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(duì)碼、相對(duì)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(hào)的方法，以及2ASK相干解調(diào)、2FSK過(guò)零檢測(cè)解調(diào)的原理3.掌握相對(duì)碼波形與2FSK信號(hào)波形之間的關(guān)系4.掌握2ASK、2FSK信號(hào)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(duì)碼和相對(duì)碼的波形2.觀察2ASK、2FSK信號(hào)波形3.觀察2ASK、2FSK信號(hào)頻譜4.觀察2ASK、2FSK解調(diào)信號(hào)波形5.觀察2FSK過(guò)零檢測(cè)解調(diào)器各點(diǎn)波形三、實(shí)驗(yàn)器材信號(hào)源模塊數(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(hào)提取模塊 數(shù)字示波器一臺(tái)連接線

2、若干 四、實(shí)驗(yàn)原理調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制序列時(shí)的數(shù)字頻帶調(diào)制稱(chēng)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(gè)獨(dú)立的可控參量，當(dāng)用二進(jìn)制信號(hào)分別調(diào)制這三種參量時(shí)，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(hào)，而每種調(diào)制信號(hào)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(hào)的變化而變化的。使載波在二進(jìn)制基帶信號(hào)1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無(wú)來(lái)代表信號(hào)中的“1”或“0”，這樣就可以得到2ASK信號(hào)，這種二進(jìn)制振幅鍵控方式稱(chēng)為通斷鍵控（OOK）。2ASK信號(hào)典型的時(shí)域波形如圖15

3、-1所示，其時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （151）式中，A為未調(diào)載波幅度，為載波角頻率，為符合下列關(guān)系的二進(jìn)制序列的第n個(gè)碼元： （152）綜合式151和式152，令A(yù)1，則2ASK信號(hào)的一般時(shí)域表達(dá)式為： （153）式中，Ts為碼元間隔，為持續(xù)時(shí)間 Ts/2，Ts/2 內(nèi)任意波形形狀的脈沖（分析時(shí)一般設(shè)為歸一化矩形脈沖），而就是代表二進(jìn)制信息的隨機(jī)單極性脈沖序列。 圖15-1 2ASK信號(hào)的典型時(shí)域波形為了更深入掌握2ASK信號(hào)的性質(zhì)，除時(shí)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(duì)象應(yīng)為信號(hào)功率譜密度。設(shè)為歸一化矩形脈沖，若的傅氏變換為，則為二進(jìn)制隨機(jī)單極性矩形脈沖序列

4、，且任意碼元為0的概率為P，則的功率譜密度表達(dá)式為： （154）式中，；Hz，并與二進(jìn)制序列的碼元速率Rs在數(shù)值上相等?？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(hào)的雙邊功率譜密度表達(dá)式為： （155）式（155）表明，2ASK信號(hào)的功率譜密度由兩個(gè)部分組成：（1）由經(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(hào)的單邊功率譜示意圖。圖15-2 2ASK信號(hào)的單邊功率譜密度示意圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析的主要目的之一就是確定信號(hào)的帶寬。在不同應(yīng)用場(chǎng)合，信號(hào)帶寬有多種度量定義，但最常用和最簡(jiǎn)單的帶寬定義是以功率譜主瓣寬度為度量的“譜零點(diǎn)帶

5、寬”，這種帶寬定義特別適用于功率譜主瓣包含信號(hào)大部分功率的信號(hào)。顯然，2ASK信號(hào)的譜零點(diǎn)帶寬為（Hz） （156）式中，Rs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）Rb（bit/s）在數(shù)值上相等。圖15-3 2ASK調(diào)制原理框圖2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法比較簡(jiǎn)單。首先，因2ASK信號(hào)的特征是對(duì)載波的“通斷鍵控”，用一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)作為調(diào)制載波的輸出通/斷控制門(mén)，由二進(jìn)制序列控制門(mén)的通斷，1時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；0時(shí)開(kāi)關(guān)截止，這種調(diào)制方式稱(chēng)為通斷鍵控法。其次，2ASK信號(hào)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(chēng)其為乘積法。在這里，我們采用的是通斷鍵

6、控法，2ASK調(diào)制的基帶信號(hào)和載波信號(hào)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(hào)是用載波頻率的變化來(lái)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，即載頻為時(shí)代表傳0，載頻為時(shí)代表傳1。顯然，2FSK信號(hào)完全可以看成兩個(gè)分別以和為載頻、以和為被傳二進(jìn)制序列的兩種2ASK信號(hào)的合成。2FSK信號(hào)的典型時(shí)域波形如圖15-5所示，其一般時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為（157）式中，是的反碼，即 圖15-5 2FSK信號(hào)的典型時(shí)域波形因?yàn)?FSK屬于頻率調(diào)制，通常可定義其移頻鍵控指數(shù)為 （158）顯然

