1、實驗三FSK傳輸系統實驗一、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 = j2Ebcos2fAft 0 Et ETb二進制1二進制0TbSfskcos2二fc - 2； ：ft其中2n 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SFSKSfskcos2 二fHt 片圖非連續相位FSK的調制框圖的振蕩器中切換。采用這種方法產生的波形在切換的時刻相位是不連續的，因此 這種FSK信號稱為不連續FSK信號。不連續的FS

2、K信號表達式為:二進制1二進制0其實現如圖3.1-1所示:由于相位的不連續會造頻譜擴展，這種FSK的調制方式在傳統的通信設備中采用較多。隨著數字處理技術的不開展，越來越多地采用連繼相位FSK調制技術。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)=2,t2二 kf m(n)dn應當注意，盡管調制波形 m (t)在比特轉換時不連續，但相位函數 9(t)是與m (t)的積分成比例的，因而是連續的，其相應波形如圖所示: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

3、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 、fc-n組成，其中n為整數。相位連續 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，功率譜密度函數按照頻率偏移的負二次幕衰落。FSK的信號頻譜如圖所示。圖3.1.3 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B=R。因此，FSK的傳輸帶寬變為：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

4、的滾降因子。在通信原理綜合實驗系統中，FSK的調制方案如下：FSK信號：s(t) = cos(w0t 2fi t)其中：£當輸入碼為1f二 1if2當輸入碼為0因而有：s(t) = coswotcos2二£ t-sinwotsin2二£ t= cosw0t cos(t)sin wotsin (t)其中：tr(t) =2 二fct 2二 K m(t)dt如果結進行量化處理，采樣速率為fs,周期為Ts，有下式成立:二(n)-打n-1) 2二fcTs 2Km(n)Ts "(n-1) 2 二 Tsfs Km( n) 7( n -1) 2 二 £Ts按照

5、上述原理，FSK正交調制器的實現為如圖3.1-4結構：圖3.1.4 FSK正交調制器結構圖如時發送0碼，那么相位累加器在前一碼元結束時相位 承n根底上，在每個抽 樣到達時刻相位累加2 f；Ts，直到該碼元結束；如時發送1碼，那么相位累加器在 前一碼元結束時的相位rn根底上，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。制器器提供的數據源有：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：可測試傳號時的發送頻率高；3、全0碼：可測試空號時的發送

6、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所示：圖FSK加調制器基帶處理sin(cos( <相位累D/AD/A TPi01低通濾懇波低通濾TPiO4忌波：J-TPi03二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fH 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 后的結果進行相減，如果差值大于 0那么當

7、前接收信號判為1,否那么判為0。相干FSK解調框圖如圖所示：信號圖相干FSK的解調框圖接收的FSK判決 f相干FSK解調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 況那么不完全相同，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時抽樣其中k為整數，并且將這些值進行比擬。

8、 根據包絡檢波器輸出的大小，比擬器判決數據比特是1還是0。使用非相干檢測時FSK系統的平均誤碼率為:pe二 2exp(旦2 2No在高斯白噪聲信道環境下FSK濾波非相干解調性能較相干FSK的性能要差， 但在無線衰落環境下，FSK濾波非相干解調卻表現出較好的穩健性。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FSK 的數字化解調。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 所示:低通濾波圖3.2.3 FSK正交相乘非相干解調示意圖輸入的信號為R(t)二 cos(w0t 二 w t)傳號頻率為：w w

9、空號頻率為：w0-.Vw在上圖中，延時信號為：R (t)二 cos(w0 士 ；，w) (t - )其中為延時量。相乘之后的結果為：2R(t) R'(t)二 2cos(wo 二-w) t cos(wo 二-w) (t -)二 COS2(Wo _ :w) t _(W0 _ :w) COS(W0 二：w) 在上式中，第一項經過低通濾波器之后可以濾除。當w0 -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：二Tbsinw.，從而實現了 FSK的正交相乘非相干解調。AB兩點的波形如圖324所示:低通濾波后輸

10、出aiI_1 j1020304C5：60圖差分解調波形在FSK中位定時的恢復見BPSK解調方式。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16個樣點，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的解調框圖如圖所示:三FSK系統性能對于FSK采用非相干解調，在高斯白噪聲信道環境下的平均誤碼率為:pe二 2exp(旦2 2No對于一個實際通信設備，其性能一般較理論性能在亙上要惡化幾個dB，一No般可達2、3dB。因而，對于一個調制方式已確定的信道設備，對于其誤碼率 的測量是一個十分重要的環節。一方面可以衡量其在實際信道環境下的性能

11、，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 是通信系統工程方面系統建立、維護重要的工具。1、信道旦的測量：No對于FSK信道簽的測量一般可采用功率測量圖采用功率計測量 旦 連接示意圖NoFSK解調器首先，測量高斯白噪聲譜密度No。按圖連接，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：NoBN然后在C點處斷開,測量信號功率Es,計算出信號的每比特能量:EbRb這樣通過功率測量即可測量出FSK

