實驗一 FSK傳輸系統(tǒng)實驗_圖文

1、FSK 傳輸系統(tǒng)實驗報告一、實驗原理和電路說明 （一）FSK 調制在二進制頻移鍵控中，幅度恒定不變的載波信號的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱為高音和低音，代表二進制的1和0）。通常，FSK 信號的 表達式為：S FSK =2E bcos(2f c +2f t T b0t T b（二進制）S FSK =2E bcos(2f c -2f t T b0t T b（二進制）其中2f 代表信號載波的恒定偏移。產生FSK 信號最簡單的方法是根據輸入的數據比特是0還是1，在兩個獨立的振蕩器中切換。采用這種方法產生的波形在切換的時刻相位是不連續(xù)的，因此這種FSK 信號稱為不連續(xù)FSK 信號。不連續(xù)的FSK

2、信號表達式為：S FSK =2E bcos(2f H t +1 T b2E bcos(2f L t +2 T b0t T b（二進制）S FSK =0t T b（二進制）其實現如圖3.1-1所示： 圖3.1.1 非連續(xù)相位FSK 的調制框圖由于相位的不連續(xù)會造成頻譜擴展，這種FSK 的調制方式在傳統(tǒng)的通信設備中采用較多。隨著數字處理技術的不斷發(fā)展，越來越多地采用連繼相位FSK 調制技術。目前較常用產生FSK 信號的方法是，首先產生FSK 基帶信號，利用基帶信號對單一載波振蕩器進行頻率調制。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 信號的復包絡是調制信號m （t ）的非線性函數，確定一個FSK 信號的頻譜通常是相當困難的，經常采用實時平均測量的方法。二進制FSK 信號的功譜密度由離散頻率分量fc 、fc+nf 、fc-n f 組成，其中n 為整數。相位連續(xù)的FSK 信號的功率譜密度函數最終按照頻率偏移的負四次冪衰落。如果相位不連續(xù)，功率譜密度函數按照頻率偏移的負二次冪衰落。FSK 的信號頻譜如圖3.1.3所示。 圖3.1.3 FSK 的信號頻譜如時發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元結束時相位(n 基礎上，在每個抽樣到達時刻相位累加2f 1T s ，直到該碼元結束；

4、如時發(fā)送碼，則相位累加器在前一碼元結束時的相位(n 基礎上，在每個抽樣到達時刻相位累加2f 2T s ，直到該碼元結束。在通信信道FSK 模式的基帶信號中傳號采用f H 頻率，空號采用f L 頻率。在FSK 模式下，不采用采用漢明糾錯編譯碼技術。調制器提供的數據源有：1、 外部數據輸入：可來自同步數據接口、異步數據接口和m 序列； 2、 全1碼：可測試傳號時的發(fā)送頻率（高）； 3、 全0碼：可測試空號時的發(fā)送頻率（低）； 4、 0/1碼：0101交替碼型，用作一般測試；5、 特殊碼序列：周期為7的碼序列，以便于常規(guī)示波器進行觀察； 6、 m 序列：用于對通道性能進行測試； FSK 調制器基帶處

5、理結構如圖3.1.5所示： （二）FSK 解調對于FSK 信號的解調方式很多：相干解調、濾波非相干解調、正交相乘非相干解調。 、FSK 相干解調FSK 相干解調要求恢復出傳號頻率（f H ）與空號頻率（f L ），恢復出的載波信號分別與接收的FSK 中頻信號相乘，然后分別在一個碼元內積分，將積分之后的結果進行相減，如果差值大于0則當前接收信號判為1，否則判為0。相干FSK 解調框圖如圖3.2.1所示：圖3.1.5 FSK 調制器基帶處理結構示意圖 圖3.2.1 相干FSK 的解調框圖相干FSK 解調器是在加性高斯白噪聲信道下的最佳接收，其誤碼率為：P e =Q (E bN 0相干FSK 解調在

6、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，例如在無線衰落信道下，其性能較差，一般采用非相干解調方案。、FSK 濾波非相干解調圖3.2.2 非相干FSK 接收機的方框圖對于FSK 的非相干解調一般采用濾波非相干解調，如圖3.2.2所示。輸入的FSK 中頻信號分別經過中心頻率為f H 、f L 的帶通濾波器，然后分別經過包絡檢波，包絡檢波的輸出在t=kTb 時抽樣（其中k 為整數），并且將這些值進行比較。根據包絡檢波器輸出的大小，比較器判決數據比特是1還是0。使用非相干檢測時FSK 系統(tǒng)的平均誤碼率為：P e =E 1b 22N 0在高斯白噪聲信道環(huán)境下FSK 濾波非相干

