FSK傳輸系統(tǒng)實驗

1、FSK傳輸系統(tǒng)實驗一、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:Sfsk tfEb COS（2fcf）t 0<i <yb Tb（二進制1）SFSK（二進制0）其中2n f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:Sfskcos（2 二ht -i）SFSKcos（2if

2、Lt 二2）0乞t遼Tb（二進制1）0乞t乞Tb（二進制0）其實現如圖4.1.1所示:輸入數據圖4.1.1非連續(xù)相位FSK的調制框圖FSK調制技術。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(tǒng)的通信設備中采用較多。隨著數字處理技術的不斷發(fā)展，越來越多地采用連繼相位目前較常用產生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:SFSK (t )cos2二fCt v (t)tco SJfCt 2：k m(t)dt-=0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0 (t)是與 m (t)的積分成比例的，因而

3、是連續(xù)的，其相應波形如圖4.1.2所示:0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+n f、fc-n f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幕衰落。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幕衰落。FSK的信號頻譜如圖4.1.3所示。圖4.1.3 FSK的信號頻譜FSK信號的傳輸帶寬 Br，由Carson公式給出：Br=2 f+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

4、B=R。因此，FSK的傳輸帶寬變?yōu)?Br=2 ( f+R)如果采用升余弦脈沖濾波器，傳輸帶寬減為：Br=2 f+ (1+a ) R其中a為濾波器的滾降因子。在通信原理綜合實驗系統(tǒng)中，FSK的調制方案如下：FSK信號：s(t) =cos(w0t 2fi t)其中：£當輸入碼為1''f2當輸入碼為0因而有：s(t)二 coswot cos2：fi t-si n Wots in 2 二 f t =coswot cost (t) - sin Wot sin (t) 其中：tr(t) =2 二fct 2二 K m(t)dt如果進行量化處理，采樣速率為fs,周期為Ts，有下式成立

5、：=(n)-珥n -1) 2fcTs 2 ：Km(n)Ts (n -1) 2Tsfs Km( n) n -1) 2 fiTs按照上述原理，FSK正交調制器的實現為如圖4.1-4結構：圖4.1.4 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 r(n)基礎上，在每個抽樣到達時 刻相位累加2二fJs，直到該信號碼元結束； 如時發(fā)送1碼，則相位累加器在前一碼元結束時 的相位二(n)基礎上，在每個抽樣到達時刻相位累加 2二f2Ts，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fH頻率，空號采用fL頻率。在FSK模式下，不采用采用漢明糾錯編譯碼技術。調制器提供的數據源

6、有：1、 外部數據輸入：可來自同步數據接口、異步數據接口和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4.1.5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。1、FSK相干解調FSK相干解調要求恢復出傳號頻率（和）與空號頻率（fL ）,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

7、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。相干FSK解調框圖如圖4.1.6所示:圖4.1.6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。2、FSK濾波非相干解調接收的FSK信號圖4.1.7非相干FSK接收機的方框圖對于FSK的非相干解調一般采用濾波非相干解調，如圖4.1.7所示。輸入的FSK中頻信號分別經過中心頻率為 fH、fL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

8、（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。使用非相干檢測時 FSK系統(tǒng)的平均誤碼率為）：Pej（繪）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的數字化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。3、FSK的正交相乘非相干解調FSK的正交相乘非相干解調框圖如圖4.1.8所示:圖4.1.8 FSK正交相乘非相干解調示意圖輸入的信號為R(t)二 cos(w0t _

9、w t)傳號頻率為：w0 ： - w空號頻率為：w0 - w在上圖中，延時信號為：R (t)二 COS(Wo 二 ' w) (t - )其中.為延時量。相乘之后的結果為：2R(t) R (t)二 2cos(w0 二 w) t cos Wo 二 ' w it - - I二 cos2(w0 _ w) t - (wo - w) cos(w0 _ w)在上式中，第一項經過低通濾波器之后可以濾除。當w0二二/2時，上式可簡化為：2R(t) R'(t) : sin(二、w)-二 sin=w因而經過積分器(低通濾波器)之后，輸出信號大小為：Tb sin w ，從而實現了FSK的正交相

