振幅鍵控移頻鍵控移相鍵控調制與解調實驗

1、實 驗 四 . 振 幅 鍵 控 、 移 頻 鍵 控 、 移 相 鍵 控 調 制 和 解 調 實 驗 一、實驗目的1. 掌握絕對碼、相對碼概念以及它們之間的變換關系和變換方法2. 掌握用鍵控法產生2ASK 2FSK信號的方法，以及2ASK相干解調、2FSK過零 檢測解調的原理3. 掌握相對碼波形與2FSK信號波形之間的關系4. 掌握2ASK 2FSK信號的頻譜特性二、實驗內容 （ 含技術指標 ）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解調信號波形5. 觀察2FSK過零檢測解調器各點波形三 實驗器材信號源模塊

2、數字調制模塊頻譜分析模塊數字解調模塊同步信號提取模塊 數字示波器一臺連接線若干四 實驗原理調制信號為二進制序列時的數字頻帶調制稱為二進制數字調制。由于被調載波有幅度、頻率、相位三個獨立的可控參量，當用二進制信號分別調制這三種參量時，就形成了二進制振幅鍵控 (2ASK)、二進制移頻鍵控(2FSK、二進制移相 鍵控(2PSK)三種最基本的數字頻帶調制信號，而每種調制信號的受控參量只有 兩種離散變換狀態(tài)。1 . 2ASK調制原理。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，其時域數學表達式為：S2ASK (t) an Acos ct( 151 )式中，A為未調載波幅度，c為載波角頻率，an為符合下列關系的二進制序列的第 n 個碼元：an出現概率為 P出現概率為 1P152)綜合式15- 1和式15-2,令A= 1,則2ASK信號的一般時域表達式為：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內任意波形形狀的脈 沖(分析時一般設為歸一化矩形脈沖)，而S(t)就是代表二進制信息的隨機單極性脈沖序列。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，除時域分析外，還應進行頻域分析。由于二進制序列一般為隨機序列，其頻域分析的對象應為信號功率譜密度。設g(t)為歸一化矩形脈沖，若g(t)的傅氏變換為G(f)， S(t)則為二進制隨機單極性矩形脈沖序 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，并與二進制序列的碼元速率 R在數值上TsTs相等?？梢钥闯觯瑔螛O性矩形脈沖隨機序列含有直流分量。2ASK信號的雙邊功率譜密度表達式

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 線性幅度調制所形成的雙邊帶連續(xù)譜；(2)由被調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信號的譜零點帶寬為B2ask (fc Rs)

6、 (fc Rs)f° 2Rs 2/Ts( Hz)( 15- 6)式中，FS為二進制序列的碼元速率，它與二進制序列的信息率(比特率)Fb(bit/s )在數值上相等。圖15-3 2ASK調制原理框圖2ASK信號的產生方法比較簡單。首先，因2ASK言號的特征是對載波的“通一 斷鍵控”，用一個模擬幵關作為調制載波的輸出通/斷控制門，由二進制序列S(t)控制門的通斷，S(t) = 1時幵關導通；S(t) = 0時幵關截止，這種調制方式稱為通一 斷鍵控法。其次，2ASK信號可視為S(t)與載波的乘積，故用模擬乘法器實現2ASK 調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，被調載波的頻率隨 二進制序列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 域數學表達式為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為2FSK屬于頻率調制，通?？啥x其移頻鍵控指數為h |fi fo Ts |fi fo|/Rs( 15 8)顯然，h與模擬調頻信號的調頻指數的性質是一樣的，其大小對已調波帶寬有很大影響。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行解調。可以看出，當h<1時，2FSK信號的功率譜與2ASK的極為相似，呈單峰狀；當 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信號的產生通常有兩種方式：(1)頻率選擇法；(2)載波調頻法。由 于頻率選擇法產生的2FSK信號為兩個彼此獨立的載波振蕩器輸出信號之和，在二進制碼元狀態(tài)轉換(01或10)時刻，2FSK信號的相位通常是不連續(xù)的，這會不利于已調信號功率譜旁瓣分量的收斂。載波調頻法是在一個直接調頻器中產 生2FSK信號，這時的已調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。在這里，我們采用的是頻率選擇法，其調制原理框圖如圖15-6所示：圖15-6 2FSK調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。當基帶信號為“ 1”時，模擬幵關U405A打幵，U405B關閉，輸出第一 路載波；當基帶信號為“ 0”時，U405A關閉，U405B打幵，此時輸出第二路載波， 再通過相加器就可以得到 2FSK調制信號。3. 2PSK調制原理。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。設二進制單極性碼為an,其對應的雙極性