12、在實際信道環境下的EbNo如果定性測量可通過通信原理綜合實驗系統的TPJ05進行：首先斷開發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，通過這兩項估計當前且的大致情況。基帶等效帶寬為76.8KHZ，信息No速率為8KBPS，因而有下式成立：Es/8【 瓦屹/76.8 一:Esl9.8(dB)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。 誤碼測試儀首先發送一串偽碼給信道設備，信道設備將 FSK信號發送，并經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擬，將誤碼進行計

13、數。而后將誤碼率顯示出來:Pe接收的誤碼數 發送的總碼數二、實驗儀器1、JH5001通信原理綜合實驗系統一臺2、20MHz雙蹤示波器一臺3、JH9001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調制和解調根本工作原理；2、掌握FSK數據傳輸過程；3、掌握FSK正交調制的根本工作原理與實現方法;4、掌握FSK性能的測試；5、了解FSK在噪聲下的根本性能；四、實驗內容測試前檢查：首先將通信原理綜合實驗系統調制方式設置成“ FSK傳輸系統；用示波器測量TPMZ07測試點的信號，如果有脈沖波形，說明實驗系統已正常工作；如果沒有脈沖波形，那么需按面板上的復位按鈕重新對硬

14、件進行初始化一FSK調制1. FSK 基帶信號觀測1TPiO3是基帶FSK波形D/A模塊內。通過菜單項選擇擇為1碼輸入數 據信號，觀測 TPi03 信號波形，測量其基帶信號周期。 2 通過菜單項選擇擇為 O 碼輸入數據信號，觀測 TPiO3 信號波形，測量其 基帶信號周期。將測量結果與 1 碼比擬。2. 發端同相支路和正交支路信號時域波形觀測TPiO3和TPiO4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 O 碼，測量其兩信號是否滿足正 交關系。思考：產生兩個正交信號去調制的目的。3. 發端同相支路和正交支路信號的李沙育x-y 波形觀測將

15、示波器設置在x-y方式，可從相平面上觀察 TPiO3和TPiO4的正交性， 其李沙育應為一個圓。通過菜單項選擇擇在不同的輸入碼型下進行測量。4. 連續相位 FSK 調制基帶信號觀測 1 TPMO2 是發送數據信號 DSP+FPGA 模塊左下腳， TPiO3 是基帶 FSK 波形。測量時， 通過菜單項選擇擇為 O/1 碼輸入數據信號， 并以 TPMO2 作為同步信號。觀測TPMO2與TPiO3點波形應有明確的信號對應關系。 并且，在碼元的切換點發送波形的相位連續。思考：非連續相位FSK調制在碼元切換點的相位是如何的。 2 通過菜單項選擇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

16、。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 所示：*幅度正交調制 t>k幅度一-/頻率幅度一般調制中頻頻譜基帶頻譜頻率i頻率帶通濾波器圖3.1.6 FSK的頻譜調制過程(1) 調制模塊測試點TPK03為FSK調制中頻信號觀測點。測量時，通過菜單項選擇擇為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) 通過菜單項選擇擇為特殊序列碼輸入數據信號，重復上

17、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( 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適宜位置。(1) 通過菜單項選擇擇不同的輸入數據，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

18、量步驟。觀測信號頻譜的變化，記錄 測量結果。思考：結合圖分析頻譜變化的原因。(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(自發自收)。測量FSK解調基帶信號測試點 TPJ05的波形，觀測時仍用發送數據(TPM02)作同步， 比擬其兩者的對應關系。1通過菜單項選擇擇為 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通過菜單項選擇擇為0/1碼或特殊碼輸入數據信號，觀測TPJ05信號 波形。根據觀測結果，分析解調端的基帶信號與發送端基帶波形TPi03不同的原因？2. 解調基帶信號的李沙育x-y 波形觀測將示波器設置在

19、x-y方式，從相平面上觀察 TPJ05和TPJ06的李沙育波 形。 1 通過菜單項選擇擇為 1 碼或 0 碼輸入數據信號，仔細觀測其李沙育 信號波形。 2 通過菜單項選擇擇為 0/1 碼或特殊碼 輸入數據信號， 仔細觀測李沙育 信號波形。根據觀測結果，思考接收端為何與發送端李沙育波形不同的原因？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 即改變收發頻差，繼續觀察。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 TPMZ07DSP 芯片左端的抖

20、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 頻即改變收發頻差，觀察抽樣判決點TPN04 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 級較為適宜，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或一A。而實際情況，的輸出如圖所示，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：由于收發頻率不同，當這種差異

21、較大時，會引起判決器之前的波形抖動;3A/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抖動;圖3.1.7 FSK解調器抽樣判決點的波形5. 解調器位定時恢復與最正確抽樣判決點波形觀測TPMZ07為接收端DSP調整之后的最正確抽樣時刻。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

22、，用示波器同時觀察 TPM01 觀察時以 此信號作同步和TPMZ07 收端最正確判決時刻之間的相位關系。2 不斷按確認鍵，此時僅對DSP位定時環路初始化，讓環路重新調整鎖 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。通過菜單項選擇擇為 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

23、TPM02點信號同步。三FSK系統性能測試準備工作:1首先用中頻電纜連結KO02和JL02，建立中頻自環自發自收。2誤碼儀關機，將誤碼測試儀RS422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通過菜單項選擇項選擇外部數據源方式，此時發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，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，記錄測量結果填入表內。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