第二章2课FSK调制和解调

恒包络调制恒包络调制主要有FSK、MSK、TFM(平滑调频)、GMSK等，其中以GMSK为典型代表，GMSK也是GSM系统所采用的调制方式。恒包络调制主要特点是已调信号的包络幅度保持不变，其发射功率放大器可以在非线性状态而不引起严重的频谱扩散，此外，这一类调制方式可用于非同步检测。其缺点是频带利用率较低，一般不超过1(bit/s)/Hz。数字频率调制又称频移键控，简记FSK,二进制频移键控记作2FSK。FSK调制信号产生的工作原理是用载波的频率变化来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。由于数字消息只有有限个取值，相应地，作为己调的FSK信号的频率也只能有有限个取值。那么，2FSK信号便是符号”1”(传号)对应于载频f1,符号”0”(空号)对应于载频f2来实现。1、数字频移键控调制（FSK）技术的基本原理数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。根据国际电报和电话咨询委员会（ITU-T）的建议，传输速率为1200波特以下的设备一般采用FSK方式传输数据。在衰落信道（短波通信）中传输数据时，它也被广泛应用。用二进制数字基带信号去控制正弦载波的频率，称为2FSK。二进制符号的状态有两种：“1”和“0”，其对应的载波频率可分别设为f1和f2。则2FSK的时域表达式为。设初相为00x1122()cos2()()cos2FSKstAftStstAftnn传1时(a=-1)传0时(a=+1)(1)bbbnTtnTT为码元宽度2、2FSK（二进制移频键控）其相应的波形如图所示。1010()FSKStt1f1f2f2f2f0图2FSK波形示意图对于2FSK的波形图，其相位可以是不连续的也可以是连续的，所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元an-1到an转换的时刻nTb，两个码元的相位也相等。一般通过开关切换的方法产生相位不连续的2FSK信号，而通过调频的方法产生相位连续的2FSK信号(CPFSK)。相位不连续的2FSK信号与CPFSK信号的功率谱特性有很大区别，如图所示。可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者，所以移动通信系统中2FSK调制常采用相位连续的调制方式。此外，随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。（a)相位不连续的2FSK的功率谱RbTb=10123-1-20.040.080.120.16ΔfTbh=1.5h=0.8x=(f-fc)Tb0123-1-2x=(f-fc)Tbh=0.8h=1.5h=0.50.20.40.60.81（b)相位连续的2FSK的功率谱图2FSK信号的功率谱（a)相位不连续的2FSK的功率谱RbTb=10123-1-20.040.080.120.16ΔfTbh=1.5h=0.8x=(f-fc)Tb0123-1-2x=(f-fc)Tbh=0.8h=1.5h=0.50.20.40.60.81（b)相位连续的2FSK的功率谱2.1FSK调制信号的产生注意到相邻两个振荡器波形的相位可能是连续的，也可能是不连续的，因此有相位连续的FSK及相位不连续的FSK之分。并分别记作:CPFSK(ContinuousPhaseFSK)DPFSK(DiscretePhaseFSK)。二进制移频键控是用两个不同频率的正弦波分别代表二进制数字符号“1”(传号)或“0”(空号)来传递信息的。因此，实现数字频率调制的方法很多，总括起来有两类。①直接调频法②移频（频率）键控法。振荡器1振荡器2数字基带信号+相加器FSK调制信号2.2相位不连续DPFSK信号的产生)产生载频f1产生载频f2两个载频的频率分别由两个不同频率的独立振荡器提供,即：载波信号的输出受电子开关，即门电路的控制。门1门2电子开关电子开关的开启与关闭受数字基带信号的控制。当数字基带信号为“0”时，门1关闭。门2打开，输出频率为f2的信号。当数字基带信号为“1”时，门2关闭。门1打开，输出频率为f1的信号。载波信号经相加器处理后，输出FSK信号。可见，其载波的频率受数字基带信号的控制，从而实现频率调制。由于在两个码元转换时刻，它们之间前后码元的相位互不相关，即相位不连续，这就叫相位离散的数字调频信号,记作DPFSK。门电路的输出信号分别送至相加器的输入端。2.3相位连续CPFSK信号的产生)两个载频分别由同一个频率的独立振荡器，经不同的分频器后产生,即：数字基带信号+相加器FSK调制信号门1门2电子开关晶振器二分频器四分频器产生载频f1产生载频f2载波信号的输出受电子开关，即门电路的控制。电子开关的开启与关闭受数字基带信号的控制。当数字基带信号为“1”时，门2关闭。门1打开，输出频率为f1的信号。当数字基带信号为“0”时，门1关闭。门2打开，输出频率为f2的信号。门电路的输出信号分别送至相加器的输入端。载波信号经相加器处理后，输出FSK信号。可见，其载波的频率受数字基带信号的控制，从而实现频率调制。由于两个载波频率由同一振荡信号源提供，只是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号,记作CPFSK.2.42FSK实验电路组成与工作原理载波信号2基带信号载波信号12FSK信号模拟开关载波信号164KHZDDSSIN载波信号2128KHZDDSSIN数字基带信号NRZ锁相高频源（1）、FSK信号的产生模拟开关相加器电路原理框图如下：2FSK/OUTSIN128SIN64NRZ/OUT载波2基带信号载波1相加器倒相器开关1开关22FSK信号由图可知，从“FSK基带输入”输入的基带信号分成两路，一路经U05反相后接至U06B的控制端，另一路直接接至U06A的控制端。从“FSK载波输入1”和“FSK载波输入2”输入的载波信号分别接至U06A和U06B的输入端。当基带信号为“1”时，模拟开关U06A打开，U06B关闭，输出第一路载波；当基带信号为“0”时，U06A关闭，U06B打开，此时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。（2）FSK调制器（发送部分）2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（10或01）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在实际实验中，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图所示：载波信号2基带信号载波信号12FSK信号模拟开关载波信号164KHZDDSSIN载波信号2128KHZDDSSIN数字基带信号1NRZ锁相高频源电子开关MC4053在NRZ信号的控制下产生信号。2.5调制和解调方式a.非相干（包络）解调法•用两个窄带的分路滤波器分别滤出中心频率为f1和f2的高频脉冲，经包络检波后分别取出它们的包络，再把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。•设频率f1代表数字信号“1”，f2代表数字信号“0”，则抽样判决器的判决准则应为•V1V2即V1—V20,判为1•V1V2即V1—V20,判为0•其中，V1、V2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。这里，抽样判决器要比较V1、V2的大小，或者说把差值V1—V2与零电平比较，因此，有时称这种比较判决器的判决门限为零电平。•通过相干解调和非相干解调系统进行比较，可以得出几点：两种解调方式均可以工作在最佳门限电平。在输入信号信噪比r一定时，相干解调的误码率小于非相干解调。r很大时，二者差别不大。相干解调电路比较复杂。大信噪比时常用非相干解调法，小信噪比时才用相干解调法。