實(shí)驗(yàn)六 FSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1、.實(shí)驗(yàn)六 FSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)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(hào)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(hào)的 表達(dá)式為：（二進(jìn)制）（二進(jìn)制）其中2f代表信號(hào)載波的恒定偏移。產(chǎn)生FSK信號(hào)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(gè)獨(dú)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(shí)刻相位是不連續(xù)的，因此這種FSK信號(hào)稱為不連續(xù)FSK信號(hào)。不連續(xù)的FSK信號(hào)表達(dá)式為：（二進(jìn)制）（二進(jìn)制）其實(shí)現(xiàn)如圖6-1所示：圖6.1 非連續(xù)相位FSK的調(diào)制框圖由于相位的不連續(xù)會(huì)造頻譜擴(kuò)展，這種FSK的調(diào)制方式在傳統(tǒng)的通

2、信設(shè)備中采用較多。隨著數(shù)字處理技術(shù)的不發(fā)展，越來越多地采用連繼相位FSK調(diào)制技術(shù)。目前較常用產(chǎn)生FSK信號(hào)的方法是，首先產(chǎn)生FSK基帶信號(hào)，利用基帶信號(hào)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：應(yīng)當(dāng)注意，盡管調(diào)制波形m（t）在比特轉(zhuǎn)換時(shí)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6.2所示：圖6.2連續(xù)相位FSK的調(diào)制信號(hào)由于FSK信號(hào)的復(fù)包絡(luò)是調(diào)制信號(hào)m（t）的非線性函數(shù)，確定一個(gè)FSK信號(hào)的頻譜通常是相當(dāng)困難的，經(jīng)常采用實(shí)時(shí)平均測量的方法。二進(jìn)制FSK信號(hào)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

3、信號(hào)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(hào)頻譜如圖6.3所示。圖6.3 FSK的信號(hào)頻譜FSK信號(hào)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(hào)的帶寬。假設(shè)信號(hào)帶寬限制在主瓣范圍，矩形脈沖信號(hào)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，F(xiàn)SK的調(diào)制方案如下：FSK信號(hào)：其中：因而有：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，

4、FSK正交調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)為如圖6-4結(jié)構(gòu)：圖6.4 FSK正交調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖如時(shí)發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時(shí)相位基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加，直到該信號(hào)碼元結(jié)束；如時(shí)發(fā)送碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時(shí)的相位基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)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(hào)中傳號(hào)采用頻率，空號(hào)采用頻率。在FSK模式下，不采用采用漢明糾錯(cuò)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)接口和m序列；2、 全1碼：可測試傳號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率（高）；3、 全0碼：可測試空號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率（低）；4、 0/1碼：0101交替碼型，用作一般測試；5

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6.5所示：（二）FSK解調(diào)對于FSK信號(hào)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(hào)頻率（）與空號(hào)頻率（），恢復(fù)出的載波信號(hào)分別與接收的FSK中頻信號(hào)相乘，然后分別在一個(gè)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(hào)判為1，否則判為0。相干FSK解調(diào)框圖如圖6.6所示：圖6.6 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

6、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)圖6.7 非相干FSK接收機(jī)的方框圖對于FSK的非相干解調(diào)一般采用濾波非相干解調(diào)，如圖6.7所示。輸入的FSK中頻信號(hào)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(shí)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。使用非相干檢測時(shí)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

7、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(shí)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(shí)現(xiàn)方法一般采用正交相乘方法加以實(shí)現(xiàn)。、FSK的正交相乘非相干解調(diào)FSK的正交相乘非相干解調(diào)框圖如圖6.8所示：圖6.8 FSK正交相乘非相干解調(diào)示意圖輸入的信號(hào)為傳號(hào)頻率為：空號(hào)頻率為：在上圖中，延時(shí)信號(hào)為：其中t為延時(shí)量。相乘之后的結(jié)果為：在上式中，第一項(xiàng)經(jīng)過低通濾波器之后可以濾除。當(dāng)時(shí)，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(hào)大小為：，從而實(shí)現(xiàn)了FSK的正交相乘非相干解調(diào)。AB兩點(diǎn)的波形如圖6.9所示：圖6.9 差分解調(diào)波形在FSK中位定時(shí)的恢復(fù)見BPSK解

8、調(diào)方式。通信原理實(shí)驗(yàn)的FSK模式中，采樣速率為96KHz的采樣速率（每一個(gè)比特采16個(gè)樣點(diǎn)），F(xiàn)SK基帶信號(hào)的載頻為24KHz，因而在DSP處理過程中，延時(shí)取1個(gè)樣值。FSK的解調(diào)框圖如圖6.10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(gè)實(shí)際通信設(shè)備，其性能一般較理論性能在上要惡化幾個(gè)dB，一般可達(dá)（23dB）。因而，對于一個(gè)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(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。一方面可以衡量其在實(shí)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

