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1、实验七连续相位FSK传输系统实验李梦娆 2013001211087 张贝贝 201300121207 朱敏 201300121250一、实验原理和电路说明（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）。；2 ES = I b cos（2寸 + 2兀4f ）t2ES = |b cos（2寸-2兀4f ）t通常，FSK信号的表达式为：0 t Tb（二进制1）0 t Tb（二进制0）其中2nA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
2、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：72ES =,b cos（2f t +0 ）0 t TFSKTbH 1b （二进制1）?2E八S = b cos（2眩 t +0 ）0 t TFSKTbL 2b （二进制 0）其实现如图4.26所示：输入数据图4.26非连续相位FSK的调制框图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，F
3、SK可表示如下：b cos2吧t +9 (t)二(t)=*bb cos2町 + 2冗H m(t)dt2E=T、b-8(1)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e (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4.27所示：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信号的功谱密度由离散频率 分量fc、fc+nAf、fc-nAf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幕衰落。如果相位不连续，功率谱密度函数按照频率偏移的
4、负二次幂衰落。图4.28 FSK的信号频谱FSK信号的传输带宽Br，由Carson公式给出：Br=2Af+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(Af+R)如果采用升余弦脉冲滤波器，传输带宽减为：Br=2Af+(1+a)R其中a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：FSK信号：s() = cos(w01 + 2畋t) = cos2兀(f 土 Af)tw = 2兀f (2)其中：因而由（1）其中：f = (f1= f +Af 当输入码为 1，Lf = f -Af当输入码为02c(2)
5、式，有：s(t) = cos w t cos0 (t) - sin w t sin0 (t)j m(t )dt-3x(t) = 2Kf t + 2兀K j m(t)dtc如果进行量化处理，采样速率为fs，周期为Ts，有下式成立:x(n) = x(n 1) + 2f + 2冗Km(n)T =x(n 1) + 2兀T f + Km(n) s =x(n 1) + 2fT ci s按照上述原理，FSK正交调制器的实现为如图4.29结构：图4.29 FSK正交调制器结构图如时发送0码，则相位累加器在前一码元结束时相位0 （n）基础上，在每个抽样到达时 刻相位累加2兀七二，直到该信号码元结束；如时发送1码
6、，则相位累加器在前一码元结束 时的相位0 （n）基础上，在每个抽样到达时刻相位累加2兀fT，直到该码元结束。1 s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4.30所示：（二） FSK解调对于F
7、SK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（九）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4.31所示：图4.31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：1 导）0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
8、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4.32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。图4.32非相干FSK接收机的方框图使用非相干检测时FSK系统的平均误码率为）：P广W -餐）0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
9、 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（利用相位解调的鉴频原理）FSK的正交相乘非相干解调框图如图4.33所示：图4.33 FSK正交相乘非相干解调示意图输入的信号为传号频率为：W0 + Aw空号频率为：w0 - Aw在上图中，延时信号为：其中同为延时量。相乘之后的结果为：2 R（t） - R（t） = 2cos（ wR(t) = cos(w t Aw -1)R (t) = cos(w Aw) - (t t ) Aw) -1 * cosKw Aw) (t -t )00=cos2（w 土 Aw） -1 （w 土 Aw） -t + cos（w
10、土 Aw） -t 在上式中，第一项经过根通滤波器之后品以滤除。当w0 -t=兀/2时，上式可简化为:2R（t） - R （t） = sin（土Aw） -t = sin Awt因而经过积分器（低通滤波器）之后，输出信号大小为：土 sin Awt ,从而实现了 FSK的正交相乘非相干解调。AB两点的波形如图4.34所示：图4.34差分解调波形在FSK中位定时的恢复见BPSK解调方式。TPMZ07:最终恢复的位定时时钟。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
11、4.35所示。（三）FSK系统性能对于FSK采用非相干解调，在高斯白噪声信道环境下的平均误码率为:0P = 2 exp（-对于一个实际通信设备，其性能一般较理论性能在E上要恶化几个dB，一般可达 N0（23dB）。因而，对于一个调制方式已确定的信道设备，对于其误码率的测量是一个十分 重要的环节。一方面可以衡量其在实际信道环境下的性能，比理论值所恶化的程度；另一 方面，通过测量设备的信道误码率指标，可以判断当前设备是否工作正常。对设备信道误码率指标的测量，不仅仅对该设备的性能有所了解，同时它也是通信系 统工程方面（系统建立、维护）重要的工具。E1、信道、的测量：N0E对于FSK信道#的测量一般可
12、采用功率测量。N0首先，测量高斯白噪声谱密度N0。按图4.36连接，在A点将调制信号断开，这样在B 点处将测量得信道上高斯噪声的能&En，根据高斯噪声所占据的带宽Bn可计算出高斯白 噪声的谱密度：N = n 0 BN然后在C点处断开,测量信号功率Es，计算出信号的每比特能量：E E =i b R bE这样通过功率测量即可测量出FSK在实际信道环境下的、b oN0图4.36采用功率计测量字 连接示意图N0khZ433图4.35FSK的解调方框图如果定性测量可通过通信原理综合实验系统的TPJ05进行：首先断开发信号，在示波器 上测量接收的噪声大小En,然后在没有噪声时在示波器上观察信号的大小Es,
13、通过这两项 估计当前字的大致情况。基带等效带宽为76.8KHZ，信息速率为8KBPS，因而有下式成立: N 0+ 9.8(dB)E E /8 E KHE i76.8HE 0nn这样通过改变噪声大小，可测量FSK的误码性能。2、误码率测量对信道误码率的测量一般需通过误码测试仪进行。误码测试仪首先发送一串伪码给信 道设备，信道设备将FSK信号发送，并经信道返回（主要是完成加噪功能），然后解调。 将解调之后的数据再送入误码测试仪进行比较，将误码进行计数，而后将误码率显示出来: D 接收的误码数 P =.。 发送的总码数二、实验仪器1、ZH5001通信原理综合实验系统一台2、20MHz双踪示波器一台3
14、、ZH9001型误码测试仪（或GZ9001型）一台4、频谱测量仪一台三、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；四、回答预习问题1、在进行该实验时，首先预习一下实验系统概述中“数字锁相环模块、DSP处理模块、 D/A、A/D模块、中频调制、解调模块和测试模块”的内容和原理；2、FSK正交调制方式与传统FSK调制方式有何区别？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，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。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3、叙述本实验中FSK采用的调制、解
