通信FSK調(diào)制解調(diào)論文

PAGEPAGE2通信原理作業(yè)班級：通信112班學號：201127138姓名：張少華日期：2014、5、25第一章：緒論1.1引言隨著電子計算機的普及，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）方法簡單，易于實現(xiàn)，并且解調(diào)不須恢復本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能也較強。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)原理相對比較簡單，作為數(shù)字通信原理的入門學，理解FSK后可以容易理解其他更復雜的調(diào)制系統(tǒng)，為以后的進一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。1.2FSK簡介數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控(FsK—FrequencyShiftKeying)，二進制頻移鍵控記作2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。2FSK信號便是符號“1”對應(yīng)于載頻，而符號“0”對應(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)頻法來實現(xiàn)，也可用鍵控法來實現(xiàn)。模擬調(diào)頻法是利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調(diào)頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實現(xiàn)方法。2FSK鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通。鍵控法的特點是轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實現(xiàn)，故應(yīng)用廣泛。第二章：理論基礎(chǔ)2.12FSK調(diào)制原理及方法2.1.12FSK調(diào)制的基本原理用基帶信號對高頻載波的瞬時頻率進行控制的調(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，這種方式實現(xiàn)起來比較容易，抗干擾和抗衰落的性能也較強。其缺點是占用頻帶較寬，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。2.1.22FSK信號的表達式和波形圖頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在和兩個頻率點間變化。故其表達式為：（式2.1）假設(shè)二進制序列s（t）為l01001時，則2FSK信號的波形如圖2.1.2所示圖2.1.22FSK信號的波形從圖中可以看出，一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。因此，2FSK信號的時域表達式又可寫成式中：g(t)為單個矩形脈沖，脈寬為；是的反碼，若=1，則=0；若=0，則=1，于是和分別是第n個信號碼元的初相位。在移頻鍵控中，和不攜帶信息，通?？闪詈蜑榱恪?.1.32FSK信號的帶寬由式(2.1)可知，2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的振幅鍵控信號之和，因此它的頻帶寬度是兩倍數(shù)字基帶信號帶寬(B)與之和，即：2.1.42FSK調(diào)制方案的比較2FSK信號產(chǎn)生的方法主要有兩種。一種可以采用模擬電路來實現(xiàn)（即直接調(diào)頻法）；另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)。（1）直接調(diào)頻法原理所謂直接調(diào)頻法，就是用數(shù)字基帶信號去控制一個振蕩器的某種參數(shù)而達到改變振蕩頻率的目的。如圖2.1.3模模擬調(diào)頻器圖2.1.3（2）鍵控法原理該方法就是在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通，使其在每一個碼元期間輸出或兩個載波之一。其原理如圖1.2.2所示，它將產(chǎn)生二進制FSK信號。圖中，數(shù)字信號控制兩個獨立振蕩器。門電路（即開關(guān)電路）和按數(shù)字信號的變化規(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)字電路來實現(xiàn)。以上兩種FSK信號的調(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而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號，是由電子開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成，故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。f1f1門電路1門電路2相加倒相f2基帶信號輸入圖2..1.4鍵控法原理框圖2.1.52FSK調(diào)制方案的選擇我們組選擇采用鍵控法來產(chǎn)生2FSK信號，主要基于以下2個原因：1：直接調(diào)頻法產(chǎn)生的移頻鍵控信號雖易于實現(xiàn)，但由于是同一振蕩器產(chǎn)生兩個不同頻率的信號，在頻率變換的過渡點相位是連續(xù)的，其頻率穩(wěn)定度較差。