振幅鍵控移頻鍵控移相鍵控調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí) 驗(yàn) 四 . 振 幅 鍵 控 、 移 頻 鍵 控 、 移 相 鍵 控 調(diào) 制 和 解 調(diào) 實(shí) 驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握絕對碼、相對碼概念以及它們之間的變換關(guān)系和變換方法2. 掌握用鍵控法產(chǎn)生2ASK 2FSK信號的方法，以及2ASK相干解調(diào)、2FSK過零 檢測解調(diào)的原理3. 掌握相對碼波形與2FSK信號波形之間的關(guān)系4. 掌握2ASK 2FSK信號的頻譜特性二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （ 含技術(shù)指標(biāo) ）1. 觀察絕對碼和相對碼的波形2. 觀察2ASK 2FSK信號波形3. 觀察2ASK 2FSK信號頻譜4. 觀察2ASK 2FSK解調(diào)信號波形5. 觀察2FSK過零檢測解調(diào)器各點(diǎn)波形三 實(shí)驗(yàn)器材信號源模塊

2、數(shù)字調(diào)制模塊頻譜分析模塊數(shù)字解調(diào)模塊同步信號提取模塊 數(shù)字示波器一臺連接線若干四 實(shí)驗(yàn)原理調(diào)制信號為二進(jìn)制序列時的數(shù)字頻帶調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。由于被調(diào)載波有幅度、頻率、相位三個獨(dú)立的可控參量，當(dāng)用二進(jìn)制信號分別調(diào)制這三種參量時，就形成了二進(jìn)制振幅鍵控 (2ASK)、二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK、二進(jìn)制移相 鍵控(2PSK)三種最基本的數(shù)字頻帶調(diào)制信號，而每種調(diào)制信號的受控參量只有 兩種離散變換狀態(tài)。1 . 2ASK調(diào)制原理。在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號的變化而變化的。使載波在二進(jìn)制基 帶信號 1 或 0的控制下通或斷， 即用載波幅度的有或無來代表信號中的 “ 1 ”或“ 0”， 這樣就可

3、以得到2ASK信號，這種二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通一斷鍵控(00K。2ASK信號典型的時域波形如圖15-1所示，其時域數(shù)學(xué)表達(dá)式為：S2ASK (t) an Acos ct( 151 )式中，A為未調(diào)載波幅度，c為載波角頻率，an為符合下列關(guān)系的二進(jìn)制序列的第 n 個碼元：an出現(xiàn)概率為 P出現(xiàn)概率為 1P152)綜合式15- 1和式15-2,令A(yù)= 1,則2ASK信號的一般時域表達(dá)式為：S(t ) cos ct( 153)式中，Ts為碼元間隔，g(t)為持續(xù)時間Ts/2，Ts/2內(nèi)任意波形形狀的脈 沖(分析時一般設(shè)為歸一化矩形脈沖)，而S(t)就是代表二進(jìn)制信息的隨機(jī)單極性脈沖序列。圖15-1

4、 2ASK信號的典型時域波形為了更深入掌握2ASK信號的性質(zhì)，除時域分析外，還應(yīng)進(jìn)行頻域分析。由于二進(jìn)制序列一般為隨機(jī)序列，其頻域分析的對象應(yīng)為信號功率譜密度。設(shè)g(t)為歸一化矩形脈沖，若g(t)的傅氏變換為G(f)， S(t)則為二進(jìn)制隨機(jī)單極性矩形脈沖序 列，且任意碼元為0的概率為P，則S(t)的功率譜密度表達(dá)式為：Ps(f) fsP(1 P)G(f)2 fs2(1 P)2G(0)2 (f)( 15- 4)式中，G(f) Ts Sin Ts ； fs -Hz，并與二進(jìn)制序列的碼元速率 R在數(shù)值上TsTs相等?？梢钥闯觯瑔螛O性矩形脈沖隨機(jī)序列含有直流分量。2ASK信號的雙邊功率譜密度表達(dá)式

