通信原理实验二FSK传输实验

通信原理实验⼆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

4、掌握FSK性能的测试

5、了解FSK在噪声下的基本性能

⼆、实验仪器1、ZH7001通信原理综合实验系统⼀台

2、20MHz双踪⽰波器⼀台

3、ZH9001型误码测试仪（或GZ9001型）⼀台

4、频谱分析仪⼀台

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：

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。

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：

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：

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；

（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：

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。

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。

图1 全1码波形图2 全0码波形

分析：全1码波形的频率时全0码波形频率的两倍，符合FSK编码的原理。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。

图3 全0码两⽀路波形

分析：两信号满⾜正交关系，但有些许延迟。⽤两个正交信号调制的⽬的是产⽣代表0, 1码的两种频率的形如的信号，⽽

所以需要两个正交信号区调制。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。

图4 全0李沙育图形图5 m码序列李沙育图形分析：由于TPi03和TPi04的正交性，李沙育是⼀个圆。所有码型的李沙育图形都相同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。

图6 0/1码图7 特殊序列码

分析：发送数据信号与基带波形有名曲的信号对应关系，符合FSK的调制原理，即不同码对应的调制波的频率不同，并在码元的切换点发送波形相位连续。⾮连续相位点的FSK在码元切换点应可以观察到明显的相位不连续现象。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。

（1）调制模块测试点TPK03为FSK调制中频信号观测点。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TPK03点波形应有明确的信号对应关系。

（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。

（3）将正交调制输⼊信号中的⼀路基带调制信号断开（D/A模块内的跳线器Ki01 或Ki02），重复上述测量步骤。观测信号波形的变化，分析变化原因。

图8 特殊序列码图9 0/1码

图10 拔掉跳线ki01

分析：由于少了⼀路正交调制，造成振幅发⽣改变，产⽣包络。

（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，观测时仍⽤发送数据（TPM02）作同步，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。

图11 全0码波形图12 0/1码波形

分析：解调基带信号与发送信号有明显的相对关系，说明解调成功。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。将跳线开关KL01设置在2_3位置，调整电位器WL01（改变接收本地载频——即改变收发频差），继续观察。分析波形的变化与什么因素有关。

图13 全1码图14 0/1码

图15 跳线在2_3位置的0/1码

分析：当跳线开关在1_2处时，接收端的全1码和0/1码李沙育波形都为椭圆，切很稳定，但0/1码的李沙育波形可观察到受噪声⼲扰⽐较⼤，这是由于码型在0、1之间转换，容易受⼲扰。当跳线在2_3位置时，李沙育图形也为椭圆，但⼀直在转动，很不稳定。这是因为收发频差改变后，解调后的波形已经不准确，且变得不稳定。3. 接收位同步信号相位抖动观测

⽤发送时钟TPM01（DSP+FPGA模块左下脚）信号作同步，选择不同的测试码序列测

量接收时钟TPMZ07（DSP芯⽚左端）的抖动情况。

图16 全1码相位抖动图17 0/1码相位抖动

分析：当全0或全1码时，相位⽆抖动。其他码型时，相位有抖动。这是因为全0及全1码下接收的数据没有跳变沿，译码器⽆论从何时开始译码均能正确译码，因此译码器⽆须进⾏调整，故看不到定时抖动。4. 抽样判决点波形观测

将跳线开关KL01设置在2_3位置，调整电位器WL01, 以改变接收本地载频（即改变

收发频差），观察抽样判决点TPN04（测试模块内）波形的变化。在观察时，⽰波器的扫描

时间取⼤于2ms级较为合适，观察效果较好。具有以下的波形：理想情况下，正交相乘经

低通滤波之后在判决器之前的变量应取两个值：＋A或－A。

图18 抽样判决点波形

分析：当调整电位器时，电位器位于中间位置时，幅度抖动较⼩，位于两边时，幅度抖动较⼤。5. 解调器位定时恢复与最佳抽样判决点波形观测

TPMZ07为接收端DSP调整之后的最佳判决抽样时刻。选择输⼊测试数据为m序列，

⽤⽰波器同时观察TPMZ07（观察时以此信号作同步）和观察抽样判决点TPN04波形（抽样判决点信号）的之间的相位关系。

图19 最佳判决抽样时刻波形6. 位定时锁定和位定时调整观测

TPMZ07为接收端恢复时钟，它与发端时钟（TPM01）具有明确的相位关系。（1）在输⼊测试数据为m序列时，⽤⽰波器同时观察TPM01（观察时以此信号作同

步）和TPMZ07（收端最佳判决时刻）之间的相位关系。

（2）不断按确认键，此时仅对DSP位定时环路初始化，让环路重新调整锁定，观察TPMZ07的调整过程和锁定后的相位关系。

（3）在测试数据为全1或全0码时重复该实验，并解释原因。断开JL02接收中

频环路，

在没有接收信号的情况下重复上述步骤实验，观测TPM01和TPMZ07之间的相位关系，并解释测量结果的原因。

图20 m序列图21 全0码

图22 断开中频环路后全0码

分析：不断按确认键 M序列锁定后相位不变，全零码相位变化，全0和全1码中缺少跳变沿，⽆法从信号中提取定时脉冲，故其相位随机。断开接收后，⽆论何种码型，都⽆法锁定。因为没有接受信号，就⽆沿跳变，⽆法调整。7. 观察在各种输⼊码字下FSK的输⼊/输出数据

测试点TPM02是调制输⼊数据，TPW02是解调输出数据。通过菜单选择为不同码型输

⼊数据信号，观测输出数据信号是否正确。观测时，⽤TPM02点信号同步。

五、思考题1、 FSK正交调制⽅式与传统的⼀般FSK调制⽅式有什么区别? 其有哪些特点 ? 答：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，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。2、 TPi03和TPi04两信号具有何关系？

答：正交。3、叙述位定时的调整过程，并说明输⼊码字对位定时恢复的影响？在实际通信中为什么要加扰码措施？

答：输⼊码字当中的连1连0对于收端位定时的提取有很⼤的影响，对于收端来讲，要准确的提取位定时，对于接收码流要求不能有太多的连1连0（即接收码流应该有丰富的跳变沿），因此接收码流中连1连0的数⽬会直接影响位定时的回复，在实际通信中，采取扰码措施可以改变接收，码流中连1连0的分布，使得码流中连1连0概率下降。4、说明信道频差对FSK解调性能的影响；

答：信道频差越⼤，误码概率越低，解调性能越好。

六、实验感想