试验三FSK传输系统试验

1、实验三FSK传输系统实验一、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:Sfsk = j2Ebcos2fAft 0 Et ETb二进制1二进制0TbSfskcos2二fc - 2； ：ft其中2n 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SFSKSfskcos2 二fHt 片图非连续相位FSK的调制框图的振荡器中切换。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FS

2、K信号表达式为:二进制1二进制0其实现如图3.1-1所示:由于相位的不连续会造频谱扩展，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开展，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：SFSK(t)=2,t2二 kf m(n)dn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 9(t)是与m (t)的积分成比例的，因而是连续的，其相应波形如图所示:0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

3、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+n 、fc-n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幕衰落。如果相位不 连续，功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幕衰落。FSK的信号频谱如图所示。图3.1.3 FSK的信号频谱FSK信号的传输带宽 Br，由Carson公式给出:Br=2 f+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=2 f+( 1+a) R其中a为滤波器

4、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：s(t) = cos(w0t 2fi t)其中：£当输入码为1f二 1if2当输入码为0因而有：s(t) = coswotcos2二£ t-sinwotsin2二£ t= cosw0t cos(t)sin wotsin (t)其中：tr(t) =2 二fct 2二 K m(t)dt如果结进行量化处理，采样速率为fs,周期为Ts，有下式成立:二(n)-打n-1) 2二fcTs 2Km(n)Ts "(n-1) 2 二 Tsfs Km( n) 7( n -1) 2 二 £Ts按照

5、上述原理，FSK正交调制器的实现为如图3.1-4结构：图3.1.4 FSK正交调制器结构图如时发送0码，那么相位累加器在前一码元结束时相位 承n根底上，在每个抽 样到达时刻相位累加2 f；Ts，直到该码元结束；如时发送1码，那么相位累加器在 前一码元结束时的相位rn根底上，在每个抽样到达时刻相位累加2二f2Ts，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fH频率，空号采用fL频率。在 FSK模式下，不采用采用汉明纠错编译码技术。制器器提供的数据源有：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

6、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所示：图FSK加调制器基带处理sin(cos( <相位累D/AD/A TPi01低通滤恳波低通滤TPiO4忌波：J-TPi03二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。1、FSK相干解调FSK相干解调要求恢复出传号频率fH 与空号频率fL ,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那么当

7、前接收信号判为1,否那么判为0。相干FSK解调框图如图所示：信号图相干FSK的解调框图接收的FSK判决 f相干FSK解调器是在加性高斯白噪声信道下的最正确接收，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 况那么不完全相同，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。2、FSK滤波非相干解调接收的FSK信号图非相干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，如图所示。输入的FSK中频信号分别经过中心频率为fH、fL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拟。

8、 根据包络检波器输出的大小，比拟器判决数据比特是1还是0。使用非相干检测时FSK系统的平均误码率为:pe二 2exp(旦2 2No在高斯白噪声信道环境下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。3、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 所示:低通滤波图3.2.3 FSK正交相乘非相干解调示意图输入的信号为R(t)二 cos(w0t 二 w t)传号频率为：w w

9、空号频率为：w0-.Vw在上图中，延时信号为：R (t)二 cos(w0 士 ；，w) (t - )其中为延时量。相乘之后的结果为：2R(t) R'(t)二 2cos(wo 二-w) t cos(wo 二-w) (t -)二 COS2(Wo _ :w) t _(W0 _ :w) COS(W0 二：w) 在上式中，第一项经过低通滤波器之后可以滤除。当w0 -二/2时，上式可简化为：2R(t) R (t) : sin(二 w) 二 sin w因而经过积分器(低通滤波器)之后，输出信号大小为：二Tbsinw.，从而实现了 FSK的正交相乘非相干解调。AB两点的波形如图324所示:低通滤波后输

10、出aiI_1 j1020304C5：60图差分解调波形在FSK中位定时的恢复见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:pe二 2exp(旦2 2No对于一个实际通信设备，其性能一般较理论性能在亘上要恶化几个dB，一No般可达2、3dB。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

11、，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、信道旦的测量：No对于FSK信道签的测量一般可采用功率测量图采用功率计测量 旦 连接示意图NoFSK解调器首先，测量高斯白噪声谱密度No。按图连接，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 En，根据高斯噪声所占据的带宽 Bn可计算出高斯白噪声的谱密度：NoBN然后在C点处断开,测量信号功率Es,计算出信号的每比特能量:EbRb这样通过功率测量即可测量出FSK

12、在实际信道环境下的EbNo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且的大致情况。基带等效带宽为76.8KHZ，信息No速率为8KBPS，因而有下式成立：Es/8【 瓦屹/76.8 一:Esl9.8(dB)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拟，将误码进行计

13、数。而后将误码率显示出来:Pe接收的误码数 发送的总码数二、实验仪器1、JH5001通信原理综合实验系统一台2、20MHz双踪示波器一台3、JH9001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调制和解调根本工作原理；2、掌握FSK数据传输过程；3、掌握FSK正交调制的根本工作原理与实现方法;4、掌握FSK性能的测试；5、了解FSK在噪声下的根本性能；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，那么需按面板上的复位按钮重新对硬

