通信原理实验(实验八)

北京交通大学毕业设计（论文）开题报告通信原理实验电子信息工程学院通信原理实验1实验八FSK传输系统一、实验前的准备（1）预习本实验相关内容。（2）熟悉实验箱面板分布及测试孔位置；定义本实验相关模块的跳线开关。（3）实验前重点熟悉的内容：1）了解软件无线电的基本概念；2）熟悉FSK调制和解调原理。二、实验目的（1）熟悉软件无线电FSK调制和解调原理。（2）掌握FSK产生，传输和恢复过程。（3）掌握正交FSK调制和解调中现象和问题的理解。三、实验仪器（1）ZH5001A通信系统原理实验箱一台（2）20MHz双踪示波器一台四、基本原理1．FSK调制原理：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）。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。不连续的FSK信号表达式为：其实现如图所示：通信原理实验2由于相位的不连续会造成频谱扩展，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，其相应波形如图所示：FSK的信号频谱如图所示。FSK信号的传输带宽Br，由Carson公式给出：Br=2Δf+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（Δf+R）。如果采用升余弦脉冲滤波器，传输带宽减为：Br=2Δf+（1+α）R（其中α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：通信原理实验3按照上述原理，FSK正交调制器的实现为如图结构：如发送0码，则相位累加器在前一码元结束时相位θ(n)基础上，在每个抽样到达时刻相位累加2πf1Ts，直到该信号码元结束；如发送１码，则相位累加器在前一码元结束时的相位θ(n)基础上，在每个抽样到达时刻相位累加2πf2Ts，直到该信号码元结束。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；2．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），恢复出的载波信号通信原理实验4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解调框图如图所示：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，如上图所示。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：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。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。五、实验内容通信原理实验5实验前准备：首先将通信系统原理实验箱菜单中的调制方式设置成“FSK传输系统”；用示波器测量TPMZ07测试点信号，如果有脉冲波形，说明试验系统已经正常工作，如果没有脉冲波形，则需按面板是上的复位按钮对硬件进行初始化。（一）FSK调制1.基带FSK信号观测（1）在D/A模块内的TPi03是基带FSK波形。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，测量其信号周期。将测量结果与1码比较。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。将输入信号选为全1码（或全0码），测量两信号的时域波形，画出测试波形。通过测试波形分析两信号是否满足正交关系。3.发端同相支路和正交支路信号的李沙育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。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量，画出李沙育波形。4.连续相位基带FSK信号观测（1）TPM02是发送数据信号，TPi03是基带FSK波形。通过菜单选择为0/1码输入数据，并以TPM02作为同步信号。观测TPM02与TPi03点波形的对应关系，画出测量波形。（2）通过菜单选择为特殊码序列作为输入信号，测量并画出TPM02、TPi03点的波形及对应关系。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两路信号；如果只采用一路同相FSK信号或一路正交FSK信号进行调制，会产生两个FSK频谱信号。想要去掉一个信号频谱，需在后面采用较复杂的中频窄带滤波器，这种方法的实现比较复杂。本实验中采用的是正交调制相加抵消法去掉其中一个FSK频谱的。（1）调制模块测试点TPK03为FSK调制中频信号观测点。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。（2）将正交调制输入信号中的一路基带调制信号断开，重复（1）测量步骤。观测并定性画出TPM02与TPM03点波形，分析波形变化原因。（二）FSK解调1.