5、為：1 fs2(1 P)2G(0)2 (f fc) (f fc)(15- 5)4式(15-5)表明，2ASK信號的功率譜密度由兩個部分組成：(1)由g(t)經(jīng) 線性幅度調(diào)制所形成的雙邊帶連續(xù)譜；(2)由被調(diào)載波分量確定的載頻離散譜。圖15-2為2ASK信號的單邊功率譜示意圖圖15-2 2ASK信號的單邊功率譜密度示意圖對信號進(jìn)行頻域分析的主要目的之一就是確定信號的帶寬。在不同應(yīng)用場合，信號帶寬有多種度量定義，但最常用和最簡單的帶寬定義是以功率譜主瓣寬度為 度量的“譜零點(diǎn)帶寬”，這種帶寬定義特別適用于功率譜主瓣包含信號大部分功 率的信號。顯然，2ASK信號的譜零點(diǎn)帶寬為B2ask (fc Rs)

6、 (fc Rs)f° 2Rs 2/Ts( Hz)( 15- 6)式中，F(xiàn)S為二進(jìn)制序列的碼元速率，它與二進(jìn)制序列的信息率(比特率)Fb(bit/s )在數(shù)值上相等。圖15-3 2ASK調(diào)制原理框圖2ASK信號的產(chǎn)生方法比較簡單。首先，因2ASK言號的特征是對載波的“通一 斷鍵控”，用一個模擬幵關(guān)作為調(diào)制載波的輸出通/斷控制門，由二進(jìn)制序列S(t)控制門的通斷，S(t) = 1時幵關(guān)導(dǎo)通；S(t) = 0時幵關(guān)截止，這種調(diào)制方式稱為通一 斷鍵控法。其次，2ASK信號可視為S(t)與載波的乘積，故用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)2ASK 調(diào)制也是很容易想到的另一種方式，稱其為乘積法。在這里，我們采用的是

7、通一 斷鍵控法，2ASK調(diào)制的基帶信號和載波信號分別從“ ASK基帶輸入”和“ ASK載波 輸入”輸入，其原理框圖和電路原理圖分別如圖15-3、圖15-4所示。2. 2FSK調(diào)制原理。2FSK信號是用載波頻率的變化來表征被傳信息的狀態(tài)的，被調(diào)載波的頻率隨 二進(jìn)制序列0、1狀態(tài)而變化，即載頻為 f°時代表傳0,載頻為f1時代表傳1。顯 然，2FSK信號完全可以看成兩個分別以f0和f1為載頻、以an和an為被傳二進(jìn)制序列的兩種2ASK信號的合成。2FSK信號的典型時域波形如圖15-5所示，其一般時 域數(shù)學(xué)表達(dá)式為SzfskQa.g(tnTs)cos°ta.g(tnTs)cos“

8、t(15 7)nn式中，0 2 fo , ! 2 f, , an是an的反碼，即圖15-5 2FSK信號的典型時域波形因?yàn)?FSK屬于頻率調(diào)制，通?？啥x其移頻鍵控指數(shù)為h |fi fo Ts |fi fo|/Rs( 15 8)顯然，h與模擬調(diào)頻信號的調(diào)頻指數(shù)的性質(zhì)是一樣的，其大小對已調(diào)波帶寬有很大影響。2FSK信號與2ASK信號的相似之處是含有載頻離散譜分量，也就是說， 二者均可以采用非相干方式進(jìn)行解調(diào)?？梢钥闯觯?dāng)h<1時，2FSK信號的功率譜與2ASK的極為相似，呈單峰狀；當(dāng) h>>1時，2FSK信號功率譜呈雙峰狀，此時的 信號帶寬近似為B2FSK f1 f°

