2022年通信原理实验二FSK传输实验 .pdf

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1、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正交调制的基本工作原理与实现方法4、 掌握 FSK性能的测试5、 了解 FSK在噪声下的基本性能二、实验仪器1、 ZH7001通信原理综合实验系统一台2、 20MHz双踪示波器一台3、 ZH9001型误码测试仪（或GZ9001型）一台4、 频谱分析仪一台三、实验原理（一） FSK调制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） 。通常， FSK信号的 表达式为：其中 2f 代表信号载波的恒定偏移。产生FSK信号最简单的方法是

2、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。由于相位的不连续会造频谱扩展， 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（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4.1.2 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎

3、下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 在通信信道 FSK模式的基带信号中传号采用Hf 频率，空号采用 Lf 频率。在FSK模式下，不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

4、察；6、 m 序列：用于对通道性能进行测试；（二） 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（Hf ）与空号频率（ Lf ） ，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 4.1.6 所示：2、 FSK滤波非相干解调名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

5、- - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 对于 FSK的非相干解调一般采用滤波非相干解调，如图4.1.7 所示。输入的FSK中频信号分别经过中心频率为Hf 、Lf 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。四、实验步骤测试前检查：首先将通信原理综合实验系统调制方式设置成“FSK 传输系统”；用示波器测量 TPMZ07测试点的信号， 如果有脉冲波形，说明实验系统已正常工作；如果没有脉冲波形，则需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化

6、。（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。图 1 全 1 码波形图 2 全 0 码波形分析：全 1 码波形的频率时全0 码波形频率的两倍，符合FSK编码的原理。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

7、是否满足正交关系。图 3 全 0 码两支路波形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 分析：两信号满足正交关系，但有些许延迟。用两个正交信号调制的目的是产生代表 0, 1 码的两种频率的形如的信号，而所以需要两个正交信号区调制。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。图 4 全 0 李沙育图形图 5 m 码序列李沙育图形分析：由于 TPi03和 TPi04的正交性，李

8、沙育是一个圆。所有码型的李沙育图形都相同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。图 6 0/1 码图 7 特殊序列码名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

9、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 分析：发送数据信号与基带波形有名曲的信号对应关系，符合 FSK的调制原理，即不同码对应的调制波的频率不同，并在码元的切换点发送波形相位连续。非连续相位点的FSK在码元切换点应可以观察到明显的相位不连续现象。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。（1）调制模块测试点TPK03为 FSK调制中频信号观测点。

10、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。（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。（3） 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。图 8 特殊序列码图 9 0/1 码图 10 拔掉跳线 ki01 分析：由于少了一路正交调制，造成振幅发生改变，产生包络。（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

11、解调基名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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。（1）通过菜单选择为1 码（或 0 码）输入数据信号，观测TPJ05信号波形，测量其信号周期。（2）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。图 11 全 0 码波形图 12 0/1 码波形分析：解调基带信号与发送信号有明显的相对关系，说明解调

12、成功。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。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。图 13 全 1 码图 14 0/1 码名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精

13、心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 15 跳线在 2_3 位置的 0/1 码分析：当跳线开关在 1_2处时，接收端的全 1 码和 0/1 码李沙育波形都为椭圆，切很稳定，但 0/1 码的李沙育波形可观察到受噪声干扰比较大，这是由于码型在 0、1 之间转换，容易受干扰。 当跳线在 2_3 位置时，李沙育图形也为椭圆，但一直在转动，很不稳定。这是因为收发频差改变后，解调后的波形已经不准确，且变得不稳定。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

14、TPMZ07 （DSP芯片左端）的抖动情况。图 16 全 1 码相位抖动图 17 0/1 码相位抖动分析：当全 0 或全 1 码时，相位无抖动。其他码型时，相位有抖动。这是因为全 0 及全 1 码下接收的数据没有跳变沿，译码器无论从何时开始译码均能正确译码，因此译码器无须进行调整，故看不到定时抖动。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大于 2ms级较为合适，观察效果较好。具有以下的波形：理想情况下，正交相乘经名师资料总结 -

15、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 低通滤波之后在判决器之前的变量应取两个值：A或A。图 18 抽样判决点波形分析：当调整电位器时，电位器位于中间位置时，幅度抖动较小，位于两边时，幅度抖动较大。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调整之后的最佳判决抽样时刻。 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

16、的相位关系。图 19 最佳判决抽样时刻波形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接收中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

17、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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。图 20 m 序列图 21 全 0 码图 22 断开中频环路后全0 码分析：不断按确认键 M 序列锁定后相位不变，全零码相位变化，全0 和全1 码中缺少跳变沿，无法从信号中提取定时脉冲，故其相位随机。断开接收后，无论何种码型，都无法锁定。因为没有接受信号，就无沿跳变，无法调整。7. 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， TPW02

18、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 五、思考题1、 FSK 正交调制方式与传统的一般FSK调制方式有什么区别 ? 其有哪些特点 ? 答：一般 FSK调制方式产生FSK信号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。而 FSK正交调制方

19、式产生FSK信号的方法是，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。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是连续的。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，不然如果只采用一路同相FSK信号进行调制，会产生两个FSK频谱信号。2、 TPi03 和 TPi04 两信号具有何关系？答：正交。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？在实际通信中为什么要加扰码措施？答：输入码字当中的连1 连 0 对于收端位定时的提取有很大的影响，对于收端来讲，要准确的提取位定时，对于接收码流要求不能有太多的连1 连 0（即接收码流应该有丰富的跳变沿）

20、，因此接收码流中连1 连 0 的数目会直接影响位定时的回复，在实际通信中， 采取扰码措施可以改变接收， 码流中连 1 连 0 的分布，使得码流中连 1 连 0 概率下降。4、说明信道频差对FSK解调性能的影响；答：信道频差越大，误码概率越低，解调性能越好。六、实验感想本次实验学习了正交FSK调制方法的原理和测量方法。 对 FSK又有了新的学习。但在这次实验中出现了一些新的名词，如抖动和位定时等， 自己都不是非常明白，在通过向老师请教后懂得了它们的含义及观察方法，从而又学习到了一些新的东西。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -