实验二 FSK调制解调综合实验

实验二 FSK调制解调综合实验
一、实验目的
1．加深对FSK调制原理的理解
2．加深对FSK信号过零点检测法解调原理的理解
3．加深对位同步提取原理的理解
4．了解码再生原理
5．了解锁相环对消除相位抖动的作用
二、实验内容
1．FSK实验．
①载频和位定时实验③ FSK调制实验
②伪随机码基带信号实验
2．FSK解调实验
①载波整形实验
②过零检测法解调FSK基带实验
③过零检测法提取位同步信号实验
④基带判决形成实验
⑤解调FSK基带眼图实验
三、FSK基本原理
移频键控，或称数字频率调制，是数字通信中使用较早的一种调制方式；数字频率调制的基本原理是利用载波的频率变化来传递数字信息。

在数字通信系统中，这种频率的变化不是连续的，而是离散的。

比如，在二进制的数字频率调制系统中，可用两个不同的载频来传递数字信息。

移频键控常常可以写FSK(Frequency Shift Keying)
FSK广泛应用于低速数据传输设备中，根据国际电报和电话咨询委员会(CCITT)的建议，传输速率为1200波特以下设备一般采用FSK。

FSK方法简单、易于实现，解调不需要恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。

由于这个原因，FSK是在模拟电话网上用来传输数据的低速、低成本，调制解调制器的一种主要调制方式。

在一个FSK系统中，发端把基带信号的变化规则转换成对应的载频变化，而在收端则完成与发端相反的转换。

由于FSK信号的信道中传输的是两个载频的切换，那么其频谱是否就是这两个载频的线谱呢?或者说信道的频带只要这两个载频之差就够了呢?答案是否定的。

设FSK的两个载频为fl、f2，其中心载频为fo=(fl+f2)/2；又设基带信号的速率为fs。

这样，经过分析，FSK的频谱图如图4.1所示。

曲线a对应的fl=fo+fs，f2=fo-fs；曲线b对应的fl=fo-0.4s，f2=fo-0.4s。

从图4.1中我们可以看出:
(l)相位不连续FSK频谱由连续谱和线谱组成，线谱出现在两个载频位置上。

(2)相位连续FSK若两个载频之差较小，比如小于fs，则连续谱出现单蜂；若两个载频之
差逐渐增大，即fl 与f2的距离增大，连续谱将出现双峰。

(3)由此可见，传输FSK 信号所需的频带Δf 约为 s f f f f 212+-=∆
本实验为传输25000波特基带信号的FSK 实验，采用改变分频链分频比来实现移频键控。

收端采用过零检测恢复基带信号；并从恢复的基带信号中直接提取码元定时信号。

图4.1a 相位不连续信号的频谱示意图 图4.1b 相位连续信号频谱示间图
二、实验原理和电路说明
实现数字频率调制的方法很多，总括起来有两类:直接调频法和移频键控法。

本实验就是移频键控法，它便于用数字集成电路来实现。

数字频率调制的解调方法一般有三种:鉴频法、过零检测法和差分检波法。

本实验采用过零检测法。

目前，低速率的移频键控调制解调器己有专用的集成电路，例如 MOTOROLA 公司的MC6860等。

本实验为帮助实验者理解原理仍采用小规模集成电路实验。

实验电路的总方框图如图4.2所示。

实验电路分成FSK 发送(调制)和FSK 接收(解调)两部分(合装在一个实验架上)，左为FSK 发，包括方波源、调制器、M 序列发生器等；右为FSK 收，包括过零检测、位同步、码再生等。

FSK 发送部分线路图示于图4.3，FSK 接收部分线路图示于图4．4。

(一)方波源和M 序列发生器
方波源由4MHZ 晶振产生，经4分频产生1MHZ 方波，再经10分频，产生100KHZ ，8分频产生125KHZ 调制载波。

M 序列发生器由四级移位寄存器组成，形成长度为24 -1=15的伪随机序列，充当信码。

其
信码定时是方波源输出信号经40分频得到。

速率25Kb/s 。

(二)调制器
调制器为全数字的可变分频比的分频链。

其逻辑图如图4.5所示。

从图4.5可以看出，信码为“1”时，分频链作10分频，即输出频率为“0”时，分频链作8分频，输出频率为125KHZ 。

由于这时的输出为对称方波，所含频率分量较丰富，即要占据较宽的信道频带，为节省频带，在送入信道前，只取基频分量就可以了，所以在调制器后接有一带通滤波器，中心频率为112.5KHZ ，其带宽应为多少，作为思考题留作实验报告的一项计算内容。

