实验一 FSK传输系统实验_图文

1、FSK 传输系统实验报告一、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：S FSK =2E bcos(2f c +2f t T b0t T b（二进制）S FSK =2E bcos(2f c -2f t T b0t T b（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

2、信号表达式为：S FSK =2E bcos(2f H t +1 T b2E bcos(2f L t +2 T b0t T b（二进制）S FSK =0t T b（二进制）其实现如图3.1-1所示： 图3.1.1 非连续相位FSK 的调制框图由于相位的不连续会造成频谱扩展，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，越来越多地采用连继相位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：S FSK (t =2E bcos2f C t +(t T b2E bcos2f

3、 C t +2k f T bt-m (n dn 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 、fc+nf 、fc-n f 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3.1.3所示。 图3.1.3 FSK 的信号频谱如时发送0码，则相位累加器在前一码元结束时相位(n 基础上，在每个抽样到达时刻相位累加2f 1T s ，直到该码元结束；

4、如时发送码，则相位累加器在前一码元结束时的相位(n 基础上，在每个抽样到达时刻相位累加2f 2T s ，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f H 频率，空号采用f L 频率。在FSK 模式下，不采用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

5、理结构如图3.1.5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（f H ）与空号频率（f L ），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3.2.1所示：图3.1.5 FSK 调制器基带处理结构示意图 图3.2.1 相干FSK 的解调框图相干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：P e =Q (E bN 0相干FSK 解调在

6、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 滤波非相干解调图3.2.2 非相干FSK 接收机的方框图对于FSK 的非相干解调一般采用滤波非相干解调，如图3.2.2所示。输入的FSK 中频信号分别经过中心频率为f H 、f L 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。使用非相干检测时FSK 系统的平均误码率为：P e =E 1b 22N 0在高斯白噪声信道环境下FSK 滤波非相干

7、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FSK 的正交相乘非相干解调框图如图3.2.3所示： 图3.2.3 FSK 正交相乘非相干解调示意图输入的信号为R (t =cos(w 0t ±w t 传号频率为：w 0+w 空号频率为：w 0-w 在上图中，延时信号为：R ' (t =cos(w 0±w (t -其中为延时量。 相乘之后的结果为

8、：2R (t R ' (t =2cos(w 0±w t *cos(w 0±w (t -=cos2(w 0±w t -(w 0±w +cos(w 0±w 在上式中，第一项经过低通滤波器之后可以滤除。当w 0=/2时，上式可简化为：2R (t R ' (t sin(±w =±sin w 因而经过积分器（低通滤波器）之后，输出信号大小为：±T b sin w ，从而实现了FSK 的正交相乘非相干解调。AB 两点的波形如图3.2.4所示：R(tR(t低通滤波后输出图3.2.4 差分解调波形在FSK 中位定时

9、的恢复见BPSK 解调方式。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3.2.5所示： 二、实验仪器1、 J H5001通信原理综合实验系统 2、 20MHz 双踪示波器3、 J H9001型误码测试仪（或GZ9001型） 4、 频谱测量仪一台 一台 一台 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FS

10、K 在噪声下的基本性能；四、实验内容测试前检查：首先将通信原理综合实验系统调制方式设置成“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重新对硬件进行初始化。 检查现象： 实验系统正常工作。（一）FSK 调制1. FSK 基带信号观测（1）TPi03是基带FSK 波形（D/A模块内）。通过菜单选择为1码输入数据信号，观测TPi03信号波形，测量其基带信号周期。实验现象： 实验结论：该信号周期为26.8us 。（2）通过菜单选择为0码输入数据信号，观测TPi03信号波形，测量其基带信号周期。将测量结果与1

11、码比较。 实验现象： 实验结论：该信号周期为53.6s ，是1信号周期的2倍。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。测量两信号的时域信号波形时将输入全1码（或全0码），测量其两信号是否满足正交关系。实验现象： 输入为全0时 实验结论：输出的两个信号满足正交关系。3. 发端同相支路和正交支路信号的李沙育（x-y ）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，其李沙育应为一个圆。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量。 实验现象： 当输入为全0时： 输入为全1时： 4. 连续

