實(shí)驗(yàn)一 FSK傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)_圖文

1、FSK 傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、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：S FSK =2E bcos(2f c +2f t T b0t T b（二進(jìn)制）S FSK =2E bcos(2f c -2f t T b0t T b（二進(jìn)制）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 信號稱為不連續(xù)FSK 信號。不連續(xù)的FSK

2、信號表達(dá)式為：S FSK =2E bcos(2f H t +1 T b2E bcos(2f L t +2 T b0t T b（二進(jìn)制）S FSK =0t T b（二進(jìn)制）其實(shí)現(xiàn)如圖3.1-1所示： 圖3.1.1 非連續(xù)相位FSK 的調(diào)制框圖由于相位的不連續(xù)會(huì)造成頻譜擴(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，越來越多地采用連繼相位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：S FSK (t =2E bcos2f C t +(t T b2E bcos2f

3、 C t +2k f T bt-m (n dn 由于FSK 信號的復(fù)包絡(luò)是調(diào)制信號m （t ）的非線性函數(shù)，確定一個(gè)FSK 信號的頻譜通常是相當(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 信號的功譜密度由離散頻率分量fc 、fc+nf 、fc-n f 組成，其中n 為整數(shù)。相位連續(xù)的FSK 信號的功率譜密度函數(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 的信號頻譜如圖3.1.3所示。 圖3.1.3 FSK 的信號頻譜如時(shí)發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時(shí)相位(n 基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加2f 1T s ，直到該碼元結(jié)束；

4、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(n 基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加2f 2T s ，直到該碼元結(jié)束。在通信信道FSK 模式的基帶信號中傳號采用f H 頻率，空號采用f L 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：可測試傳號時(shí)的發(fā)送頻率（高）； 3、 全0碼：可測試空號時(shí)的發(fā)送頻率（低）； 4、 0/1碼：0101交替碼型，用作一般測試；5、 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

5、理結(jié)構(gòu)如圖3.1.5所示： （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)。 、FSK 相干解調(diào)FSK 相干解調(diào)要求恢復(fù)出傳號頻率（f H ）與空號頻率（f L ），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)前接收信號判為1，否則判為0。相干FSK 解調(diào)框圖如圖3.2.1所示：圖3.1.5 FSK 調(diào)制器基帶處理結(jié)構(gòu)示意圖 圖3.2.1 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：P e =Q (E bN 0相干FSK 解調(diào)在

6、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(diào)方案。、FSK 濾波非相干解調(diào)圖3.2.2 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3.2.2所示。輸入的FSK 中頻信號分別經(jīng)過中心頻率為f H 、f L 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：P e =E 1b 22N 0在高斯白噪聲信道環(huán)境下FSK 濾波非相干

7、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3.2.3所示： 圖3.2.3 FSK 正交相乘非相干解調(diào)示意圖輸入的信號為R (t =cos(w 0t ±w t 傳號頻率為：w 0+w 空號頻率為：w 0-w 在上圖中，延時(shí)信號為：R ' (t =cos(w 0±w (t -其中為延時(shí)量。 相乘之后的結(jié)果為

8、：2R (t R ' (t =2cos(w 0±w t *cos(w 0±w (t -=cos2(w 0±w t -(w 0±w +cos(w 0±w 在上式中，第一項(xiàng)經(jīng)過低通濾波器之后可以濾除。當(dāng)w 0=/2時(shí)，上式可簡化為：2R (t R ' (t sin(±w =±sin w 因而經(jīng)過積分器（低通濾波器）之后，輸出信號大小為：±T b sin w ，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3.2.4所示：R(tR(t低通濾波后輸出圖3.2.4 差分解調(diào)波形在FSK 中位定時(shí)

9、的恢復(fù)見BPSK 解調(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3.2.5所示： 二、實(shí)驗(yàn)儀器1、 J H5001通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 2、 20MHz 雙蹤示波器3、 J H9001型誤碼測試儀（或GZ9001型） 4、 頻譜測量儀一臺 一臺 一臺 一臺三、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FS

10、K 在噪聲下的基本性能；四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測試前檢查：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。 檢查現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常工作。（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。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：該信號周期為26.8us 。（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

