FSK传输实验

ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第1页实验五FSK传输实验一、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二、实验仪器1、ZH7001通信原理综合实验系统一台2、40MHz双踪数字存储示波器一台三、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：bcbbFSKTttffTES0)22cos(2（二进制１）bcbbFSKTttffTES0)22cos(2（二进制０）其中2πΔf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。不连续的FSK信号表达式为：bHbbFSKTttfTES0)2cos(21（二进制１）ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第2页bLbbFSKTttfTES0)2cos(22（二进制０）其实现如图4.1.1所示：输入数据振荡器fＨ振荡器fＬ放大输出图4.1.1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：])(22cos[2)](2cos[2)(tCbbCbbFSKdttmktfTEttfTEtS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4.1.2所示：ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第3页图4.1.2连续相位FSK的调制信号由于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+nΔf、fc-nΔf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减。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减。FSK的信号频谱如图4.1.3所示。图4.1.3FSK的信号频谱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：ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第4页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：FSK信号：)2cos()(0tftwtsi其中：01{21当输入码为当输入码为fffi因而有：)(sinsin)(coscos2sinsin2coscos)(0000ttwttwtftwtftwtsii其中：tcdttmKtft)(22)(如果进行量化处理，采样速率为fs，周期为Ts，有下式成立：sisssscTfnnKmfTnTnKmTfnn2)1()]([2)1()(22)1()(按照上述原理，FSK正交调制器的实现为如图4.1-4结构：f1f2输入码流cos()sin()z-1Sinw0tcosw0tΣ图4.1.4FSK正交调制器结构图ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第5页如果发送0码，则相位累加器在前一码元结束时相位)(n基础上，在每个抽样到达时刻相位累加sTf12，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)(n基础上，在每个抽样到达时刻相位累加sTf22，直到该码元结束。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4.1.5所示：ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第6页外部数据信号全1码全0码01码特殊码序列m序列数据选择器控制发时钟D触发器fHfL相位累加sin()cos()D/AD/A低通滤波低通滤波TPM01TPM02TPi02TPi01TPi04TPi03FPGA图4.1.5FSK调制器基带处理结构示意图Σcosw0tSinw0t本地载波TPK03ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第7页（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：+coswLtcoswHt载波恢复接收的FSK信号码元积分码元积分判决Σ图4.1.6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：)(0NEQPbe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ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第8页+接收的FSK信号包络检波包络检波判决带通滤波FH带通滤波FLΣ图4.1.7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。使用非相干检测时FSK系统的平均误码率为：)2exp(210NEPbe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4.1.8所示：放大延时×低通滤波AB图4.1.8FSK正交相乘非相干解调示意图ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第9页输入的信号为)cos()(0twtwtR传号频率为：ww0空号频率为：ww0在上图中，延时信号为：)()(cos)(0'twwtR其中为延时量。相乘之后的结果为：)cos(])()(2cos[cos)cos(2)()(200000'在上式中，第一项经过低通滤波器之后可以滤除。当2/0w时，上式可简化为：wwtRtRsin)sin()()(2'因而经过积分器（低通滤波器）之后，输出信号大小为：wTbsin，从而实现了FSK的正交相乘非相干解调。AB两点的波形如图4.1.9所示：R(t)R’(t)低通滤波后输出t)图4.1.9差分解调波形ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第10页在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。FSK的解调框图如图4.1.10所示：注意：FSK信号首先要和接收端的两个本地正交载波相乘，然后分别通过低通滤波器到达TPJ05和TPJ06。图4.1.10中仅画出低通后的电路。TPH02TPH03低通滤波A/D延时1个样点×积分清洗时钟误差提取1/1271/1281/126TPJ05TPN02TPMZ07图4..1.10FSK的解调方框图再生TPM04时延●●抽样TPN04判决●●14336KHZ÷12●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ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第11页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。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。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，可从相平面上观察TPi03和TPi04的正交性，其李沙育应为一个圆。通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量。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，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。5.FSK调制中频信号波形和频谱的观测在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，如图4.1.12所示：ZH7001型现代通信原理综合实验系统哲华科技第12页正交调制频率频率幅度幅度幅度频率一般调制基带频谱中频频谱带通滤波器图4.1.12FSK的频谱调制过程（1）利用SYSTEMVIEW仿真电路，对测试点TPK03的FSK调制中频信号观测点进行观察，并进行频谱的测量和分析。（2）将正交调制输入信号中的一路基带调制信号断开，重复上述测量步骤，观测频谱信号的变化，分析变化原因。（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，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。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。3.接收位同步