通信原理实验报告FSK传输系统实验

FSK 传输系统实验

一、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：

b c b b FSK T t t f f T E S ≤≤?+=0)22cos(2ππ （二进制１）

b c b b FSK T t t f f T E S ≤≤?-=0)22cos(2ππ （二进制０）

其中2πΔf 代表信号载波的恒定偏移。

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。FSK 的信号频谱如图3所示。

图3 FSK 的信号频谱

FSK 信号的传输带宽Br ，由Carson 公式给出：Br=2Δf+2B

（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。

二、实验内容

（一）FSK 调制

1.将KP03放置在FSK端。

2.测量FSK系统输入码元传输速率。TPM01为发送码元传输时钟，记为f b。实验现象及分析：

上图为示波器观察TPM01所得信号波形，可见发送马原传输时钟为方波信号波形，由上图右侧红框中CH2频率测量值可以读出频率为8.000kHz，即FSK系统输入码元传输速率fb=8kHz.

3.FSK传号频率和空号频率测量

KG01放在测试数据，KG02[3:1]=100，此时FSK调制的输入数据为一周期较长的随机码流，以FSK输入数据TPM02为同步，观察FSK输出波形TPi3。用光标测量传号频率，记为f1；空号频率，记为f2。比较f b，f1，f2之间的关系。计算FSK的中心频率f0，Δf，带宽。

实验现象及分析：

上图为由光标测量传号频率，CH1黄色波形为FSK调制后波形，CH2蓝色波形为对应的FSK系统输入数据随机码流。由上图红框中可见测得频率为

31.25kHz，所以传号频率f1约为32kHz。

上图为由光标测量空号频率，由上图红框中可见测得频率为15.63kHz，所以传号频率f1约为16kHz。所以，fb=8kHz，f1=32kHz，f2=16kHz。它们之间的关系为，f2是fb的2倍，f1是f2的2倍，即f1是fb的4倍。

根据f1=f0+Δf

f2=f0-Δf

可求得中心频率f0=(f1+f2)/2=(32kHz+16kHz)/2=24kHz

Δf=(f1-f2)/2=(32kHz-16kHz)/2=8kHz

带宽B=f1-f2+2Δf=32kHz-16kHz+2×8kHz=32kHz

可见Δf和fb都是8kHz，有f1-f2=2Δf=2fb，所以频谱上不会出现重叠，解调比较容易。

4.发端同相支路和正交支路信号的李沙育（x-y）波形观测

实验现象及分析：

理论上得到的李沙育波形应该是个圆，但是实际测得波形如上图，是个椭圆，说明两路信号的振幅不相等，振幅相等时应该得到正圆。并且该椭圆波形不是关于x-y轴对称的，而是呈-45°斜置的椭圆，说明由实验箱得到的两路信号并不是完全正交的，即相位差不是90°。观测时能够看到波形是闪烁的，说明两路信号频率比值不稳定。

5.正交调制输出信号观察

示波器测量TPK03波形，以TPM02为同步。观察TPK03的包络情况。

实验现象及分析：

上图中CH1黄色波形为TPK03波形，即调制波形。下方CH2蓝色波形为TPM02波形，即FSK输入数据。可以从上图蓝色方框中看出，CH1波形在蓝色方框内的包络波形频率明显比其他地方的包络波形频率大，约为2倍关系，即对应CH2的FSK输入数据为高电平时，CH1调制波形包络频率高，对应FSK输入数据波形为低电平时，CH1调制波形包络频率低。并且CH1调制波形的变化略微滞后于CH2的FSK输入数据的变化，符合调制电路产生延迟的规律。

6.FSK调制信号频谱观测

利用示波器的FFT功能查看频谱。用波器测量中频调制信号（TPK03）。先将示波器调到125kHz/div，选择hanning窗，然后将频谱扩展10倍，旋转水平位移旋钮，观察1.024MHz 频率点附近波形。先把KG02跳线全部拔除，则FSK调制输入数据为全1码，观测FSK信号频谱。再将KG02[3:1]=100，观测并记录FSK信号频谱。注意标明特殊点的频率值和幅值，与步骤2中计算的带宽作比较。

实验现象及分析：

上图是输入为全1码时1.024MHz 频率点附近波形。中间稍微低一点的峰值是1.024MHz ，两侧两个稍微高一点的峰值与1.024MHz 分别相距32.5kHz ，即相距32kHz 左右。这3个峰每个峰的宽度约为8kHz 左右。此时传输的是全1码，已知码元传输速率fb 为8kHz ，传号频率为32kHz ，与调制频谱情况相吻合。因为以1.024MHz 为中心点的话，左右各有一个相距32kHz 的频谱峰值。从左到右992kHz 、1.024MHz 、1.056MHz 位置上三个峰值测得幅值分别为-15.3dB 、-25.3dB 、-2.35dB 。

全1码时FSK 信号表达式为：])2cos[(])22cos[()(00t f t f f t s ?+=?+=πωππ，

进行傅里叶变换得到频谱表达式为：

)]2(-[()]2([)(00f f S ?+?++=+πωωπδπωωπδω

由于调制后频谱被搬移，即搬移到1.024MHz 附近。f ?+πω20即此处为32kHz,形成992kHz 、1.056MHz 两个位置上的频谱峰值。而1.024MHz 上较小的峰可能是由于左右两个峰的边带噪声或谐波分量叠加形成的。从示波器下部可以看出，频谱上还是有比较多的小分量噪声的：

