實(shí)驗(yàn)七連續(xù)相位FSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)七 連續(xù)相位FSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)李夢(mèng)嬈 2013001211087 張貝貝 201300121207 朱敏 201300121250一、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明（一）FSK調(diào)制在二進(jìn)制頻移鍵控中，幅度恒定不變的載波信號(hào)的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱為高音和低音，代表二進(jìn)制的1和0）。通常，F(xiàn)SK信號(hào)的 表達(dá)式為：（二進(jìn)制）（二進(jìn)制）其中2f代表信號(hào)載波的恒定偏移。產(chǎn)生FSK信號(hào)最簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特是0還是1，在兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器中切換。采用這種方法產(chǎn)生的波形在切換的時(shí)刻相位是不連續(xù)的，因此這種FSK信號(hào)稱為不連續(xù)FSK信號(hào)。不連續(xù)的FSK信號(hào)表達(dá)式為：（二進(jìn)制）（二進(jìn)制）其實(shí)現(xiàn)如圖4

2、.26所示：圖4.26 非連續(xù)相位FSK的調(diào)制框圖由于相位的不連續(xù)會(huì)造頻譜擴(kuò)展，這種FSK的調(diào)制方式在傳統(tǒng)的通信設(shè)備中采用較多。隨著數(shù)字處理技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多地采用連續(xù)相位FSK調(diào)制技術(shù)。目前較常用產(chǎn)生FSK信號(hào)的方法是，首先產(chǎn)生FSK基帶信號(hào)，利用基帶信號(hào)對(duì)單一載波振蕩器進(jìn)行頻率調(diào)制。因此，F(xiàn)SK可表示如下： （1）應(yīng)當(dāng)注意，盡管調(diào)制波形m（t）在比特轉(zhuǎn)換時(shí)不連續(xù)，但相位函數(shù)（t）是與m（t）的積分成比例的，因而是連續(xù)的，其相應(yīng)波形如圖4.27所示：圖4.27連續(xù)相位FSK的調(diào)制信號(hào)由于FSK信號(hào)的復(fù)包絡(luò)是調(diào)制信號(hào)m（t）的非線性函數(shù)，確定一個(gè)FSK信號(hào)的頻譜通常是相當(dāng)困難的，經(jīng)常采用

3、實(shí)時(shí)平均測(cè)量的方法。二進(jìn)制FSK信號(hào)的功譜密度由離散頻率分量fc、fc+nf、fc-nf組成，其中n為整數(shù)。相位連續(xù)的FSK信號(hào)的功率譜密度函數(shù)最終按照頻率偏移的負(fù)四次冪衰落。如果相位不連續(xù)，功率譜密度函數(shù)按照頻率偏移的負(fù)二次冪衰落。FSK的信號(hào)頻譜如圖4.28所示。圖4.28 FSK的信號(hào)頻譜FSK信號(hào)的傳輸帶寬Br，由Carson公式給出：Br=2f+2B其中B為數(shù)字基帶信號(hào)的帶寬。假設(shè)信號(hào)帶寬限制在主瓣范圍，矩形脈沖信號(hào)的帶寬B=R。因此，F(xiàn)SK的傳輸帶寬變?yōu)椋築r=2（f+R）如果采用升余弦脈沖濾波器，傳輸帶寬減為：Br=2f+（1+）R其中為濾波器的滾降因子。在通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中

4、，F(xiàn)SK的調(diào)制方案如下：FSK信號(hào)：（2）其中：因而由（1）（2）式，有：其中：如果進(jìn)行量化處理，采樣速率為fs，周期為Ts，有下式成立：按照上述原理，F(xiàn)SK正交調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)為如圖4.29結(jié)構(gòu)：圖4.29 FSK正交調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖如時(shí)發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時(shí)相位基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加，直到該信號(hào)碼元結(jié)束；如時(shí)發(fā)送碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時(shí)的相位基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加，直到該碼元結(jié)束。在通信信道FSK模式的基帶信號(hào)中傳號(hào)采用頻率，空號(hào)采用頻率。在FSK模式下，不采用漢明糾錯(cuò)編譯碼技術(shù)。調(diào)制器提供的數(shù)據(jù)源有：1、 外部數(shù)據(jù)輸入：可來(lái)自同步數(shù)據(jù)接口、異步數(shù)據(jù)

