通信原理實(shí)驗(yàn)二FSK傳輸實(shí)驗(yàn)

1、一、實(shí)驗(yàn)?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(shí)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二、實(shí)驗(yàn)儀器1、 ZH7001通信原理綜合實(shí)驗(yàn)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、 頻譜分析儀 一臺三、實(shí)驗(yàn)原理（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：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

2、特是0還是1，在兩個獨(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。由于相位的不連續(xù)會造頻譜擴(kuò)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：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4.1.2所示：在通信信道FSK模式的基帶信號中傳號采用Hf 頻率，空號采用Lf

3、 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)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；（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)。1、 FSK相干解調(diào)FSK相干解調(diào)要求恢復(fù)出傳號頻率（Hf ）與空號頻率（Lf ），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

4、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。相干FSK解調(diào)框圖如圖4.1.6所示：2、 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4.1.7所示。輸入的FSK中頻信號分別經(jīng)過中心頻率為Hf 、Lf 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。四、實(shí)驗(yàn)步驟 測試前檢查：首先將通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)制方式設(shè)置成“FSK傳輸系統(tǒng)”；用示波器測量TPMZ07測試點(diǎn)的信號，如果有脈沖波形，說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已正常工

5、作；如果沒有脈沖波形，則需按面板上的復(fù)位按鈕重新對硬件進(jìn)行初始化。（一）FSK調(diào)制1. FSK基帶信號觀測（1）TPi03是基帶FSK波形（D/A模塊內(nèi)）。通過菜單選擇為1碼輸入數(shù)據(jù)信號，觀測TPi03信號波形，測量其基帶信號周期。（2）通過菜單選擇為0碼輸入數(shù)據(jù)信號，觀測TPi03信號波形，測量其基帶信號周期。將測量結(jié)果與1碼比較。 圖1 全1碼波形 圖2 全0碼波形分析：全1碼波形的頻率時全0碼波形頻率的兩倍，符合FSK編碼的原理。2. 發(fā)端同相支路和正交支路信號時域波形觀測 TPi03和TPi04分別是基帶FSK輸出信號的同相支路和正交支路信號。測量兩信號的時域信號波形時將輸入全1碼（或

6、全0碼），測量其兩信號是否滿足正交關(guān)系。 圖3 全 0碼兩支路波形分析：兩信號滿足正交關(guān)系，但有些許延遲。用兩個正交信號調(diào)制的目的是產(chǎn)生代表0, 1碼的兩種頻率的形如 的信號，而 所以需要兩個正交信號區(qū)調(diào)制。3. 發(fā)端同相支路和正交支路信號的李沙育（x-y）波形觀測將示波器設(shè)置在（x-y）方式。 圖4 全0李沙育圖形 圖5 m碼序列李沙育圖形 分析：由于TPi03和TPi04的正交性，李沙育是一個圓。所有碼型的李沙育圖形都相同4. 連續(xù)相位FSK調(diào)制基帶信號觀測（1）TPM02是發(fā)送數(shù)據(jù)信號（DSP+FPGA模塊左下腳），TPi03是基帶FSK波形。測量時，通過菜單選擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)信號，

7、并以TPM02作為同步信號。觀測TPM02與TPi03點(diǎn)波形應(yīng)有明確的信號對應(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，重復(fù)上述測量步驟。記錄測量結(jié)果。 圖6 0/1碼 圖7 特殊序列碼分析：發(fā)送數(shù)據(jù)信號與基帶波形有名曲的信號對應(yīng)關(guān)系，符合FSK的調(diào)制原理，即不同碼對應(yīng)的調(diào)制波的頻率不同，并在碼元的切換點(diǎn)發(fā)送波形相位連續(xù)。非連續(xù)相位點(diǎn)的FSK在碼元切換點(diǎn)應(yīng)可以觀察到明顯的相位不連續(xù)現(xiàn)象。5. FSK調(diào)制中頻信號波形觀測在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；不然如果只采

8、一路同相FSK信號進(jìn)行調(diào)制，會產(chǎn)生兩個FSK頻譜信號，這需在后面采用較復(fù)雜的中頻窄帶濾波器。（1）調(diào)制模塊測試點(diǎn)TPK03為FSK調(diào)制中頻信號觀測點(diǎn)。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(diǎn)波形應(yīng)有明確的信號對應(yīng)關(guān)系。（2）通過菜單選擇為特殊序列碼輸入數(shù)據(jù)信號，重復(fù)上述測量步驟。（3）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），重復(fù)上述測量步驟。觀測信號波形的變化，分析變化原因。 圖8 特殊序列碼 圖9 0/1碼 圖10 拔掉跳線ki01分析：由于少了一路正交調(diào)制，造成振幅發(fā)生改變，產(chǎn)生包絡(luò)

