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通信原理FSK调制解调实验报告


上海电力学院 实验报告

实验课程名称:通信原理 实验项目名称:FSK 调制解调实验 姓名:杨琳琳 班级:2011072 班 成绩: 学号: 20111957 实验时间: 2013/11/12

一:实验目的 1、熟悉 FSK 调制和解调基本工作原理; 2、掌握 FSK 数据传输过程; 3、掌握 FSK 性能的测试; 4、了解 FSK 在

噪声下的基本性能; 二:实验设备 1. 通信原理实验箱; 一台 2. 20MHz 双踪示波器; 一台 3. 函数信号发生器; 一台 4. 误码仪 ,共用一台 三:实验原理 1.FSK 调制原理: 在二进制频移键控中,幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入 码 流的变化而切换(称为高音和低音,代表二进制的 1 和 0) 。 产生 FSK 信号最简单的方法是根据输入的数据比特是 0 还是 1,在两个独立的振荡 器 中切换。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的,因此这种 FSK 信号称 为 不连续 FSK 信号。不连续的 FSK 信号表达式为:

其实现如图所示:

由于相位的不连续会造成频谱扩展,这种 FSK 的调制方式在传统的通信设备中采用 较 多。随着数字处理技术的不断发展,越来越多地采用连续相位 FSK 调制技术。 目前较常用产生 FSK 信号的方法是,首先产生 FSK 基带信号,利用基带信号对单一 载 波振荡器进行频率调制。因此,FSK 可表示如下:

应当注意,尽管调制波形 m (t)在比特转换时不连续,但相位函数θ (t) 是与 m (t) 的 积分成比例的,因而是连续的,其相应波形如图所示:

FSK 的信号频谱如图所示。

FSK 信号的传输带宽 Br,由 Carson 公式给出:Br=2Δ f+2B 其中 B 为数字基带信号的带宽。假设信号带宽限制在主瓣范围,矩形脉冲信号的带 宽 B=R。因此,FSK 的传输带宽变为:Br=2(Δ f+R) 。 如果采用升余弦脉冲滤波器,传输带宽减为:Br=2Δ f+(1+α )R (其中α 为滤波 器的滚降因子) 。 在通信原理综合实验系统中,FSK 的调制方案如下:

按照上述原理,FSK 正交调制器的实现为如图 结构:

如发送 0 码,则相位累加器在前一码元结束时相位θ (n) 基础上,在每个抽样到达时 刻 相位累加 2π f1Ts ,直到该信号码元结束;如发送1码,则相位累加器在前一码元结束时 的 相位θ (n) 基础上,在每个抽样到达时刻相位累加 2π f 2Ts ,直到该信号码元结束。 在通信信道 FSK 模式的基带信号中传号采用 f H 频率,空号采用 f L 频率。在 FSK 模 式 下,不采用采用汉明纠错编译码技术。调制器提供的数据源有: 1、 外部数据输入:可来自同步数据接口、异步数据接口和 m 序列; 2、 全 1 码:可测试传号时的发送频率(高) ; 3、 全 0 码:可测试空号时的发送频率(低) ; 4、 0/1 码:0101…交替码型,用作一般测试;

5、 特殊码序列:周期为 7 的码序列,以便于常规示波器进行观察; 6、 m 序列:用于对通道性能进行测试; FSK 调制器基带处理结构如图 所示:

2.FSK 解调 对于 FSK 信号的解调方式很多:相干解调、滤波非相干解调、正交相乘非相干解调。 1、FSK 相干解调 FSK 相干解调要求恢复出传号频率( f H )与空号频率( f L ) ,恢复出的载波信号分 别 与接收的 FSK 中频信号相乘,然后分别在一个码元内积分,将积分之后的结果进行相 减, 如果差值大于 0 则当前接收信号判为 1,否则判为 0。相干 FSK 解调框图如图所示:

相干 FSK 解调器是在加性高斯白噪声信道下的最佳接收,其误码率为 相干 FSK 解调在加性高斯白噪声下具有较好的性能,但在其它信道特性下情况则不 完 全相同,例如在无线衰落信道下,其性能较差,一般采用非相干解调方案。 2、FSK 滤波非相干解调

对于 FSK 的非相干解调一般采用滤波非相干解调,如上图所示。输入的 FSK 中频信号 分 别经过中心频率为 f H 、f L 的带通滤波器,然后分别经过包络检波,包络检波的输出在 t=kTb 时抽样(其中 k 为整数) ,并且将这些值进行比较。根据包络检波器输出的大小,比

