实验七 连续相位FSK传输系统实验

1、实验七 连续相位FSK传输系统实验李梦娆 87 张贝贝 7 朱敏 0一、实验原理和电路说明（一）FSK调制在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入码流的变化而切换（称为高音和低音，代表二进制的1和0）。通常，FSK信号的 表达式为：（二进制）（二进制）其中2f代表信号载波的恒定偏移。产生FSK信号最简单的方法是根据输入的数据比特是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波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种FSK信号称为不连续FSK信号。不连续的FSK信号表达式为：（二进制）（二进制）其实现如图4.26所示：图4.26 非连续相位FSK的调制框图由于相位的不连续

2、会造频谱扩展，这种FSK的调制方式在传统的通信设备中采用较多。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。目前较常用产生FSK信号的方法是，首先产生FSK基带信号，利用基带信号对单一载波振荡器进行频率调制。因此，FSK可表示如下： （1）应当注意，尽管调制波形m（t）在比特转换时不连续，但相位函数（t）是与m（t）的积分成比例的，因而是连续的，其相应波形如图4.27所示：图4.27连续相位FSK的调制信号由于FSK信号的复包络是调制信号m（t）的非线性函数，确定一个FSK信号的频谱通常是相当困难的，经常采用实时平均测量的方法。二进制FSK信号的功谱密度由离散频率分量fc、

3、fc+nf、fc-nf组成，其中n为整数。相位连续的FSK信号的功率谱密度函数最终按照频率偏移的负四次幂衰落。如果相位不连续，功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幂衰落。FSK的信号频谱如图4.28所示。图4.28 FSK的信号频谱FSK信号的传输带宽Br，由Carson公式给出：Br=2f+2B其中B为数字基带信号的带宽。假设信号带宽限制在主瓣范围，矩形脉冲信号的带宽B=R。因此，FSK的传输带宽变为：Br=2（f+R）如果采用升余弦脉冲滤波器，传输带宽减为：Br=2f+（1+）R其中为滤波器的滚降因子。在通信原理综合实验系统中，FSK的调制方案如下：FSK信号：（2）其中：因而由（1）（2）

4、式，有：其中：如果进行量化处理，采样速率为fs，周期为Ts，有下式成立：按照上述原理，FSK正交调制器的实现为如图4.29结构：图4.29 FSK正交调制器结构图如时发送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；如时发送码，则相位累加器在前一码元结束时的相位基础上，在每个抽样到达时刻相位累加，直到该码元结束。在通信信道FSK模式的基带信号中传号采用频率，空号采用频率。在FSK模式下，不采用汉明纠错编译码技术。调制器提供的数据源有：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

5、0码：可测试空号时的发送频率（低）；4、 0/1码：0101交替码型，用作一般测试；5、 特殊码序列：周期为7的码序列，以便于常规示波器进行观察；6、 m序列：用于对通道性能进行测试；FSK调制器基带处理结构如图4.30所示：（二）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相干解调FSK相干解调要求恢复出传号频率（）与空号频率（），恢复出的载波信号分别与接收的FSK中频信号相乘，然后分别在一个码元内积分，将积分之后的结果进行相减，如果差值大于0则当前接收信号判为1，否则判为0。相干FSK解调框图如图4.31所示：图4.31 相干FSK的解调框

6、图相干FSK解调器是在加性高斯白噪声信道下的最佳接收，其误码率为： 相干FSK解调在加性高斯白噪声下具有较好的性能，但在其它信道特性下情况则不完全相同，例如在无线衰落信道下，其性能较差，一般采用非相干解调方案。、FSK滤波非相干解调对于FSK的非相干解调一般采用滤波非相干解调，如图4.32所示。输入的FSK中频信号分别经过中心频率为、的带通滤波器，然后分别经过包络检波，包络检波的输出在t=kTb时抽样（其中k为整数），并且将这些值进行比较。根据包络检波器输出的大小，比较器判决数据比特是1还是0。图4.32 非相干FSK接收机的方框图使用非相干检测时FSK系统的平均误码率为）：在高斯白噪声信道环

