實驗七連續(xù)相位FSK傳輸系統(tǒng)實驗

1、實驗七 連續(xù)相位FSK傳輸系統(tǒng)實驗李夢嬈 2013001211087 張貝貝 201300121207 朱敏 201300121250一、實驗原理和電路說明（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信號的 表達(dá)式為：（二進(jìn)制）（二進(jìn)制）其中2f代表信號載波的恒定偏移。產(chǎn)生FSK信號最簡單的方法是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特是0還是1，在兩個獨立的振蕩器中切換。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信號表達(dá)式為：（二進(jìn)制）（二進(jìn)制）其實現(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)會造頻譜擴展，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信號的方法是，首先產(chǎn)生FSK基帶信號，利用基帶信號對單一載波振蕩器進(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)制信號由于FSK信號的復(fù)包絡(luò)是調(diào)制信號m（t）的非線性函數(shù)，確定一個FSK信號的頻譜通常是相當(dāng)困難的，經(jīng)常采用

3、實時平均測量的方法。二進(jìn)制FSK信號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的信號頻譜如圖4.28所示。圖4.28 FSK的信號頻譜FSK信號的傳輸帶寬Br，由Carson公式給出：Br=2f+2B其中B為數(shù)字基帶信號的帶寬。假設(shè)信號帶寬限制在主瓣范圍，矩形脈沖信號的帶寬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。在通信原理綜合實驗系統(tǒng)中

4、，F(xiàn)SK的調(diào)制方案如下：FSK信號：（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)圖如時發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時相位基礎(chǔ)上，在每個抽樣到達(dá)時刻相位累加，直到該信號碼元結(jié)束；如時發(fā)送碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時的相位基礎(chǔ)上，在每個抽樣到達(dá)時刻相位累加，直到該碼元結(jié)束。在通信信道FSK模式的基帶信號中傳號采用頻率，空號采用頻率。在FSK模式下，不采用漢明糾錯編譯碼技術(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(jìn)行觀察；6、 m序列：用于對通道性能進(jìn)行測試；FSK調(diào)制器基帶處理結(jié)構(gòu)如圖4.30所示：（二）FSK解調(diào)對于FSK信號的解調(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)出傳號頻率（）與空號頻率（），恢復(fù)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(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中頻信號分別經(jīng)過中心頻率為、的帶通濾波器，然后分別經(jīng)過包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波的輸出在t=kTb時抽樣（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接收機的方

7、框圖使用非相干檢測時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實現(xiàn)，該方法不太適合對FSK的數(shù)字化解調(diào)。對于FSK的數(shù)字化實現(xiàn)方法一般采用正交相乘方法加以實現(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)示意圖輸入的信號為傳號頻率為：空號頻率為：在上圖中，延時信號為：其中t 為延時量。相乘之后的結(jié)果為：在上式中，第一項經(jīng)過低通濾波器之后可以濾除

8、。當(dāng)時，上式可簡化為：因而經(jīng)過積分器（低通濾波器）之后，輸出信號大小為：，從而實現(xiàn)了FSK的正交相乘非相干解調(diào)。AB兩點的波形如圖4.34所示：圖4.34 差分解調(diào)波形在FSK中位定時的恢復(fù)見BPSK解調(diào)方式。TPMZ07：最終恢復(fù)的位定時時鐘。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），F(xiàn)SK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(diào)框圖如圖4.35所示。（三）FSK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(dá)（23

9、dB）。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(biāo)，可以判斷當(dāng)前設(shè)備是否工作正常。對設(shè)備信道誤碼率指標(biāo)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(hù)）重要的工具。1、 信道的測量：對于FSK信道的測量一般可采用功率測量。首先，測量高斯白噪聲譜密度。按圖4.36連接，在A點將調(diào)制信號斷開，這樣在B點處將測量得信道上高斯噪聲的能量，根據(jù)高斯噪聲所占據(jù)的帶寬可計算出高斯白噪聲的譜密度：然后在C點處斷開,測量信號功率,計算出信號的每

10、比特能量：這樣通過功率測量即可測量出FSK在實際信道環(huán)境下的。圖4.36 采用功率計測量連接示意圖如果定性測量可通過通信原理綜合實驗系統(tǒng)的TPJ05進(jìn)行：首先斷開發(fā)信號，在示波器上測量接收的噪聲大小En，然后在沒有噪聲時在示波器上觀察信號的大小Es，通過這兩項估計當(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：這樣通過改變噪聲大小，可測量FSK的誤碼性能。2、 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(jìn)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(jìn)行

