实验十五振幅键控移频键控移相键控调制实验.docx

1、实验十五振幅键控移频键控移相键控调制实验实验十五 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验、实验目的1 掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。2 掌握用键控法产生 2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号的方法。3 掌握相对码波形与 2PSK 信号波形之间的关系、绝对码波形与 2DPSK 信号波形之间 的关系。4 掌握 2ASK 、2FSK、2DPSK 信号的频谱特性。、实验内容1 观察绝对码、相对码波形。2 观察 2ASK 、2FSK、2DPSK 信号波形。3 观察 2ASK 、2FSK、2DPSK 信号频谱。三、实验器材1 信号源模块2 数字调制模块3 频谱分析模块4 20

2、M 双踪示波器5 频率计（选用）四、实验原理调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数值调制。由于被调载波有幅度、 频率、 相位三个独立的可控参量， 当用二进制信号分别调制这三种参量时， 就形成了二进制 振幅键控 （2ASK） 、二进制移频键控（ 2FSK）、二进制移相键控 （2PSK）三种最基本的数字频 带调制信号，而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。1 2ASK 调制原理。在振幅键控中载波幅度是随着基带信号而变化的。 将载波在二进制基带信号 1或 0的控 制下通或断， 即用载波幅度的有无来代表信号中的 “1”或者是 “0”，这样就可以得到 2ASK 信号，这种二进制振幅键控

3、方式称为通断键控（ OOK ）。2ASK 信号典型的时域波形如图 15-1 所示，其时域数学表达式为：式中， A 为未调载波幅度，S2ASK （t） an Acos ct （ 151）c 为载波角频率， an 为符合下列关系的二进制序列的第个码元：综合式 151和式 152，令 A1，则 2ASK 信号的一般时域表达式为：-AS2A SK (t)图 15-1 2ASK 信号的典型时域波形为了更深入掌握 2ASK 信号的性质， 除时域分析外， 还应进行频域分析。 由于二进制序 列一般为随机序列，其频域分析的对象应为信号功率谱密度。设 g(t) 为归一化矩形脉冲， 若 g(t)的傅氏变换为 G(

4、f ) ，S(t)则为二进制随机单极性矩形脉冲序列， 且任意码元为 0的 概率为 P，则 S(t) 的功率谱密度表达式为：Ps(f) fsP(1 P)G(f) 2 fs2(1 P)2 G(0) 2 ( f) (154)sin T 1式中， G(f) Ts s ； fs 1 Hz，并与二进制序列的码元速率 Rs在数值上相fTs Ts等。可以看出，单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。 2ASK 信号的双边功率谱密度表达 式为：P2ASK ( f ) 1 fsP(1 P)G(f fc)2 G(f fc)241 fs2(1 p)2 G(0) 2 (f fc) (f fc) (155)4式( 15 5)

5、表明， 2ASK 信号的功率谱密度由两个部分组成：( 1)由 g(t) 经线性幅度调制所形成的双边带连续谱； (2)由被调载波分量确定的载频离散谱。图 15-2为2ASK 信号的单边功率谱示意图。图 15-2 2ASK 信号的单边功率谱密度示意图对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽。 在不同应用场合， 信号带宽 有多种度量定义，但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的“谱零点带 宽”，这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含信号大部分功率的信号。显然， 2ASK 信号 的谱零点带宽为B2FSK ( fc Rs) ( fc Rs)f0 2Rs 2/ Ts (Hz) (156

6、)Rb（bit/s）在式中， Rs为二进制序列的码元速率，它与二进制序列的信息率（比特率）数值上相等。图 15-4 2ASK 调制电路原理图2ASK 信号的产生方法比较简单。 首先，因 2ASK 信号的特征是对载波的 “通断键控” ， 用一个模拟开关作为调制载波的输出通 /断控制门，由二进制序列 S(t)控制门的通断， S(t) 1 时开关导通； S(t)0 时开关截止，这种调制方式称为通断键控法。其次， 2ASK 信号可视为 S(t)与载波的乘积，故用模拟乘法器实现 2ASK 调制也是很容易想到的另一种方式， 称其为乘积法。在这里，我们采用的是通断键控法， 2ASK 调制的基带信号和载波信号