7、，h與模擬調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻指數(shù)的性質(zhì)是一樣的，其大小對(duì)已調(diào)波帶寬有很大影響。2FSK信號(hào)與2ASK信號(hào)的相似之處是含有載頻離散譜分量，也就是說(shuō)，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(shí)，2FSK信號(hào)的功率譜與2ASK的極為相似，呈單峰狀；當(dāng)h>>1時(shí)，2FSK信號(hào)功率譜呈雙峰狀，此時(shí)的信號(hào)帶寬近似為（Hz） （159）2FSK信號(hào)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(hào)為兩個(gè)彼此獨(dú)立的載波振蕩器輸出信號(hào)之和，在二進(jìn)制碼元狀態(tài)轉(zhuǎn)換（或）時(shí)刻，2FSK信號(hào)的相位通常是不連續(xù)的，這會(huì)不利于已調(diào)信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂。載

8、波調(diào)頻法是在一個(gè)直接調(diào)頻器中產(chǎn)生2FSK信號(hào)，這時(shí)的已調(diào)信號(hào)出自同一個(gè)振蕩器，信號(hào)相位在載頻變化時(shí)始終是連續(xù)的，這將有利于已調(diào)信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂，使信號(hào)功率更集中于信號(hào)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基帶輸入”輸入的基帶信號(hào)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(hào)分別接至U405A和U405B的輸入端。當(dāng)基帶信號(hào)為“1”時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)U405A打開(kāi)，U405

9、B關(guān)閉，輸出第一路載波；當(dāng)基帶信號(hào)為“0”時(shí)，U405A關(guān)閉，U405B打開(kāi)，此時(shí)輸出第二路載波，再通過(guò)相加器就可以得到2FSK調(diào)制信號(hào)。3 2PSK調(diào)制原理。2PSK信號(hào)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0相位載波和相位載波分別代表傳1和傳0，其時(shí)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(duì)應(yīng)的雙極性二進(jìn)制碼為bn，則2PSK信號(hào)的一般時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1510）其中：則（1510）式可變?yōu)椋?（1511）圖15-7 2PSK信號(hào)的典型時(shí)域波形由（1510）式可見(jiàn)，2PSK信號(hào)是一種雙邊帶信號(hào)，比較（1510）式于（153）式可知，其雙邊功率譜表達(dá)式與2ASK

10、的幾乎相同，即為： （1512）2PSK信號(hào)的譜零點(diǎn)帶寬與2ASK的相同，即（Hz） （1513）我們知道，2PSK信號(hào)是用載波的不同相位直接去表示相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)而得出的，在這種絕對(duì)移相的方式中，由于發(fā)送端是以某一個(gè)相位作為基準(zhǔn)的，因而在接收系統(tǒng)也必須有這樣一個(gè)固定基準(zhǔn)相位作參考。如果這個(gè)參考相位發(fā)生變化，則恢復(fù)的數(shù)字信息就會(huì)與發(fā)送的數(shù)字信息完全相反，從而造成錯(cuò)誤的恢復(fù)。這種現(xiàn)象常稱(chēng)為2PSK的“倒”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(duì)載波相位值去表示數(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

11、碼元初相與前一碼元初相之差），并設(shè)”則數(shù)字信息序列與2DPSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系可舉例表示如下：數(shù)字信息：00111001012DPSK信號(hào)相位：000000或： 0 0 0 0 0圖15-8為對(duì)同一組二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制后的2PSK與2DPSK波形。從圖中可以看出，2DPSK信號(hào)波形與2PSK的不同。2DPSK波形的同一相位并不對(duì)應(yīng)相同的數(shù)字信息符號(hào)，而前后碼元相對(duì)相位的差才唯一決定信息符號(hào)。這說(shuō)明，解調(diào)2DPSK信號(hào)時(shí)并不依賴(lài)于某一固定的載波相位參考值。只要前后碼元的相對(duì)相位關(guān)系不破壞，則鑒別這個(gè)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”現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)我們也可以看到，單純從波形

12、上看，2PSK與2DPSK信號(hào)是無(wú)法分辨的。這說(shuō)明，一方面，只有已知移相鍵控方式是絕對(duì)的還是相對(duì)的，才能正確判定原信息；另一方面，相對(duì)移相信號(hào)可以看成是把數(shù)字信息序列（絕對(duì)碼）變換成相對(duì)碼，然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)移相而形成。圖15-8 2PSK與2DPSK波形對(duì)比為了便于說(shuō)明概念，我們可以把每個(gè)碼元用一個(gè)如圖15-9所示的矢量圖來(lái)表示。圖中，虛線矢量位置稱(chēng)為基準(zhǔn)相位。在絕對(duì)移相中，它是未調(diào)制載波的相位；在相對(duì)移相中，它是前一碼元載波的相位。如果假設(shè)每個(gè)碼元中包含有整數(shù)個(gè)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(shí)跳變量。根據(jù)ITU-T的建議，

13、圖15-9（a）所示的移相方式，稱(chēng)為A方式。在這種方式中，每個(gè)碼元的載波相位相對(duì)于基準(zhǔn)相位可取0、。因此，在相對(duì)移相后，若后一碼元的載波相位相對(duì)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(chēng)為B方式。在這種方式中，每個(gè)碼元的載波相位相對(duì)于基準(zhǔn)相位可取/2。因而，在相對(duì)移相時(shí)，相鄰碼元之間必然發(fā)生載波相位的跳變。這樣，在接收端接收該信號(hào)時(shí)，如果利用檢測(cè)此相位變化以確定每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，即可提供碼元定時(shí)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(hào)源模塊、數(shù)字調(diào)

