通信原理實(shí)驗(yàn)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

1、通信原理實(shí)驗(yàn)電子信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)八 FSK傳輸系統(tǒng)一、 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備（1） 預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容。（2） 熟悉實(shí)驗(yàn)箱面板分布及測(cè)試孔位置；定義本實(shí)驗(yàn)相關(guān)模塊的跳線開關(guān)。（3） 實(shí)驗(yàn)前重點(diǎn)熟悉的內(nèi)容：1） 了解軟件無線電的基本概念；2） 熟悉FSK調(diào)制和解調(diào)原理。二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 熟悉軟件無線電FSK調(diào)制和解調(diào)原理。（2） 掌握FSK產(chǎn)生，傳輸和恢復(fù)過程。（3） 掌握正交FSK調(diào)制和解調(diào)中現(xiàn)象和問題的理解。三、 實(shí)驗(yàn)儀器（1） ZH5001A通信系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)箱 一臺(tái)（2） 20MHz雙蹤示波器 一臺(tái)四、 基本原理1FSK調(diào)制原理：在二進(jìn)制頻移鍵控中，幅度恒定不變的載波信號(hào)的頻率隨著輸入碼流的變

2、化而切換（稱為高音和低音，代表二進(jìn)制的1和0）。產(chǎn)生FSK信號(hào)最簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特是0還是1，在兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器中切換。采用這種方法產(chǎn)生的波形在切換的時(shí)刻相位是不連續(xù)的，因此這種FSK信號(hào)稱為不連續(xù)FSK信號(hào)。不連續(xù)的FSK信號(hào)表達(dá)式為： 其實(shí)現(xiàn)如圖所示：由于相位的不連續(xù)會(huì)造成頻譜擴(kuò)展，這種FSK的調(diào)制方式在傳統(tǒng)的通信設(shè)備中采用較多。隨著數(shù)字處理技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多地采用連續(xù)相位FSK調(diào)制技術(shù)。目前較常用產(chǎn)生FSK信號(hào)的方法是，首先產(chǎn)生FSK基帶信號(hào)，利用基帶信號(hào)對(duì)單一載波振蕩器進(jìn)行頻率調(diào)制。因此，F(xiàn)SK可表示如下：應(yīng)當(dāng)注意，盡管調(diào)制波形m（t）在比特轉(zhuǎn)換時(shí)不連續(xù)，但

3、相位函數(shù)（t）是與m（t）的積分成比例的，因而是連續(xù)的，其相應(yīng)波形如圖所示：FSK的信號(hào)頻譜如圖所示。FSK信號(hào)的傳輸帶寬Br，由Carson公式給出：Br=2f+2B 其中B為數(shù)字基帶信號(hào)的帶寬。假設(shè)信號(hào)帶寬限制在主瓣范圍，矩形脈沖信號(hào)的帶寬B=R。因此，F(xiàn)SK的傳輸帶寬變?yōu)椋築r=2（f+R）。如果采用升余弦脈沖濾波器，傳輸帶寬減為：Br=2f+（1+）R（其中為濾波器的滾降因子）。 在通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，F(xiàn)SK的調(diào)制方案如下：按照上述原理，F(xiàn)SK正交調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)為如圖結(jié)構(gòu)：如發(fā)送0碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時(shí)相位(n)基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加2f1T

4、s，直到該信號(hào)碼元結(jié)束；如發(fā)送碼，則相位累加器在前一碼元結(jié)束時(shí)的相位(n)基礎(chǔ)上，在每個(gè)抽樣到達(dá)時(shí)刻相位累加2f2Ts，直到該信號(hào)碼元結(jié)束。 在通信信道FSK模式的基帶信號(hào)中傳號(hào)采用fH頻率，空號(hào)采用fL頻率。在FSK模式下，不采用采用漢明糾錯(cuò)編譯碼技術(shù)。調(diào)制器提供的數(shù)據(jù)源有： 1、外部數(shù)據(jù)輸入：可來自同步數(shù)據(jù)接口、異步數(shù)據(jù)接口和m序列；2、 全1碼：可測(cè)試傳號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率（高）；3、 全0碼：可測(cè)試空號(hào)時(shí)的發(fā)送頻率（低）； 4、 0/1碼：0101交替碼型，用作一般測(cè)試； 5、 特殊碼序列：周期為7的碼序列，以便