11、碼比較。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：該信號周期為53.6s ，是1信號周期的2倍。2. 發(fā)端同相支路和正交支路信號時(shí)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(shí)域信號波形時(shí)將輸入全1碼（或全0碼），測量其兩信號是否滿足正交關(guān)系。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 輸入為全0時(shí) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：輸出的兩個(gè)信號滿足正交關(guān)系。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，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的正交性，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。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 當(dāng)輸入為全0時(shí)： 輸入為全1時(shí)： 4. 連續(xù)

12、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(shí)，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)。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，TPM02與TPi03點(diǎn)波形有明確的信號對應(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。記錄測量結(jié)果。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，TPM02與TPi03點(diǎn)波形有明確的信號對應(yīng)關(guān)系。 5. FSK 調(diào)制中頻信號波形觀測在FSK

13、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；不然如果只采一路同相FSK 信號進(jìn)行調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)FSK 頻譜信號，這需在后面采用較復(fù)雜的中頻窄帶濾波器，如圖3.1.6所示： 圖3.1.6 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，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。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：波形較密的的地方都是1，而波形較疏的地方都是0. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，TPM02與TPK03點(diǎn)波形有明確的信號對應(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

14、復(fù)上述測量步驟。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，TPM02與TPK03點(diǎn)波形有明確的信號對應(yīng)關(guān)系。波形較密的的地方都是1，而波形較疏的地方都是0。（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。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： （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(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1碼（或0碼）輸入數(shù)據(jù)信號，觀測TPJ05信號波

15、形，測量其信號周期。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：選擇全1碼時(shí)： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以的得到，輸出信號的周期為7.4ms 。（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。根據(jù)觀測結(jié)果，分析解調(diào)端的基帶信號與發(fā)送端基帶波形（TPi03）不同的原因？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出此時(shí)的波形與（1）有明顯區(qū)別。即當(dāng)菜單選擇0/1碼輸入時(shí)，載波在1碼時(shí)的頻率較小，而在輸入0碼時(shí)的頻率較大。這是由于解調(diào)端與發(fā)送端的本振源存在頻差，所以會(huì)出現(xiàn)解調(diào)端的基帶信號與發(fā)送端基帶波形（TPi03）不同的現(xiàn)象。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（

16、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，仔細(xì)觀測其李沙育信號波形。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：選擇為全1碼輸入時(shí)： （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。 根據(jù)觀測結(jié)果，思考接收端為何與發(fā)送端李沙育波形不同的原因？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)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 有關(guān)。當(dāng)調(diào)整WL01時(shí)，其頻差在改變，因此波形會(huì)發(fā)生變化。3. 接收位同步信號相位抖動(dòng)觀測 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：接收端與發(fā)送端波形不同可能與解調(diào)端的本振源與

17、發(fā)送端本振源存在頻差用發(fā)送時(shí)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(shí)鐘TPMZ07（DSP 芯片左端）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)？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：輸入為01碼時(shí): 輸入選擇為全1碼時(shí)： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在0/1碼時(shí)可以看到抖動(dòng)，但因?yàn)樵谌?或全1碼下接收數(shù)據(jù)沒有跳變沿，譯碼器無論從任何時(shí)刻開始譯碼均能正確譯碼，因此譯碼器無須進(jìn)行調(diào)整，所以就看不到位定時(shí)的抖動(dòng)。4. 解調(diào)器位定時(shí)恢復(fù)與最佳抽樣判決點(diǎn)波形觀測TPMZ07為接收端DSP 調(diào)整之后的最佳抽樣時(shí)刻。選擇輸入測試數(shù)據(jù)為m 序列，用示波器同時(shí)觀察TPMZ07（觀察時(shí)以此信號作

18、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。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 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)以此信號作同 步）和 TPMZ07（收端最佳判決時(shí)刻）之間的相位關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： （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。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)不斷按確認(rèn)鍵后，m 序列鎖定后的相位不變，同（1） 。 （3） 在測試數(shù)據(jù)為全 1 或全 0 碼時(shí)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。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 全 1