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：杨琳琳学号：20111957班级：2011072班实验时间：2013/11/12成绩：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=2Δf+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（Δf+R）。如果采用升余弦脉冲滤波器，传输带宽减为：Br=2Δf+（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2πf1Ts，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2πf2Ts，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fH频率，空号采用fL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（fH）与空号频率（fL），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fH、fL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。