上海电力学院fsk通信原理实验2.docx
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上海电力学院fsk通信原理实验2
一:
实验目的
实验2
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)。
通常,FSK信号的表达式为:
2Eb
SFSK=
Tb
2Eb
cos(2πfc+2πΔf)t
0≤t≤Tb
(二进制1)
SFSK=
cos(2πfc−2πΔf)t
Tb
0≤t≤Tb
(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:
2Eb
SFSK=
SFSK=
Tb
2Eb
Tb
cos(2πfHt+θ1)
cos(2πfLt+θ2)
0≤t≤Tb
0≤t≤Tb
(二进制1)
(二进制0)
其实现如图2.1-1所示:
振荡器fH
放大输出
振荡器fL
输入数据
图2.1.1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:
SFSK
(t)=
2Eb
Tb
cos[2πfC
t+θ
(t)]=
2Eb
Tb
cos[2πfC
t+2πkf
t
∫m(n)dn]
−∞
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2.1.2所示:
图2.1.2连续相位FSK的调制信号
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信号的功率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:
f
f={1
当输入码为1
FSK信号:
s(t)=cos(w0t+2πfi⋅t)
i
其中:
f2当输入码为0
因而有:
s(t)=cosw0tcos2πfi⋅t−sinw0tsin2πfi⋅t
=cosw0tcosθ(t)−sinw0tsinθ(t)
t
其中:
θ(t)=2πfct+2πK∫m(t)dt
−∞
如果进行量化处理,采样速率为fs,周期为Ts,有下式成立:
θ(n)=θ(n−1)+2πfcTs+2πKm(n)Ts
=θ(n−1)+2πTs[fs+Km(n)]=θ(n−1)+2πfiTs
按照上述原理,FSK正交调制器的实现为如图2.1.3结构:
f1f2
z-1
cos()
正
交调制
器
sin()
输入码流W0
图2.1.3FSK正交调制器结构图
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2πf2Ts,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fH频率,空号采用fL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2.1.4所示:
相位累加
cos()
发时钟
图2.1.4FSK调制器基带处理结构示意图
2.FSK解调
TPi01
TPi03
FPGA
TPM02
sin()
低通滤波
D/A
fH
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
f
D/A
控制
TPM01
TPi02
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。
D触
发器
L
低通滤波
TPi04
1、FSK相干解调
FSK相干解调要求恢复出传号频率(fH)与空号频率(fL),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:
接收的FSK
信号
CoswLtcoswHt
码元积分
+
载波恢复
判决
-
码元积分
图2.2.1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:
Pe
=Q(
Eb)
N0
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
带通滤
波FH
带通滤波FL
包络检波
+
判决
-
包络检波
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fH、fL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:
Pe
=1exp(
2
Eb)
2N0
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2.2.2所示:
BA
放大X低通滤波
延时
图2.2.2FSK正交相乘非相干解调示意图
输入的信号为:
R(t)=cos(w0t±Δw⋅t)
传号频率为:
w0+Δw
;空号频率为:
w0−Δw
0
在上图中,延时信号为:
R'(t)=cos(w±Δw)⋅(t−τ)
相乘之后的结果为:
其中τ为延时量。
00
2R(t)⋅R'(t)=2cos(w±Δw)⋅t∗cos(w±Δw)⋅(t−τ)
=cos[2(w0±Δw)⋅t−(w0±Δw)⋅τ]+cos[(w0±Δw)⋅τ]
在上式中,第一项经过低通滤波器之后可以滤除。
当w0⋅τ=π/2时,上式可简化为:
2R(t)⋅R'(t)≈sin(±Δw)⋅τ=±sinΔwτ
因而经过积分器(低通滤波器)之后,输出信号大小为:
±TbsinΔwτ,从而实现了
FSK的正交相乘非相干解调。
AB两点的波形如图2.2.3所示:
R(t)R’(t)
低通滤波后输出
图2.2.3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2.2.4所示:
TPJ05
低通
滤波
积分
清洗
A/D
延时1
个样点
图2.2.4
X
TPN02
时钟误
差提取
●
KHZ12288
1/127
1/128
1/126
时延
TPMZ07
14336
KHZ
FSK的解调方框图
●
TPN04
抽
样
判
决
●
TPH02
●
TPM04
再
生
TPH03
●
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,如图2.1.5所示:
幅度
正交调制幅度
中频频谱
基带频谱
频率频率幅度
一般调制
频率
带通滤波器
图2.1.5FSK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。
(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?
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;
图2.1.6FSK解调器抽样判决点的波形
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。
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。
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调制实验
班级:
2009073班
姓名:
杨祯
学号:
20092006号
同组:
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 上海 电力 学院 fsk 通信 原理 实验