14、制模塊、數(shù)字解調(diào)模塊、同步信號(hào)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(kāi)主機(jī)箱右側(cè)的交流開(kāi)關(guān)，再分別按下四個(gè)模塊中的開(kāi)關(guān)POWER1、POWER2，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、D400、D401、DA00、DA01、D500、D501發(fā)光，按一下信號(hào)源模塊的復(fù)位鍵，四個(gè)模塊均開(kāi)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(kāi)電源做實(shí)驗(yàn)，不要帶電連線）2 將信號(hào)源模塊的位同步信號(hào)（BS）的頻率設(shè)置為15.625KHz，將信號(hào)源模塊產(chǎn)生的NRZ碼設(shè)置為01110010 11001100 10101010，將同步信號(hào)提取模塊的撥碼開(kāi)關(guān)SW

15、501的第一位撥上。3 ASK解調(diào)實(shí)驗(yàn) 用信號(hào)源模塊產(chǎn)生的NRZ碼為基帶信號(hào)，合理連接信號(hào)源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊，使數(shù)字調(diào)制模塊的信號(hào)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(hào)送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“ASK-IN”，觀察信號(hào)輸出點(diǎn)“ASK-OUT”處的波形，并調(diào)節(jié)標(biāo)號(hào)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(hào)提取模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“NRZ-IN”,再將同步信號(hào)提取模塊的信號(hào)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(hào)輸入點(diǎn)“ASK-BS”，觀察信號(hào)輸出點(diǎn)“OUT1”、“OUT2”、“OUT3”

16、、“ASK解調(diào)輸出”處的波形，并與信號(hào)源產(chǎn)生的NRZ碼進(jìn)行比較。 改變信號(hào)源產(chǎn)生的NRZ碼的設(shè)置，重復(fù)上述觀察。4 FSK解調(diào)實(shí)驗(yàn) 將信號(hào)源模塊的位同步信號(hào)的頻率恢復(fù)為15.625KHz，用信號(hào)源模塊產(chǎn)生的NRZ碼為基帶信號(hào)，合理連接信號(hào)源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊，使數(shù)字調(diào)制模塊的信號(hào)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(hào)送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“FSK-IN”，觀察信號(hào)輸出點(diǎn)“FSK-OUT”處的波形，并調(diào)節(jié)標(biāo)號(hào)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(hào)提取模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“NRZ-IN”,再將同

17、步信號(hào)提取模塊的信號(hào)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(hào)輸入點(diǎn)“FSK-BS”，觀察信號(hào)輸出點(diǎn) “單穩(wěn)輸出1”、“單穩(wěn)輸出2”、“過(guò)零檢測(cè)”、“FSK解調(diào)輸出”處的波形，并與信號(hào)源產(chǎn)生的NRZ碼進(jìn)行比較。 改變信號(hào)源產(chǎn)生的NRZ碼的設(shè)置，重復(fù)上述觀察。5 PSK解調(diào)實(shí)驗(yàn) 將信號(hào)源模塊的位同步信號(hào)的頻率恢復(fù)為15.625KHz，用信號(hào)源模塊產(chǎn)生的NRZ碼為基帶信號(hào)，合理連接信號(hào)源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊，使數(shù)字調(diào)制模塊的信號(hào)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(hào)送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“PSK-IN”，將“PSK調(diào)制輸出”的波形送入同步

18、信號(hào)提取模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“S-IN”，使信號(hào)輸出點(diǎn)“載波輸出”能輸出提取出的正確的載波信號(hào)（方法請(qǐng)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(hào)輸入點(diǎn)“載波輸入”，觀察信號(hào)輸出點(diǎn)“PSK-OUT”處的波形，并調(diào)節(jié)標(biāo)號(hào)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(shí)已經(jīng)調(diào)好，請(qǐng)勿自行調(diào)節(jié))。將點(diǎn)“PSK-OUT”輸出的波形送入同步信號(hào)提取模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“NRZ-IN”，再將同步信號(hào)提取模塊的信號(hào)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(hào)輸入點(diǎn)“PSK-BS”，觀察信號(hào)輸出點(diǎn)“OUT4”、“OUT5”、“P

19、SK解調(diào)輸出”處的波形，并與信號(hào)源產(chǎn)生的NRZ碼進(jìn)行比較。 改變信號(hào)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OUT1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(hào)的變化而變化的。使載波在二進(jìn)制基帶信號(hào)1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無(wú)來(lái)代表信號(hào)中的“1”或“0”，這樣就可以得到2ASK信號(hào)，這種常用的也是最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制振幅鍵控方式稱(chēng)為通斷鍵控（OOK）：2ASK信號(hào)的一般時(shí)域表達(dá)式為：圖15-3 2ASK調(diào)制原理框圖解調(diào)原理：與AM信號(hào)的解調(diào)方法一樣。2ASK/OOK有