5、于常規(guī)示波器進(jìn)行觀察； 6、 m序列：用于對(duì)通道性能進(jìn)行測(cè)試；2FSK解調(diào)  對(duì)于FSK信號(hào)的解調(diào)方式很多：相干解調(diào)、濾波非相干解調(diào)、正交相乘非相干解調(diào)。 1、FSK相干解調(diào) FSK相干解調(diào)要求恢復(fù)出傳號(hào)頻率（fH）與空號(hào)頻率（fL），恢復(fù)出的載波信號(hào)分別與接收的FSK中頻信號(hào)相乘，然后分別在一個(gè)碼元內(nèi)積分，將積分之后的結(jié)果進(jìn)行相減，如果差值大于0則當(dāng)前接收信號(hào)判為1，否則判為0。相干FSK解調(diào)框圖如圖所示：相干FSK解調(diào)器是在加性高斯白噪聲信道下的最佳接收，其誤碼率為相干FSK解調(diào)在加性高斯白噪聲下具有較好的性能，但在其它信道特性下情況則不完

6、全相同，例如在無線衰落信道下，其性能較差，一般采用非相干解調(diào)方案。 、FSK濾波非相干解調(diào)對(duì)于FSK的非相干解調(diào)一般采用濾波非相干解調(diào)，如上圖所示。輸入的FSK中頻信號(hào)分別經(jīng)過中心頻率為fH、fL的帶通濾波器，然后分別經(jīng)過包絡(luò)檢波，包絡(luò)檢波的輸出在t=kTb時(shí)抽樣（其中k為整數(shù)），并且將這些值進(jìn)行比較。根據(jù)包絡(luò)檢波器輸出的大小，比較器判決 數(shù)據(jù)比特是1還是0。 使用非相干檢測(cè)時(shí)FSK系統(tǒng)的平均誤碼率為：在高斯白噪聲信道環(huán)境下FSK濾波非相干解調(diào)性能較相干FSK的性能要差，但在無線衰落環(huán)境下，F(xiàn)SK濾波非相干解調(diào)卻表現(xiàn)出較好的穩(wěn)健性。   在FS

7、K中位定時(shí)的恢復(fù)見BPSK解調(diào)方式。 通信原理實(shí)驗(yàn)的FSK模式中，采樣速率為96KHz的采樣速率（每一個(gè)比特采16個(gè)樣點(diǎn)），F(xiàn)SK基帶信號(hào)的載頻為24KHz，因而在DSP處理過程中，延時(shí)取1個(gè)樣值。 五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：首先將通信系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)箱菜單中的調(diào)制方式設(shè)置成“FSK傳輸系統(tǒng)”；用示波器測(cè)量TPMZ07測(cè)試點(diǎn)信號(hào)，如果有脈沖波形，說明試驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)正常工作，如果沒有脈沖波形，則需按面板是上的復(fù)位按鈕對(duì)硬件進(jìn)行初始化。（一） FSK調(diào)制1. 基帶FSK信號(hào)觀測(cè)（1） 在D/A模塊內(nèi)的TPi03是基帶FSK波形。通過菜單選擇為1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)TPi03信號(hào)波形，

8、測(cè)量其信號(hào)周期。（2） 通過菜單選擇為0碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)TPi03信號(hào)波形，測(cè)量其信號(hào)周期。將測(cè)量結(jié)果與1碼比較。2. 發(fā)端同相支路和正交支路信號(hào)時(shí)域波形觀測(cè)TPi03和TPi04分別是基帶FSK輸出信號(hào)的同相支路和正交支路信號(hào)。將輸入信號(hào)選為全1碼（或全0碼），測(cè)量?jī)尚盘?hào)的時(shí)域波形，畫出測(cè)試波形。通過測(cè)試波形分析兩信號(hào)是否滿足正交關(guān)系。3. 發(fā)端同相支路和正交支路信號(hào)的李沙育波形觀測(cè)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的正交性。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進(jìn)行測(cè)量，畫出李沙育波形。4. 連續(xù)相位基帶FSK信號(hào)觀測(cè)（1） TPM02是發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，TPi0