9、標(biāo)的測量，不僅僅對該設(shè)備的性能有所了解，同時(shí)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。圖6.11 采用功率計(jì)測量連接示意圖首先，測量高斯白噪聲譜密度。按圖6.11連接，在A點(diǎn)將調(diào)制信號(hào)斷開，這樣在B點(diǎn)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(jì)算出高斯白噪聲的譜密度：然后在C點(diǎn)處斷開,測量信號(hào)功率,計(jì)算出信號(hào)的每比特能量：這樣通過功率測量即可測量出FSK在實(shí)際信道環(huán)境下的。如果定性測量可通過通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的TPJ05進(jìn)行：首先斷開發(fā)信號(hào)，在示波器上測量接收的噪聲大小En，然后在沒有噪聲時(shí)在示波器上觀察信號(hào)

10、的大小Es，通過這兩項(xiàng)估計(jì)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(hào)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)行比較，將誤碼進(jìn)行計(jì)數(shù)。而后將誤碼率顯示出來：二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)備工作：設(shè)置系統(tǒng)為“FSK傳輸系統(tǒng)”。（一）FSK調(diào)制1. 測量FSK系統(tǒng)輸入碼元傳輸速率。TPM01為發(fā)送碼元傳輸時(shí)鐘，記為fb。2. FSK傳號(hào)頻率和空號(hào)頻率測量TPi03是基

11、帶FSK波形（D/A模塊內(nèi)）。（1） 通過菜單選擇為全1碼，觀測TPi03信號(hào)波形，測量其傳號(hào)頻率，記為f1。（2） 通過菜單選擇為全1碼，觀測TPi03信號(hào)波形，測量其傳號(hào)頻率，記為f2。（3） 比較fb，f1，f2之間的關(guān)系。3. 發(fā)端同相支路和正交支路信號(hào)時(shí)域波形觀測TPi03和TPi04分別是基帶FSK輸出信號(hào)的同相支路和正交支路信號(hào)。測量兩信號(hào)的時(shí)域信號(hào)波形時(shí)將輸入全1碼（或全0碼），測量其兩信號(hào)是否滿足正交關(guān)系。思考：產(chǎn)生兩個(gè)正交信號(hào)去調(diào)制的目的。4. 發(fā)端同相支路和正交支路信號(hào)的李沙育（x-y）波形觀測將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的正交性，

12、其李沙育應(yīng)為一個(gè)圓。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進(jìn)行測量。5. 連續(xù)相位FSK調(diào)制基帶信號(hào)觀測（1） TPM02是發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，TPi03是基帶FSK波形。測量時(shí)，通過菜單選擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并以TPM02作為同步信號(hào)。觀測TPM02與TPi03點(diǎn)波形應(yīng)有明確的信號(hào)對應(yīng)關(guān)系。并且，在碼元的切換點(diǎn)發(fā)送波形的相位連續(xù)。思考：非連續(xù)相位FSK調(diào)制在碼元切換點(diǎn)的相位是如何的。（2） 通過菜單選擇為特殊序列碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，重復(fù)上述測量步驟。記錄測量結(jié)果。6. FSK調(diào)制中頻信號(hào)波形觀測在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(hào)；不然如果只采一路同相FSK信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生

13、兩個(gè)FSK頻譜信號(hào)，這需在后面采用較復(fù)雜的中頻窄帶濾波器，如圖6.12所示：圖6.12 FSK的頻譜調(diào)制過程（1） 調(diào)制模塊測試點(diǎn)TPK03為FSK調(diào)制中頻信號(hào)觀測點(diǎn)。測量時(shí)，通過菜單選擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并以TPM02作為同步信號(hào)。（2） 將正交調(diào)制輸入信號(hào)中的一路基帶調(diào)制信號(hào)斷開（D/A模塊內(nèi)的跳線器Ki01或Ki02），重復(fù)上述測量步驟。觀測信號(hào)波形的變化，分析變化原因。7. FSK調(diào)制信號(hào)頻譜觀測利用示波器的FFT功能查看頻譜。測量時(shí)，將示波器探頭放在TPK03內(nèi)。先將示波器調(diào)到125kHz/div，選擇hanning窗，然后將頻譜擴(kuò)展10倍，旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕，觀察1.024MH