7、分 别从“ ASK 基带输入”和“ ASK 载波输入”输入，其原理框图和电路原理图分别如图 15-3、图 15-4 所示。2 2FSK 调制原理。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 f0时代表传 0，载频为 f 1时代表传 1。显然， 2FSK 信号完全2ASK 信号的合可以看成两个分别以 f0和 f1为载频、以 an和 an为被传二进制序列的两种 成。 2FSK 信号的典型时域波形如图 15-5 所示，其一般时域数学表达式为S2FSK (t) ang(t nTs) cos 0t an g(tnn式中， 0 2 f0

8、 ， 1 2 f1 ， an 是 an 的反码，即概率为P 概率为1 P 概率为 P 概率为 1P图 15-5 2FSK 信号的典型时域波形ar21011t0Ts2Ts3Ts4TsS2FSK(t)因为 2FSK 属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为h f1 f0 Ts f1 f0 /Rs （ 158）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 h1 时， 2FSK 信号功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似为B2FSK f1 f0

9、2Rs （Hz） （ 159）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 （ 0 1或1 0 ）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时连续的， 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 15-6 所示：图 15-6

10、2FSK 调制原理框图由图可知，从“ FSK 基带输入”输入的基带信号分成两路， 1 路经 U404（LM339 ）反相后接至 U405B （4066）的控制端，另 1 路直接接至 U405A （4066）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 U405A 和 U405B 的输入端。 当基带信号为“ 1”时，模拟开关 U405A 打开， U405B 关闭，输出第一路载波；当基带信 号为“ 0”时， U405A 关闭， U405B 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。3 2DPSK 调制原理。2PSK 信号是用载

11、波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定 0 相位载波和 相位 载波分别代表传 1 和传 0，其时域波形示意图如图 15-7 所示。设二进制单极性码为 an，其对应的双极性二进制码为 bn，则 2PSK 信号的一般时域数学 表达式为：图 15-7 2PSK 信号的典型时域波形P2PSK(f) fsP(1 P) G(f fc) G( f fc)1 fs2(1 P)2G(0) 2 ( f fc) (f fc)42PSK 信号的谱零点带宽与 2ASK 的相同，即B2PSK ( fc Rs) ( fc Rs) 2Rs 2/Ts(Hz)1512）1513）我们知道， 2PSK 信号是用载波的不同相位直

12、接去表示相应数字信号的，在这种绝对移 相的方式中， 由于发送端是以某一个相位作为基准的， 因而在接收系统也必须有这样一个固 定基准相位作参考。 如果这个参考相位发生变化， 则恢复的数字信息就会与发送的数字信息 完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为 2PSK 的“倒 ”现象，因此，实际中一般不采用 2PSK方式，而采用差分移相（ 2DPSK ）方式。2DPSK 方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例 如，假设相位值用相位偏移 x 表示（ x 定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设数字信息“ 1 ”0 数字信息“ 0 ”则数字信息序列与2DPSK 信号的码

13、元相位关系可举例表示如下：数字信息：001 1 1 0 0 10 12DPSK 信号相位：0 00 0 00 或：0 0 0 0 0图 15-8 为对同一组二进制信号调制后的2PSK 与 2DPSK 波形。从图中可以看出， 2DPSK信号波形与 2PSK 的不同。 2DPSK 波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后 码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调 2DPSK 信号时并不依赖于某一固定 的载波相位参考值， 只要前后码元的相对相位关系不破坏， 则鉴别这个相位关系就可以正确 恢复数字信息，这就避免了 2PSK 方式中的“倒 ”现象发生。同时我们也可以看到，单纯 从波形上看

14、， 2PSK 与 2DPSK 信号时无法分辨的。这说明，一方面，只有已知移相键控方 式是绝对的还是相对的， 才能正确判定原信息； 另一方面， 相对移相信号可以看成是把数字 信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。相对码 0 0 0 1 0 1 1 1 0图 15-8 2PSK 与 2DPSK 波形对比为了便于说明概念， 我们可以把每个码元用一个如图 15-9 所示的矢量图来表示。 图中，虚线矢量位置称为基准相位。在绝对移相中，它是未调制载波的相位；在相对移相中，它是前一码元载波的相位。 如果假设每个码元中包含有整数个载波周期， 那么， 两相邻码元载波 的相位差既表示

