通信原理FSK调制解调实验报告.docx

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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：

杨琳琳学号：

********

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 2πf 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。