9、3是基帶FSK波形。通過菜單選擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)，并以TPM02作為同步信號(hào)。觀測(cè)TPM02與TPi03點(diǎn)波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，畫出測(cè)量波形。（2） 通過菜單選擇為特殊碼序列作為輸入信號(hào)，測(cè)量并畫出TPM02、TPi03點(diǎn)的波形及對(duì)應(yīng)關(guān)系。5. FSK調(diào)制中頻信號(hào)波形觀測(cè)在FSK正交調(diào)制方式中，必須采用FSK的同相支路與正交支路兩路信號(hào)；如果只采用一路同相FSK信號(hào)或一路正交FSK信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)FSK頻譜信號(hào)。想要去掉一個(gè)信號(hào)頻譜，需在后面采用較復(fù)雜的中頻窄帶濾波器，這種方法的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。本實(shí)驗(yàn)中采用的是正交調(diào)制相加抵消法去掉其中一個(gè)FSK頻譜的。（1） 調(diào)制模塊測(cè)試點(diǎn)TPK03為FS

10、K調(diào)制中頻信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)。通過菜單選擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并以TPM02作為同步信號(hào)。觀測(cè)TPM02與TPK03點(diǎn)波形。（2） 將正交調(diào)制輸入信號(hào)中的一路基帶調(diào)制信號(hào)斷開，重復(fù)（1）測(cè)量步驟。觀測(cè)并定性畫出TPM02與TPM03點(diǎn)波形，分析波形變化原因。（二） FSK解調(diào)1. 解調(diào)基帶FSK信號(hào)觀測(cè)首先用中頻電纜連接KO02和JL02，建立中頻通道。觀測(cè)FSK解調(diào)基帶信號(hào)測(cè)試點(diǎn)TPJ05波形，觀測(cè)時(shí)仍用發(fā)送數(shù)據(jù)作同步，比較兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（1） 通過菜單選擇為1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀察TPJ05信號(hào)波形，測(cè)量并記錄其信號(hào)周期。（2） 通過菜單選擇為0碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀察TPJ05信號(hào)波形，測(cè)量并記

11、錄其信號(hào)周期。試與FSK調(diào)制步驟（1）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。2. 解調(diào)基帶信號(hào)的李沙育波形觀測(cè)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，從相平面上觀察TPJ05和TPJ06的李沙育波形。（1） 通過菜單選擇為1碼（或0碼）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，測(cè)試并畫出李沙育信號(hào)波形。（2） 通過菜單選擇為0/1（或特殊嗎）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，測(cè)試并畫出李沙育信號(hào)波形。3. 接收位同步信號(hào)相位抖動(dòng)觀測(cè)用發(fā)送時(shí)鐘TPM01信號(hào)作同步，輸入信號(hào)選擇為m序列，利用噪聲模塊的跳線，將噪聲增大到最大，測(cè)量接受時(shí)鐘TPM07的抖動(dòng)情況，估計(jì)定時(shí)的抖動(dòng)值，抖動(dòng)的單位用單位間隔（UI）來描述。4. 判決前抽樣點(diǎn)波形觀測(cè)理想情況下。正交相乘經(jīng)低通濾波器之

12、后在判決器之前的信號(hào)幅度應(yīng)僅兩個(gè)值，這兩個(gè)值應(yīng)是+A或-A。然而，實(shí)際的輸出并非如此，抽樣點(diǎn)的幅度有起伏，其主要原因有以下幾個(gè)方面。（1） 位定時(shí)抖動(dòng)引起。由于位定時(shí)的抖動(dòng)，一方面偏離了最佳判決點(diǎn)；另一方面還使前后的碼元產(chǎn)生了碼間串，從而引起判決之前的幅度起伏。（2） 剩余頻差的影響。由于收發(fā)頻率不同，當(dāng)這種差別較大時(shí)，會(huì)引起判決之前的幅度起伏。（3） A/D量化時(shí)的直流漂移的影響。由于A/D在量化時(shí)存在直流漂移，從而引起判決之前的幅度起伏。（4） 線路噪聲的影響。當(dāng)接收支路存在噪聲時(shí)，將引起判決之前的幅度的起伏。設(shè)置輸入信號(hào)為0/1碼，測(cè)試在無噪聲情況下判決前取樣點(diǎn)的波形，定性畫出波形。調(diào)整