5、接口和m序列；2、 全1碼：可測(cè)試傳號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率（高）；3、 全0碼：可測(cè)試空號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率（低）；4、 0/1碼：0101交替碼型，用作一般測(cè)試；5、 特殊碼序列：周期為7的碼序列，以便于常規(guī)示波器進(jìn)行觀察；6、 m序列：用于對(duì)通道性能進(jìn)行測(cè)試；FSK調(diào)制器基帶處理結(jié)構(gòu)如圖4.30所示：（二）FSK解調(diào)對(duì)于FSK信號(hào)的解調(diào)方式很多：相干解調(diào)、濾波非相干解調(diào)、正交相乘非相干解調(diào)。、FSK相干解調(diào)FSK相干解調(diào)要求恢復(fù)出傳號(hào)頻率（）與空號(hào)頻率（），恢復(fù)出的載波信號(hào)分別與接收的FSK中頻信號(hào)相乘，然后分別在一個(gè)碼元內(nèi)積分，將積分之后的結(jié)果進(jìn)行相減，如果差值大于0則當(dāng)前接收信號(hào)判為1，否則判為0。

6、相干FSK解調(diào)框圖如圖4.31所示：圖4.31 相干FSK的解調(diào)框圖相干FSK解調(diào)器是在加性高斯白噪聲信道下的最佳接收，其誤碼率為： 相干FSK解調(diào)在加性高斯白噪聲下具有較好的性能，但在其它信道特性下情況則不完全相同，例如在無(wú)線衰落信道下，其性能較差，一般采用非相干解調(diào)方案。、FSK濾波非相干解調(diào)對(duì)于FSK的非相干解調(diào)一般采用濾波非相干解調(diào)，如圖4.32所示。輸入的FSK中頻信號(hào)分別經(jīng)過(guò)中心頻率為、的帶通濾波器，然后分別經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波的輸出在t=kTb時(shí)抽樣（其中k為整數(shù)），并且將這些值進(jìn)行比較。根據(jù)包絡(luò)檢波器輸出的大小，比較器判決數(shù)據(jù)比特是1還是0。圖4.32 非相干FSK接收機(jī)的方

7、框圖使用非相干檢測(cè)時(shí)FSK系統(tǒng)的平均誤碼率為）：在高斯白噪聲信道環(huán)境下FSK濾波非相干解調(diào)性能較相干FSK的性能要差，但在無(wú)線衰落環(huán)境下，F(xiàn)SK濾波非相干解調(diào)卻表現(xiàn)出較好的穩(wěn)健性。FSK濾波非相干解調(diào)方法一般采用模擬方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法不太適合對(duì)FSK的數(shù)字化解調(diào)。對(duì)于FSK的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法一般采用正交相乘方法加以實(shí)現(xiàn)。、FSK的正交相乘非相干解調(diào)（利用相位解調(diào)的鑒頻原理）FSK的正交相乘非相干解調(diào)框圖如圖4.33所示：圖4.33 FSK正交相乘非相干解調(diào)示意圖輸入的信號(hào)為傳號(hào)頻率為：空號(hào)頻率為：在上圖中，延時(shí)信號(hào)為：其中t 為延時(shí)量。相乘之后的結(jié)果為：在上式中，第一項(xiàng)經(jīng)過(guò)低通濾波器之后可以濾除

8、。當(dāng)時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：因而經(jīng)過(guò)積分器（低通濾波器）之后，輸出信號(hào)大小為：，從而實(shí)現(xiàn)了FSK的正交相乘非相干解調(diào)。AB兩點(diǎn)的波形如圖4.34所示：圖4.34 差分解調(diào)波形在FSK中位定時(shí)的恢復(fù)見(jiàn)BPSK解調(diào)方式。TPMZ07：最終恢復(fù)的位定時(shí)時(shí)鐘。通信原理實(shí)驗(yàn)的FSK模式中，采樣速率為96KHz的采樣速率（每一個(gè)比特采16個(gè)樣點(diǎn)），F(xiàn)SK基帶信號(hào)的載頻為24KHz，因而在DSP處理過(guò)程中，延時(shí)取1個(gè)樣值。FSK的解調(diào)框圖如圖4.35所示。（三）FSK系統(tǒng)性能對(duì)于FSK采用非相干解調(diào)，在高斯白噪聲信道環(huán)境下的平均誤碼率為：對(duì)于一個(gè)實(shí)際通信設(shè)備，其性能一般較理論性能在上要惡化幾個(gè)dB，一般可達(dá)（23

