1、通信原理实验二 FSK传输实验一、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二、实验仪器1、 ZH7001通信原理综合实验系统一台2、 20MHz双踪示波器一台3、 ZH9001型误码测试仪(或GZ9001型)一台4、频谱分析仪一台三、实验原理(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:其中2f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
2、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。由于相位的不连续会造频谱扩展,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(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4.1.2所示:在通信信道FSK模式的基带信号中传号采用Hf 频率,空号采
3、用Lf 频率。在FSK模式下,不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;(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
4、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4.1.6所示: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,如图4.1.7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。四、实验步骤测试前检查: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;
5、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。(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。图1 全1码波形图2 全0码波形分析:全1码波形的频率时全0码波形频率的两倍,符合FSK编码的原理。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),
6、测量其两信号是否满足正交关系。图3 全 0码两支路波形分析:两信号满足正交关系,但有些许延迟。用两个正交信号调制的目的是产生代表0, 1码的两种频率的形如的信号,而所以需要两个正交信号区调制。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。图4 全0李沙育图形图5 m码序列李沙育图形分析:由于TPi03和TPi04的正交性,李沙育是一个圆。所有码型的李沙育图形都相同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
7、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。图6 0/1码图7 特殊序列码分析:发送数据信号与基带波形有名曲的信号对应关系,符合FSK的调制原理,即不同码对应的调制波的频率不同,并在码元的切换点发送波形相位连续。非连续相位点的FSK在码元切换点应可以观察到明显的相位不连续现象。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
8、,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。(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。(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。(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。图8 特殊序列码图9 0/1码图10 拔掉跳线ki01分析:由于少了一路正交调制,造成振幅发生改变,产生包络。(二)FSK解调1. 解调基带
9、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。(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。图11 全0码波形图12 0/1码波形分析:解调基带信号与发送信号有明显的相对关系,说明解调成功。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(
10、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。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。图13 全1码图14 0/1码图15 跳线在2_3位置的0/1码分析:当跳线开关在1_2处时,接收端的全1码和0/1码李沙育波形都为椭圆,切很稳定,但0/1码的李沙育波形可观察到受噪声干扰比较大,这是由于码型在0、1之间转换,容易受干扰。当跳线在2_3位置时,李沙育图形也为椭圆,但一直在转动,很不稳定。这是因为收发频差改变后,解调后的波形已经
11、不准确,且变得不稳定。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。图16 全1码相位抖动图17 0/1码相位抖动分析:当全0或全1码时,相位无抖动。其他码型时,相位有抖动。这是因为全0及全1码下接收的数据没有跳变沿,译码器无论从何时开始译码均能正确译码,因此译码器无须进行调整,故看不到定时抖动。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,
12、示波器的扫描时间取大于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。图18抽样判决点波形分析:当调整电位器时,电位器位于中间位置时,幅度抖动较小,位于两边时,幅度抖动较大。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调整之后的最佳判决抽样时刻。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。图19最佳判决抽样时刻波形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(TPM0
13、1)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。图20 m序列图21 全0码图22 断开中频环路后全0码分析:不断按确认键 M序列锁定后相位不变,全零码相位变化,全0和全1码中缺少跳变沿
14、,无法从信号中提取定时脉冲,故其相位随机。断开接收后,无论何种码型,都无法锁定。因为没有接受信号,就无沿跳变,无法调整。7. 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,TPW02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。五、思考题1、 FSK正交调制方式与传统的一般FSK调制方式有什么区别? 其有哪些特点 ?答:一般FSK调制方式产生FSK信号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。而FSK正交调制方式产生FSK信号的方法
15、是,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。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是连续的。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,不然如果只采用一路同相FSK信号进行调制,会产生两个FSK频谱信号。2、 TPi03和TPi04两信号具有何关系? 答:正交。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?在实际通信中为什么要加扰码措施?答:输入码字当中的连1连0对于收端位定时的提取有很大的影响,对于收端来讲,要准确的提取位定时,对于接收码流要求不能有太多的连1连0(即接收码流应该有丰富的跳变沿),因此接收码流中连1连0的数目会直接影响位定时的回复,在实际通信中,采取扰码措施可以改变接收,码流中连1连0的分布,使得码流中连1连0概率下降。4、说明信道频差对FSK解调性能的影响;答:信道频差越大,误码概率越低,解调性能越好。六、实验感想本次实验学习了正交FSK调制方法的原理和测量方法。对FSK又有了新的学习。但在这次实验中出现了一些新的名词,如抖动和位定时等,自己都不是
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