9、| 2Rs (Hz)(15 9)2FSK信號的產(chǎn)生通常有兩種方式：(1)頻率選擇法；(2)載波調(diào)頻法。由 于頻率選擇法產(chǎn)生的2FSK信號為兩個彼此獨(dú)立的載波振蕩器輸出信號之和，在二進(jìn)制碼元狀態(tài)轉(zhuǎn)換(01或10)時刻，2FSK信號的相位通常是不連續(xù)的，這會不利于已調(diào)信號功率譜旁瓣分量的收斂。載波調(diào)頻法是在一個直接調(diào)頻器中產(chǎn) 生2FSK信號，這時的已調(diào)信號出自同一個振蕩器，信號相位在載頻變化時始終是 連續(xù)的，這將有利于已調(diào)信號功率譜旁瓣分量的收斂，使信號功率更集中于信號 帶寬內(nèi)。在這里，我們采用的是頻率選擇法，其調(diào)制原理框圖如圖15-6所示：圖15-6 2FSK調(diào)制原理框圖由圖可知，從“ FSK基

10、帶輸入”輸入的基帶信號分成兩路，1路經(jīng)U404(LM339 反相后接至U405B (4066)的控制端，另1路直接接至U405A ( 4066)的控制端。從“ FSK載波輸入1 ”和“ FSK載波輸入2”輸入的載波信號分別接至 U405A和U405B的輸入端。當(dāng)基帶信號為“ 1”時，模擬幵關(guān)U405A打幵，U405B關(guān)閉，輸出第一 路載波；當(dāng)基帶信號為“ 0”時，U405A關(guān)閉，U405B打幵，此時輸出第二路載波， 再通過相加器就可以得到 2FSK調(diào)制信號。3. 2PSK調(diào)制原理。0相位載波和n相位載波分別代表傳1和傳0,其時域波形示意圖如圖15-7所示。設(shè)二進(jìn)制單極性碼為an,其對應(yīng)的雙極性

11、二進(jìn)制碼為bn，則2PSK信號的一般2PSK信號是用載波相位的變化表征被傳輸信息狀態(tài)的，通常規(guī)定時域數(shù)學(xué)表達(dá)式為:S2PSK (t)bng(t nTs) cos ct(1510)其中：bn +!當(dāng)an 0時，概率為P 當(dāng)an=1時，概率為1 P則（15 10）式可變?yōu)?g(tnTs)COS ct當(dāng)an 0S2PSK(t) =(1511)g(tnTs)nA0-Acos ct 0當(dāng)an 1圖15-7 2PSK信號的典型時域波形由(15- 10)式可見，2PSK信號是一種雙邊帶信號，比較(15 10)式于(153)式可知，其雙邊功率譜表達(dá)式與2ASK的幾乎相同，即為：4 fs2(1 P)2G(0)|

12、2 (f fc) (f fc)(15 12)2PSK信號的譜零點(diǎn)帶寬與2ASK的相同，即B2PSK (fc Rs) (fc Rs) 2Rs 2/Ts (Hz)(15 13)我們知道，2PSK信號是用載波的不同相位直接去表示相應(yīng)的數(shù)字信號而得出的，在這種絕對移相的方式中，由于發(fā)送端是以某一個相位作為基準(zhǔn)的，因而在接收系統(tǒng)也必須有這樣一個固定基準(zhǔn)相位作參考。如果這個參考相位發(fā)生變化，則恢復(fù)的數(shù)字信息就會與發(fā)送的數(shù)字信息完全相反，從而造成錯誤的恢復(fù)。這種現(xiàn)象常稱為2PSK的“倒n”現(xiàn)象，因此，實(shí)際中一般不采用2PSK方式，而采用差分移相(2DPSK方式。2DPSK方式即是利用前后相鄰碼元的相對載波相

13、位值去表示數(shù)字信息的一種方式。例如，假設(shè)相位值用相位偏移 x表示(x定義為本碼元初相與前一碼元初相 之差)，并設(shè)數(shù)字信息“ 1 ”0 數(shù)字信息“ 0”則數(shù)字信息序列與2DPSK言號的碼元相位關(guān)系可舉例表示如下：數(shù)字信息：00111001012DPSK言號相位：000n 0nnn00n或： nnn0n 000nn0圖15-8為對同一組二進(jìn)制信號調(diào)制后的2PSK與 2DPSK波形。從圖中可以看 出，2DPSK言號波形與2PSK的不同。2DPSK波形的同一相位并不對應(yīng)相同的數(shù)字信息符號，而前后碼元相對相位的差才唯一決定信息符號。這說明，解調(diào)2DPSK信號時并不依賴于某一固定的載波相位參考值。只要前后