9、dB）。因而，對(duì)于一個(gè)調(diào)制方式已確定的信道設(shè)備，對(duì)于其誤碼率的測(cè)量是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。一方面可以衡量其在實(shí)際信道環(huán)境下的性能，比理論值所惡化的程度；另一方面，通過(guò)測(cè)量設(shè)備的信道誤碼率指標(biāo)，可以判斷當(dāng)前設(shè)備是否工作正常。對(duì)設(shè)備信道誤碼率指標(biāo)的測(cè)量，不僅僅對(duì)該設(shè)備的性能有所了解，同時(shí)它也是通信系統(tǒng)工程方面（系統(tǒng)建立、維護(hù)）重要的工具。1、 信道的測(cè)量：對(duì)于FSK信道的測(cè)量一般可采用功率測(cè)量。首先，測(cè)量高斯白噪聲譜密度。按圖4.36連接，在A點(diǎn)將調(diào)制信號(hào)斷開(kāi)，這樣在B點(diǎn)處將測(cè)量得信道上高斯噪聲的能量，根據(jù)高斯噪聲所占據(jù)的帶寬可計(jì)算出高斯白噪聲的譜密度：然后在C點(diǎn)處斷開(kāi),測(cè)量信號(hào)功率,計(jì)算出信號(hào)的每

10、比特能量：這樣通過(guò)功率測(cè)量即可測(cè)量出FSK在實(shí)際信道環(huán)境下的。圖4.36 采用功率計(jì)測(cè)量連接示意圖如果定性測(cè)量可通過(guò)通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的TPJ05進(jìn)行：首先斷開(kāi)發(fā)信號(hào)，在示波器上測(cè)量接收的噪聲大小En，然后在沒(méi)有噪聲時(shí)在示波器上觀察信號(hào)的大小Es，通過(guò)這兩項(xiàng)估計(jì)當(dāng)前的大致情況。基帶等效帶寬為76.8KHz，信息速率為8KBPS，因而有下式成立：這樣通過(guò)改變?cè)肼暣笮?，可測(cè)量FSK的誤碼性能。2、 誤碼率測(cè)量對(duì)信道誤碼率的測(cè)量一般需通過(guò)誤碼測(cè)試儀進(jìn)行。誤碼測(cè)試儀首先發(fā)送一串偽碼給信道設(shè)備，信道設(shè)備將FSK信號(hào)發(fā)送，并經(jīng)信道返回（主要是完成加噪功能），然后解調(diào)。將解調(diào)之后的數(shù)據(jù)再送入誤碼測(cè)試儀進(jìn)行

11、比較，將誤碼進(jìn)行計(jì)數(shù)，而后將誤碼率顯示出來(lái)：二、實(shí)驗(yàn)儀器1、 ZH5001通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)2、 20MHz雙蹤示波器一臺(tái)3、 ZH9001型誤碼測(cè)試儀（或GZ9001型）一臺(tái)4、 頻譜測(cè)量?jī)x一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 熟悉FSK調(diào)制和解調(diào)基本工作原理；2、 掌握FSK數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程；3、 掌握FSK正交調(diào)制的基本工作原理與實(shí)現(xiàn)方法；4、 掌握FSK性能的測(cè)試；5、 了解FSK在噪聲下的基本性能；四、 回答預(yù)習(xí)問(wèn)題1、在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先預(yù)習(xí)一下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述中“數(shù)字鎖相環(huán)模塊、DSP處理模塊、D/A、A/D模塊、中頻調(diào)制、解調(diào)模塊和測(cè)試模塊”的內(nèi)容和原理；2、FSK正交調(diào)制方式與傳統(tǒng)FSK調(diào)制方

