现代通信实验实验四

四川大学电子信息专业实验报告课程通信原理实验实验题目振幅键控、移频键控、移相键控调制与解调实验学生姓名评分学号班级同实验者实验时间地点电子信息学院专业实验中心一、 实验目的1． 掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。

2． 掌握用键控法产生2ASK 、2FSK 信号的方法，以及2ASK 相干解调、2FSK 过零解调的原理 3． 掌握相对码波形与2PSK 信号波形之间的关系。

4． 掌握2ASK 、2FSK 信号的频谱特性。

二、 实验内容（含技术指标）1． 观察绝对码、相对码波形。

2． 观察2ASK 、2FSK 信号波形。

3． 观察2ASK 、2FSK 解调信号波形。

4． 观察2FSK 过零检测解调器各点波形。

三、 实验仪器（仪器名称、型号，元器件名称、清单，软件名称、版本等）1． 信号源模块。

2． 数字调制模块。

3． 数字解调模块。

4． 数字示波器一台。

5． 连接线若干。

四、 实验原理（基本原理，主要公式，参数计算，实现方法及框图，相关电路等）调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数值调制。

由于被调载波有幅度、频率、相位三个独立的可控参量，当用二进制信号分别调制这三种参量时，就形成了二进制振幅键控（2ASK ）、二进制移频键控（2FSK ）、二进制移相键控（2PSK ）三种最基本的数字频带调制信号，而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。

（一）2ASK 调制与解调原理1。

.2ASK 调制。

在振幅键控中载波幅度是随着基带信号而变化的。

将载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来表示基带信号的1或0，这样就可以得到2ASK 信号这种二进制振幅键控方式称为通——断键控，2ASK 典型的时域波形如图3-22所示其时域数学表达式为 2()*c o s AS Kn c S t a A tω= （3-15）式中，A 未调载波幅度，c ω为载波角频率，n a 为符合下列关系的二进制序列的第n 个码元101n Pa P⎧=⎨-⎩出现概率为出现概率为（3-16）3-22 2ASK 信号的典型时域波形综合式3-15和3-16，令A=1，则2ASK 信号的一般时域表达式为 2()ASK S t =()n s n a g t nT ⎡⎤-⎣⎦∑c o s ()c o sc c t s t t ω=ω式中1122s s s T T T 为码元间隔，g(t)为持续时间【-，】内任意波形形状的脉冲（分析时一般设为归一化矩形脉冲），而S （t ）就是代表二进制信息的单极性脉冲序列。

（见图3-23）为了更深入掌握2ASK 信号的性质，除时域分析外，还应进行频域分析。

由于二进制序列一般为随机序列，其频域分析的对象应为信号功率谱密度。

设g （t ）为归一化矩形脉冲，若g （t ）的傅氏变换为 g （f ），s(t),则g(t)为二进制随机单极性脉冲序列，且任意码元为0的概率为P ，则S （t ）的功率谱密度表达式为2222s ()(1)()(1)(0)()(318)sin 1();s s s sss sP f f P P G f f P G f T G f T f fT T ξπρπ=-+--⎡⎤==⎢⎥⎣⎦式中并与二进制序列的码元速率S R 在数值上相等。

可以看出，单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。

2ASK 信号的双边带功率谱密度表达式为[]2222221()(1)()()41(1)(0)()()(319)4ASK s c c s c c P f f P P G f f G f f f P G f f f f ξξ⎡⎤=-++-+⎣⎦-++--式3-19表明2ASK 信号的功率谱密度有两部分组成：（1）由g(t)经线性幅度调整所形成的双边带连续谱；（2）由被载波分量确定的载频离散谱。

图3-24为2ASK 信号的单边功率谱示意图对信号进行频域分析的主要目的是确定信号的带宽。

在不同的应用场合，信号的带宽有不同的定义，但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的“谱零点带宽”，这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含大部分信号功率的信号。

显然，2ASK 信号的谱零点带宽为[]202()()2()ASK c S c s s SB f R f R f R H z T =+--==3-20式中S R 为二进制序列的码元速率，它与二进制序列的信息率（比特率）b R （bit/s ）在数值上相等。