14、z頻率點(diǎn)附近波形（1） 通過菜單選擇不同的輸入數(shù)據(jù)，觀測FSK信號(hào)頻譜。畫出各個(gè)不同輸入數(shù)據(jù)的頻譜圖。注意標(biāo)明特殊點(diǎn)的頻率值和幅值。（2） 將正交調(diào)制輸入信號(hào)中的一路基帶調(diào)制信號(hào)斷開（D/A模塊內(nèi)的跳線器Ki01或Ki02），重復(fù)上述測量步驟。觀測信號(hào)頻譜的變化，記錄測量結(jié)果。思考：結(jié)合圖6.12分析頻譜變化的原因。（二）FSK解調(diào)1. 解調(diào)基帶FSK信號(hào)觀測首先用中頻電纜連結(jié)KO02和JL02，建立中頻自環(huán)（自發(fā)自收）。測量FSK解調(diào)基帶信號(hào)測試點(diǎn)TPJ05的波形，觀測時(shí)仍用發(fā)送數(shù)據(jù)（TPM02）作同步，比較其兩者的對應(yīng)關(guān)系。（1） 通過菜單選擇為全1碼（或全0碼）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測TPJ0

15、5信號(hào)波形，測量其信號(hào)周期。（2） 通過菜單選擇為0/1碼（或特殊碼）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測TPJ05信號(hào)波形。（3） 通過菜單選擇為0/1碼，將KL01放在右邊，調(diào)節(jié)WL01使TPJ05波形基本穩(wěn)定，分析原因。根據(jù)觀測結(jié)果，分析解調(diào)端的基帶信號(hào)與發(fā)送端基帶波形（TPi03）不同的原因？2. 解調(diào)基帶信號(hào)的李沙育（x-y）波形觀測將示波器設(shè)置在（x-y）方式，從相平面上觀察TPJ05和TPJ06的李沙育波形。（1） 通過菜單選擇為1碼（或0碼）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，仔細(xì)觀測其李沙育信號(hào)波形。（2） 通過菜單選擇為0/1碼（或特殊碼）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，仔細(xì)觀測李沙育信號(hào)波形。（3） 逐級(jí)加入噪聲，觀察波形變化。

16、（4） 發(fā)送端斷開一路基帶信號(hào)（Ki02），觀察接受端李沙育波形，將KL01放在右邊，調(diào)節(jié)WL01（改變接收本地載頻即改變收發(fā)頻差），觀察波形變化。分析原因。3. 接收位同步信號(hào)相位抖動(dòng)觀測用發(fā)送時(shí)鐘TPM01信號(hào)作同步，選擇不同的測試碼序列測量接收時(shí)鐘TPMZ07的抖動(dòng)情況。思考：為什么在全0或全1碼下觀察不到位定時(shí)的抖動(dòng)？選擇全1碼或全0碼不斷按“確認(rèn)”鍵，觀察TPMZ07變化。4. 抽樣抽樣判決點(diǎn)波形觀測將跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置，調(diào)整電位器WL01, 以改變接收本地載頻（即改變收發(fā)頻差），觀察抽樣判決點(diǎn)TPN04（測試模塊內(nèi)）波形的變化。逐級(jí)加入噪聲，觀察TPN04波形變化。以

17、發(fā)送時(shí)鐘TPM01作為同步信號(hào)。在觀察時(shí)，示波器的掃描時(shí)間取大于500us級(jí)較為合適，觀察效果較好。具有以下的波形：理想情況下，正交相乘經(jīng)低通濾波之后在判決器之前的變量應(yīng)取兩個(gè)值：A或A。而實(shí)際情況，的輸出如圖6.13所示，原因有以下幾個(gè)方面：（1） 位定時(shí)抖動(dòng)，由于位定時(shí)的抖動(dòng)，使前后的碼元產(chǎn)生了碼間串?dāng)_串（ISI），從而引起判決器之前的波形抖動(dòng)；（2） 剩余頻差：由于收發(fā)頻率不同，當(dāng)這種差別較大時(shí)，會(huì)引起判決器之前的波形幅度抖動(dòng)；（3） A/D量化時(shí)的直流漂移：由于A/D在量化時(shí)存在直流漂移，引起判決器之前的波形抖動(dòng)；（4） 線路噪聲：當(dāng)接收支路存在噪聲時(shí)，引起判決器之前的波形抖動(dòng)；圖6.13 FSK解調(diào)器抽樣判決點(diǎn)的波形5. 位定時(shí)鎖定和位定時(shí)調(diào)整觀測TPMZ07為接收端恢復(fù)時(shí)鐘，它與發(fā)端時(shí)鐘（TPM01）具有明確的相位關(guān)系。（1） 在輸入測試數(shù)據(jù)為m序列時(shí)，用示波器同時(shí)觀察TPM01（觀察時(shí)以此信號(hào)作同步）和TPMZ07（收端最佳判決時(shí)刻）之間的相位關(guān)系。（2） 不斷按確認(rèn)鍵，此時(shí)僅對DSP位定時(shí)環(huán)路初始化，讓環(huán)路重新調(diào)整鎖定，觀察TPMZ07的調(diào)整過程和鎖定后的相位關(guān)系。（3） 逐級(jí)加入噪聲，觀