14、碼元的相對相位關(guān)系不 破壞，則鑒別這個關(guān)系就可以正確恢復(fù)數(shù)字信息，這就避免了2PSK方式中的“倒n”現(xiàn)象發(fā)生。同時我們也可以看到，單純從波形上看，2PSK與 2DPSK信號是無法分辨的。這說明，一方面，只有已知移相鍵控方式是絕對的還是相對的，才能 正確判定原信息； 另一方面， 相對移相信號可以看成是把數(shù)字信息序列 （絕對碼） 變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進(jìn)行絕對移相而形成。圖15-8 2PSK 與2DPSK波形對比為了便于說明概念， 我們可以把每個碼元用一個如圖 15-9 所示的矢量圖來表 示。圖中，虛線矢量位置稱為基準(zhǔn)相位。 在絕對移相中， 它是未調(diào)制載波的相位； 在相對移相中，它是前一碼

15、元載波的相位。如果假設(shè)每個碼元中包含有整數(shù)個載 波周期，那么，兩相鄰碼元載波的相位差既表示調(diào)制引起的相位變化，也是兩碼 元交界點(diǎn)載波相位的瞬時跳變量。根據(jù)ITU-T的建議，圖15-9（a）所示的移相方式，稱為A方式。在這種方式中，每個碼元的載波相位相對于基準(zhǔn)相位可取0、n。因此， 在相對移相后， 若后一碼元的載波相位相對于基準(zhǔn)相位為0，則前后兩碼元載波的相位就是連續(xù)的；否則，載波相位在兩碼元之間要發(fā)生跳變。圖15-9（b）所示的移相方式，稱為 B 方式。在這種方式中，每個碼元的載波相位相對于基準(zhǔn) 相位可取 n /2。因而，在相對移相時，相鄰碼元之間必然發(fā)生載波相位的跳變。 這樣，在接收端接收該

16、信號時，如果利用檢測此相位變化以確定每個碼元的起止 時刻，即可提供碼元定時信息，這正是B方式被廣泛采用的原因之一。五、實(shí)驗(yàn)步驟（選作ASK的調(diào)制與解調(diào)或者FSK的調(diào)制與解調(diào)）將信號源模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、數(shù)字解調(diào)模塊、同步信號提取模塊小心地固定在 主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。1 插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，再分別按下四個模塊中的開關(guān)P0WER1P0WER2對應(yīng)的發(fā)光二極管 LED001 LED002 D4O0 D401、DAO0 DA01 D500 D501 發(fā)光，按一下信號源模塊的復(fù)位鍵， 四個模塊均開始工作。（注意，此處只是驗(yàn)證通電是否成功，在實(shí)驗(yàn)中均是先連線，后打開電源做 實(shí)驗(yàn)，

17、不要帶電連線）2. ASK解調(diào)實(shí)驗(yàn) 用信號源模塊產(chǎn)生的 NRZ碼為基帶信號，合理連接信號源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊，使數(shù)字調(diào)制模塊的信號輸出點(diǎn)“ASK調(diào)制輸出”能輸出正確的 ASK調(diào)制波形。 將“ASK調(diào)制輸出”的輸出信號送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“ASK-IN”，觀察信號輸出點(diǎn)“ASK-OUT處的波形，并調(diào)節(jié)標(biāo)號為“ASK判決電壓調(diào)節(jié)” 的電位器，直到在該點(diǎn)觀察到穩(wěn)定的NRZ碼為止。將該點(diǎn)波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點(diǎn)“ NRZ-IN” , 再將同步信號提取模塊的信號輸出 點(diǎn)“位同步輸出” 輸出的波形送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“ASK-BS”，觀察信號輸出點(diǎn)“ OUT仁“OUT2、“OU