11、比較，將誤碼進(jìn)行計數(shù)，而后將誤碼率顯示出來：二、實驗儀器1、 ZH5001通信原理綜合實驗系統(tǒng)一臺2、 20MHz雙蹤示波器一臺3、 ZH9001型誤碼測試儀（或GZ9001型）一臺4、 頻譜測量儀一臺三、實驗?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)傳輸過程；3、 掌握FSK正交調(diào)制的基本工作原理與實現(xiàn)方法；4、 掌握FSK性能的測試；5、 了解FSK在噪聲下的基本性能；四、 回答預(yù)習(xí)問題1、在進(jìn)行該實驗時，首先預(yù)習(xí)一下實驗系統(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 信號的方法是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)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(chǎn)生的波形在切換的時刻相位是不連續(xù)的。而 FSK 正交 調(diào)制方式產(chǎn)生 FSK 信號的方法是，首先產(chǎn)生 FSK 基帶信號，利用基帶信號對單一載波振蕩 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，不然如果只采用一路同相 FSK 信號進(jìn) 行調(diào)制，會產(chǎn)生兩個 FSK 頻譜信號3、 敘述本實驗中FSK采用的調(diào)制、解調(diào)的原理。FSK正交調(diào)制器的實現(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）輸入的信號為傳號頻率為：空號頻率為：在上圖中，延時信號為：其中t 為延時量。相乘之后的結(jié)果為：在上式中，第一項經(jīng)過低通濾波器之后可以濾除。當(dāng)時，上式可簡化為：因而經(jīng)過積分器（低通濾波器）之后，輸出信號大小為：，從而實現(xiàn)了FSK的正交相乘非相干解調(diào)。4、 查閱資料，說明信道頻差對解調(diào)性能的影響。 頻差會引起相位偏差，相位偏差會影響系統(tǒng)性能有一定下降。信道頻差（一般在采用非相干解調(diào)時存在）的存在會造成解調(diào)端的基帶信號無法觀測(如在DBPSK中無法觀測收端眼圖)，但不會影響正常的解調(diào)5、查閱資料，說明位定時抖動

14、產(chǎn)生的原因。 時抖動指的是解調(diào)后碼元起始位置的抖動和不確定。要觀察定時抖動，應(yīng)該使用輸入信號作為同步，這時可以觀測到解調(diào)后波形的抖動。6、 本實驗中位定時恢復(fù)所采用的算法是什么？敘述位定時的調(diào)整過程，并說明輸入碼字對位定時恢復(fù)的影響？在實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對于收端位定時的提取有很大影響，對于收端來講要準(zhǔn)確的提取位定時，對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)目會直接影響位定時的恢復(fù)。 在實際通信當(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)目不會超過4個，從而有利于位定時的恢復(fù)

15、。7、 標(biāo)出TPMZ07、TPi03、TPi04、TPM01、TPM02、TPM04、TPK03、TPJ05、TPN04測量點的含義。 TPMZ07：最終恢復(fù)的位定時時鐘 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TPi04：通道Q的低通濾波器輸出，發(fā)送Q支路基帶信號 數(shù)字鎖相環(huán) TPM01：發(fā)送時鐘信號 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 測試模塊 TPN04：抽樣判決點輸出信號 中頻調(diào)制器模塊 TPK03：輸出已調(diào)制信號五、實驗內(nèi)容深刻理解電路組成和實驗原理，正確設(shè)置跳線開關(guān)，完成以下實驗內(nèi)容，記錄實驗數(shù)據(jù)、實驗現(xiàn)象和實驗信號波形（標(biāo)明頻

16、率、幅度、脈沖寬度）。測試前檢查TPMZ07有無信號，菜單選擇FSK調(diào)制。（一）FSK調(diào)制1. FSK基帶信號觀測選擇菜單輸入數(shù)據(jù)信號為全0碼、全1碼和01碼，發(fā)送數(shù)據(jù)信號作同步，觀測發(fā)端同相I支路輸出基帶信號波形(TPi03)。畫出波形，并測量基帶調(diào)頻的兩個頻點。（在碼元的切換點其相位如何？）2選擇菜單輸入數(shù)據(jù)信號為全1碼和01碼，通過時域觀測和x-y模式兩種方法來觀測發(fā)端同相支路基帶信號(TPI03)和正交支路基帶信號(TPI04)的正交性。31） 通過菜單選擇為全0碼、全1碼和01碼為輸入數(shù)據(jù)信號，以發(fā)送數(shù)據(jù)信號作同步，觀測FSK調(diào)制中頻信號(TPK03)波形。畫出波形，并測量中頻信號調(diào)

17、頻的兩個頻點，分析信號的特點。 (測量時，通過菜單選擇為 0/1 碼輸入數(shù)據(jù)信號，并以 TPM02 作為同步信號。觀測 TPM02 與 TPK03 點波形 應(yīng)有明確的信號對應(yīng)關(guān)系) 2）設(shè)計將正交調(diào)制輸入信號中的一路基帶調(diào)制信號斷開(D/A 模塊內(nèi)的跳線器 Ki01 或 Ki02）， 對照發(fā)送數(shù)據(jù)信號、發(fā)送基帶信號，觀測中頻調(diào)制信號波形的變化，重復(fù)上述測量步驟,分析變化原因。（二）FSK解調(diào)1解調(diào)基帶FSK信號觀測中頻電纜連結(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)信號全0碼、全1碼和01碼，測量FSK解調(diào)基帶信號測試點(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)器位定時恢復(fù)與最佳抽樣判決點波形觀測選擇輸入測試數(shù)據(jù)為m序列，同時觀察接收端DSP調(diào)整之后的最佳判決抽樣時刻（觀察時以此信號作同步）和抽樣判決點波形信號的之間的相位關(guān)系。TPMZ07 為接收端 DSP 調(diào)整之后的最佳抽樣時刻。選擇輸入測試數(shù)據(jù)為 m 序列，用示 波器同時觀察 TPMZ07（觀察時以此信號作同步）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(guān)系3用發(fā)送時鐘(TPM01)信號作同步，選擇不同的測試