变送入的基带信号和载波信号 重复上述设计 5 PSK 调制设计 将信号源模块的信号输出点 BS 与数字调制模块的信号输入点 PSK BS 输入 连接 将信号源模块产生的码速率为 15 625KHz 的 NRZ 码和 64KHz 的正弦波 幅度为 3V 左右 分别送入数字调制模块的信号输入点 PSK 基带输入 和 PSK 载波输入 以信号输入点 差分编码输出 的信号为内触发源 用双踪 示波器同时观察点 PSK 基带输入 与 差分编码输出 的波形 用双踪示波器同时观察点 差分编码输出 和点 PSK 调制输出 的波形 并将 这两点的信号