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2FSK数字调制通信系统

摘要：

FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是:

实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。

在中低速数据传输中得到了广泛的应用。

所谓FSK就是用数字信号去调制载波的频率。

二进制的基带信号是用正负电平来表示的。

FSK--又称频移键控法。

FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是:

实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。

在中低速数据传输中得到了广泛的应用。

所谓FSK就是用数字信号去调制载波的频率。

关键词：

FSK数字调制；FSK数字解调；基带信号；载波；

一、实验目的

1、掌握2FSK数字调制通信系统的整体结构，2FSK数字调制通信的整个过程。

2、理解2FSK数字调制通信系统中各组成部分在整个过程中的作用，特别是整个系统中的同步。

3、了解2FSK数字调制通信系统电路的实现。

二、实验内容

将信号源模块、数字调制模块、信道模拟模块、数字解调模块、同步提取模块和终端模块组合成2FSK传输系统，并观察基带信号、载波信号、2FSK调频信号、通过信道的2FSK调频信号（加噪声和不加噪声）、经过接收端整型1电路的2FSK调频信号、经过接收端单稳1、2电路的的单稳信号、经过接收端相加器的过零检测信号、经过接收端低通滤波器后的信号、经过判决电压比较后的信号、提取的位同步信号和最后的经过抽样判决的解调信号，画出它们的波形，加深对2FSK数字调制通信系统的整体结构和2FSK数字调制通信的全过程的理解。

三、实验仪器

信号源模块数字调制模块信道模拟模块

数字解调模块同步提取模块终端模块

20M双踪示波器一台

连接线若干

四、实验原理

1、2FSK调制原理

数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。

数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。

2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。

2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为

时代表传0，载频为

时代表传1。

显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以

和

为载频、以

和

为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。

2FSK信号的典型时域波形如图12-1所示，其一般时域数学表达式为

（12－1）

式中，

，

是

的反码，即

图12-12FSK信号的典型时域波形

因为2FSK属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为

显然，h与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对已调波带宽有很大影响。

2FSK信号与2ASK信号的相似之处是含有载频离散谱分量，也就是说，二者均可以采用非相干方式进行解调。

可以看出，当h<1时，2FSK信号的功率谱与2ASK的极为相似，呈单峰状；当h>>1时，2FSK信号功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似为

（Hz）

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（

或

）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。

在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图12-2所示。

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。

图12-22FSK调制原理框图

解调方法：

相干法和非相干法。

类型：

二进制移频键控（2FSK），多进制移频键控（MFSK）。

在上述三种基本的调制方法之外，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。

在这种情况下，传统的数字调制方式已不能满足应用的需求，需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。

这些技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。

多进制调制，是提高频谱利用率的有效方法，且保持较小的频谱占用率。

从传统数字调制技术扩展的技术有最小移频键控（MSK）、高斯滤波最小移频键控（GMSK）、正交幅度调制（QAM）、正交频分复用调制（OFDM）等等。

调制部分：

2FSK信号的产生方法主要有两种。

第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如（a）图所示，使其能够输出两个不同频率的码元。

第二种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如（b）图所示。

这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号，在相邻码元之间的相位是连续的，如（c）图所示；而开关法产生的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续，如（d）图所示。

本次设计用键控法实现2FSK信号。

（c）相位连续（d）相位不连续

设频率

代表数字信号1；

代表数字信号0，则抽样判决器的判决准则：

2、2FSK解调原理

2FSK有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等。

这里采用的是过零检测法对2FSK调制信号进行解调。

大家知道，2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。

用过零检测法对FSK信号进行解调的原理框图如图12-3所示。

其中整形1和整形2的功能类似于比较器，可在其输入端将输入信号叠加在2.5V上。

2FSK调制信号从“FSK-IN”输入。

U04的判决电压设置在2.5V，可把输入信号进行硬限幅处理。

这样，整形1将2FSK信号变为TTL电平；整形2和抽样电路共同构成抽样判决器，其判决电压可通过标号为“2FSK判决电压调节”的电位器进行调节。

单稳1和单稳2分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，它们与相加器U06一起共同对TTL电平的2FSK信号进行微分、整流处理。

电阻R15与R17决定上升沿脉冲宽度及下降沿脉冲宽度。

抽样判决器的时钟信号就是2FSK基带信号的位同步信号，该信号应从“FSK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。

2FSK解调原理框图

过零检测原理框图

五、实验步骤

1、将信号源模块、数字调制模块、数字解调模块、同步提取模块、频谱分析模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下五个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，五个模块均开始工作。

（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）

3、FSK调制实验

（1）将信号源模块产生的码速率为15.625KHz的周期性NRZ码和64KHz正弦波（幅度为3V左右）及32KHz的正弦波（幅度为3V左右）分别送入数字调制模块的信号输入点“FSK基带输入”、“FSK载波输入1”和“FSK载波输入2”。

