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1、第一章 通信实验箱概述1.1引言我们正处在信息技术蓬勃发展的时代。以微电子、通信、计算机为代表的信息产业的发展引起了社会经济乃至人们生活方式的深刻变化。现代通信技术的发展日新月异，而且正在迅速地向各个领域渗透。特别是通信技术与计算机技术的结合，正在以前所未有的力度促进通信网、计算机网和综合业务网的发展。这就要求人们能了解和掌握现代通信的基本原理和技术，以面对信息社会所带来的各种挑战。“现代通信原理”课程是一门理论性和实践性都很强的课程，而且理论比较难以理解针对这个特点，在教学中理论联系实际，一般的学校都会采用购买通信教学实验箱，不过实验箱都很贵，而且容易出故障。如果要是实验箱一有故障就报废的话
2、，那样既花费很多的申请报批时间，又浪费了大量的资金。所以我们想对实验箱进行电路分析，研究。对一些出现简单故障的实验箱进行维修，同时给出电路改进意见。一、 移频健控（FSK）概述移频健控（Frequency Shift Keying），或称数字频率调制，是数字特性中使用较早的一种调制方式。数字频率调制的基本原理是利用载波的频率变化来传递数字信息。在数字通信系统中，这种频率的变化不是连续的而是离散的，例如，在二进制数字频率调制系统中，用两个不同的载频来传递数字信息。FSK广泛应用于低速数据传输设备中，根据国际电信联盟（ITU-T）的建议，传输速率为1200波特以下的设备一般采用FSK方式传输数据。
3、FSK具有调制方法简单易于实现、解调不需要恢复本地载波、可以异步传输、抗噪声和抗衰落性能较强等特点。由于这些原因，FSK是在模拟电话线上用来传输数据的低速、低成本异步调制解调器的一种主要调制方式。在一个FSK系统中，发端把基带信号的变化转换成对应的载波频率的变化，而在收端则完成与发端相反的转换，将载波频率的变化转变为基带信号的变化。由于FSK信号在信道中传输的是两个载频的切换，那么其频谱是否就是这两个载波的线谱呢？或者说信道的频带只是这两个载频之差就够了呢？答案是否定的。设FSK的两个载频为f1和f2，其中心载频为f0=(f1+f2)/2；又设基带信号的速率为fs，这样，经过分析，FSK的频谱
4、如图5.1所示。图5.1中曲线A对应的f1=f0+fs，f2=f0-fs，曲线B对应的f1=f0+0.4fs，f2=f0-0.4fs。图5.1相位不连续FSK信号的频谱示意图因为FSK属于频率调制，通常可定义其移频健控指数为h=|f1-f0|Ts=|f1-f0|/fs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的影响。当h1时，2FSK信号的功率谱呈双峰状，此时，信号的带宽近似为B2FSK=|f1-f0|+2fs=(2+h)fs(Hz)实现数字频率调制(FSK)的方法很多,总概括起来有两类:直接调频法和移频健控法。由于移频健控法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波
5、振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（01或10）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。直接调频法产生2FSK信号，已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，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。数字频率调制（FSK）的解调一般有三种方法：鉴频法、过零检测法和差分鉴波法。本实验为传输600波特基带信号的FSK实验，采用改变分频链、分频比来实现移频键控。收端采用过零检测恢复基带信号，并从恢复的基带信号中直接提取码元定时信号。而PSK根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位
6、调制方法。 产生PSK信号的两种方法：1)、调相法：将基带数字信号（双极性）与载波信号直接相乘的方法：2)、选择法：用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。两个载波相位通常相差180度，此时称为反向键控（PSK）。S PSK =AS DIG (T)COS(W 0 T+O 0 ) 式中：S DIG (T)=1或-1l 解调方法：只能采用相干解调。l 类型：二进制相移键控（2PSK)，多进制相移键控（MPSK)。第二章 实验箱电路分析2.1频移（fsk）键控实验二、 实现原理和电路说明本实验采用移频健控法，它便于用数字集成电路来实现。本实验采用过零检测法解调2FSK信号。目前，低速率
7、的移频健控调制解调器有专用的集成电路，例如MOTOROLA公司的MC6800、NE564等。本实验为帮助学生理解移频健控调制、解调的基本原理，采用小规模集成电路来实现调制、解调。实验电路分成FSK发送部分（调制）和FSK接收（解调）两部分（合装在一个实验架上）。左边为FSK发送部分，包括：方波源、分频器、M序列发生器、调制器、驱动器等；右边为FSK接收部分，包括过零检测、判决、位同步、码再生等。FSK发送部分和接收部分的方框图如图5.2和图5.3所示。下面介绍该实验系统的各主要组成部分。（一）方波源方波源为一多谐振荡器，以提供FSK的载波和信码定时信号，振荡频率为11800Hz，用W1微调频率
