FSK調(diào)制解調(diào)論文

1、目錄第一章：緒論1.1 引言1.2 FSK簡(jiǎn)介1.3 課題的主要研究工作及意義1.4 FSK的發(fā)展及應(yīng)用前景第二章：理論基礎(chǔ) 2.1 2FSK 調(diào)制原理及方法 2FSK調(diào)制的基本原理 2.1.2 2FSK信號(hào)的表達(dá)式和波形圖2.1.3 2FSK信號(hào)的帶寬 2FSK調(diào)制方案的比較2.1.5 2FSK調(diào)制方案的選擇2.2 2FSK 解調(diào)原理及方法 濾波+包絡(luò)檢波法 相干檢測(cè)法 過(guò)零檢測(cè)法2.2. 4 差分檢波法2.3 2FSK的性能指標(biāo) 2.3.1 信噪比與誤碼率 調(diào)制指數(shù) 第三章：實(shí)驗(yàn)分析 3.1 調(diào)制系統(tǒng)及結(jié)果分析 3.2 解調(diào)系統(tǒng)及結(jié)果分析 3.3 實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題第四章：小結(jié)第一章：緒論1.

2、1引言隨著電子計(jì)算機(jī)的普及，數(shù)據(jù)通信技術(shù)正在迅速發(fā)展。數(shù)字頻率調(diào)制是數(shù)據(jù)通信中常見的一種調(diào)制方式。頻移鍵控（FSK）方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且解調(diào)不須恢復(fù)本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能也較強(qiáng)。因此，F(xiàn)SK調(diào)制技術(shù)在通信行業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用，并且主要適用于用于低、中速數(shù)據(jù)傳輸。由于FSK調(diào)制解調(diào)原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，作為數(shù)字通信原理的入門學(xué)，理解FSK后可以容易理解其他更復(fù)雜的調(diào)制系統(tǒng)，為以后的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。1.2 FSK簡(jiǎn)介 數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控(FsKFrequency Shift Keying)，二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來(lái)傳送數(shù)字消息，即用所傳

3、送的數(shù)字消息控制載波的頻率。 2FSK信號(hào)便是符號(hào)“1”對(duì)應(yīng)于載頻，而符號(hào)“0”對(duì)應(yīng)于載頻（與不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且與之間的改變是瞬間完成的。從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可用模擬調(diào)頻法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可用鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬調(diào)頻法是利用一個(gè)矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實(shí)現(xiàn)方法。2FSK鍵控法 則是利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)，故應(yīng)用廣泛。1.3課題的主要研究工作及意義課題主要研究2FSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的調(diào)制及解調(diào)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并要調(diào)制解調(diào)過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)，能正

4、確的完成調(diào)制解調(diào)任務(wù)。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是現(xiàn)代通信的一個(gè)重要的內(nèi)容,在數(shù)字通信系統(tǒng)中,由于基帶數(shù)字信號(hào)包含了豐富的低頻部分,如果要遠(yuǎn)距離傳輸,特別是在有限帶寬的高頻信道無(wú)線或光纖信道傳輸時(shí),必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制,使基帶信號(hào)的功率譜搬移到較高的載波頻率上,這就稱為數(shù)字調(diào)制(Digital Modulation) 。它可以分別對(duì)載波的幅度、頻率、相位進(jìn)行調(diào)制,于是有ASK(移幅鍵控) 、FSK(移頻鍵控) 、PSK(移相鍵控) 等調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)制同時(shí)也是時(shí)分復(fù)用的基本技術(shù),其中FSK 是利用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波的頻率,是信息傳輸較早的一種傳輸方式,(2FSK) 在通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。1.4 F

5、SK的發(fā)展及應(yīng)用前景：1、FSK Modem MSM7512B在電力線通信中的應(yīng)用:MSM7512B是由OKI公司推出的關(guān)于FSK調(diào)制解調(diào)的芯片。電力線作為一種通信傳輸介質(zhì)，具有可變信號(hào)衰減、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲以及等幅振蕩波干擾等不利數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?。為了排除這些干擾，目前利用電力線進(jìn)行通信的產(chǎn)品有很多，通信質(zhì)量和距離各有差異。這里介紹的是利用FSK調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。這種傳輸方法是隔離（變壓器隔離方式）的。當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，可用MSM7512B替代隔離的RS-485接口芯片。它具有抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、可靠性高、投資少、建設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在著數(shù)據(jù)傳輸