以信号输入点“FSK基带输入”的信号为内触发源，用双踪示波器同时观察点“FSK基带输入”和点“FSK调制输出”输出的波形。

并将这两点的信号送入频谱分析模块进行分析，观察其频谱。

（2）改变送入的基带信号，重复上述实验。

4、FSK解调实验

（1）将信号源模块的位同步信号（BS）的频率设置为15.625KHz，将信号源模块产生的

NRZ码设置为周期性码，将同步信号提取模块的拨码开关SW01的第一位拨上。

（2）将信号源模块产生的NRZ码为基带信号，合理连接信号源模块与数字调制模块，使

数字调制模块的信号输出点“FSK调制输出”能输出正确的FSK调制波形。

（3）将点“FSK调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点“FSK-IN”，观

察信号输出点“FSK-OUT”处的波形，并调节标号为“FSK判决电压调节”的电位

器，直到在该点观察到稳定的NRZ码为止。

将该点波形送入同步信号提取模块的信

号输入点“NRZ-IN”,再将同步信号提取模块的信号输出点“位同步输出”输出的

波形送入数字解调模块的信号输入点“FSK-BS”，观察信号输出点“单稳输出1”、“单稳输出2”、“过零检测”、“滤波输出”、“FSK解调输出”处的波形，并与

信号源产生的NRZ码进行比较。

（4）改变信号源产生的NRZ码的设置，重复上述观察。

5、信道实验（插入在FSK调制之后，FSK解调之前）。

旋转信道模拟模块的噪声功率调节电位器，改变信道内噪声功率大小，观察信道输入波形、信道噪声波形与信道输出波形。

观察噪声对信号的影响。

6、终端实验（插入在2FSK解调部分之后）：

将信号源的基带信号接入终端的信道1，2FSK解调信号接入终端的信道2，观察两组信道对应的发光二极管的亮灭情况是否一致。

7、将信道模拟模块中的噪声调高，重复上述观察。

六、输入、输出点参考说明

输入点：

信号源模块NRZ码型做基带输入，64k正弦波做载波1,32k正弦波做载波2

输出点：

fsk解调模块上fsk解调输出

七、实验结果及分析

FSK基带输入：

信号源测试点NRZ输出的NRZ码

（SW04、SW05设置为0000000100101000，128分频）；

FSK载波输入：

载波1设为64K正弦波，载波2设为32K正弦波；

信道噪声设置：

为0，噪声功率电平调为最低

1、FSK调制实验：

FSK基带输入波形：

FSK载波1输入波形：

FSK载波2输入波形：

FSK调制输出波形：

（FSK调幅波随SW01、SW02、SW03设置的改变而变化）

2、信道实验：

噪声功率电平调为最低

信道输入波形：

（即FSK调制输出波形）

信道噪声波形：

噪声功率电平调为最低，为0

信道输出波形：

3、FSK解调实验：

FSK解调输入波形：

（即信道输出波形）

单稳态输出1波形（FSK已调信号经单稳1的信号输出）

单稳态输出2波形（FSK已调信号经单稳1的信号输出）

过零检测输出的波形（FSK已调信号经过零检测后的信号输出）

OUT3测试点输出波形：

（即FSK调幅波经低通滤波器后的信号输出波形

FSK—OUT测试点输出波形：

（即FSK调幅波经电压比较器后的信号输出波形，未经同步判决。

波形与FSK判决电压调节的调节幅度有关）

a、FSK判决电压调节过高，误判为0的概率增加：

（采用双踪示波器比较FSK基带输入波形与FSK—OUT测试点输出波形）

b、FSK判决电压调节过低，误判为1的概率增加：

（采用双踪示波器比较FSK基带输入波形与FSK—OUT测试点输出波形）

c、适当调节FSK判决电压，使FSK—OUT输出波形与FSK基带输入波形最接近：

（采用双踪示波器比较FSK基带输入波形与FSK—OUT测试点输出波形）

提取的位同步信号波形：

（采用双踪示波器比较信号源的位同步波形与提取的位同步信号波形，它们应当一致，表示发送端与接收端的码元宽度是一样的）

FSK解调输出波形：

4、终端实验：

记录两组信道对应的发光二极管的亮灭情况，注意第二路信号（FSK调制输出）有一定时延。

八、实验思考题解答

1、2fsk中间的2是什么含义?

二进制数字序列控制载波的频率。

2、为何2fsk调制需要两个载波，载波1，载波2？

由于二进制是由0和1组成，而码型控制也是由0和1组成，所以只有两个载波

3、信号源模块上sw0、sw1、sw2、sw3的作用

设置NRZ码型

4、信号源模块上sw4、sw5的作用

设置频率大小

九、实验过程中遇到的问题以及解决方法

在整个课程设计的过程中遇到的问题主要有以下二点，第一：

基础知识掌握的不牢固，主要表现在对书本上的内容理解不够透彻。

第二：