13、噪聲模塊的跳線，分別將噪聲增加到中等和最大，觀測(cè)判決前取樣點(diǎn)的波形，定性畫出兩種情況下的波形。在觀察時(shí)，示波器的掃描時(shí)間選擇大約2ms觀測(cè)效果較好。5. 位定時(shí)同步和非同步狀態(tài)的觀測(cè)TPMZ07為接收端恢復(fù)的始終，在同步狀態(tài)下它與發(fā)端時(shí)鐘TPM01具有確定的相位關(guān)系。（1） 在輸入測(cè)試數(shù)據(jù)為m序列時(shí)，觀察并畫出發(fā)端定時(shí)脈沖TPM01和收端定時(shí)提取出的脈沖TPMZ07波形，觀測(cè)時(shí)注意兩波形之間的相位對(duì)應(yīng)關(guān)系。（2） 不斷按確認(rèn)鍵，此時(shí)僅對(duì)DSP位定時(shí)提取環(huán)路初始化，讓環(huán)路重新調(diào)整鎖定，觀察經(jīng)過重新調(diào)整和鎖定后TPMZ07測(cè)試點(diǎn)位定時(shí)提取出的脈沖信號(hào)與發(fā)端定時(shí)脈沖TPM01的相位關(guān)系是否發(fā)生了變化

14、？其結(jié)論說明什么問題？（3） 在測(cè)試數(shù)據(jù)為全1或全0碼時(shí)重復(fù)試驗(yàn)（2），并加以分析；斷開JL02接受中頻電纜，重復(fù)上述步驟（2），觀測(cè)TPM01和TPMZ07之間的相位關(guān)系，記錄并解釋測(cè)試結(jié)果。6 FSK調(diào)制輸入信號(hào)和解調(diào)輸出信號(hào)的測(cè)量測(cè)試點(diǎn)TPM02是調(diào)試輸入數(shù)據(jù)，TPM04是解調(diào)輸出數(shù)據(jù)。通過菜單選擇特殊碼序列和0/1碼數(shù)據(jù)輸入，觀測(cè)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)是否正確。觀測(cè)時(shí)，用TPM02點(diǎn)信號(hào)同步。畫出選擇輸入特殊碼序列和0/1碼時(shí)TPM02和TPM04點(diǎn)的測(cè)試波形。六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析（一） FSK調(diào)制1.基帶FSK信號(hào)觀測(cè)（1）在D/A模塊內(nèi)的TPi03是基帶FSK波形。通過菜單選擇為1碼輸入數(shù)據(jù)信

15、號(hào)，觀測(cè)TPi03信號(hào)波形，測(cè)量其信號(hào)周期。（圖1）分析：此時(shí)最小分度為2us，信號(hào)周期為5*2=10us。（2）通過菜單選擇為0碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀測(cè)TPi03信號(hào)波形，測(cè)量其信號(hào)周期。將測(cè)量結(jié)果與1碼比較。（圖2）分析：此時(shí)最小分度為5us，信號(hào)周期為4*5=20us。顯然與1碼相比其頻率較低。2.發(fā)端同相支路和正交支路信號(hào)時(shí)域波形觀測(cè)TPi03和TPi04分別是基帶FSK輸出信號(hào)的同相支路和正交支路信號(hào)。將輸入信號(hào)選為全1碼（或全0碼），測(cè)量?jī)尚盘?hào)的時(shí)域波形，畫出測(cè)試波形。通過測(cè)試波形分析兩信號(hào)是否滿足正交關(guān)系。（圖3）分析:將兩信號(hào)重疊，可觀察到波形相位差為90度，滿足正交關(guān)系。3.發(fā)端