8、。（二）M序列发生器M序列发生器由四级移位寄存器组成，形成长度为24-115的随机序列，充当信码，其信码定时是方波源输出信号经20分频得到，码率约为600bit/s。（三）调制器调制器为全数字的可变分频比的分频链，其逻辑图如图5.5所示。从图中可以看出，信码为“1”时，分频链作4分频，即输出频率为2950Hz；信码为“0”时，分频链作8分频，输出频率为1475Hz。由于这里的输出为对称方波，所含频率成分较丰富，即要占据较宽的信道频带，在实际工程中为节省频带，在信号送入信道前，只取基频分量就可以了，所以在调制器后接有一带通滤波器，中心频率为2212.5Hz，（其带宽为多少作为思考题）。这样，在发
9、送部分的输出端，就得到相对于“1”和“0”码的2950Hz和1475Hz的正弦波。但是，如果带通的中心频率发生偏移或者带通的通带特性不平，都会给输出的FSK信号带来寄生调幅，应尽量使之减小。（四）过零检测在实验接收端对FSK信号的解调是用过零检测的方法实现的，其原理如图5.6所示。图5.6 过零检测发的方框图及各点波形大家知道，数字调频波的过零点随载频而异，如本实验，信码为“1”时，载频为2950Hz，过零点为5900个；信码为“0”，载频为1475Hz，过零点为2950个，因此检测出过零点数就可以得到关于输入信号频率差异的信息，这就是过零检测的基本思路。输入信号a经限幅后产生矩形波序列b，经
10、微分c，整流就形成与频率变化相对应的脉冲序列d，这个序列就代表着调频波的过零点。将其变换成具有一定宽度的矩形波e，并经过低通滤波器滤除高次谐波，使能得到对应与原数字信号的基带脉冲信号。（五）位同步在数字接收设备的接收端，位同步是为码的再生所必需的。在数字通信中，常常是不发送导频或位同步信号的，这就必须直接从数字信号中提取位同步。本实验就采用这种直接从数字信号中滤波提取位同步的方法，其原理如图框图如图5.7所示。图5.7滤波法提取位同步信号我们知道，一个不归零（NRZ）的随机二进制序列是不能直接从该序列中滤出位同步信号的，但是，若对该信号进行某种变换，例如变成归零码后，则该序列中就有fs=1/T
11、s的位同步分量，经一个窄带滤波器，就可以滤出此信号分量，再整形成方波，再作相位调整（移相器或延迟），就形成了位同步脉冲。（六）码再生从过零检测低通滤波、整形后输出的信号，必须经过码再生电路才能恢复出和发端相同的非归零（NRZ）信码。码再生电路仅用一比较器对解调获得的基带信号进行零电平判决，再由一触发器对判决信号进行抽样定位，如图5.8所示。所不同的是，这种码元定时是由位同步提供的，这样，解调、同步和码再生就组成了一个较完整的数字通信接收系统。图5.8码再生电路（七）有源滤波器在收端，无论是过零检测中的低通，或者是位同步恢复中的带通，工作频率都很低，低通滤波器的截至频率为300Hz，带通滤波器的
12、中心频率也为600Hz，而且都要求过渡带很窄，这样用LC无源滤波器就遇到元件取值很大、阶数很多而显得笨重。无源RC滤波器也会遇到传输系数太小和过渡带不易做到很窄等这样一些矛盾。近年来发展起来的RC有源滤波器是克服这些矛盾的一个有效方法。1有源低通滤波器用于检测基带信号的有源低通滤波器如图5.9所示。图5.9 用于检测基带信号的有源低通滤波器图中R1C1、R2C2、R3C3组成三阶RC滤波器，R5、R6决定了放大器的增益，R4为偏置电阻，R7、C4是频率补偿元件。这样一个低通滤波器，不但可获得很窄的过渡带，而且传输系数可通过调整R5、R6而使其大于1，RC的选择也比较简便。2有源带通滤波器从图5
13、.9可知，有源滤波器是由RC滤波器和有源运放组成，选用具有带通特性的RC滤波器就可以组成有源带通滤波器。有源带通特性的RC网络有：RC并联网络、单T网络和双T网络。其中双T网络的Q特性很高、特性最好，可以组成通常很窄的带通滤波器。但它有一个缺点，在ww0附近，相位有90到90的跳变，这要求元件要非常稳定，否则，滤波器就可能变成振荡器，为此，在本实验中，我们选用单T网络作为滤波网络，其电路如图5.10所示。图5.10 有源带通滤波器2.2移相键控（PSK）实验（一）调制部分本试验系统的2PSK调制系统的方框图如图6.1所示。为了模拟实际的数字调制系统，本实验的调制和解调基本上由数字电路构成，采用
14、相位健控法产生PSK信号。数字电路具有变换速度快、解调测试方便等优点。为了实验过程中观察方便，实验系统的载波选为5MHz，M序列码元速率为1MHz，这样码元定时与载波的关系是同步的，便于清晰观察码元变化时对应调制载波的相位变化。实际的系统也可以是异步的。电路原理图示于本章后，下面分几部分说明。图6.1 2PSK调制部分框图1 相对相移和绝对相移移相健控（PSK）分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫做绝对移相。以二进制调相为例：取码元为“1”时，调制后载波与未调波同相；取码元“0”时，调制后载波与未调载波反相，“1”和“0”时调制后载波相位差180。绝对移相键控（2P
15、SK）的波形如图6.2所示。图6.2 绝对移相波形示意图在相干解调（同步解调）的PSK系统中，由于收端载波恢复存在相位模糊问题，即恢复的载波可能与未调载波同相，也可能反相，以至使解调后的信码出现“0”、“1”倒置，发送为“1”码，解调后得到“0”码；发送“0”码，解调后得到“1”码。这是我们所不希望的。为了克服这个现象，人们提出了相对移相方式。相对移相的调制规律是：每一个码元的载波相位不是以固定的未调载波相位作为基准的，而是以相邻的前一个码元的载波相位来确定其相位的取值。例如，当某一个码元取“1”时，它的载波相位与前一个码元的载波同相；码元取“0”时，它的载波相位与前一个码元的载波反相。相对移相键控（2DPSK）信号的波形如图6.3所示。图6.3 相对调相的波形示意图一般情况下，相对移相可以通过对信码进行变换和绝对移相来实现。将信码经过差分编码变换成新的码组相对码，再利用相对码对载波进行绝对移相，使输出的已调载波相位满足相对移相的相位关系。设绝对码为ai，相对码为bi，则二相编码的逻辑关系为： （1）差分编码的功能可由一个模二和电路和一级