992kHz 处频谱峰值比1.056MHz 处的低，可能是由于调制前左峰处于负频率，在进行调制搬移时造成了衰减。也有可能是由于右峰叠加了混入的高频噪声分量。

上图为设置KG02[3:0]=100，即随机数据码流的FSK 调制信号频谱图。相比于全1码，随机码流在原来频谱上叠加了)]2([0f ?+-πωωπδ和)]2(-[0f ?-πωωπδ等其他复杂频谱分量，所以形成了较为复杂的频谱波形。但是从框起来的三个蓝框中还是可以辨认出全1码中的992kHz 、1.024MHz 、1.056MHz 三个位置上的峰值，并且三者的大小关系也与全1码中基本相同。

（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（接收端）。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） 全部拔除KG02跳线，则FSK 调制输入数据为全1码，观察时域和频域

波形。不断加入噪声，观察频域和时域波形。

实验现象及分析：

上图为全1码无噪声解调时域波形，CH1黄色波形为解调波形，CH2蓝色波形为全1码输入数据波形。由蓝框中测量可以看到解调波形频率为32kHz，即传号频率。对应频谱见下图：

全1码无噪声解调频域波形中仅在32kHz频率点处有一幅度为-7.37dB的峰值，其他位置的幅值都在-40dB以下。所以对解调几乎无影响。

加入噪声时一共有0、1、2、3、4、5、6、7共8档噪声可供选择，0档即无噪声。将跳线选择在1档噪声处，得到时域波形如下图：

由两条我加上去的蓝色虚线可以看出，加入1档噪声后，虽然解调波形仍然为32kHz，但幅值上不再是相同的了，而是出现了类似调幅波的起伏。对应的频域波形如下图：

可以从蓝框中看出峰值还是出现在32kHz处，但是因为叠加上了噪声，所以幅度从原来-7.37dB增加为-6.99dB。从绿框当中可以看出加入的噪声频点集中分布在0~200kHz内，但因为幅值有限，基本在-67dB以下，所以对解调的影响不是很大。

继续加大噪声，把跳线插在噪声档5档处得到时域波形如下图：

可以看到，CH1解调波形几乎就完全是噪声了。对应的频谱图如下图：

频谱图上最高的峰值还是出现在32kHz处，但是只有-11.4dB，而且周围的噪声都有-20dB左右，集中分布在0~300kHz范围内，所以对解调产生了很大的影响，无法正确解调。

（2）将KG02[3:1]=100，观察时域和频域波形。不断加入噪声，观察频域和时域波形。

实验现象及分析：

无噪声随机码解调时域波形如上图，CH1黄色波形为解调波形，CH2蓝色波形为随机输入数据波形。可以明显看出高电平对应高频率，低电平对应低频率的上下关系。对应的频域波形如下图：

由两个高的蓝框中可以看出，频谱中最高的两个峰值出现在16kHz处和32kHz 处，分别对应低电平和高电平的译码波形频率，幅值都是-13dB。两个峰值周围存在着向两边衰减的频率分量是由于高低电平转换时由电路产生的译码频率变化是渐变的而不是突变的，因而出现了两边的衰减分量。中心位置24kHz处的幅值为-53dB，远远小于两个峰值。

加入1档噪声的时域波形如下图：

加入1档噪声后，解调波形不再等幅，由两条蓝色虚线能够明显看出。对应频谱如下图：

由绿框中能够明显看出，整个频段内都出现了-40dB左右的噪声，16kHz和32kHz 两处为-13dB。由于噪声幅值不太大，所以只是对解调波形产生了一些幅值上的微弱影响。

加入5档噪声的时域图如下：

CH1解调波形就完全如同噪声了，完全看不出与下方数据波形的对应关系。此时的频谱图如下图：

由绿框中可以明显看出，此时噪声幅值与16kHz和32kHz两处的峰值幅值已经很接近了，边带频率分量绝大多数都被淹没在了噪声之中，所以没有办法正确解调。

2.FSK的输入/输出数据

测试点TPM02是调制输入数据，TPM05是解调输出数据。观测输出数据信号是否正确。观测时，用TPM02点信号同步。

实验现象及分析：

CH2蓝色波形为调制输入数据波形，CH1黄色波形为解调输出数据。图中我加入了蓝色虚线标明CH1与CH2的波形对应关系。可见CH1解调输出与CH2调制输入的波形完全相同，只是CH1解调输出比CH2调制输入波形延迟了大约500us。完全符合调制解调的规律，验证了系统能够正确解调，而解调电路对信号产生了一定的延迟。

三、实验中遇到的问题及实验小结

1.一开始不知道在示波器上怎么观测李沙育图，后来发现在示波器上把“格式”调为“x-y”即可。

2.注意在观察调制信号频谱时要选择hanning窗，观察1.024MHz频率点附近波形。要注意在示波器中看到以下内容来确定调节正确：

确定是hanning窗

确定观察的是1.024MHz频率点附近。

3.在加入噪声的实验中通过改变跳线位置来改变加入的噪声大小。较低位置的跳线对应较小的噪声，较高位置的跳线对应较大的噪声。