11、二進制碼為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)定時域數學表達式為:S2PSK (t)bng(t nTs) cos ct(1510)其中：bn +!當an 0時，概率為P 當an=1時，概率為1 P則（15 10）式可變?yōu)?g(tnTs)COS ct當an 0S2PSK(t) =(1511)g(tnTs)nA0-Acos ct 0當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的數字信號而得出的，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的，因而在接收系統也必須有這樣一個固定基準相位作參考。如果這個參考相位發(fā)生變化，則恢復的數字信息就會與發(fā)送的數字信息完全相反，從而造成錯誤的恢復。這種現象常稱為2PSK的“倒n”現象，因此，實際中一般不采用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、位值去表示數字信息的一種方式。例如，假設相位值用相位偏移 x表示(x定義為本碼元初相與前一碼元初相 之差)，并設數字信息“ 1 ”0 數字信息“ 0”則數字信息序列與2DPSK言號的碼元相位關系可舉例表示如下：數字信息：00111001012DPSK言號相位：000n 0nnn00n或： nnn0n 000nn0圖15-8為對同一組二進制信號調制后的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相同的數字信息符號，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、碼元的相對相位關系不 破壞，則鑒別這個關系就可以正確恢復數字信息，這就避免了2PSK方式中的“倒n”現象發(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字信息序列 （絕對碼） 變換成相對碼，然后再根據相對碼進行絕對移相而形成。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相位。 在絕對移相中， 它是未調制載波的相位； 在相對移相中，它是前一碼

15、元載波的相位。如果假設每個碼元中包含有整數個載 波周期，那么，兩相鄰碼元載波的相位差既表示調制引起的相位變化，也是兩碼 元交界點載波相位的瞬時跳變量。根據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 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、實驗步驟（選作ASK的調制與解調或者FSK的調制與解調）將信號源模塊、數字調制模塊、數字解調模塊、同步信號提取模塊小心地固定在 主機箱中，確保電源接觸良好。1 插上電源線，打開主機箱右側的交流開關，再分別按下四個模塊中的開關P0WER1P0WER2對應的發(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位鍵， 四個模塊均開始工作。（注意，此處只是驗證通電是否成功，在實驗中均是先連線，后打開電源做 實驗，

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

18、T3、“ASK解調輸出”處的波形， 并與信號源產生的NRZ碼進行比較。 改變信號源產生的NRZ碼的設置，重復上述觀察。3. FSK解調實驗 將信號源模塊的位同步信號的頻率恢復為15.625KHZ，用信號源模塊產生的NRZ碼為基帶信號，合理連接信號源模塊與數字調制模塊，使數字調制 模塊的信號輸出點“ FSK調制輸出”能輸出正確的 FSK調制波形。 將點“FSK調制輸出”的輸出信號送入數字解調模塊的信號輸入點“FSK-IN”，觀察信號輸出點“FSK-OUT處的波形，并調節(jié)標號為“FSK判決電壓調節(jié)”的電位器，直到在該點觀察到穩(wěn)定的NRZ碼為止。將該點波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點“ NRZ-

19、IN” , 再將同步信號提取模塊的信號輸出 點“位同步輸出” 輸出的波形送入數字解調模塊的信號輸入點“FSK-BS”，觀察信號輸出點“單穩(wěn)輸出1”、“單穩(wěn)輸出2”、“過零檢測”、“FSK解調輸出”處的波形，并與信號源產生的NRZ碼進行比較。 改變信號源產生的NRZ碼的設置，重復上述觀察。4. PSK解調實驗 將信號源模塊的位同步信號的頻率恢復為15.625KHZ，用信號源模塊產生的NRZ碼為基帶信號，合理連接信號源模塊與數字調制模塊，使數字調制 模塊的信號輸出點“ PSK調制輸出”能輸出正確的 PSK調制波形。 將“PSK調制輸出”的輸出信號送入數字解調模塊的信號輸入點“PSK-IN”，將“

20、PSK調制輸出”的波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點“S-IN ”，使信號輸出點“載波輸出”能輸出提取出的正確的載波信號（方法請參考 實驗十四），再將該點的輸出波形送入數字解調模塊的信號輸入點“載波 輸入”，觀察信號輸出點“ PSK-OUT處的波形，并調節(jié)標號為“ PSK判決 電壓調節(jié)”的電位器，直到在該點觀察到穩(wěn)定的NRZ碼為止（電位器 WA02可調節(jié)乘法器的平衡度，該處在出廠時已經調好，請勿自行調節(jié) ） 。將點“PSK-OU”T 輸出的波形送入同步信號提取模塊的信號輸入點“NRZ-IN”，再將同步信號提取模塊的信號輸出點“位同步輸出”輸出的波形送入數字解調模塊的信號輸入點“PSK-BS,觀察信號輸出點“0UT4、“0UT5、“PSK 解調輸出”處的波形，并與信號源產生的NRZ碼進行比較。 改變信號源產生的NRZ碼的設置，重復上述觀察。六、實驗數據ASK基帶輸入和ASK解調輸出的波形ASK-OUT 和 0UT1 波形ASK-OUT和 ASK-BS波形七、實驗數據分析1、分析2ASK、2FSK的調制與解調原理？答:2ASK:二進制幅度鍵控。2ASK調制原理：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“