實驗七連續(xù)相位FSK傳輸系統實驗

1、實驗七 連續(xù)相位FSK傳輸系統實驗李夢嬈 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：（二進制）（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信號表達式為：（二進制）（二進制）其實現如圖4

2、.26所示：圖4.26 非連續(xù)相位FSK的調制框圖由于相位的不連續(xù)會造頻譜擴展，這種FSK的調制方式在傳統的通信設備中采用較多。隨著數字處理技術的不斷發(fā)展，越來越多地采用連續(xù)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： （1）應當注意，盡管調制波形m（t）在比特轉換時不連續(xù)，但相位函數（t）是與m（t）的積分成比例的，因而是連續(xù)的，其相應波形如圖4.27所示：圖4.27連續(xù)相位FSK的調制信號由于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

3、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-nf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為數字基帶信號的帶寬。假設信號帶寬限制在主瓣范圍，矩形脈沖信號的帶寬B=R。因此，FSK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中

4、，FSK的調制方案如下：FSK信號：（2）其中：因而由（1）（2）式，有：其中：如果進行量化處理，采樣速率為fs，周期為Ts，有下式成立：按照上述原理，FSK正交調制器的實現為如圖4.29結構：圖4.29 FSK正交調制器結構圖如時發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元結束時相位基礎上，在每個抽樣到達時刻相位累加，直到該信號碼元結束；如時發(fā)送碼，則相位累加器在前一碼元結束時的相位基礎上，在每個抽樣到達時刻相位累加，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。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

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調制器基帶處理結構如圖4.30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（）與空號頻率（），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。

6、相干FSK解調框圖如圖4.31所示：圖4.31 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： 相干FSK解調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方案。、FSK濾波非相干解調對于FSK的非相干解調一般采用濾波非相干解調，如圖4.32所示。輸入的FSK中頻信號分別經過中心頻率為、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。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（利用相位解調的鑒頻原理）FSK的正交相乘非相干解調框圖如圖4.33所示：圖4.33 FSK正交相乘非相干解調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。相乘之后的結果為：在上式中，第一項經過低通濾波器之后可以濾除

8、。當時，上式可簡化為：因而經過積分器（低通濾波器）之后，輸出信號大小為：，從而實現了FSK的正交相乘非相干解調。AB兩點的波形如圖4.34所示：圖4.34 差分解調波形在FSK中位定時的恢復見BPSK解調方式。TPMZ07：最終恢復的位定時時鐘。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），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4.35所示。（三）FSK系統性能對于FSK采用非相干解調，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備，其性能一般較理論性能在上要惡化幾個dB，一般可達（23

9、dB）。因而，對于一個調制方式已確定的信道設備，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，通過測量設備的信道誤碼率指標，可以判斷當前設備是否工作正常。對設備信道誤碼率指標的測量，不僅僅對該設備的性能有所了解，同時它也是通信系統工程方面（系統建立、維護）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，根據高斯噪聲所占據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的TPJ05進行：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行。誤碼測試儀首先發(fā)送一串偽碼給信道設備，信道設備將FSK信號發(fā)送，并經信道返回（主要是完成加噪功能），然后解調。將解調之后的數據再送入誤碼測試儀進行

11、比較，將誤碼進行計數，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FSK在噪聲下的基本性能；四、 回答預習問題1、在進行該實驗時，首先預習一下實驗系統概述中“數字鎖相環(huán)模塊、DSP處理模塊、D/A、A/D模塊、中頻調制、解調模塊和測試模塊”的內容和原理；2、FSK正交調制方式與傳統FSK調制方

12、式有何區(qū)別？ 一般 FSK 調制方式產生 FSK 信號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。而 FSK 正交 調制方式產生 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。采用這種方法產生的波形在切換的時刻相位是連續(xù)的。在 FSK 正交調制 方式中，必須采用 FSK 的同相支路與正交支路信號，不然如果只采用一路同相 FSK 信號進 行調制，會產生兩個 FSK 頻譜信號3、 敘述本實驗中FSK采用的調制、解調的原理。FSK正交調制器的實現

13、為如圖結構： FSK正交調制器結構圖 FSK的正交相乘非相干解調（利用相位解調的鑒頻原理）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。相乘之后的結果為：在上式中，第一項經過低通濾波器之后可以濾除。當時，上式可簡化為：因而經過積分器（低通濾波器）之后，輸出信號大小為：，從而實現了FSK的正交相乘非相干解調。4、 查閱資料，說明信道頻差對解調性能的影響。 頻差會引起相位偏差，相位偏差會影響系統性能有一定下降。信道頻差（一般在采用非相干解調時存在）的存在會造成解調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5、查閱資料，說明位定時抖動

14、產生的原因。 時抖動指的是解調后碼元起始位置的抖動和不確定。要觀察定時抖動，應該使用輸入信號作為同步，這時可以觀測到解調后波形的抖動。6、 本實驗中位定時恢復所采用的算法是什么？敘述位定時的調整過程，并說明輸入碼字對位定時恢復的影響？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（即接收碼流應該有豐富的跳變沿），因此接收碼流中連1連0的數目會直接影響位定時的恢復。 在實際通信當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數目不會超過4個，從而有利于位定時的恢復

15、。7、 標出TPMZ07、TPi03、TPi04、TPM01、TPM02、TPM04、TPK03、TPJ05、TPN04測量點的含義。 TPMZ07：最終恢復的位定時時鐘 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 數字鎖相環(huán) TPM01：發(fā)送時鐘信號 A/D模塊 TPJ05：經放大與直流偏移之后的解調I支路基帶信號 測試模塊 TPN04：抽樣判決點輸出信號 中頻調制器模塊 TPK03：輸出已調制信號五、實驗內容深刻理解電路組成和實驗原理，正確設置跳線開關，完成以下實驗內容，記錄實驗數據、實驗現象和實驗信號波形（標明頻

16、率、幅度、脈沖寬度）。測試前檢查TPMZ07有無信號，菜單選擇FSK調制。（一）FSK調制1. FSK基帶信號觀測選擇菜單輸入數據信號為全0碼、全1碼和01碼，發(fā)送數據信號作同步，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選擇菜單輸入數據信號為全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碼為輸入數據信號，以發(fā)送數據信號作同步，觀測FSK調制中頻信號(TPK03)波形。畫出波形，并測量中頻信號調

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) 2）設計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）， 對照發(fā)送數據信號、發(fā)送基帶信號，觀測中頻調制信號波形的變化，重復上述測量步驟,分析變化原因。（二）FSK解調1解調基帶FSK信號觀測中頻電纜連結建立中頻自環(huán)，用發(fā)送數據作同步，選擇菜單輸入數據信號全0碼、全1碼和01碼，測量FSK解調基帶信號測試點(TPJ05)波形（盡量在示波器上調出穩(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？（根據頻率調制的含義解釋）2 解調器位定時恢復與最佳抽樣判決點波形觀測選擇輸入測試數據為m序列，同時觀察接收端DSP調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系。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3用發(fā)送時鐘(TPM01)信號作同步，選擇不同的測試