12、式有何區(qū)別？ 一般 FSK 調(diào)制方式產(chǎn)生 FSK 信號(hào)的方法是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特是 0 還是 1，在兩個(gè)獨(dú) 立的振蕩器中切換。采用這種方法產(chǎn)生的波形在切換的時(shí)刻相位是不連續(xù)的。而 FSK 正交 調(diào)制方式產(chǎn)生 FSK 信號(hào)的方法是，首先產(chǎn)生 FSK 基帶信號(hào)，利用基帶信號(hào)對(duì)單一載波振蕩 器進(jìn)行頻率調(diào)制。采用這種方法產(chǎn)生的波形在切換的時(shí)刻相位是連續(xù)的。在 FSK 正交調(diào)制 方式中，必須采用 FSK 的同相支路與正交支路信號(hào)，不然如果只采用一路同相 FSK 信號(hào)進(jìn) 行調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè) FSK 頻譜信號(hào)3、 敘述本實(shí)驗(yàn)中FSK采用的調(diào)制、解調(diào)的原理。FSK正交調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)

13、為如圖結(jié)構(gòu)： FSK正交調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖 FSK的正交相乘非相干解調(diào)（利用相位解調(diào)的鑒頻原理）輸入的信號(hào)為傳號(hào)頻率為：空號(hào)頻率為：在上圖中，延時(shí)信號(hào)為：其中t 為延時(shí)量。相乘之后的結(jié)果為：在上式中，第一項(xiàng)經(jīng)過(guò)低通濾波器之后可以濾除。當(dāng)時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：因而經(jīng)過(guò)積分器（低通濾波器）之后，輸出信號(hào)大小為：，從而實(shí)現(xiàn)了FSK的正交相乘非相干解調(diào)。4、 查閱資料，說(shuō)明信道頻差對(duì)解調(diào)性能的影響。 頻差會(huì)引起相位偏差，相位偏差會(huì)影響系統(tǒng)性能有一定下降。信道頻差（一般在采用非相干解調(diào)時(shí)存在）的存在會(huì)造成解調(diào)端的基帶信號(hào)無(wú)法觀測(cè)(如在DBPSK中無(wú)法觀測(cè)收端眼圖)，但不會(huì)影響正常的解調(diào)5、查閱資料，說(shuō)明位定時(shí)抖動(dòng)

14、產(chǎn)生的原因。 時(shí)抖動(dòng)指的是解調(diào)后碼元起始位置的抖動(dòng)和不確定。要觀察定時(shí)抖動(dòng)，應(yīng)該使用輸入信號(hào)作為同步，這時(shí)可以觀測(cè)到解調(diào)后波形的抖動(dòng)。6、 本實(shí)驗(yàn)中位定時(shí)恢復(fù)所采用的算法是什么？敘述位定時(shí)的調(diào)整過(guò)程，并說(shuō)明輸入碼字對(duì)位定時(shí)恢復(fù)的影響？在實(shí)際通信中為什么要加擾碼措施？ 濾波法 輸入碼字當(dāng)中的連1連0對(duì)于收端位定時(shí)的提取有很大影響，對(duì)于收端來(lái)講要準(zhǔn)確的提取位定時(shí)，對(duì)接收碼流要求不能有太多的連1連0（即接收碼流應(yīng)該有豐富的跳變沿），因此接收碼流中連1連0的數(shù)目會(huì)直接影響位定時(shí)的恢復(fù)。 在實(shí)際通信當(dāng)中采取擾碼措施可以改變接收碼流中的0、1分布，使得碼流中連0連1數(shù)目不會(huì)超過(guò)4個(gè)，從而有利于位定時(shí)的恢復(fù)