7、解調性能較相干FSK 的性能要差，但在無線衰落環(huán)境下，FSK 濾波非相干解調卻表現出較好的穩(wěn)健性。FSK 濾波非相干解調方法一般采用模擬方法來實現，該方法不太適合對FSK 的數字化解調。對于FSK 的數字化實現方法一般采用正交相乘方法加以實現。、FSK 的正交相乘非相干解調FSK 的正交相乘非相干解調框圖如圖3.2.3所示： 圖3.2.3 FSK 正交相乘非相干解調示意圖輸入的信號為R (t =cos(w 0t ±w t 傳號頻率為：w 0+w 空號頻率為：w 0-w 在上圖中，延時信號為：R ' (t =cos(w 0±w (t -其中為延時量。 相乘之后的結果為

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，第一項經過低通濾波器之后可以濾除。當w 0=/2時，上式可簡化為：2R (t R ' (t sin(±w =±sin w 因而經過積分器（低通濾波器）之后，輸出信號大小為：±T b sin w ，從而實現了FSK 的正交相乘非相干解調。AB 兩點的波形如圖3.2.4所示：R(tR(t低通濾波后輸出圖3.2.4 差分解調波形在FSK 中位定時

9、的恢復見BPSK 解調方式。通信原理實驗的FSK 模式中，采樣速率為96KHz 的采樣速率（每一個比特采16個樣點），FSK 基帶信號的載頻為24KHz ，因而在DSP 處理過程中，延時取1個樣值。FSK 的解調框圖如圖3.2.5所示： 二、實驗儀器1、 J H5001通信原理綜合實驗系統(tǒng) 2、 20MHz 雙蹤示波器3、 J H9001型誤碼測試儀（或GZ9001型） 4、 頻譜測量儀一臺 一臺 一臺 一臺三、實驗目的1、 熟悉FSK 調制和解調基本工作原理； 2、 掌握FSK 數據傳輸過程；3、 掌握FSK 正交調制的基本工作原理與實現方法； 4、 掌握FSK 性能的測試； 5、 了解FS

10、K 在噪聲下的基本性能；四、實驗內容測試前檢查：首先將通信原理綜合實驗系統(tǒng)調制方式設置成“FSK 傳輸系統(tǒng)”；用示波器測量TPMZ07測試點的信號，如果有脈沖波形，說明實驗系統(tǒng)已正常工作；如果沒有脈沖波形，則需按面板上的復位按鈕重新對硬件進行初始化。 檢查現象： 實驗系統(tǒng)正常工作。（一）FSK 調制1. FSK 基帶信號觀測（1）TPi03是基帶FSK 波形（D/A模塊內）。通過菜單選擇為1碼輸入數據信號，觀測TPi03信號波形，測量其基帶信號周期。實驗現象： 實驗結論：該信號周期為26.8us 。（2）通過菜單選擇為0碼輸入數據信號，觀測TPi03信號波形，測量其基帶信號周期。將測量結果與1

11、碼比較。 實驗現象： 實驗結論：該信號周期為53.6s ，是1信號周期的2倍。2. 發(fā)端同相支路和正交支路信號時域波形觀測TPi03和TPi04分別是基帶FSK 輸出信號的同相支路和正交支路信號。測量兩信號的時域信號波形時將輸入全1碼（或全0碼），測量其兩信號是否滿足正交關系。實驗現象： 輸入為全0時 實驗結論：輸出的兩個信號滿足正交關系。3. 發(fā)端同相支路和正交支路信號的李沙育（x-y ）波形觀測將示波器設置在（x-y ）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的正交性，其李沙育應為一個圓。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進行測量。 實驗現象： 當輸入為全0時： 輸入為全1時： 4. 連續(xù)

12、相位FSK 調制基帶信號觀測（1）TPM02是發(fā)送數據信號（DSP+FPGA模塊左下腳），TPi03是基帶FSK 波形。測量時，通過菜單選擇為0/1碼輸入數據信號，并以TPM02作為同步信號。觀測TPM02與TPi03點波形應有明確的信號對應關系。并且，在碼元的切換點發(fā)送波形的相位連續(xù)。 實驗現象： 實驗結論：由實驗現象可以看出，TPM02與TPi03點波形有明確的信號對應關系。 （2）通過菜單選擇為特殊序列碼輸入數據信號，重復上述測量步驟。記錄測量結果。 實驗現象： 實驗結論：由實驗現象可以看出，TPM02與TPi03點波形有明確的信號對應關系。 5. FSK 調制中頻信號波形觀測在FSK

13、正交調制方式中，必須采用FSK 的同相支路與正交支路信號；不然如果只采一路同相FSK 信號進行調制，會產生兩個FSK 頻譜信號，這需在后面采用較復雜的中頻窄帶濾波器，如圖3.1.6所示： 圖3.1.6 FSK 的頻譜調制過程（1）調制模塊測試點TPK03為FSK 調制中頻信號觀測點。測量時，通過菜單選擇為0/1碼輸入數據信號，并以TPM02作為同步信號。觀測TPM02與 TPK03點波形應有明確的信號對應關系。實驗現象：波形較密的的地方都是1，而波形較疏的地方都是0. 實驗結論：由實驗現象可以看出，TPM02與TPK03點波形有明確的信號對應關系。（2）通過菜單選擇為特殊序列碼輸入數據信號，重