7、境下FSK滤波非相干解调性能较相干FSK的性能要差，但在无线衰落环境下，FSK滤波非相干解调却表现出较好的稳健性。FSK滤波非相干解调方法一般采用模拟方法来实现，该方法不太适合对FSK的数字化解调。对于FSK的数字化实现方法一般采用正交相乘方法加以实现。、FSK的正交相乘非相干解调（利用相位解调的鉴频原理）FSK的正交相乘非相干解调框图如图4.33所示：图4.33 FSK正交相乘非相干解调示意图输入的信号为传号频率为：空号频率为：在上图中，延时信号为：其中t 为延时量。相乘之后的结果为：在上式中，第一项经过低通滤波器之后可以滤除。当时，上式可简化为：因而经过积分器（低通滤波器）之后，输出信号大

8、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4.34所示：图4.34 差分解调波形在FSK中位定时的恢复见BPSK解调方式。TPMZ07：最终恢复的位定时时钟。通信原理实验的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。FSK的解调框图如图4.35所示。（三）FSK系统性能对于FSK采用非相干解调，在高斯白噪声信道环境下的平均误码率为：对于一个实际通信设备，其性能一般较理论性能在上要恶化几个dB，一般可达（23dB）。因而，对于一个调制方式已确定的信道设备，对于其误码率的测量

9、是一个十分重要的环节。一方面可以衡量其在实际信道环境下的性能，比理论值所恶化的程度；另一方面，通过测量设备的信道误码率指标，可以判断当前设备是否工作正常。对设备信道误码率指标的测量，不仅仅对该设备的性能有所了解，同时它也是通信系统工程方面（系统建立、维护）重要的工具。1、 信道的测量：对于FSK信道的测量一般可采用功率测量。首先，测量高斯白噪声谱密度。按图4.36连接，在A点将调制信号断开，这样在B点处将测量得信道上高斯噪声的能量，根据高斯噪声所占据的带宽可计算出高斯白噪声的谱密度：然后在C点处断开,测量信号功率,计算出信号的每比特能量：这样通过功率测量即可测量出FSK在实际信道环境下的。图4

10、.36 采用功率计测量连接示意图如果定性测量可通过通信原理综合实验系统的TPJ05进行：首先断开发信号，在示波器上测量接收的噪声大小En，然后在没有噪声时在示波器上观察信号的大小Es，通过这两项估计当前的大致情况。基带等效带宽为76.8KHz，信息速率为8KBPS，因而有下式成立：这样通过改变噪声大小，可测量FSK的误码性能。2、 误码率测量对信道误码率的测量一般需通过误码测试仪进行。误码测试仪首先发送一串伪码给信道设备，信道设备将FSK信号发送，并经信道返回（主要是完成加噪功能），然后解调。将解调之后的数据再送入误码测试仪进行比较，将误码进行计数，而后将误码率显示出来：二、实验仪器1、 ZH

11、5001通信原理综合实验系统一台2、 20MHz双踪示波器一台3、 ZH9001型误码测试仪（或GZ9001型）一台4、 频谱测量仪一台三、实验目的1、 熟悉FSK调制和解调基本工作原理；2、 掌握FSK数据传输过程；3、 掌握FSK正交调制的基本工作原理与实现方法；4、 掌握FSK性能的测试；5、 了解FSK在噪声下的基本性能；四、 回答预习问题1、在进行该实验时，首先预习一下实验系统概述中“数字锁相环模块、DSP处理模块、D/A、A/D模块、中频调制、解调模块和测试模块”的内容和原理；2、FSK正交调制方式与传统FSK调制方式有何区别？ 一般 FSK 调制方式产生 FSK 信号的方法是根据

12、输入的数据比特是 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波形在切换的时刻相位是不连续的。而 FSK 正交 调制方式产生 FSK 信号的方法是，首先产生 FSK基带信号，利用基带信号对单一载波振荡 器进行频率调制。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是连续的。在 FSK 正交调制 方式中，必须采用FSK 的同相支路与正交支路信号，不然如果只采用一路同相 FSK 信号进 行调制，会产生两个 FSK 频谱信号3、 叙述本实验中FSK采用的调制、解调的原理。FSK正交调制器的实现为如图结构： FSK正交调制器结构图 FSK的正交相乘非相干解调（利用相位解调的鉴频原理）输入的信号为

