通信原理实验二 FSK传输实验.docx
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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。
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;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),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5m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60/1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,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90/1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120/1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(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140/1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170/1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,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(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。
图20m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,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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- 通信原理实验二 FSK传输实验 通信 原理 实验 FSK 传输