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1、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数据比
2、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，空号采用Lf
3、 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
4、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
5、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
6、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，
7、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
8、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
9、。（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
10、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
11、。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
12、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
13、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
14、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