而且這種方法產(chǎn)生的FSK信號頻移不能太大，否則振蕩不穩(wěn)，甚至停振，因而實際應(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)在兩個獨立的振蕩器之間進行轉(zhuǎn)換，從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號。由于產(chǎn)生和載頻是由兩個獨立的振蕩器實現(xiàn)，則輸出的2FSK信號的相位是不連續(xù)的。這種方法的特點是轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，電路不甚復雜，在實用中可以用一個頻率合成器代替兩個獨立的振蕩器,再經(jīng)分頻鏈，進行不同的分頻，也可得到2FSK信號。2.22FSK信號解調(diào)方案的比較與選擇數(shù)字調(diào)頻信號的解調(diào)方法很多，如相干檢測法、包絡(luò)檢波法、過零檢測法、差分檢測法等。下面就相干檢測法、非相干檢測法、過零檢測法和差分檢測法進行介紹。2.2.1濾波+包絡(luò)檢波法2FSK信號的包絡(luò)檢波法解調(diào)方框圖如圖2.2.3所示，其可視為由兩路2ASK解調(diào)電路組成。這里，兩個帶通濾波器（帶寬相同，皆為相應(yīng)的2ASK信號帶寬；中心頻率不同，分別為、起分路作用，用以分開兩路2ASK信號，上支路對應(yīng)，下支路對應(yīng)，經(jīng)包絡(luò)檢測后分別取出它們的包絡(luò)及；抽樣判決器起比較器作用，把兩路包絡(luò)信號同時送到抽樣判決器進行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號。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則為BPFBPF半波全波整流BPFBPF半波全波整流半波全波整流LPFLPF抽樣判決器定時脈沖2FSK圖2.2.12.2.2相干檢測法相干檢測的具體解調(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，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號，抽樣判決器在抽樣脈沖到來時對兩個低頻信號的抽樣值進行比較判決（判決規(guī)則同于包絡(luò)檢波法），即可還原出基帶數(shù)字信號。圖2.2.22FSK相干檢測方框圖2.2.3過零檢測法單位時間內(nèi)信號經(jīng)過零點的次數(shù)多少，可以用來衡量頻率的高低。數(shù)字調(diào)頻波的過零點數(shù)隨不同載頻而異，故檢出過零點數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異，這就是過零檢測法的基本思想。過零檢測法方框圖及各點波形如圖2.2.4所示。在圖中，2FSK信號經(jīng)限幅、微分、整流后形成與頻率變化相對應(yīng)的尖脈沖序列，這些尖脈沖的密集程度反映了信號的頻率高低，尖脈沖的個數(shù)就是信號過零點數(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)字信號“1”和“0圖2.2.3過零檢測法方框圖及各點波形圖2.2.4差分檢波法差分檢波法的原理如圖2.2.4所示，輸入信號經(jīng)接收濾波器濾除帶外無用信號后被分成兩路，一路直接送到乘法器（平衡調(diào)制器），另一路經(jīng)時延τ送到乘法器，相乘后再經(jīng)低通濾波器提取信號。解調(diào)的原理可作如下說明：設(shè)輸入為，它與時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)，但卻不是一個簡單的函數(shù)關(guān)系?，F(xiàn)在我們是當?shù)剡x擇使則有=，故此有當時或當時若角頻偏較小；<<1，則有當時或當時由此可見，當滿足條件及<<1時，輸出電壓將與角頻偏呈線性關(guān)系。這是鑒頻特性所要求的。2.2.52FSK解調(diào)方案的選擇過零檢測法較其他三種分析方法更簡單，因此我們決定用過零檢測法來實現(xiàn)FSK信號的解調(diào)。2.3FSK系統(tǒng)性能對于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：對于一個實際通信設(shè)備，其性能一般較理論性能在上要惡化幾個dB，一般可達（23dB）。因而，對于一個調(diào)制方式已確定的信道設(shè)備，對于其誤碼率的測量是一個十分重要的環(huán)節(jié)。一方面可以衡量其在實際信道環(huán)境下的性能，比理論值所惡化的程度；另一方面，通過測量設(shè)備的信道誤碼率指標，可以判斷當前設(shè)備是否工作正常。對設(shè)備信道誤碼率指標的測量，不僅僅對該設(shè)備的性能有所了解，同時它也是通信系統(tǒng)工程方面（系統(tǒng)建立、維護）重要的工具。1.誤碼率測量對信道誤碼率的測量一般需通過誤碼測試儀進行。誤碼測試儀首先發(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)再送入誤碼測試儀進行比較，將誤碼進行計數(shù)。而后將誤碼率顯示出來：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為單位來度量。較高的h會有較高的設(shè)備費用、復雜性、線性、以及為了保持與低h系統(tǒng)相同