10、乘非相干解調。AB兩點的波形如圖 4.1.9所示:010203040»60圖4.1.9差分解調波形在FSK中位定時的恢復見 BPSK解調方式。16個樣通信原理實驗的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4.1.10所示：（三）FSK系統(tǒng)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:PrxpG2N對于一個實際通信設備，其性能一般較理論性能在-Eb上要惡化幾個 dB，一般可達No（2亠3dB）。因而，對于一個調制方式已確定的信道設備，對于其誤

11、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(tǒng)工程方面（系統(tǒng)建立、維護）重要的工具。1、信道Eb的測量:No對于FSK信道Eb的測量一般可采用功率測量。No圖4.1.11采用功率計測量Eb連接示意圖No首先，測量高斯白噪聲譜密度No。按圖4.1.11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En，根據高斯噪聲所占據的帶寬Bn可計算出高斯白噪聲的譜密度:NoEnBn然后在C點處

12、斷開，測量信號功率Es,計算出信號的每比特能量:EsRb這樣通過功率測量即可測量出FSK在實際信道環(huán)境下的No如果定性測量可通過通信原理綜合實驗系統(tǒng)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，通過這兩一Eb一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No成立：呂厚+ 9.8（dB）NoEn/76.8 一 En 一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

13、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比較，將誤碼進行計數。而后將誤碼率顯示出來：Pe :接收的誤碼數發(fā)送的總碼數、實驗儀器1、ZH5001通信原理綜合實驗系統(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、實驗內容測試前檢查：首先將通信原理綜合實驗系統(tǒng)調制方式設置成“FSK傳輸系統(tǒng)”；用示波器測量TPMZ0

14、7測試點的信號，如果有脈沖波形，說明實驗系統(tǒng)已正常工作；如果沒有脈沖波形，則需按面板上的復位按鈕重新對硬件進行初始化。（一）FSK調制1. FSK基帶信號觀測（1） TPiO3是基帶FSK波形（D/A模塊內）。通過菜單選擇為1碼輸入數據信號，觀測 TPiO3信號波形，測量其基帶信號周期。（2）通過菜單選擇為 0碼輸入數據信號，觀測TPi03信號波形，測量其基帶信號周期。 將測量結果與1碼比較。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（或全0碼），測量其兩信號是否滿足正交關系。思考

15、：產生兩個正交信號去調制的目的。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置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的正交性，其李沙育應為一個圓。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進行測量。4. 連續(xù)相位FSK調制基帶信號觀測（1） TPM02是發(fā)送數據信號（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碼輸入數據信號，并以 TPM02作為同步信號。觀測 TPM02與TPi03點波形應有明確的信號對應關系。并且，在碼元的切換點發(fā)送波形的相位連續(xù)。思考：非連續(xù)相位 FSK調制在碼元切換點的相位是如何的。（2）通過菜

16、單選擇為特殊序列碼輸入數據信號，重復上述測量步驟。記錄測量結果。5. FSK調制中頻信號波形觀測在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；不然如果只采一 路同相FSK信號進行調制，會產生兩個 FSK頻譜信號，這需在后面采用較復雜的中頻窄帶 濾波器，如圖4.1.12所示：（1）調制模塊測試點 TPK03為FSK調制中頻信號觀測點。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）通過菜單選擇為特殊序列碼輸入數據信號，重復上述測量步驟。（3）將正交調制輸入信號中的一路基帶調制信號斷開（

17、 D/A模塊內的跳線器 Ki01或 Ki02），重復上述測量步驟。觀測信號波形的變化，分析變化原因。6. FSK調制信號頻譜觀測此項測量視學校儀表情況而定。測量時，用一條中頻電纜將頻譜儀連結接到調制器的KO02端口。調整頻譜儀中心頻率為1.024MHz，掃描頻率為10KHZ/DIV，分辨率帶寬為110KHz左右，調整頻率儀輸入信 號衰減器和掃描時間為合適位置。（1） 通過菜單選擇不同的輸入數據，觀測FSK信號頻譜。（2）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 ）,重復上述測量步驟。觀測信號頻譜的變化，記錄測量結果。思考：結合圖4.1.12分析頻