较器判决 数据比特是 1 还是 0。 使用非相干检测时 FSK 系统的平均误码率为: 在高斯白噪声信道环境下 FSK 滤波非相干解调性能较相干 FSK 的性能要差,但在无 线 衰落环境下,FSK 滤波非相干解调却表现出较好的稳健性。 在 FSK 中位定时的恢复见 BPSK 解调方式。 通信原理实验的 FSK 模式中,采样速率为 96KHz 的采样速率(每一个比特采 16 个 样 点) ,FSK 基带信号的载频为 24KHz,因而在 DSP 处理过程中,延时取 1 个样值。 FSK 的解调框图如图所示:

四:实验步骤: (一)FSK 调制 1.FSK 基带信号观测 (1)TPi03 是基带 FSK 波形(D/A 模块内) 。通过菜单选择为 1 码输入数据信号,观测 TPi03 信号波形,测量其基带信号周期。

(2)通过菜单选择为 0 码输入数据信号,观测 TPi03 信号波形,测量其基带信号周期。 将测量结果与 1 码比较。

2.发端同相支路和正交支路信号时域波形观测 TPi03 和 TPi04 分别是基带 FSK 输出信号的同相支路和正交支路信号。测量两信号的时 域 信号波形时将输入全 1 码(或全 0 码) ,测量其两信号是否满足正交关系。

思考:产生两个正交信号去调制的目的。

3.发端同相支路和正交支路信号的李沙育(x-y)波形观测 将示波器设置在(x-y)方式,可从相平面上观察 TPi03 和 TPi04 的正交性,其李沙育 应为 一个圆。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量。

4.连续相位 FSK 调制基带信号观测 (1)TPM02 是发送数据信号(DSP+FPGA 模块左下脚) ,TPi03 是基带 FSK 波形。测 量 时 , 通 过 菜 单 选 择 为 0/1 码 输 入 数 据 信 号 , 并 以 TPM02 作 为 同 步 信 号 。 观 测 TPM02 与 TPi03 点波形应有明确的信号对应关系。并且,在码元的切换点发送波 形的相 位连续。思考:非连续相位 FSK 调制在码元切换点的相位是如何的。

(2)通过菜单选择为特殊序列码输入数据信号,重复上述测量步骤。记录测量结果。

5.FSK 调制中频信号波形观测 在 FSK 正交调制方式中,必须采用 FSK 的同相支路与正交支路信号;不然如果只采一 路同

相 FSK 信号进行调制,会产生两个 FSK 频谱信号,这需在后面采用较复杂的中频窄带滤波 器,FSK 的频谱调制过程如图所示:

(1)调制模块测试点 TPK03 为 FSK 调制中频信号观测点。测量时,通过菜单选择为 0/1 码输入数据信号,并以 TPM02 作为同步信号。观测 TPM02 与 TPK03 点波形 应有明确 的信号对应关系。 (不很明显,大致观察)

(2)将正交调制输入信号中的一路基带调制信号断开(D/A 模块内的跳线器 Ki01 或 Ki02) ,重复上述测量步骤。观测信号波形的变化,分析变化原因。

(二) :FSK 解调 1.解调基带 FSK 信号观测 首先用中频电缆连结 KO02 和 JL02,建立中频自环(自发自收) 。测量 FSK 解调基带 信 号测试点 TPJ05 的波形,观测时仍用发送数据(TPM02)作同步,比较其两者的对应关 系。

通过菜单选择为 0/1 码(或特殊码)输入数据信号,观测 TPJ05 信号波形。

根据观测结果,分析解调端的基带信号与发送端基带波形(TPi03)不同的原因? 2.解调基带信号的李沙育(x-y)波形观测 将示波器设置在(x-y)方式,从相平面上观察 TPJ05 和 TPJ06 的李沙育波形。 (1)通过菜单选择为 1 码(或 0 码)输入数据信号,仔细观测其李沙育信号波形。

(2)通过菜单选择为 0/1 码(或特殊码)输入数据信号,仔细观测李沙育信号波形。 根据观测结果,思考接收端为何与发送端李沙育波形不同的原因?

