通信报告--FSK编码实验

FSK编码实验一、实验目的1、掌握FSK调制和解调原理；2、熟悉2FSK相干解调和非相干解调的波形、频谱和框图；3、学会Verilog编程产生正弦波、双通道正交波形；4、在芯片alteraCycloneII上用Verilog编程实现FSK调制二、实验仪器1、JH5001(Ⅲ)通信原理基础实验箱一台2、20MHz双踪示波器一台三、实验原理1、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：2cos(22)FSKchGSfftT其中，122cfff，122fff大致波形如下图所示：2、实验原理框图()22,csQtftfttnT用抽样，()22scSsQnTfnTfnT有，Q(n)m(t)((1))2(1)2(1)scssQnTfnTfnT，()(1)2()csQnQnffT得到，()(1)2isQnQnfT，,1,0cicffifffi3、正交调制03000sin()cos()cos()sin()sin[()]PKTtttttt，是恒包络，幅度不变为1。若不采用正交调制，只用一路信号调制，则出现双边带情况。采用正弦波、余弦波得到的频谱是单边带，如下：+单边带的带宽为212FSKbBfff。四、程序设计电路分析：根据原理图所示，若kHzfs256，当调制信号为1时，开关打到上边，kHzff321，此时相邻采样点相位相差：425613222kHzkHztf，当调制信号为0时，开关打到下边，kHzff162，相邻采样点相位差825611622kHzkHztf，采用连续相位调制，故需要对相位进行求和（积分）。即有：1nn，此后调制信号经过D/A转换，并经过低通滤波器输出。可以再TPi03口观察A通道调制输出，TPi04口观察B通道调制输出。此时，A、B通道输出再经过正交调制，于TPk03口输出。由于正交调制信号为单边带信号，在传输时能节省一半带宽，故较实用、经000济。编程思路：首先，需要产生8kbps的M序列，采样频率256kHz，因此需要将14.336MHz的时钟频率经过分频，分别产生256kHz（spab）及8kHz（clk_m）的时钟信号。每次采样都需要输出，因此需要2倍于采样频率的时钟作为D/A转换器的信号输入clk_out。（1）产生正弦波要要产生32kHz与16kHz正弦波信号，一个周期内，256kHz采样信号需分别采样8点与16点。对sin函数进行PAM采样（假设周期为sT），再进行8bit编码，00sin(2)sin(2)sftfnT，若016sff，则018sfT，02sin(2)sin()16ftn，可建立如下表格：n0123456…S2sin()164sin()166sin()168sin()1610sin()1612sin()1614sin()16…由于寄存器存放数据类型为正整数，故需要将（-1,1）的值进行量化处理，+1变为非负数，乘上127，以扩展到8位寄存器，范围（0,255）。Matlab计算一周期内的16点信号：x=1:16;y=round((sin(pi/8*x)+1)*127);运行结果如下：A=1762172442542442171761277837100103778127将以上各数据制表以供查询。采样的时候固定采样时钟不变，当调制信号为传号“1”时，每次时钟上升沿到来，采样值遍历表中数据；当调制信号为空号“0”时，每次时钟上升沿到来，采样值相隔一个取表中数据，这样就实现了16kHz调制和32kHz调制：256kHz在1个信号周期内输出16点，则信号f=256/16=16kHz，256kHz在2个信号周期内输出16点，则信号f=256/8=32kHz。（2）双通道输出的实现如图为采样信号和D/A转换器的wr写入端输入信号示意图：当spab为高电平的时候，选择A通道(sin信号)；当spab为低电平的时候，选择B通道(cos信号)，这样一个spab内采样了2个点，分别送给A、B通道，SpabClk_out实现了双通道输出。B通道制表所有值比A通道提前4个（2/2*16/4），这样就实现了正交调制。（3）考虑相位差由于B通道比A通道落后一个clk_out时钟，相位差增加/16，而B通道每次运算又是在A通道之后的一次，相位差减小4/，两项叠加，刚好抵消，依然是将B通道制表所有值比A通道提前4个实现2/相位差。实现正交。据以上分析得到如下的程序：程序清单：moduleFSK2(clk,m_out,wr,spab,Sig);inputclk;//14.336MHz时钟outputwr;//ModDACLK读写管脚输出outputregm_out;//m序列输出outputSig;//正交调制信号输出outputregspab;//ModDASPAB通道选择管脚输出reg[7:0]Sig;//正交调制信号8位寄存器regclk_wr;//中间分频时钟128kHzregclk_out;//输出时钟256kHzregclk_m;//m序列输出时钟8kHzreg[5:0]wr_cnt;//128kHz分频寄存器reg[4:0]out_cnt;//256kHz分频寄存器reg[3:0]count;//16次抽样计数器reg[9:0]m_cnt;//8kHz分频寄存器reg[3:0]m;//m序列寄存器//assignspab=0;//单通道时将其置0，wire类型assignwr=0;//采样时钟clk_wr=128kHzalways@(posedgeclk)beginif(wr_cnt==6'd55)beginspab=~spab;clk_wr=~clk_wr;wr_cnt=6'd0;endelsewr_cnt=wr_cnt+6'd1;end//输出