14、復上述測量步驟。實驗現象：實驗結論：由實驗現象可以看出，TPM02與TPK03點波形有明確的信號對應關系。波形較密的的地方都是1，而波形較疏的地方都是0。（3）將正交調制輸入信號中的一路基帶調制信號斷開（D/A模塊內的跳線器Ki01或Ki02），重復上述測量步驟。觀測信號波形的變化，分析變化原因。實驗現象： （二）FSK 解調1. 解調基帶FSK 信號觀測首先用中頻電纜連結KO02和JL02，建立中頻自環(huán)（自發(fā)自收）。測量FSK 解調基帶信號測試點TPJ05的波形，觀測時仍用發(fā)送數據（TPM02）作同步，比較其兩者的對應關系。（1）通過菜單選擇為1碼（或0碼）輸入數據信號，觀測TPJ05信號波

15、形，測量其信號周期。實驗現象：選擇全1碼時： 實驗結論：由實驗現象及實驗數據可以的得到，輸出信號的周期為7.4ms 。（2）通過菜單選擇為0/1碼（或特殊碼）輸入數據信號，觀測TPJ05信號波形。根據觀測結果，分析解調端的基帶信號與發(fā)送端基帶波形（TPi03）不同的原因？實驗現象： 實驗結論：由實驗現象及實驗數據可以看出此時的波形與（1）有明顯區(qū)別。即當菜單選擇0/1碼輸入時，載波在1碼時的頻率較小，而在輸入0碼時的頻率較大。這是由于解調端與發(fā)送端的本振源存在頻差，所以會出現解調端的基帶信號與發(fā)送端基帶波形（TPi03）不同的現象。2. 解調基帶信號的李沙育（x-y ）波形觀測將示波器設置在（

16、x-y ）方式，從相平面上觀察TPJ05和TPJ06的李沙育波形。（1）通過菜單選擇為1碼（或0碼）輸入數據信號，仔細觀測其李沙育信號波形。 實驗現象：選擇為全1碼輸入時： （2）通過菜單選擇為0/1碼（或特殊碼）輸入數據信號，仔細觀測李沙育信號波形。 根據觀測結果，思考接收端為何與發(fā)送端李沙育波形不同的原因？將跳線開關KL01設置在2_3位置，調整電位器WL01（改變接收本地載頻即改變收發(fā)頻差），繼續(xù)觀察。分析波形的變化與什么因素有關。實驗現象： 有關。當調整WL01時，其頻差在改變，因此波形會發(fā)生變化。3. 接收位同步信號相位抖動觀測 實驗結論：接收端與發(fā)送端波形不同可能與解調端的本振源與

17、發(fā)送端本振源存在頻差用發(fā)送時鐘TPM01（DSP+FPGA模塊左下腳）信號作同步，選擇不同的測試碼序列測量接收時鐘TPMZ07（DSP 芯片左端）的抖動情況。思考：為什么在全0或全1碼下觀察不到位定時的抖動？實驗現象：輸入為01碼時: 輸入選擇為全1碼時： 實驗結論：在0/1碼時可以看到抖動，但因為在全0或全1碼下接收數據沒有跳變沿，譯碼器無論從任何時刻開始譯碼均能正確譯碼，因此譯碼器無須進行調整，所以就看不到位定時的抖動。4. 解調器位定時恢復與最佳抽樣判決點波形觀測TPMZ07為接收端DSP 調整之后的最佳抽樣時刻。選擇輸入測試數據為m 序列，用示波器同時觀察TPMZ07（觀察時以此信號作

18、同步）和觀察抽樣判決點TPN04波形（抽樣判決點信號）的之間的相位關系。實驗現象： 5. 位定時鎖定和位定時調整觀測 TPMZ07 為接收端恢復時鐘，它與發(fā)端時鐘（TPM01）具有明確的相位關系。 （1） 在輸入測試數據為 m 序列時， 用示波器同時觀察 TPM01 （觀察時以此信號作同 步）和 TPMZ07（收端最佳判決時刻）之間的相位關系。 實驗現象： （2） 不斷按確認鍵，此時僅對 DSP 位定時環(huán)路初始化，讓環(huán)路重新調整鎖定，觀察 TPMZ07 的調整過程和鎖定后的相位關系。 實驗現象： 實驗結論：當不斷按確認鍵后，m 序列鎖定后的相位不變，同（1） 。 （3） 在測試數據為全 1 或全 0 碼時重復該實驗，并解釋原因。斷開 JL02 接收中頻環(huán) 路，在沒有接收信號的情況下重復上述步驟實驗，觀測 TPM01 和 TPMZ07 之間的 相位關系，并解釋測量結果的原因。 實驗現象： 全 1