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

...wd......wd......wd...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(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１〕 〔二進(jìn)制０〕其中2πΔf代表信號(hào)載波的恒定偏移。產(chǎn)生FSK信號(hào)最簡(jiǎn)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１〕〔二進(jìn)制０〕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)的不斷開展，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(duì)單一載波振蕩器進(jìn)展頻率調(diào)制。因此，F(xiàn)SK可表示如下：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(cè)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+nΔf、fc-nΔf組成，其中n為整數(shù)。相位連續(xù)的FSK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3.1.3所示。圖3.1.3FSK的信號(hào)頻譜如時(shí)發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元完畢時(shí)相位根基上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加，直到該碼元完畢；如時(shí)發(fā)送１碼，則相位累加器在前一碼元完畢時(shí)的相位根基上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加，直到該碼元完畢。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：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；全1碼：可測(cè)試傳號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率〔高〕；全0碼：可測(cè)試空號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率〔低〕；0/1碼：0101…交替碼型，用作一般測(cè)試；特殊碼序列：周期為7的碼序列，以便于常規(guī)示波器進(jìn)展觀察；m序列：用于對(duì)通道性能進(jìn)展測(cè)試；FSK調(diào)制器基帶處理構(gòu)造如圖3.1.5所示：〔二〕FSK解調(diào)對(duì)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)。１、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)展相減，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3.2.1所示：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正確接收，其誤碼率為：相干FSK解調(diào)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一樣，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。２、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(duì)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(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)展比擬。根據(jù)包絡(luò)檢波器輸出的大小，比擬器判決數(shù)據(jù)比特是1還是0。使用非相干檢測(cè)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(duì)FSK的數(shù)字化解調(diào)。對(duì)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)。３、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3.2.3FSK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(jiǎn)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3.2.4所示：圖3.2.4差分解調(diào)波形在FSK中位定時(shí)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(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3.2.5所示：二、實(shí)驗(yàn)儀器JH5001通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一臺(tái)20MHz雙蹤示波器 一臺(tái)JH9001型誤碼測(cè)試儀〔或GZ9001型〕 一臺(tái)頻譜測(cè)量?jī)x 一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜SK調(diào)制和解調(diào)根本工作原理；掌握FSK數(shù)據(jù)傳輸過程；掌握FSK正交調(diào)制的根本工作原理與實(shí)現(xiàn)方法；掌握FSK性能的測(cè)試；了解FSK在噪聲下的根本性能；四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)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(cè)量TPMZ07測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)，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(duì)硬件進(jìn)展初始化。檢查現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常工作?！惨弧矲SK調(diào)制FSK基帶信號(hào)觀測(cè)TPi03是基帶FSK波形〔D/A模塊內(nèi)〕。通過菜單項(xiàng)選擇擇為1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)TPi03信號(hào)波形，測(cè)量其基帶信號(hào)周期。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：該信號(hào)周期為26.8us。通過菜單項(xiàng)選擇擇為0碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)TPi03信號(hào)波形，測(cè)量其基帶信號(hào)周期。將測(cè)量結(jié)果與1碼比擬。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：該信號(hào)周期為53.6s，是1信號(hào)周期的2倍。發(fā)端同相支路和正交支路信號(hào)時(shí)域波形觀測(cè)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(cè)量?jī)尚盘?hào)的時(shí)域信號(hào)波形時(shí)將輸入全1碼〔或全0碼〕，測(cè)量其兩信號(hào)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(hào)滿足正交關(guān)系。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(cè)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。通過菜單項(xiàng)選擇擇在不同的輸入碼型下進(jìn)展測(cè)量。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)輸入為全0時(shí)：輸入為全1時(shí)：連續(xù)相位FSK調(diào)制基帶信號(hào)觀測(cè)TPM02是發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)〔DSP+FPGA模塊左下腳〕，TPi03是基帶FSK波形。測(cè)量時(shí)，通過菜單項(xiàng)選擇擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并以TPM02作為同步信號(hào)。