6、速度低（只能達(dá)到1200bps），在通信距離變得很遠(yuǎn)時(shí)誤碼率有所增高的缺點(diǎn)。這種基于MSM7512B來(lái)實(shí)現(xiàn)電力線通信已經(jīng)在智能小區(qū)數(shù)據(jù)通信的實(shí)踐應(yīng)用中取得了良好的使用效果。2、來(lái)電顯示：來(lái)電顯示的信息傳輸方式有2種：FSK和DTMF。FSK方式與DTMF方式相比有如下的優(yōu)點(diǎn)：（l）數(shù)據(jù)傳輸速率高，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能傳的字符數(shù)多；（2）FSK方式支持ASCII字符集，而DTMF方式只支持?jǐn)?shù)字及少數(shù)字符。目前采用FSK方式的國(guó)家和地區(qū)有：美國(guó)、中國(guó)、日本、英國(guó)、加拿大、比利時(shí)、西班牙、新加坡等；采用DTMF主要?jiǎng)t是以瑞典為代表的一些歐洲國(guó)家等。 3、藍(lán)牙(Bluetooth)通信設(shè)備。藍(lán)牙(Bluet

7、ooth)是應(yīng)用FSK調(diào)制解調(diào)的一個(gè)重要領(lǐng)域之一。藍(lán)牙可替代短距離線纜，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)電話、便攜式電腦和其他電子裝置間的無(wú)縫線連接。越來(lái)越多的旅館、郵局、高爾夫球場(chǎng)、飛機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、會(huì)議中心和商業(yè)領(lǐng)域都在采用藍(lán)牙技術(shù)。第二章：理論基礎(chǔ)2.1 2FSK 調(diào)制原理及方法 2FSK調(diào)制的基本原理用基帶信號(hào)對(duì)高頻載波的瞬時(shí)頻率進(jìn)行控制的調(diào)制方式叫做調(diào)頻，在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中則稱為頻移鍵控(FSK)。頻移鍵控在數(shù)字通信中是使用較早的一種調(diào)制方式，這種方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，抗干擾和抗衰落的性能也較強(qiáng)。其缺點(diǎn)是占用頻帶較寬，頻帶利用串不夠高，因此，額移鍵控主要應(yīng)用于低、中速數(shù)據(jù)的傳輸，以及衰落信道與頻帶較寬的信道。2

8、.1.2 2FSK信號(hào)的表達(dá)式和波形圖頻移鍵控是利用載波的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在和兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為： （式2.1） 假設(shè)二進(jìn)制序列s（t）為l01001時(shí)，則2FSK信號(hào)的波形如圖所示圖2.1.2 2FSK信號(hào)的波形從圖中可以看出，一個(gè)2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加。因此，2FSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式又可寫成式中：g(t)為單個(gè)矩形脈沖，脈寬為；是的反碼，若=1，則=0；若=0，則=1，于是和分別是第n個(gè)信號(hào)碼元的初相位。在移頻鍵控中，和不攜帶信息，通常可令和為零。2.1.3 2FSK信號(hào)的帶寬由式(2.1)可知，2

9、FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載頻的振幅鍵控信號(hào)之和，因此它的頻帶寬度是兩倍數(shù)字基帶信號(hào)帶寬(B)與之和，即：2.1.4 2FSK調(diào)制方案的比較2FSK信號(hào)產(chǎn)生的方法主要有兩種。一種可以采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)（即直接調(diào)頻法）；另一種可以采用鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1） 直接調(diào)頻法原理所謂直接調(diào)頻法，就是用數(shù)字基帶信號(hào)去控制一個(gè)振蕩器的某種參數(shù)而達(dá)到改變振蕩頻率的目的。如圖2.1.3所示模 擬調(diào) 頻 器圖2.1.3 直接調(diào)頻法原理框圖（2）鍵控法原理該方法就是在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制 下通過(guò)開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通，使其在每一個(gè)碼元期間輸出或兩個(gè)載波之一。其原理如圖所示，它將產(chǎn)生二進(jìn)制FS