18、譜變化的原因。（二）FSK解調1. 解調基帶FSK信號觀測首先用中頻電纜連結 KO02和JL02,建立中頻自環(huán)（自發(fā)自收）。測量FSK解調基帶信 號測試點TPJ05的波形，觀測時仍用發(fā)送數據（TPM02 ）作同步，比較其兩者的對應關系。（1）通過菜單選擇為1碼（或0碼）輸入數據信號，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）輸入數據信號，觀測TPJ05信號波2. 解調基帶信號的李沙育（x-y ）波形觀測將示波器設置在（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）輸入數據信號，仔細觀測其李沙育信號波形。

19、（2）通過菜單選擇為 0/1碼（或特殊碼）輸入數據信號，仔細觀測李沙育信號波形。將跳線開關KL01設置在2_3位置，調整電位器 WL01 （改變接收本地載頻一一即改變 收發(fā)頻差），繼續(xù)觀察。分析波形的變化與什么因素有關。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。思考：為什么在全 0或全1碼下觀察不到位定時的抖動？4. 抽樣判決點波形觀測將跳線開關KL01設置在2_3位置，調整電位器 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 TPN04 （

20、測試模塊內）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 低通濾波之后在判決器之前的變量應取兩個值：+ A或A。而實際的輸出如圖 4.1.13所示,幅度抖動原因有以下幾個方面：（1）位定時抖動，由于位定時的抖動，使前后的碼元產生了碼間串擾串（ISI）,從而引起判決器之前的波形抖動；（2）剩余頻差：由于收發(fā)頻率不同，當這種差別較大時，會引起判決器之前的波形 抖動；（3）A/D量化時的直流漂移：由于 A/D在量化時存在直流漂移，引起判決器之前的 波形抖動；（4）線路噪聲：當接收支路存在噪聲時，引起判決器之前的波形幅度抖動；圖4

21、.1.13 FSK解調器抽樣判決點的波形5. 解調器位定時恢復與最佳抽樣判決點波形觀測TPMZ07為接收端DSP調整之后的最佳判決抽樣時刻。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。6. 位定時鎖定和位定時調整觀測TPMZ07為接收端恢復時鐘，它與發(fā)端時鐘（TPM01 ）具有明確的相位關系。（1） 在輸入測試數據為 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）之間的相位關系。（2）不斷按確認鍵，此時僅對 DSP位定時環(huán)路初始化，讓環(huán)

22、路重新調整鎖定，觀察 TPMZ07的調整過程和鎖定后的相位關系。（3）在測試數據為全1或全0碼時重復該實驗，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上述步驟實驗，觀測TPM01和TPMZ07之間的相位關系，并解釋測量結果的原因。7. 觀察在各種輸入碼字下 FSK的輸入/輸出數據測試點TPM02是調制輸入數據，TPM04是解調輸出數據。 通過菜單選擇為不同碼型輸 入數據信號，觀測輸出數據信號是否正確。觀測時，用TPM02點信號同步。（三）FSK系統(tǒng)性能測試準備工作：（1）首先用中頻電纜連結 KO02和JL02，建立中頻自環(huán)（自發(fā)自收）。（2） 誤碼儀關機，將誤碼測試儀RS

23、422端口用DB9電纜（在誤碼測試儀的后部）連接到通信原理實驗箱同步接口模塊的數據通信端口JH02上（通過轉接電纜）誤碼儀必須斷電后連接！。（3） 將漢明編碼模塊中的信號工作跳線器開關SWC01中的H_EN和ADPCM開關去除，將輸入信號跳線開關KC01設置在同步數據接口 DT_SYS上（左端）；將漢明譯碼模塊中漢明譯碼使能開關KW03設置在OFF狀態(tài)（右端），輸入信號和時鐘開關KW01、KW02設置在來自信道 CH位置（左端）。（4）通過菜單選項選擇外部數據源方式，此時發(fā)送數據將由誤碼測試儀提供，同時將解調之后的數據送到誤碼測試儀中進行誤碼分析。（5） 誤碼儀加電。將誤碼儀工作“模式”設置為連續(xù)，“碼類”選擇29-1，“接口”選 擇外時鐘和RS422方式。1. FSK誤碼指標測試（1）首先將噪聲模塊內的噪聲輸出電平調整開關SWO01設置在最低一擋 00000001，此時噪聲輸出電平最小，信噪比S/N最大。測量該S/N下的誤碼率，記錄測量結杲填入表內。（2）將噪聲輸出電平調整開關SWO01增加一擋為00000010,降低一擋 S/N。重復上 述測量，記