觀測(cè)TPM02與TPi03點(diǎn)波形應(yīng)有明確的信號(hào)對(duì)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(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過菜單項(xiàng)選擇擇為特殊序列碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，重復(fù)上述測(cè)量步驟。記錄測(cè)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(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。FSK調(diào)制中頻信號(hào)波形觀測(cè)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)展調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生兩個(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3.1.6所示：圖3.1.6FSK的頻譜調(diào)制過程調(diào)制模塊測(cè)試點(diǎn)TPK03為FSK調(diào)制中頻信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，通過菜單項(xiàng)選擇擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并以TPM02作為同步信號(hào)。觀測(cè)TPM02與TPK03點(diǎn)波形應(yīng)有明確的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。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(hào)對(duì)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.通過菜單項(xiàng)選擇擇為特殊序列碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，重復(fù)上述測(cè)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(hào)對(duì)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。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(cè)量步驟。觀測(cè)信號(hào)波形的變化，分析變化原因。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：〔二〕FSK解調(diào)解調(diào)基帶FSK信號(hào)觀測(cè)首先用中頻電纜連結(jié)KO02和JL02，建設(shè)中頻自環(huán)〔自發(fā)自收〕。測(cè)量FSK解調(diào)基帶信號(hào)測(cè)試點(diǎn)TPJ05的波形，觀測(cè)時(shí)仍用發(fā)送數(shù)據(jù)〔TPM02〕作同步，比擬其兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過菜單項(xiàng)選擇擇為1碼〔或0碼〕輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)TPJ05信號(hào)波形，測(cè)量其信號(hào)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(hào)的周期為7.4ms。通過菜單項(xiàng)選擇擇為0/1碼〔或特殊碼〕輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)TPJ05信號(hào)波形。根據(jù)觀測(cè)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?qū)嶒?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)菜單項(xiàng)選擇擇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(hào)與發(fā)送端基帶波形〔TPi03〕不同的現(xiàn)象。解調(diào)基帶信號(hào)的李沙育〔x-y〕波形觀測(cè)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。通過菜單項(xiàng)選擇擇為1碼〔或0碼〕輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，仔細(xì)觀測(cè)其李沙育信號(hào)波形。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：選擇為全1碼輸入時(shí)：通過菜單項(xiàng)選擇擇為0/1碼〔或特殊碼〕輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，仔細(xì)觀測(cè)李沙育信號(hào)波形。根據(jù)觀測(cè)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?qū)⑻€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：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)端的本振源與發(fā)送端本振源存在頻差有關(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。接收位同步信號(hào)相位抖動(dòng)觀測(cè)用發(fā)送時(shí)鐘TPM01〔DSP+FPGA模塊左下腳〕信號(hào)作同步，選擇不同的測(cè)試碼序列測(cè)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)刻開場(chǎng)譯碼均能正確譯碼，因此譯碼器無須進(jìn)展調(diào)整，所以就看不到位定時(shí)的抖動(dòng)。解調(diào)器位定時(shí)恢復(fù)與最正確抽樣判決點(diǎn)波形觀測(cè)TPMZ07為接收端DSP調(diào)整之后的最正確抽樣時(shí)刻。選擇輸入測(cè)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(hào)作同步〕和觀察抽樣判決點(diǎn)TPN04波形〔抽樣判決點(diǎn)信號(hào)〕的之間的相位關(guān)系。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：位定時(shí)鎖定和位定時(shí)調(diào)整觀測(cè)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。在輸入測(cè)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〔收端最正確判決時(shí)刻〕之間的相位關(guān)系。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：不斷按確認(rèn)鍵，此時(shí)僅對(duì)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〕。在測(cè)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(hào)的情況下重復(fù)上述步驟實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)TPM01和TPMZ07之間的相位關(guān)系，并解釋測(cè)量結(jié)果的原因。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：全1碼時(shí)：當(dāng)按動(dòng)兩次后：當(dāng)斷開線后：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)不斷按鍵后，全1碼中缺少跳變沿，無法從信號(hào)中提取定時(shí)脈沖，所以出現(xiàn)相位隨機(jī)。當(dāng)斷開JL02線后，解調(diào)系統(tǒng)無法提取定時(shí)脈沖，相位也隨機(jī)。觀察在各種輸入碼字下FSK的輸入/輸出數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)TPM02是調(diào)制輸入數(shù)據(jù)，TPM04是解調(diào)輸出數(shù)據(jù)。通過菜單項(xiàng)選擇擇為不同碼型輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)是否正確。觀測(cè)時(shí)，用TPM02點(diǎn)信號(hào)同步。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：輸入為全1碼時(shí)：輸入為0/1碼時(shí)：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)輸入選擇為0/1碼時(shí)輸出也為0/1碼，輸入全1碼時(shí)，輸出也為0/1碼。五、思考FSK正交調(diào)制方式與傳統(tǒng)的一般