实验一-FSK传输系统实验

FSK传输系统实验报告一、实验原理和电路说明（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：bcbbFSKTttffTES0)22cos(2（二进制１）bcbbFSKTttffTES0)22cos(2（二进制０）其中2πΔf代表信号载波的恒定偏移。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：bHbbFSKTttfTES0)2cos(21（二进制１）bLbbFSKTttfTES0)2cos(22（二进制０）其实现如图3.1-1所示：输入数据振荡器fＨ振荡器fＬ放大输出图3.1.1非连续相位FSK的调制框图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，越来越多地采用连继相位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：])(22cos[2)](2cos[2)(tfCbbCbbFSKdnnmktfTEttfTEtS由于FSK信号的复包络是调制信号m（t）的非线性函数，确定一个FSK信号的频谱通常是相当困难的，经常采用实时平均测量的方法。二进制FSK信号的功谱密度由离散频率分量fc、fc+nΔf、fc-nΔf组成，其中n为整数。相位连续的FSK信号的功率谱密度函数最终按照频率偏移的负四次幂衰落。如果相位不连续，功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幂衰落。FSK的信号频谱如图3.1.3所示。图3.1.3FSK的信号频谱如时发送0码，则相位累加器在前一码元结束时相位)(n基础上，在每个抽样到达时刻相位累加sTf12，直到该码元结束；如时发送１码，则相位累加器在前一码元结束时的相位)(n基础上，在每个抽样到达时刻相位累加sTf22，直到该码元结束。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3.1.5所示：外部数据信号全1码全0码01码特殊码序列m序列数据选择器控制发时钟D触发器fHfL相位累加sin()cos()D/AD/A低通滤波低通滤波TPM01TPM02TPi02TPi01TPi04TPi03FPGA图3.1.5FSK调制器基带处理结构示意图（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3.2.1所示：-+coswHtcoswHt载波恢复接收的FSK信号码元积分码元积分判决图3.2.1相干FSK的解调框图相干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：)(0NEQPbe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-+接收的FSK信号包络检波包络检波判决带通滤波FH带通滤波FL图3.2.2非相干FSK接收机的方框图对于FSK的非相干解调一般采用滤波非相干解调，如图3.2.2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。使用非相干检测时FSK系统的平均误码率为：)2exp(210NEPbe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。FSK滤波非相干解调方法一般采用模拟方法来实现，该方法不太适合对FSK的数字化解调。对于FSK的数字化实现方法一般采用正交相乘方法加以实现。３、FSK的正交相乘非相干解调FSK的正交相乘非相干解调框图如图3.2.3所示：放大延时X低通滤波AB图3.2.3FSK正交相乘非相干解调示意图输入的信号为)cos()(0twtwtR传号频率为：ww0空号频率为：ww0在上图中，延时信号为：)()cos()(0'twwtR其中为延时量。相乘之后的结果为：])cos[(])()(2cos[)()cos()cos(2)()(200000'在上式中，第一项经过低通滤波器之后可以滤除。当2/0w时，上式可简化为：wwtRtRsin)sin()()(2'因而经过积分器（低通滤波器）之后，输出信号大小为：wTbsin，从而实现了FSK的正交相乘非相干解调。AB两点的波形如图3.2.4所示：R(t)R’(t)低通滤波后输出t)图3.2.4差分解调波形在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3.2.5所示：TPH02TPH03低通滤波A/D延时1个样点X积分清洗时钟误差提取1/1271/1281/126抽样12288KHZTPJ05TPN02TPMZ07TPN04图3.2.5FSK的解调方框图判决再生TPM04时延●●●●●12288KHZ二、实验仪器1、JH5001通信原理综合实验系统一台2、20MHz双踪示波器一台3、JH9001型误码测试仪（或GZ9001型）一台4、频谱测量仪一台三、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；四、实验内容测试前检查：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。检查现象：实验系统正常工作。（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。实验现象：实验结论：该信号周期为26.8us。（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。实验现象：实验结论：该信号周期为53.6s，是1信号周期的2倍。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。实验现象：输入为全0时实验结论：输出的两个信号满足正交关系。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。实验现象：当输入为全0时：输入为全1时：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。实验现象：实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPi03点波形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。记录测量结果。实验现象：实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPi03点波形有明确的信号对应关系。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，如图3.1.6所示：正交调制频率频率幅度幅度幅度频率一般调制基带频谱中频频谱带通滤波器图3.1.6FSK的频谱调制过程（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。实验现象：实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPK03点波形有明确的信号对应关系。波形较密的的地方都是1，而波形较疏的地方都是0.（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。实验现象：实验结论：由实验现象可以看出，TPM02与TPK03点波形有明确的信号对应关系。波形较密的的地方都是1，而波形较疏的地方都是0。（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。实验现象：（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。（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。实验现象：选择全1码时：实验结论：由实验现象及实验数据可以的得到，输出信号的周期为7.4ms。（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。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？实验现象：实验结论：由实验现象及实验数据可以看出此时的波形与（1）有明显区别。即当菜单选择0/1码输入时，载波在1码时的频率较小，而在输入0码时的频率较大。这是由于解调端与发送端的本振源存在频差，所以会出现解调端的基带信号与发送端基带波形（TPi03）不同的现象。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。实验现象：选择为全1码输入时：（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。实验现象：实验结论：接收端与发送端波形不同可能与解调端的本振源与发送端本振源存在频差有关。当调整WL01时，其频差在改变，因此波形会发生变化。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？实验现