15、调制引起的相位变化，也是两码元交界点载波相位的瞬时跳变量。根据 ITU-T 的建议，图 15-9（ a）所示的移相方式，称为 A 方式。在这种方式中，每个码元的载 波相位相对于基准相位可取 0、 。因此，在相对移相后，若后一码元的载波相位相对于基 准相位为 0，则前后两码元载波的相位就是连续的；否则，载波相位在两码元之间要发生跳 变。图 15-9（b）所示的移相方式，称为 B 方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对 于基准相位可取 /2。因而，在相对移相时，相邻码元之间必然发生载波相位的跳变。这样， 在接收端接收该信号时， 如果利用检测此相位变化以确定每个码元的起止时刻， 即可提 供码元定

16、时信息，这正是 B 方式被广泛采用的原因之一。/2参考相位- /2a）b)图 15-9 二相调制移相信号矢量图2DPSK 的调制原理与 2FSK 的调制原理类似，也是用二进制基带信号作为模拟开关 的控制信号轮流选通不同相位的载波，完成 2DPSK 调制，其调制的基带信号和载波信号 分别从“ PSK基带输入”和“ PSK载波输入”输入，差分变换的时钟信号从“ PSK-BS 输 入”点输入，其原理框图如图 15-10 所示：图 15-10 2DPSK 调制原理框图1 将信号源模块、数字调制模块、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

17、下三个模块中的开关 POWER1 、POWER2 ，对应的发光二极管 LED001 、 LED002 、D400 、 D401 、L1 、 L2 发光，按一下信号源模块的复位键，三个模块均开始工作。3 ASK 调制实验1将信号源模块产生的码速率为 15.625KHz 的 NRZ 码和 64KHz 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 “ASK基带输入”和“ASK 载波输入” 。 以信号输入点 “ASK 基带输入”的信号为内触发源， 用双踪示波器同时观察点 “ASK 基带输入”和点“ ASK 调制输出”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

18、变送入的基带信号和载波信号，重复上述实验。4 FSK 调制实验 将信号源模块产生的码速率为 15.625KHz 的 NRZ 码和 32KHz 正弦波（幅度为 3V 左右）、 64KHz 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”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。 改变送入的基带信号和载波信号，重复上述实验。5 PSK 调制实验 将信号源模块的信

19、号输出点“ BS ”与数字调制模块的信号输入点“ PSK-BS 输入” 连接，将信号源模块产生的码速率为 15.625KHz 的 NRZ 码和 64KHz 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“ PSK 基带输入”和“ PSK 载 波输入”。以信号输入点“差分编码输出”的信号为内触发源，用双踪示波器同时 观察点“ PSK 基带输入”与“差分编码输出”的波形。 用双踪示波器同时观察点“差分编码输出”和点“ PSK 调制输出”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。3改变送入的基带信号和载波信号，重复上述实验。六、输入、输出点参考说明1 信号输入

20、点参考说明ASK 基带输入： ASK 基带信号输入点。ASK 载波输入： ASK 载波信号输入点。FSK 基带输入： FSK 基带信号输入点。FSK 载波输入 1：FSK 第一路载波信号输入点。FSK 载波输入 2：FSK 第二路载波信号输入点。PSK 基带输入： PSK 基带信号输入点。PSK 载波输入： PSK 载波信号输入点。PSK-BS 输入： PSK 差分编码时钟输入点。2 信号输出点参考说明ASK 调制输出： ASK 调制信号输出点。FSK 调制输出： FSK 调制信号输出点。PSK 调制输出： PSK 调制信号输出点。差分编码输出： PSK 基带信号经差分编码后的信号输出点。七、实验思考题1 分析 2ASK 、 2FSK、 2DPSK 的调制原理。2 比较 2ASK 、2FSK、2DPSK 调制信号的频谱并做分析，进而分析三种调制方式各自的优点和缺点。八、实验报告要求1 分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。2 根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图。3 对实验讨论思考题加以分析，并画出原理图与工作波形图。