解调基带FSK信号观测首先用中频电缆连接KO02和JL02，建立中频通道。观测FSK解调基带信号测试点TPJ05波形，观测时仍用发送数据作同步，比较两者的对应关系。（1）通过菜单选择为1码输入数据信号，观察TPJ05信号波形，测量并记录其信通信原理实验6号周期。（2）通过菜单选择为0码输入数据信号，观察TPJ05信号波形，测量并记录其信号周期。试与FSK调制步骤（1）的测量结果进行比较。2.解调基带信号的李沙育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，测试并画出李沙育信号波形。（2）通过菜单选择为0/1（或特殊吗）输入数据信号，测试并画出李沙育信号波形。3.接收位同步信号相位抖动观测用发送时钟TPM01信号作同步，输入信号选择为m序列，利用噪声模块的跳线，将噪声增大到最大，测量接受时钟TPM07的抖动情况，估计定时的抖动值，抖动的单位用单位间隔（UI）来描述。4.判决前抽样点波形观测理想情况下。正交相乘经低通滤波器之后在判决器之前的信号幅度应仅两个值，这两个值应是+A或-A。然而，实际的输出并非如此，抽样点的幅度有起伏，其主要原因有以下几个方面。（1）位定时抖动引起。由于位定时的抖动，一方面偏离了最佳判决点；另一方面还使前后的码元产生了码间串，从而引起判决之前的幅度起伏。（2）剩余频差的影响。由于收发频率不同，当这种差别较大时，会引起判决之前的幅度起伏。（3）A/D量化时的直流漂移的影响。由于A/D在量化时存在直流漂移，从而引起判决之前的幅度起伏。（4）线路噪声的影响。当接收支路存在噪声时，将引起判决之前的幅度的起伏。设置输入信号为0/1码，测试在无噪声情况下判决前取样点的波形，定性画出波形。调整噪声模块的跳线，分别将噪声增加到中等和最大，观测判决前取样点的波形，定性画出两种情况下的波形。在观察时，示波器的扫描时间选择大约2ms观测效果较好。5.位定时同步和非同步状态的观测TPMZ07为接收端恢复的始终，在同步状态下它与发端时钟TPM01具有确定的相位关系。（1）在输入测试数据为m序列时，观察并画出发端定时脉冲TPM01和收端定时提取出的脉冲TPMZ07波形，观测时注意两波形之间的相位对应关系。（2）不断按确认键，此时仅对DSP位定时提取环路初始化，让环路重新调整锁定，观察经过重新调整和锁定后TPMZ07测试点位定时提取出的脉冲信号与发端定时脉冲TPM01的相位关系是否发生了变化？其结论说明什么问题？（3）在测试数据为全1或全0码时重复试验（2），并加以分析；断开JL02接受中频电缆，重复上述步骤（2），观测TPM01和TPMZ07之间的相位关系，记录并解释测试结果。通信原理实验76．FSK调制输入信号和解调输出信号的测量测试点TPM02是调试输入数据，TPM04是解调输出数据。通过菜单选择特殊码序列和0/1码数据输入，观测输出数据信号是否正确。观测时，用TPM02点信号同步。画出选择输入特殊码序列和0/1码时TPM02和TPM04点的测试波形。六、实验结论分析（一）FSK调制1.基带FSK信号观测（1）在D/A模块内的TPi03是基带FSK波形。通过菜单选择为1码输入数据信号，观测TPi03信号波形，测量其信号周期。（图1）分析：此时最小分度为2us，信号周期为5*2=10us。（2）通过菜单选择为0码输入数据信号，观测TPi03信号波形，测量其信号周期。将测量结果与1码比较。通信原理实验8（图2）分析：此时最小分度为5us，信号周期为4*5=20us。显然与1码相比其频率较低。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。将输入信号选为全1码（或全0码），测量两信号的时域波形，画出测试波形。通过测试波形分析两信号是否满足正交关系。（图3）分析:将两信号重叠，可观察到波形相位差为90度，满足正交关系。3.发端同相支路和正交支路信号的李沙育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。通通信原理实验9过菜单选择在不同的输入码型下进行测量，画出李沙育波形。（图4输入全1码）（图5输入全0码）通信原理实验10（图6输入0/1码）分析：对比图4、5、6，当输入全1、全0码时，两个李沙育波形基本一致，接近正圆形。当输入0/1码时，发现图形出现虚影，也接近正圆形。4.连续相位基带FSK信号观测（1）TPM02是发送数据信号，TPi03是基带FSK波形。通过菜单选择为0/1码输入数据，并以TPM02作为同步信号。观测TPM02与TPi03点波形的对应关系，画出测量波形。通信原理实验11（图7）分析：由图可以看出，FSK信号此时是相位连续的，1码的频率为高频，0码频率较1码低。（2）通过菜单选择为特殊码序列作为输入信号，测量并画出TPM02、TPi03点的波形及对应关系。（图8）分析：此时输入为特殊码序列，此段显示序列为0100。5.FSK调制中频信号波形观测（1）调制模块测试点TPK03为FSK调制中频信号观测点。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。通信原理实验12（图9）分析：图中下面部分波形为中频信号，波形模糊。（3）将正交调制输入信号中的一路基带调制信号断开，重复（1）测量步骤。观测并定性画出