9、。（二）FSK解調(diào)1. 解調(diào)基帶FSK信號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)基帶信號測試點(diǎn)TPJ05的波形，觀測時仍用發(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1碼（或0碼）輸入數(shù)據(jù)信號，觀測TPJ05信號波形，測量其信號周期。（2）通過菜單選擇為0/1碼（或特殊碼）輸入數(shù)據(jù)信號，觀測TPJ05信號波形。 圖11 全0碼波形 圖12 0/1碼波形分析：解調(diào)基帶信號與發(fā)送信號有明顯的相對關(guān)系，說明解調(diào)成功。2. 解調(diào)基帶信號的李沙育（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

10、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，仔細(xì)觀測其李沙育信號波形。（2）通過菜單選擇為0/1碼（或特殊碼）輸入數(shù)據(jù)信號，仔細(xì)觀測李沙育信號波形。將跳線開關(guān)KL01設(shè)置在2_3位置，調(diào)整電位器WL01（改變接收本地載頻即改變收發(fā)頻差），繼續(xù)觀察。分析波形的變化與什么因素有關(guān)。 圖13 全1碼 圖14 0/1碼 圖15 跳線在2_3位置的0/1碼分析：當(dāng)跳線開關(guān)在1_2處時，接收端的全1碼和0/1碼李沙育波形都為橢圓，切很穩(wěn)定，但0/1碼的李沙育波形可觀察到受噪聲干擾比較大，這是由于碼型在0、1之間轉(zhuǎn)換，容易受干擾。當(dāng)跳線在2_3位置時，李沙育圖形也為橢圓，但一直在轉(zhuǎn)動，很不穩(wěn)定

11、。這是因?yàn)槭瞻l(fā)頻差改變后，解調(diào)后的波形已經(jīng)不準(zhǔn)確，且變得不穩(wěn)定。3. 接收位同步信號相位抖動觀測用發(fā)送時鐘TPM01（DSP+FPGA模塊左下腳）信號作同步，選擇不同的測試碼序列測量接收時鐘TPMZ07（DSP芯片左端）的抖動情況。 圖16 全1碼相位抖動 圖17 0/1碼相位抖動分析：當(dāng)全0或全1碼時，相位無抖動。其他碼型時，相位有抖動。這是因?yàn)槿?及全1碼下接收的數(shù)據(jù)沒有跳變沿，譯碼器無論從何時開始譯碼均能正確譯碼，因此譯碼器無須進(jìn)行調(diào)整，故看不到定時抖動。4. 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)

12、TPN04（測試模塊內(nèi)）波形的變化。在觀察時，示波器的掃描時間取大于2ms級較為合適，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)取兩個值：A或A。 圖18 抽樣判決點(diǎn)波形分析：當(dāng)調(diào)整電位器時，電位器位于中間位置時，幅度抖動較小，位于兩邊時，幅度抖動較大。5. 解調(diào)器位定時恢復(fù)與最佳抽樣判決點(diǎn)波形觀測TPMZ07為接收端DSP調(diào)整之后的最佳判決抽樣時刻。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(diǎn)TPN04波形（抽樣判決點(diǎn)信號）的之間的相位關(guān)系。 圖19 最佳判決抽樣時刻波形6. 位定時鎖定和位定時調(diào)整觀

13、測TPMZ07為接收端恢復(fù)時鐘，它與發(fā)端時鐘（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，用示波器同時觀察TPM01（觀察時以此信號作同步）和TPMZ07（收端最佳判決時刻）之間的相位關(guān)系。（2）不斷按確認(rèn)鍵，此時僅對DSP位定時環(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）在測試數(shù)據(jù)為全1或全0碼時重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，并解釋原因。斷開JL02接收中頻環(huán)路，在沒有接收信號的情況下重復(fù)上述步驟實(shí)驗(yàn)，觀測TPM01和TPMZ07之間的相位關(guān)系，并解釋測量結(jié)果的原因。 圖20 m序列 圖21 全0碼 圖22 斷開中頻環(huán)路后全0碼分析：不斷按確認(rèn)鍵 M

14、序列鎖定后相位不變，全零碼相位變化，全0和全1碼中缺少跳變沿，無法從信號中提取定時脈沖，故其相位隨機(jī)。斷開接收后，無論何種碼型，都無法鎖定。因?yàn)闆]有接受信號，就無沿跳變，無法調(diào)整。 7. 觀察在各種輸入碼字下FSK的輸入/輸出數(shù)據(jù)測試點(diǎn)TPM02是調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，TPW02是解調(diào)輸出數(shù)據(jù)。通過菜單選擇為不同碼型輸入數(shù)據(jù)信號，觀測輸出數(shù)據(jù)信號是否正確。觀測時，用TPM02點(diǎn)信號同步。 五、思考題1、 FSK正交調(diào)制方式與傳統(tǒng)的一般FSK調(diào)制方式有什么區(qū)別? 其有哪些特點(diǎn) ?答：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(dú)立的振蕩器中切換。采用這種方法產(chǎn)生的波形在切

15、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，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。2、 TPi03和TPi04兩信號具有何關(guān)系？ 答：正交。3、 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(shí)際通信中為什么要加擾碼措施？答：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的影響，對于收端來講，要準(zhǔn)確的提取位定時，對于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