18、T3、“ASK解調(diào)輸出”處的波形， 并與信號源產(chǎn)生的NRZ碼進(jìn)行比較。 改變信號源產(chǎn)生的NRZ碼的設(shè)置，重復(fù)上述觀察。3. FSK解調(diào)實(shí)驗(yàn) 將信號源模塊的位同步信號的頻率恢復(fù)為15.625KHZ，用信號源模塊產(chǎn)生的NRZ碼為基帶信號，合理連接信號源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊，使數(shù)字調(diào)制 模塊的信號輸出點(diǎn)“ FSK調(diào)制輸出”能輸出正確的 FSK調(diào)制波形。 將點(diǎn)“FSK調(diào)制輸出”的輸出信號送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“FSK-IN”，觀察信號輸出點(diǎn)“FSK-OUT處的波形，并調(diào)節(jié)標(biāo)號為“FSK判決電壓調(diào)節(jié)”的電位器，直到在該點(diǎn)觀察到穩(wěn)定的NRZ碼為止。將該點(diǎn)波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點(diǎn)“ NRZ-

19、IN” , 再將同步信號提取模塊的信號輸出 點(diǎn)“位同步輸出” 輸出的波形送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“FSK-BS”，觀察信號輸出點(diǎn)“單穩(wěn)輸出1”、“單穩(wěn)輸出2”、“過零檢測”、“FSK解調(diào)輸出”處的波形，并與信號源產(chǎn)生的NRZ碼進(jìn)行比較。 改變信號源產(chǎn)生的NRZ碼的設(shè)置，重復(fù)上述觀察。4. PSK解調(diào)實(shí)驗(yàn) 將信號源模塊的位同步信號的頻率恢復(fù)為15.625KHZ，用信號源模塊產(chǎn)生的NRZ碼為基帶信號，合理連接信號源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊，使數(shù)字調(diào)制 模塊的信號輸出點(diǎn)“ PSK調(diào)制輸出”能輸出正確的 PSK調(diào)制波形。 將“PSK調(diào)制輸出”的輸出信號送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“PSK-IN”，將“

20、PSK調(diào)制輸出”的波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點(diǎn)“S-IN ”，使信號輸出點(diǎn)“載波輸出”能輸出提取出的正確的載波信號（方法請參考 實(shí)驗(yàn)十四），再將該點(diǎn)的輸出波形送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“載波 輸入”，觀察信號輸出點(diǎn)“ PSK-OUT處的波形，并調(diào)節(jié)標(biāo)號為“ PSK判決 電壓調(diào)節(jié)”的電位器，直到在該點(diǎn)觀察到穩(wěn)定的NRZ碼為止（電位器 WA02可調(diào)節(jié)乘法器的平衡度，該處在出廠時已經(jīng)調(diào)好，請勿自行調(diào)節(jié) ） 。將點(diǎn)“PSK-OU”T 輸出的波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點(diǎn)“NRZ-IN”，再將同步信號提取模塊的信號輸出點(diǎn)“位同步輸出”輸出的波形送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“PSK-BS,觀察信號輸出點(diǎn)“0UT4、“0UT5、“PSK 解調(diào)輸出”處的波形，并與信號源產(chǎn)生的NRZ碼進(jìn)行比較。 改變信號源產(chǎn)生的NRZ碼的設(shè)置，重復(fù)上述觀察。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)ASK基帶輸入和ASK解調(diào)輸出的波形ASK-OUT 和 0UT1 波形ASK-OUT和 ASK-BS波形七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析1、分析2ASK、2FSK的調(diào)制與解調(diào)原理？答:2ASK:二進(jìn)制幅度鍵控。2ASK調(diào)制原理：在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號的變化而變化的。使載波在二進(jìn)制基帶信號 1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無來代表信號中的“ 1”或“