将跳线开关 KL01 设置在 2_3 位置,调整电位器 WL01(改变接收本地载频——即改 变 收发频差) ,继续观察。分析波形的变化与什么因素有关。

3.接收位同步信号相位抖动观测 用发送时钟 TPM01 (DSP+FPGA 模块左下脚) 信号作同步, 选择不同的测试码序列测 量 接收时钟 TPMZ07(DSP 芯片左端)的抖动情况。 思考:为什么在全 0 或全 1 码下观察不到位定时的抖动? 输入测试数据为全 1 码时:

输入测试数据为全 0 码时:

输入测试数据为 0/1 码时:

输入测试数据为特殊码时:

4.抽样判决点波形观测 将跳线开关 KL01 设置在 2_3 位置,调整电位器 WL01, 以改变接收本地载频(即改 变 收发频差) ,观察抽样判决点 TPN04(测试模块内)波形的变化。在观察时,示波器的扫 描 时间取约 2ms 级较为合适,观察效果较好。具有以下的波形:理想情况下,正交相乘经 低 通滤波之后在判决器之前的变量应取两个值:+A 或-A。而实际情况,的输出如 图 2.1.6 所示,原因有以下几个方面: (1) 位定时抖动,由于位定时的抖动,使前后的码元产生了码间串扰串(ISI) ,从而引 起判决器之前的波形抖动; (2)剩余频差: 由于收发频率不同, 当这种差别较大时, 会引起判决器之前的波形抖动; (3) A/D 量化时的直流漂移:由于 A/D 在量化时存在直流漂移,引起判决器之前的波 形抖动; (4) 线路噪声: 当接收支路存在噪声时, 引起判决器之前的波形幅度抖动; 如图所示 FSK 解 调器抽样判决点的波形

输入测试数据为全 1 码时:

输入测试数据为全 0 码时:

输入测试数据为 0/1 码时:

输入测试数据为特殊码时:

5.解调器位定时恢复与最佳抽样判决点波形观测 TPMZ07 为接收端 DSP 调整之后的最佳抽样时刻。选择输入测试数据为 m 序列,用 示 波器同时观察 TPMZ07(观察时以此信号作同步)和观察抽样判决点 TPN04 波形(抽样 判 决点信号)的之间的相位关系。

6.位定时锁定和位定时调整观测 TPMZ07 为接收端恢复时钟,它与发端时钟(TPM01)具有明确的相位关系。 (1) 在输入测试数据为 m 序列时,用示波器同时观察 TPM01(观察时以此信号作同 步)和 TPMZ07(收端最佳判决时刻)之间的相位关系。

(2) 不断按确认键,此时仅对 DSP 位定时环路初始化,让环路重新调整锁定,观察 TPMZ07 的调整过程和锁定后的相位关系。

(3) 在测试数据为全 1 或全 0 码时重复该实验,并解释原因。

断 开 JL02 接 收 中 频 环 路 , 在 没 有 接 收 信 号 的 情 况 下 重 复 上 述 步 骤 实 验 , 观 测 TPM01 和 TPMZ07 之间的 相位关系,并解释测量结果的原因。

7.定性观察在各种输入码字下 FSK 的输入/输出数据 测试点 TPM02 是调制输入数据,TPM04 是解调输出数据。通过菜单选择为不同码型 输 入数据信号,观测输出数据信号是否正确。观测时,用 TPM02 点信号同步。 输入测试数据为全 1 码时:

输入测试数据为全 0 码时:

输入测试数据为 0/1 码时:

输入测试数据为特殊码时:

输入测试数据为 m 序列时:

五:实验结果与分析 1、TPi03 和 TPi04 两信号具有何关系? 答:TPi03 比 TPi04 频率高 2、画出各测量点的工作波形; 答:图形如下 3、叙述位定时的调整过程,并说明输入码字对位定时恢复的影响? 答:干扰了 4、说明信道频差对 FSK 解调性能的影响; 答:以 2FSK 为例,信道频差为 1/2Tb 的整数倍时,两信道载频正交,即两信道中的信 号波形不相关,所以在解调的时候,一个支路的误码不一定会导致最终的误码,因此总的误 码率会减小。 六:实验心得 通过这次实验,我学会了打开 FSK 并调试示波器,学会了验证实验是否运行正常没有 损坏,然后在观察示波器,并且在修改参数观察现象,在同学们和老师的帮助下 ,完成了 实验,虽然问题连连,但是收获颇多。


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