时钟clk_out=256kHzalways@(posedgeclk)beginif(out_cnt==5'd27)beginclk_out=~clk_out;out_cnt=5'd0;endelseout_cnt=out_cnt+5'd1;end//m序列输出时钟8kHzalways@(posedgeclk)beginif(m_cnt==10'd895)beginclk_m=~clk_m;m_cnt=10'd0;endelsem_cnt=m_cnt+10'd1;end//m序列产生always@(posedgeclk_m)beginif(m==4'b0000)m=4'b1111;elsebeginm[0]=m[0]^m[3];m[3:1]=m[2:0];m_out=m[3];endendalways@(negedgeclk_out)beginif(m_out==0)count=count+4'b0001;//空号0时频率为16kHzelsecount=count+4'b0010;//传号1时频率为32kHzif(spab==1)//通道选择，与ModDASPAB管脚有关begincase(count)//查表得到sin正弦波4'b0000:Sig=8'd176;4'b0001:Sig=8'd217;4'b0010:Sig=8'd244;4'b0011:Sig=8'd254;4'b0100:Sig=8'd244;4'b0101:Sig=8'd217;4'b0110:Sig=8'd176;4'b0111:Sig=8'd127;4'b1000:Sig=8'd78;4'b1001:Sig=8'd37;4'b1010:Sig=8'd10;4'b1011:Sig=8'd0;4'b1100:Sig=8'd10;4'b1101:Sig=8'd37;4'b1110:Sig=8'd78;4'b1111:Sig=8'd127;default:Sig=8'd0;endcaseendelsebegincase(count)//查表得到cos余弦波，偏移pi/16后4'b0000:Sig=8'd233;4'b0001:Sig=8'd198;4'b0010:Sig=8'd152;4'b0011:Sig=8'd102;4'b0100:Sig=8'd56;4'b0101:Sig=8'd21;4'b0110:Sig=8'd2;4'b0111:Sig=8'd2;4'b1000:Sig=8'd21;4'b1001:Sig=8'd56;4'b1010:Sig=8'd102;4'b1011:Sig=8'd152;4'b1100:Sig=8'd198;4'b1101:Sig=8'd233;4'b1110:Sig=8'd252;4'b1111:Sig=8'd252;default:Sig=8'd0;endcaseendendendmodule五、实验过程记录与分析1、产生正弦信号现象：图18kHz正弦信号波形图28kHz正弦信号频谱分析：对128kHz进行16次采样得到的采样点，经过芯片AD7528变成模拟信号输出，并经过低通滤波器得到8kHz正弦信号，从它的频谱图中可以清晰地看到只有8kHz一种频率，说明产生的正弦信号很纯。如果减少采样点，比如说只进行4次，那么并不能很好的恢复出原始的正弦波信号。同时，还需考虑到低通滤波器的截止频率，本实验中硬件电路部分的低通滤波器截止频率是56kHz，要获得8kHz的正弦波，则采样频率必须大于56kHz-8kHz=48kHz。2、产生完全正交的两路信号现象：图3正弦和余弦信号图4李沙育图形(非正交)图5改进相位后正、余弦图6李沙育图形(正交)分析：为了产生8kHz的正交的正弦波和余弦波，要考虑到A/B通道之间的相位差，由于是对128kHz进行的16次抽样，故A/B通道相位差为1/2*2pi/16=pi/16，对cos信号进行pi/16的左移即可。抽样点如下表所示：count下一个countA通道B通道(相移前后)0000000117600010010217→1980010001124400110100127→102010001012440101011037→2101100111176011110000→210001001781001101037→56101010111010111100127→152110011011011011110217→233111011117811110000254→252由此实现了正交。3、整体仿真波形现象：图7(1)抽样与输出时钟图7(2)m序列及其抽样分析：从图7(1)中可以看出，输出时钟和抽样时钟之间的关系，输出时钟clk_out是256kHz，spab是128kHz，spab是A/B通道的选通时钟，在一个spab时钟内可以有两个clk_out，也就是说可以将正弦、余弦相间隔抽样。从图7(2)中可以清晰地观察到m序列，以及选通抽样时钟spab和输出时钟clk_out之间的关系，一个码元对应着8次抽样。4、m序列的FSK调制波形现象：图8m序列与其FSK调制波形分析：图8中可以对应观察m序列和FSK调制波形。理论上m序列输出时钟是8kHz，传号频率是32kHz，空号频率是16kHz。观察上图，当m序列码元为“0”时，一个码元对应了两周期的正弦波，而当m序列码元为“1”时，一个码元对应了四周期的正弦波，满足这其中的比例关系。与此同时，可以观察到在考虑了相位之间的差值之后，FSK调制所采用的不同频率1f和2f，波形连续。5、相位调制前后李沙育图形现象：图9相位微调前的李沙育图图10相位调整后的李沙育图分析：以上两图是未考虑相位差之前和之后分别得到的李沙育图，明显看出后者正交。波形失真很小。在李沙育图上得到了较正的圆，说明最后的调制频谱