13、传号频率为：空号频率为：在上图中，延时信号为：其中t 为延时量。相乘之后的结果为：在上式中，第一项经过低通滤波器之后可以滤除。当时，上式可简化为：因而经过积分器（低通滤波器）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。4、 查阅资料，说明信道频差对解调性能的影响。 频差会引起相位偏差，相位偏差会影响系统性能有一定下降。信道频差（一般在采用非相干解调时存在）的存在会造成解调端的基带信号无法观测(如在DBPSK中无法观测收端眼图)，但不会影响正常的解调5、查阅资料，说明位定时抖动产生的原因。 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，

14、这时可以观测到解调后波形的抖动。6、 本实验中位定时恢复所采用的算法是什么？叙述位定时的调整过程，并说明输入码字对位定时恢复的影响？在实际通信中为什么要加扰码措施？ 滤波法 输入码字当中的连1连0对于收端位定时的提取有很大影响，对于收端来讲要准确的提取位定时，对接收码流要求不能有太多的连1连0（即接收码流应该有丰富的跳变沿），因此接收码流中连1连0的数目会直接影响位定时的恢复。 在实际通信当中采取扰码措施可以改变接收码流中的0、1分布，使得码流中连0连1数目不会超过4个，从而有利于位定时的恢复。7、 标出TPMZ07、TPi03、TPi04、TPM01、TPM02、TPM04、TPK03、TP

15、J05、TPN04测量点的含义。 TPMZ07：最终恢复的位定时时钟 D/A模块TPi03：通道I的低通滤波器输出，发送I支路基带信号TPi04：通道Q的低通滤波器输出，发送Q支路基带信号 数字锁相环 TPM01：发送时钟信号 A/D模块 TPJ05：经放大与直流偏移之后的解调I支路基带信号 测试模块 TPN04：抽样判决点输出信号 中频调制器模块 TPK03：输出已调制信号五、实验内容深刻理解电路组成和实验原理，正确设置跳线开关，完成以下实验内容，记录实验数据、实验现象和实验信号波形（标明频率、幅度、脉冲宽度）。测试前检查TPMZ07有无信号，菜单选择FSK调制。（一）FSK调制1. FSK

16、基带信号观测选择菜单输入数据信号为全0码、全1码和01码，发送数据信号作同步，观测发端同相I支路输出基带信号波形(TPi03)。画出波形，并测量基带调频的两个频点。（在码元的切换点其相位如何？）2选择菜单输入数据信号为全1码和01码，通过时域观测和x-y模式两种方法来观测发端同相支路基带信号(TPI03)和正交支路基带信号(TPI04)的正交性。31） 通过菜单选择为全0码、全1码和01码为输入数据信号，以发送数据信号作同步，观测FSK调制中频信号(TPK03)波形。画出波形，并测量中频信号调频的两个频点，分析信号的特点。 (测量时，通过菜单选择为 0/1 码输入数据信号，并以 TPM02 作

17、为同步信号。观测 TPM02 与 TPK03 点波形 应有明确的信号对应关系) 2）设计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）， 对照发送数据信号、发送基带信号，观测中频调制信号波形的变化，重复上述测量步骤,分析变化原因。（二）FSK解调1解调基带FSK信号观测中频电缆连结建立中频自环，用发送数据作同步，选择菜单输入数据信号全0码、全1码和01码，测量FSK解调基带信号测试点(TPJ05)波形（尽量在示波器上调出稳定的波形，不能用stop或single）。并与发端基带信号作(TPM02)比较，二者是否相同？为什么？（根据频率调制的含义解释）2 解调器位定时恢复与最佳抽样判决点波形观测选择输入测试数据为m序列，同时观察接收端DSP调整之后的最佳判决抽样时刻（观察时以此信号作同步）和抽样判决点波形信号的之间的相位关系。TPMZ07 为接收端 DSP 调整之后的最佳抽样时刻。选择输入测试数据为 m 序列，用示 波器同时观察 TPMZ07（观察时以此信号作同步）和观察抽样判决点 TPN04 波形（抽样判 决点信号）的之间的相位关系3用发送时钟(TPM01)信号作同步，选择不同的测试码序