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1、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：bcbbFSKTttffTES0)22cos(2（二进制）bcbbFSKTttffTES0)22cos(2（二进制）其中 2f 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=2f+2B （二） F
2、SK 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 调制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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fb。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
3、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，KG023:1=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 fb，f1，f2之间的关系。计算FSK 的中心频率f0，f，带宽。实验现象及分析：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 14 页 -
4、- - - - - - - - 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+f f2=f0-f 可求得 中心频率 f0=(f1+f2)/2=(3
5、2kHz+16kHz)/2=24kHzf=(f1-f2)/2=(32kHz-16kHz)/2=8kHz 带宽 B=f1-f2+2f=32kHz-16kHz+28kHz=32kHz 可见f 和 fb 都是 8kHz，有 f1-f2=2f=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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 14 页 - - - - - - - - - 理论上得到的李沙育波形应该是
6、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。正交调制频率频率幅度幅度幅度频率一般调制基带频谱中频频谱带通滤波器实验现象及分析：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理
7、- - - - - - - 第 4 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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
8、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 KG023:1=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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第
9、 5 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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、-25.3
10、dB、-2.35dB。全 1 码时 FSK 信号表达式为：)2cos()22cos()(00tftffts，进行傅里叶变换得到频谱表达式为：)2(-()2()(00ffS由于调制后频谱被搬移，即搬移到1.024MHz 附近。f20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
11、频噪声分量。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 14 页 - - - - - - - - - 上图为设置 KG023:0=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和)2(-0f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）
12、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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 14 页 - - - - - - - - - 上图为 全 1 码无噪声解调时域波
13、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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
14、第 8 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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 0200kHz 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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -
15、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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 0300kHz 范围内，所以对解调产生了很大的影响，无法正确解调。（2） 将 KG023:1=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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -
16、- - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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2
17、4kHz 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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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
18、如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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。
19、观测时，用TPM02 点信号同步。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 14 页 - - - - - - - - - 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
20、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 14 页 - - - - - - - - -