10、K信號(hào)。圖中，數(shù)字信號(hào)控制兩個(gè)獨(dú)立振蕩器。門電路（即開關(guān)電路）和按數(shù)字信號(hào)的變化規(guī)律通斷。若門打開，則門關(guān)閉故輸出為，反之則輸出。這種方法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、波形好，而且頻率穩(wěn)定度可以做得很高。頻率鍵控法還可以借助數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。以上兩種FSK信號(hào)的調(diào)制方法的差異在于：由直接調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的。（這一類特殊的FSK，稱為連續(xù)相位FSK（Continous-Phase FSK，CPFSK）而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)，是由電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成，故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。f1門電路1門電路2相加倒相f2基帶信號(hào)輸入圖2.1.4 鍵控法原理

11、框圖2.1.5 2FSK調(diào)制方案的選擇我們組選擇采用鍵控法來(lái)產(chǎn)生2FSK信號(hào)，主要基于以下2個(gè)原因：1：直接調(diào)頻法產(chǎn)生的移頻鍵控信號(hào)雖易于實(shí)現(xiàn)，但由于是同一振蕩器產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，在頻率變換的過(guò)渡點(diǎn)相位是連續(xù)的，其頻率穩(wěn)定度較差。而且這種方法產(chǎn)生的FSK信號(hào)頻移不能太大，否則振蕩不穩(wěn)，甚至停振，因而實(shí)際應(yīng)用范圍不廣，僅適用于低速傳輸系統(tǒng)。2：頻率鍵控法是用數(shù)字矩形脈沖控制電子開關(guān)，使電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號(hào)。由于產(chǎn)生和載頻是由兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器實(shí)現(xiàn)，則輸出的2FSK信號(hào)的相位是不連續(xù)的。這種方法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，電路

12、不甚復(fù)雜，在實(shí)用中可以用一個(gè)頻率合成器代替兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器,再經(jīng)分頻鏈，進(jìn)行不同的分頻，也可得到2FSK信號(hào)。2.2 2FSK信號(hào)解調(diào)方案的比較與選擇數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法很多，如相干檢測(cè)法、包絡(luò)檢波法、過(guò)零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法等。下面就相干檢測(cè)法、非相干檢測(cè)法、過(guò)零檢測(cè)法和差分檢測(cè)法進(jìn)行介紹。2.2.1 濾波+包絡(luò)檢波法2FSK信號(hào)的包絡(luò)檢波法解調(diào)方框圖如圖所示，其可視為由兩路2ASK解調(diào)電路組成。這里，兩個(gè)帶通濾波器（帶寬相同，皆為相應(yīng)的2ASK信號(hào)帶寬；中心頻率不同，分別為、起分路作用，用以分開兩路2ASK信號(hào)，上支路對(duì)應(yīng)，下支路對(duì)應(yīng)，經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后分別取出它們的包絡(luò)及；抽樣判決器起比較器作

13、用，把兩路包絡(luò)信號(hào)同時(shí)送到抽樣判決器進(jìn)行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號(hào)。若上、下支路及的抽樣值分別用表示，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則為BPFBPF半波全波整流半波全波整流LPFLPF抽樣判決器定時(shí)脈沖2FSK圖2.2.1 2FSK信號(hào)包絡(luò)檢波方框圖2.2.2 相干檢測(cè)法相干檢測(cè)的具體解調(diào)電路是同步檢波器，原理方框圖如圖2.2.2所示。圖中兩個(gè)帶通濾波器的作用同于包絡(luò)檢波法，起分路作用。它們的輸出分別與相應(yīng)的同步相干載波相乘，再分別經(jīng)低通濾波器濾掉二倍頻信號(hào)，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號(hào)，抽樣判決器在抽樣脈沖到來(lái)時(shí)對(duì)兩個(gè)低頻信號(hào)的抽樣值進(jìn)行比較判決（判決規(guī)則同于包絡(luò)檢波法），即可還原出基帶