12、相位FSK 调制基带信号观测（1）TPM02是发送数据信号（DSP+FPGA模块左下脚），TPi03是基带FSK 波形。测量时，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TPi03点波形应有明确的信号对应关系。并且，在码元的切换点发送波形的相位连续。 实验现象： 实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPi03点波形有明确的信号对应关系。 （2）通过菜单选择为特殊序列码输入数据信号，重复上述测量步骤。记录测量结果。 实验现象： 实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPi03点波形有明确的信号对应关系。 5. FSK 调制中频信号波形观测在FSK

13、正交调制方式中，必须采用FSK 的同相支路与正交支路信号；不然如果只采一路同相FSK 信号进行调制，会产生两个FSK 频谱信号，这需在后面采用较复杂的中频窄带滤波器，如图3.1.6所示： 图3.1.6 FSK 的频谱调制过程（1）调制模块测试点TPK03为FSK 调制中频信号观测点。测量时，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点波形应有明确的信号对应关系。实验现象：波形较密的的地方都是1，而波形较疏的地方都是0. 实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPK03点波形有明确的信号对应关系。（2）通过菜单选择为特殊序列码输入数据信号，重

14、复上述测量步骤。实验现象：实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPK03点波形有明确的信号对应关系。波形较密的的地方都是1，而波形较疏的地方都是0。（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），重复上述测量步骤。观测信号波形的变化，分析变化原因。实验现象： （二）FSK 解调1. 解调基带FSK 信号观测首先用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环（自发自收）。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（TPM02）作同步，比较其两者的对应关系。（1）通过菜单选择为1码（或0码）输入数据信号，观测TPJ05信号波

15、形，测量其信号周期。实验现象：选择全1码时： 实验结论：由实验现象及实验数据可以的得到，输出信号的周期为7.4ms 。（2）通过菜单选择为0/1码（或特殊码）输入数据信号，观测TPJ05信号波形。根据观测结果，分析解调端的基带信号与发送端基带波形（TPi03）不同的原因？实验现象： 实验结论：由实验现象及实验数据可以看出此时的波形与（1）有明显区别。即当菜单选择0/1码输入时，载波在1码时的频率较小，而在输入0码时的频率较大。这是由于解调端与发送端的本振源存在频差，所以会出现解调端的基带信号与发送端基带波形（TPi03）不同的现象。2. 解调基带信号的李沙育（x-y ）波形观测将示波器设置在（

16、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，仔细观测其李沙育信号波形。 实验现象：选择为全1码输入时： （2）通过菜单选择为0/1码（或特殊码）输入数据信号，仔细观测李沙育信号波形。 根据观测结果，思考接收端为何与发送端李沙育波形不同的原因？将跳线开关KL01设置在2_3位置，调整电位器WL01（改变接收本地载频即改变收发频差），继续观察。分析波形的变化与什么因素有关。实验现象： 有关。当调整WL01时，其频差在改变，因此波形会发生变化。3. 接收位同步信号相位抖动观测 实验结论：接收端与发送端波形不同可能与解调端的本振源与

17、发送端本振源存在频差用发送时钟TPM01（DSP+FPGA模块左下脚）信号作同步，选择不同的测试码序列测量接收时钟TPMZ07（DSP 芯片左端）的抖动情况。思考：为什么在全0或全1码下观察不到位定时的抖动？实验现象：输入为01码时: 输入选择为全1码时： 实验结论：在0/1码时可以看到抖动，但因为在全0或全1码下接收数据没有跳变沿，译码器无论从任何时刻开始译码均能正确译码，因此译码器无须进行调整，所以就看不到位定时的抖动。4. 解调器位定时恢复与最佳抽样判决点波形观测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

18、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。实验现象： 5. 位定时锁定和位定时调整观测 TPMZ07 为接收端恢复时钟，它与发端时钟（TPM01）具有明确的相位关系。 （1） 在输入测试数据为 m 序列时， 用示波器同时观察 TPM01 （观察时以此信号作同 步）和 TPMZ07（收端最佳判决时刻）之间的相位关系。 实验现象： （2） 不断按确认键，此时仅对 DSP 位定时环路初始化，让环路重新调整锁定，观察 TPMZ07 的调整过程和锁定后的相位关系。 实验现象： 实验结论：当不断按确认键后，m 序列锁定后的相位不变，同（1） 。 （3） 在测试数据为全 1 或全 0 码时重复该实验，并解释原因。断开 JL02 接收中频环 路，在没有接收信号的情况下重复上述步骤实验，观测 TPM01 和 TPMZ07 之间的 相位关系，并解释测量结果的原因。 实验现象： 全 1