这样，在发送部分的输出端，就得到相对于“1”和“0”码的l00KHZ 和125KHZ 的正弦波。

但是，如果带通的中心
频率发生偏移或带通的通带特性不平坦，都会给输出的FSK 信号带来寄生调幅，应尽量使之减小。

(三)过零检测
在实验接收端对FSK 信号的解调是用过零检测方法实现的，其原理如图4.6所示。

输入信号a 经限幅后产生矩形波序列b ，经微分e ，整流就形成与频率变化相应的脉冲序列d ，这个序列就代表着调频波的过零点。

将其变换成具有一定宽度的矩形波e ，并经过低通滤波器滤除高次谐波，便能得到对于原数字信号的基带脉冲信号。

(四)位同步
在数据传输设备的接收端，位同步为码的再生所必需，而在数字通信中，常常是不发送导频或位同步信号的，这就必须直接从数字信号中提取位同步。

本实验就采用这种直接从数字信号中滤波提取位同步的方法，其原理如图4.7所示。

我们知道，一个不归零的随机二进序列，不能直接从该序列中滤出位同步信号，但是，若对该信号进行某种变换，例如变成归零脉冲后，则该序列中就有S S T f 1 的位同步信号分量，
经一窄带滤器，就可滤出此信号分量，再将它经相位调整(移相器或延迟)就形成位同步脉冲。

(五)码再生
从过零检测低通滤波器输出的信号，必须进行码再生才能恢复出和发端相同的非归零信码。

码再生电路用一比较器对解调获得的基带信号进行零电平判决，再由一触发器对判决信号进行抽样定位，如图4.8所示。

所不同的是，这种码元定时是由位同步提供的。

这样,解调、
同步和码再生就组成了一个较完整的数字通信接收系统。

三、实验仪器及设备
二踪同步示波器 CA8020
数字频率计 1202
直流稳压源 HT－1712
万用表 500 型
实验电路板箱 FSK调制解调实验，华南理工大学电子与信息工程系
四、实验内容步骤
准备工作：
1、按实验板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机；
2、把实验板电源连续线接好；
3、开机注意观察电流表；
正电流＋I＜200mA
－I＜60 mA
若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。

A、FSK发送实验
1．测量1.1方波源的波形（记录测量点的频率）
2．测量1.2的波形（记录测量点的频率）
3．测量1.3的波形（记录测量点的频率）
4．测量1.4的位定时波形。

（记录测量点的频率）
5．测量1.5的伪随机序列，与1.4比较画出整个序列的波形（画出测量点1.4和1.5的波形）
6．频率计接1.6
a) K1接0时，1. 6输出l25KHZ方波载频，即0码时，发送l25KHZ载频
b) K1接1时，1.6输出100KHZ方波载频，即1码时，发送100KHZ载频
c) K1接M，用示波器A线接l.5，并用A线触发，B线接1.6，观察记录调制的FSK方波输出信号。

（画出波形）
B、FSK接收实验，基带解调
注意:做下述1、2、3、4实验时，示波器看不到稳定的波形，这是载波信号有两个频率的缘故。

为了理解其工作原理，可把K1置“1”。

1．限幅器把正弦波变换成跳变陡峭的方波以取得过零点信息，用LM311比较器作过零检测。

2.1端可测到方波。

（记录2.1的频率）
2．A线接2.1,B线接2.2，观察记录微分整流形成的过零点信息。

（画出2.2波形）
3．用IC13单稳态电路，把窄脉冲展宽成一定宽度的脉冲，目的在于扩大FSK信号两个频率之间的直流分量差距，以利于解调时识别。

示波器A线接2.2,B线接2.3，观察记录脉冲展宽波形。

（画出2.3波形）
4．K1接M，频率计接2.3，应显示223KHZ频率，才能获得较好的解调基带波形，若频率不对，可关断电源，重新开机至223KHZ频率为止。

5．本实验用IC14两级有源低通滤波器把过零信息中的基带信号提取出来。

示波器A线接l.5,B线接2.4，观察记录解调的基带信号波形。

注意：此时K1应接“M”，如果接“1”或“0”。

由于FSK信号相当于没有加调制信号。

因而2.4点会无信号输出。

（画出2.4波形）
C、FSK接收实验，位同步提取（选作）
开关位置:
K1接M 即发端加调制信号
K2接1 即基带信号不加相移
K3接2 即基带加归零码变换
K4接1 即位同步不加锁相提纯
K5接l 即位同步加延时形成
1．位同步提取的最关键一步是基带信号作归零码变换。

