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1、实验六FSK传输系统实验一、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）。通常，FSK信号的 表达式为：72ES = ,b cos（2Kf + 2Af ）t0 t T* Y Tbc（二进制 1）2ES = ib cos（2Kf - 2兀Af ）t0 t T“KTbCb（二进制 0）其中2nAf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
2、续的FSK信号表达式为：S =，竺b cos（2兮 t +0 ）0 t TFSK TH 1b”b（二进制1）2 E 一一 八 一S = jb cos（2f t +0 ）0 t T阪 L 2b （二进制0）其实现如图6-1所示：输入数据图6.1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发展，越来越多地采用连继相位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：S(t) =、b cos2寸 t + 0 (t)FSK TC
3、bT b cos2Kf t + 2兀k I m(n)dn bs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0(t)是与m (t)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;2E g ，I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+nf 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6.3所示。图6.3FSK的信号频谱FSK信号的传输带宽Br，由Carso
4、n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(t) = cos( W t + 2nf -1)其中：f当输入码为 1i = f当输入码为0因而有：s(t) = cos w t cos 2写-1 - sin w t sin 2写-1 0i0i=cos w t cos0 (t) - sin w t sin0 (t)其中：0 (t
5、)=洌 t + 2兀K / 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：0(n) =0(n -1) + 2冗fT + 2冗Km(n)T =0 (n -1) + 2兀T f + Km(n) =0 (n -1) + 2矿T i s按照上述原理，FSK正交调制器的实现为如图6-4结构：图6.4 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2fT，直到该信元结束；如时发送1码，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时二，直到该码元结束。在通信信道FSK模式的基带信号中
6、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6.5所示：发时控制特殊码序列m 全全序列码码码外部数据信号FPGA器择选据数图6.5发器触TPM02FSKTPM01调制器基带处理结构示意图Jcos()相位sin()D/AD/A
7、TPi02TPi01低通滤波低通滤波（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（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6.6所示：图6.6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：P = QqE) N10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
8、道下，其性能较差，一般采用非相干解调方案。2、FSK滤波非相干解调图6.7非相干FSK接收机的方框图对于FSK的非相干解调一般采用滤波非相干解调，如图6.7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：P = exp( b )e 22 N0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
9、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6.8所示：图6.8FSK正交相乘非相干解调示意图输入的信号为R(t) = cos( w t 土 Aw -1)传号频率为：w0 + Aw空号频率为：w0 - Aw在上图中，延时信号为：R (t) = cos(w 土 Aw) - (t -t )其中为延时量。相乘之后的结果为：2R(t) - R (t) = 2cos(w 土 Aw) -1 * cos(w 土 Aw) - (t -t )=cos2(w
10、土 Aw) -1 - (w 土 Aw) -t + cos(w 土 Aw) -t 在上式中，第一项经过低通滤波器之后可以滤除。当w0 -t =兀/2时，上式可简化为：2R(t) - R (t)牝 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 T 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6.9所示：图6.9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。
11、FSK的解调框图如图6.10所示：图6.10FSK的解调方框图滤波低通1 F生再（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：P = exp（ b ）e 22 N0E对于一个实际通信设备，其性能一般较理论性能在 N上要恶化几个dB，般可达 0（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
12、统建立、维护）重要的工具。1、信道n的测量：0E对于FSK信道寸的测量一般可采用功率测量。0图6.11采用功率计测量N连接示意图 0首先，测量高斯白噪声谱密度N0。按图6.11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量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：这样通过功率测量即可测量出FSK在实际信道环境下的N。0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 N 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： 0E /8E j76.8n-EsEn+ 9.8(dB)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 =一一.e发送的总码数二、实验容准备工作：设置系统为“FSK传输系统”。（一）FSK调制1. 测量FSK系统输入码元传输速率
14、。TPM01为发送码元传输时钟，记为fb。2. FSK传号频率和空号频率测量TPi03是基带FSK波形（D/A模块）。（1）通过菜单选择为全1码，观测TPi03信号波形，测量其传号频率，记为f1。（2）通过菜单选择为全1码，观测TPi03信号波形，测量其传号频率，记为f2。（3）比较fb，f1，f2之间的关系。3. 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。4. 发端同相支路和正交支路信号的沙育（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，其沙育应 为