15、。7、 標(biāo)出TPMZ07、TPi03、TPi04、TPM01、TPM02、TPM04、TPK03、TPJ05、TPN04測(cè)量點(diǎn)的含義。 TPMZ07：最終恢復(fù)的位定時(shí)時(shí)鐘 D/A模塊TPi03：通道I的低通濾波器輸出，發(fā)送I支路基帶信號(hào)TPi04：通道Q的低通濾波器輸出，發(fā)送Q支路基帶信號(hào) 數(shù)字鎖相環(huán) TPM01：發(fā)送時(shí)鐘信號(hào) A/D模塊 TPJ05：經(jīng)放大與直流偏移之后的解調(diào)I支路基帶信號(hào) 測(cè)試模塊 TPN04：抽樣判決點(diǎn)輸出信號(hào) 中頻調(diào)制器模塊 TPK03：輸出已調(diào)制信號(hào)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深刻理解電路組成和實(shí)驗(yàn)原理，正確設(shè)置跳線開(kāi)關(guān)，完成以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)信號(hào)波形（標(biāo)明頻

16、率、幅度、脈沖寬度）。測(cè)試前檢查TPMZ07有無(wú)信號(hào)，菜單選擇FSK調(diào)制。（一）FSK調(diào)制1. FSK基帶信號(hào)觀測(cè)選擇菜單輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為全0碼、全1碼和01碼，發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)作同步，觀測(cè)發(fā)端同相I支路輸出基帶信號(hào)波形(TPi03)。畫(huà)出波形，并測(cè)量基帶調(diào)頻的兩個(gè)頻點(diǎn)。（在碼元的切換點(diǎn)其相位如何？）2選擇菜單輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為全1碼和01碼，通過(guò)時(shí)域觀測(cè)和x-y模式兩種方法來(lái)觀測(cè)發(fā)端同相支路基帶信號(hào)(TPI03)和正交支路基帶信號(hào)(TPI04)的正交性。31） 通過(guò)菜單選擇為全0碼、全1碼和01碼為輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，以發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)作同步，觀測(cè)FSK調(diào)制中頻信號(hào)(TPK03)波形。畫(huà)出波形，并測(cè)量中頻信號(hào)調(diào)

17、頻的兩個(gè)頻點(diǎn)，分析信號(hào)的特點(diǎn)。 (測(cè)量時(shí)，通過(guò)菜單選擇為 0/1 碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并以 TPM02 作為同步信號(hào)。觀測(cè) TPM02 與 TPK03 點(diǎn)波形 應(yīng)有明確的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系) 2）設(shè)計(jì)將正交調(diào)制輸入信號(hào)中的一路基帶調(diào)制信號(hào)斷開(kāi)(D/A 模塊內(nèi)的跳線器 Ki01 或 Ki02）， 對(duì)照發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)、發(fā)送基帶信號(hào)，觀測(cè)中頻調(diào)制信號(hào)波形的變化，重復(fù)上述測(cè)量步驟,分析變化原因。（二）FSK解調(diào)1解調(diào)基帶FSK信號(hào)觀測(cè)中頻電纜連結(jié)建立中頻自環(huán)，用發(fā)送數(shù)據(jù)作同步，選擇菜單輸入數(shù)據(jù)信號(hào)全0碼、全1碼和01碼，測(cè)量FSK解調(diào)基帶信號(hào)測(cè)試點(diǎn)(TPJ05)波形（盡量在示波器上調(diào)出穩(wěn)定的波形，不能用stop或single）。并與發(fā)端基帶信號(hào)作(TPM02)比較，二者是否相同？為什么？（根據(jù)頻率調(diào)制的含義解釋）2 解調(diào)器位定時(shí)恢復(fù)與最佳抽樣判決點(diǎn)波形觀測(cè)選擇輸入測(cè)試數(shù)據(jù)為m序列，同時(shí)觀察接收端DSP調(diào)整之后的最佳判決抽樣時(shí)刻（觀察時(shí)以此信號(hào)作同步）和抽樣判決點(diǎn)波形信號(hào)的之間的相位關(guān)系。TPMZ07 為接收端 DSP 調(diào)整之后的最佳抽樣時(shí)刻。選擇輸入測(cè)試數(shù)據(jù)為 m 序列，用示 波器同時(shí)觀察 TPMZ07（觀察時(shí)以此信號(hào)作同步）和觀察抽樣判決點(diǎn) TPN04 波形（抽樣判 決點(diǎn)信號(hào)）的之間的相位關(guān)系3用發(fā)送時(shí)鐘(TPM01)信號(hào)作同步，選擇不同的測(cè)試