本实验用IC16把基带进行过零检测整形，然后用BG2、D3、D4检测过零点信息，把A线接2.4、B线接2.6、2.7。

作记录。

2．示波器A线接2.7,B线接2.8，观察记录带通滤波器提取的位同步分量。

由于带通滤波器Q值不够高，2.8点波形会出现少量的衰减振荡。

从这里可看出，如果连“0”数太多，或连“1”数太多，用过零检测法位同步就无法提取。

3．用IC10、IC9整形产生位同步信号，用示波器A线接2.8,B线接2.9,观察记录整形后的位同步信号，用频率计测量2.9的频率，与发端1.4的位定时进行仔细比较。

你会发现，2.9的频率与1.4的频率虽然相同，但2.9脉宽不等，并且边缘模糊。

这是由于带通滤波器频带不够窄，Q值不够高，有干扰所致。

并作记录。

4．K4接2，即位同步加锁相环提纯，频率计改接2.10，示波器A线接2.10，并与1.4比较，收端位同步经锁相环4046提纯后，其频率稳定度达到发端位同步的晶体稳定度。

2.10位定时每个脉冲宽度都是相等的。

无边缘抖动，示波器显示波形清晰。

而2.9波形位定时有边缘抖动。

如2.10频率与1.4不同，可调W3使其相等。

5．2.11为2.9移位后形成的位定时信号。

这里采用2.11作为码再生判决时钟，用示波器比较2.11和2.9的相位关系，用频率计读取2.11和2.9的频率。

D、眼图、奈奎斯特准则实验（观察实验）
开关位置与C相同
l．A线接2.4解调的基带信号,B线接2.9时钟信号，示波器触发B线。

微调示波器扫描频率观察2.4点基带信号眼图。

注意观察眼图为什么要用2.9信号触发，试改用A线触发看能否观察到眼图。

2．A线改接2.5，观察记录2.5点眼图，可以看到2.5眼图宽度己经发生变化，调整W1改变系统传输频带，使其逐渐变窄，注意眼图的变化，随着W1的变化眼图开启度逐渐变小，并产生拖尾越严重，过零点宽度逐渐变宽，即传输频带不符合奈奎斯特准则时，会产生码间干扰。

把K2接2时，即用2.5基带提取位同步时，示波器看到2.9位同步信号边缘抖动大，甚至2.9频率也在变化。

2.13判决输出的信号与1.5发端基带比较会有较大的误码。

当你把K2接回1时，即用2.4基带提取位同步时，示波器看到2.9位同步信号边缘抖动小。

2.9频率与发端位同步信号相同。

2.13判决输出正确。

3．示波器A线接2.5，B线接2.11，重调出2.5眼图，在有码间干扰的情况下，把W1作反方向调节，随着W1变化，眼图开启会逐渐变大，拖尾会逐渐变小，最后可获得比较好的眼图，即我们可以通过补偿传输频带的方法，使码间干扰逐渐减少，这就是频域均衡的原理。

五、实验报告
1．整理实验数据、波形
2．简述FSK系统的组成及各部分作用。

3．实现FSK调制和解调还有别的办法吗?
4．估算本实验调制器后的通带滤波器应有多宽的通带。

5．说明本实验低通滤波器解调基带的截止频率，及带通滤波器提取位定时的中心频率。

6．为什么利用FSK波形过零点可检测出信码来。

7．从信码中直接提取位同步是如何使信码变换成含有位同步信息的?
8．为什么2.9位定时频率抖动大，而2.10频率位定时抖动小。

9．提取的位定时为什么要经过时延?
10．通过本实验有什么收获和体会。

11．对改进本实验有什么建议。

六、学生易患的测量错误
FSK调制信号由于有两个频率，如果测量方法不当，会很难看到稳定的波形。

1．观察1.6调制信号波形时，有不少学生把示波器另一线接在1.2或1.3载频上。

由于已调信号有两个频率，不能观察到稳定调制波形，正确测量方法，应把A线接1.5，基带信号，B线接1.6己调信号，并选A线作为触发同步信号，这时才可以看到稳定的已调信号。

2．测量2.1、2.2过零检测信号时，由于有两个频率，波形也是不稳定的，为了理解过零检测工作原理，此时可把发端K1暂时从“M”转至“0”或“1”。

即输出单一稳定的载波，此实验做完后，应把K1转回接至“M”。

3．测量2.4波形时，不少学生会无输出信号，这时应检查K1是否放在“M”位置。

当K1接“0”或“1”时，由于没有调制信号，2.4当然没有输出。