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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:
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:
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:
其中:
因而有:
如果进行量化处理,采样速率为fs,周期为Ts,有下式成立:
按照上述原理,FSK正交调制器的实现为如图4.1-4结构:
图4.1.4FSK正交调制器结构图
如果发送0码,则相位累加器在前一码元结束时相位
基础上,在每个抽样到达时刻相位累加
,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
,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
频率,空号采用
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:
(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(
)与空号频率(
),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:
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:
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
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
、
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。
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:
图4.1.8FSK正交相乘非相干解调示意图
输入的信号为
传号频率为:
空号频率为:
在上图中,延时信号为:
其中τ为延时量。
相乘之后的结果为:
在上式中,第一项经过低通滤波器之后可以滤除。
当
时,上式可简化为:
因而经过积分器(低通滤波器)之后,输出信号大小为:
,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:
图4.1.9差分解调波形
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。
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。
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。
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:
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。
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。
为什么在全0或全1码下观察不到位定时的抖动?
4.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。
5.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。
五、实验报告
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?
2、TPi03和TPi04两信号具有何关系?
3、画出各测量点的工作波形;
附录实验系统概述
电路组成概述
通信原理综合实验系统主要由下列功能模块组成:
1.显示控制模块
2.FPGA初始化模块
3.信道接口模块
4.DSP+FPGA处理模块
5.D/A模块
6.中频调制模块
7.中频解调模块
8.A/D模块
9.测试模块
10.汉明编码模块(含加扰模块)
11.汉明译码模块(含解扰模块)
12.噪声模块
13.电话接口(1、2)模块
14.DTMF(1、2)模块
15.PAM模块
16.ADPCM(1、2)模块
17.CVSD发模块
18.CVSD收模块
19.帧传输复接模块
20.帧传输解复接模块
21.AMI/HDB3码模块
22.CMI编码模块
23.CMI译码模块
24.模拟锁相环模块
25.数字锁相环模块
26.计算机接口模块
27.同步数据接口模块
28.函数信号产生器模块
硬件平台按功能模块划分,其电路布局见图1.2.1所示。
对于每一个模块,在PCB板上均由白色线条将其明显分割开来,每个测试模块都能单独开设实验。
交流电源插座和电源开关在机箱的后部,直流电源模块在电路板的下面,它主要完成交流220V到+5V、+12V、-12V的直流变换,给整个硬件平台供电。
各模块之间的系统连接见图1.2.3所示。
由图可以看出,在系统中通信双方的传输信道是不对称的。
从用户电话1向用户电话2的信号支路是以无线信道传输技术为主,信号流程为:
用户电话接口1→话音编码1→汉明纠错编码→信道调制→加噪信道→信道解调→汉明译码→话音解码2→用户电话接口2。
从用户电话2向用户电话1的信号支路是以有线信道传输技术为主,信号流程为:
用户电话接口2→话音编码2→信道复接→线路编码(HDB3/CMI)→线路译码→信道解复接→话音解码1→用户电话接口1。
在每一个模块中,都有测试点与测试插座对应信号点的定义。
用户操作界面使用说明
●实验设备加电
交流电源插座和电源开关在机箱的后部。
在加电之后,系统按照上次关机前选择的模式进行初始化,在这期间DSP+FPGA模块中的初始化灯(DV01)熄灭。
当初始化完成之后,初始化灯变亮。
在这之后大约经过5秒钟,即自动完成相应模式参数的设置。
在初始化过程中,液晶显示器显示:
通信原理实验
完成初始化之后,液晶显示器显示:
调制方式选择
●小键盘及液晶显示器菜单的使用
在通信原理综合实验系统中,各模块的功能实现,需初始化不同的FPGA程序与数字信号处理DSP程序,并对它们进行一定的管理。
这些都是通过小键盘和液晶显示器操作界面进行选择的。
液晶显示器操作界面以菜单的方式进行显示,通过小键盘的上、下、左、右键进行菜单的选择。
左、右键用来在子菜单之间进行切换,上、下键用来在菜单项中进行选择,最后用“确认”键进行确认。
已选定的模式或参数在对应的菜单项上被打上勾,否则显示一个小手。
菜单的组成如下所示:
子菜单一:
菜单项1:
FSK传输系统
菜单项2:
BPSK传输系统
菜单项3:
DBPSK传输系统
子菜单二:
调制器输入信号
外部数据信号
全1码
全0码
菜单项4:
0/1码
菜单项5:
特殊码序列
菜单项6:
m序列
子菜单三:
工作方式选择
匹配滤波
PCM
ADPCM
子菜单四:
增强调制选择
AM
FM
QPSK
OQPSK
PI4QPSK
MSK
菜单项7:
GMSK
菜单项8:
16QAM
菜单项9:
64QAM
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- FSK 传输 实验