16、同相支路和正交支路信號(hào)的李沙育波形觀測(cè)將示波器設(shè)置在（x-y）方式，可從相平面上觀察TPi03和TPi04的正交性。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進(jìn)行測(cè)量，畫出李沙育波形。（圖4 輸入全1碼）（圖5 輸入全0碼）（圖6 輸入0/1碼）分析：對(duì)比圖4、5、6，當(dāng)輸入全1、全0碼時(shí)，兩個(gè)李沙育波形基本一致，接近正圓形。當(dāng)輸入0/1碼時(shí)，發(fā)現(xiàn)圖形出現(xiàn)虛影，也接近正圓形。4.連續(xù)相位基帶FSK信號(hào)觀測(cè)（1）TPM02是發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，TPi03是基帶FSK波形。通過菜單選擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)，并以TPM02作為同步信號(hào)。觀測(cè)TPM02與TPi03點(diǎn)波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，畫出測(cè)量波形。（圖7）分析：由圖可以看出

17、，F(xiàn)SK信號(hào)此時(shí)是相位連續(xù)的，1碼的頻率為高頻，0碼頻率較1碼低。（2）通過菜單選擇為特殊碼序列作為輸入信號(hào)，測(cè)量并畫出TPM02、TPi03點(diǎn)的波形及對(duì)應(yīng)關(guān)系。（圖8）分析：此時(shí)輸入為特殊碼序列，此段顯示序列為0100。5.FSK調(diào)制中頻信號(hào)波形觀測(cè)（1）調(diào)制模塊測(cè)試點(diǎn)TPK03為FSK調(diào)制中頻信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)。通過菜單選擇為0/1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并以TPM02作為同步信號(hào)。觀測(cè)TPM02與TPK03點(diǎn)波形。（圖9）分析：圖中下面部分波形為中頻信號(hào)，波形模糊。（3）將正交調(diào)制輸入信號(hào)中的一路基帶調(diào)制信號(hào)斷開，重復(fù)（1）測(cè)量步驟。觀測(cè)并定性畫出TPM02與TPM03點(diǎn)波形，分析波形變化原因。（圖10

18、）（圖11）分析：分別去掉一路基帶調(diào)制信號(hào)后，波形如圖10、圖11所示。產(chǎn)生波形變化是因?yàn)槿サ袅苏恍盘?hào)或同相信號(hào)后使FSK頻譜發(fā)生變化。（二） FSK解調(diào)1.解調(diào)基帶FSK信號(hào)觀測(cè)（1）通過菜單選擇為1碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀察TPJ05信號(hào)波形，測(cè)量并記錄其信號(hào)周期。（圖12）分析：此時(shí)最小分度為2us，周期為8us。與FSK調(diào)制信號(hào)波形接近。（2）通過菜單選擇為0碼輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，觀察TPJ05信號(hào)波形，測(cè)量并記錄其信號(hào)周期。試與FSK調(diào)制步驟（1）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。（圖13）分析：此時(shí)最小分度為5us，周期約16us。與FSK調(diào)制信號(hào)周期接近。2.解調(diào)基帶信號(hào)的李沙育波形觀測(cè)將示波器設(shè)置在（

19、x-y）方式，從相平面上觀察TPJ05和TPJ06的李沙育波形。（1）通過菜單選擇為1碼（或0碼）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，測(cè)試并畫出李沙育信號(hào)波形。（圖14）分析：輸入數(shù)據(jù)為1碼時(shí)，李沙育波形為橢圓形。（2）通過菜單選擇為0/1（或特殊嗎）輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，測(cè)試并畫出李沙育信號(hào)波形。（圖15）分析：輸入數(shù)據(jù)為0/1碼時(shí)，李沙育波形為橢圓形。（圖16）分析：輸入數(shù)據(jù)為特殊碼時(shí)，李沙育波形為橢圓形。3.接收位同步信號(hào)相位抖動(dòng)觀測(cè)（圖17）分析：此時(shí)抖動(dòng)范圍約為1/9時(shí)間間隔。4.判決前抽樣點(diǎn)波形觀測(cè)（1）無噪聲：（圖18）分析：在無噪聲的情況下，基本無失真。（2）中等噪聲（圖19）分析：在中等噪聲的情況下，失真較大。（3）噪聲最大（圖20）分析：在噪聲最大的情況下，失真嚴(yán)重，采樣時(shí)基本無法判斷電平。5.位定時(shí)同步和非同步狀態(tài)的觀測(cè)TPMZ07為接