14、件进行初始化一FSK调制1. FSK 基带信号观测1TPiO3是基带FSK波形D/A模块内。通过菜单项选择择为1码输入数 据信号，观测 TPi03 信号波形，测量其基带信号周期。 2 通过菜单项选择择为 O 码输入数据信号，观测 TPiO3 信号波形，测量其 基带信号周期。将测量结果与 1 码比拟。2. 发端同相支路和正交支路信号时域波形观测TPiO3和TPiO4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 O 码，测量其两信号是否满足正 交关系。思考：产生两个正交信号去调制的目的。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

15、示波器设置在x-y方式，可从相平面上观察 TPiO3和TPiO4的正交性， 其李沙育应为一个圆。通过菜单项选择择在不同的输入码型下进行测量。4. 连续相位 FSK 调制基带信号观测 1 TPMO2 是发送数据信号 DSP+FPGA 模块左下脚， TPiO3 是基带 FSK 波形。测量时， 通过菜单项选择择为 O/1 码输入数据信号， 并以 TPMO2 作为同步信号。观测TPMO2与TPiO3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。思考：非连续相位FSK调制在码元切换点的相位是如何的。 2 通过菜单项选择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

16、。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 所示：*幅度正交调制 t>k幅度一-/频率幅度一般调制中频频谱基带频谱频率i频率带通滤波器图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，通过菜单项选择择为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。(2) 通过菜单项选择择为特殊序列码输入数据信号，重复上

17、述测量步骤。(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。6. FSK调制信号频谱观测此项测量视学校仪表情况而定。测量时，用一条中频电缆将频谱仪连结接到调制器的 KO02端口。调整频谱 仪中心频率为1.024MHz，扫描频率为10KHZ/DIV，分辨率带宽为110KHz左 右，调整频率仪输入信号衰减器和扫描时间为适宜位置。(1) 通过菜单项选择择不同的输入数据，观测 FSK信号频谱。(2) 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

18、量步骤。观测信号频谱的变化，记录 测量结果。思考：结合图分析频谱变化的原因。(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， 比拟其两者的对应关系。1通过菜单项选择择为 1 码或 0 码输入数据信号，观测 TPJ05 信号波 形，测量其信号周期。2通过菜单项选择择为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？2. 解调基带信号的李沙育x-y 波形观测将示波器设置在

19、x-y方式，从相平面上观察 TPJ05和TPJ06的李沙育波 形。 1 通过菜单项选择择为 1 码或 0 码输入数据信号，仔细观测其李沙育 信号波形。 2 通过菜单项选择择为 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。3. 接收位同步信号相位抖动观测用发送时钟 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 TPMZ07DSP 芯片左端的抖

20、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？4. 抽样判决点波形观测将跳线开关 KL01 设置在 2_3 位置，调整电位器 WL01, 以改变接收本地载 频即改变收发频差，观察抽样判决点TPN04 测试模块内波形的变化。在 观察时，示波器的扫描时间取大于 2ms 级较为适宜，观察效果较好。具有以下 的波形：理想情况下，正交相乘经低通滤波之后在判决器之前的变量应取两个值： + A或一A。而实际情况，的输出如图所示，原因有以下几个方面： 1 位定时抖动，由于位定时的抖动，使前后的码元产生了码间串扰串ISI,从而引起判决器之前的波形抖动；2剩余频差：由于收发频率不同，当这种差异

21、较大时，会引起判决器之前的波形抖动;3A/D量化时的直流漂移：由于A/D在量化时存在直流漂移，引起判决器之前的波形抖动；4线路噪声：当接收支路存在噪声时，引起判决器之前的波形抖动;图3.1.7 FSK解调器抽样判决点的波形5. 解调器位定时恢复与最正确抽样判决点波形观测TPMZ07为接收端DSP调整之后的最正确抽样时刻。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。6. 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

22、，用示波器同时观察 TPM01 观察时以 此信号作同步和TPMZ07 收端最正确判决时刻之间的相位关系。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。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。7. 观察在各种输入码字下FSK的输入/输出数据测试点TPM02是调制输入数据，TPM04是解调输出数据。通过菜单项选择择为 不同码型输入数据信号，观测输出数据信号是否正确。观测时，用

23、TPM02点信号同步。三FSK系统性能测试准备工作:1首先用中频电缆连结KO02和JL02，建立中频自环自发自收。2误码仪关机，将误码测试仪RS422端口用DB9电缆在误码测试仪的后部连接到通信原理实验箱同步接口模块的数据通信端口JH02上通过转接电缆,误码仪必须断电后连接！。3将汉明编码模块中的信号工作跳线器开关SWC01中的H_EN和ADPCM开关去除，将输入信号跳线开关KC01设置在同步数据接口DT_SYS上左端；将汉明译码模块中汉明译码使能开关 KW03设置 在OFF状态右端，输入信号和时钟开关 KW01、KW02设置在来自 信道CH位置左端。4通过菜单项选择项选择外部数据源方式，此时发送数据将由误码测试仪提供，同时将解调之后的数据送到误码测试仪中进行误码分析。5误码仪加电。将误码仪工作 模式设置为连续，码类选择29-1，接 口选择外时钟和RS422方式。1. FSK误码指标测试1首先将噪声模块内的噪声输出电平调整开关SWO01设置在最低一挡00000001,此时噪声输出电平最小，信噪比 S/N最大。测量该S/N 下的误码率，记录测量结果填入表内。2将噪声输出电平调整开关 SWO01增加一挡为00000010,降低一挡 S/N。重复上述