14、數(shù)字信號(hào)。圖2.2.2 2FSK相干檢測(cè)方框圖 過(guò)零檢測(cè)法單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的次數(shù)多少，可以用來(lái)衡量頻率的高低。數(shù)字調(diào)頻波的過(guò)零點(diǎn)數(shù)隨不同載頻而異，故檢出過(guò)零點(diǎn)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異，這就是過(guò)零檢測(cè)法的基本思想。過(guò)零檢測(cè)法方框圖及各點(diǎn)波形如圖所示。在圖中，2FSK信號(hào)經(jīng)限幅、微分、整流后形成與頻率變化相對(duì)應(yīng)的尖脈沖序列，這些尖脈沖的密集程度反映了信號(hào)的頻率高低，尖脈沖的個(gè)數(shù)就是信號(hào)過(guò)零點(diǎn)數(shù)。把這些尖脈沖變換成較寬的矩形脈沖，以增大其直流分量，該直流分量的大小和信號(hào)頻率的高低成正比。然后經(jīng)低通濾波器取出此直流分量，這樣就完成了頻率幅度變換，從而根據(jù)直流分量幅度上的區(qū)別還原出數(shù)字信

15、號(hào)“1”和“0”。圖2.2.3 過(guò)零檢測(cè)法方框圖及各點(diǎn)波形圖2.2. 4 差分檢波法差分檢波法的原理如圖2.2.4所示，輸入信號(hào)經(jīng)接收濾波器濾除帶外無(wú)用信號(hào)后被分成兩路，一路直接送到乘法器（平衡調(diào)制器），另一路經(jīng)時(shí)延送到乘法器，相乘后再經(jīng)低通濾波器提取信號(hào)。解調(diào)的原理可作如下說(shuō)明：設(shè)輸入為，它與時(shí)延之波形的乘積為若用低通濾波器除去倍頻分量，則其輸出為可見，是角頻率偏移的函數(shù)，但卻不是一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。現(xiàn)在我們是當(dāng)?shù)剡x擇使則有=，故此有 當(dāng)時(shí)或 當(dāng)時(shí)若角頻偏較?。?lt;<1，則有 當(dāng)時(shí)或 當(dāng)時(shí)由此可見，當(dāng)滿足條件及<<1時(shí)，輸出電壓將與角頻偏呈線性關(guān)系。這是鑒頻特

16、性所要求的。差分檢波法基于輸入信號(hào)與延遲的信號(hào)相比較，信道上的延遲失真，將同時(shí)影響相鄰信號(hào)，故不影響最終的鑒頻效果。實(shí)踐表明，當(dāng)延遲失真為0時(shí)，這種方法的檢測(cè)性能不如普通鑒頻法，但當(dāng)有較嚴(yán)重延遲失真使，它的性能要比鑒頻法優(yōu)越。不過(guò)差分檢波法的實(shí)現(xiàn)將要受條件的限制。帶通低通××圖2.2.4 差分檢波原理2.2.5 2FSK解調(diào)方案的選擇過(guò)零檢測(cè)法較其他三種分析方法更簡(jiǎn)單，因此我們決定用過(guò)零檢測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)FSK信號(hào)的解調(diào)。2.3 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)（2

17、3dB）。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。圖 采用功率計(jì)測(cè)量連接示意圖首先，測(cè)量高斯白噪聲譜密度。按圖連接，在A點(diǎn)將調(diào)制信號(hào)斷開，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,測(cè)量信

18、號(hào)功率,計(jì)算出信號(hào)的每比特能量：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。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?；鶐У刃挒?6.8KHz，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)行比較，將誤碼進(jìn)行計(jì)數(shù)。而后將誤碼率顯示出來(lái)：3.調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)(h，單位為bit/Symbol)，也被稱為帶寬效率，是以bit/s/Hz為單位來(lái)度量。較高的h會(huì)有較高的設(shè)備費(fèi)用、復(fù)雜性、線性、以及為了保持與低h系統(tǒng)相同的誤比特率而引起的SNR的增加。信噪比（SNR：Signal to Noise Ratio）指在規(guī)定輸入電壓下的輸出信號(hào)電壓與輸入電壓切斷時(shí)，輸出所殘留之雜音電壓之比，也可看成是最大不失真聲音信號(hào)強(qiáng)度與同時(shí)發(fā)出的噪音強(qiáng)度之間的比率，通常以S/N表示。一般用分貝（dB）為