2ASK 信号的产生方法比较简单。

首先，因2ASK 信号的特征是对载波的“通—断键控”，用一个模拟开关作为载波的输出通断控制门由二进制序列S （t ）控制门的通断，S （t ）=1时开关导通，S （t ）=0时开关截止，这种调制方式称为通断键控法。

其次2ASK 信号可视为S （t ）与载波的乘积，故用模拟乘法器实现2ASK 调制也是很容易想到的一种方法，称其为乘积法。

在这里，我们采用的是通断键控法，2ASK 调制的基带信号和载波信号分别从“ASK 基带输入”和“ASK 载波输入”输入，其原理框图如图3-25所示。

3-25 2ASK 调制原理框图2。

.2ASK 解调。

2ASK 解调有非相干解调（包络检测法）和相干解调（同步检测法）两种方法，相应的接收系统原理框图如图3-26所示图3-26 2ASK 解调原理框图我们采用的是包络检波法，2ASK 调制信号从“ASK-IN ”输入经CA03和RA02组成的耦合电路至半波整流器（由DA02，DA03组成），半波整流后的信号经电压比较器UA01（LM339）与参考电位比较后送入抽样判决器进行抽样判决，最后得到解调输出的二进制信号。

标号为“ASK 判决电压调节”的电位器用来调节电压比较器UA01的判决电压。

判决电压过高，将会导致正确的判决结果的丢失；判决电压过低，将会导致解调结果中含有大量错码，因此，只有合理选择判决电压，才能得到正确的解调结果。

抽样判决用的时钟信号就是2ASK 基带信号的位同步信号，该信号从“ASK-BS ”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块儿引入。

在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰的条件。

本实验中为了简化实验设备，在调制部分的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道是理想的，所以在解调部分的输入端也没有加带通滤波器。

（一）2FSK 调制与解调原理1 2FSK 调制。

2FSK 信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0,1状态而变化，即载频为0f 时代表传0，载频为1f 时代表传1,。

显然。

2FSK 信号完全可以看成两个分别以0f 和1f 为载频，以n a 和n a 为被传二进制序列的两种2ASK信号的组合。

2FSK 信号的典型时域波形如图3-27所示 一般时域数学表达式为 201()()c o s ()c os FA K n sn sn n S t a g t nT t a g t nT t ωω⎡⎤⎡⎤=-+-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑∑ 3-21 式中，00112,2,011n n n f f a a P a Pωπωπ==⎧=⎨-⎩是的反码，即概率为概率为1a 1n P⎧=⎨-⎩概率为P 0概率为因为2FSK 属于频率调制，通常可定义其频移键控指数为1010ssh f f T f f R =--=显然，h 与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对已调波带宽有很大影响。

2FSK 与2ASK 信号的相似之处是含有载频离散频谱分量，也就是说，两者均可以采用非相干方式进行解调。

可以看出当h<1时，2FSK 的功率谱与2ASK 的极为相似，呈单峰状；当h 》1时，2FSK 信号的功率谱呈双峰状，此时信号的带宽近似为2102()FS KsB f f R H z =-+ 2FSK 信号的产生通常有两种方式：①频率选择法；②载波调频法。

由于频率选择法产生的2FSK 信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制状态码元转换时刻，2FSK 信号的相位通常是不连续的这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。

载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK 信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号的带宽内。

在这里，我们选择的是频率选择法，其调制原理框图如图3-28所示。

由图可知，从“FSK基带输入”输入的基带信号分为两路，一路经U404(LM339)反相后接至U405B（4066）的控制端，另一路直接接至U405A（4066）的控制端。

从“FSK载波输入1”和“FSK载波输入2”输入的载波信号分别接入U405A和U405B的输入端。

当基带信号为1时，模拟开关U405A打开，U405B关闭，输出第一路载波；当基带信号为0时，U405A关闭，U405B打开，此时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。

3-28 2FSK调制原理框图2 2FSK解调。

2FSK解调原理：2FSK有多种方法解调，如包络检测法，相干解调法，鉴频法，过零检测法及差分检波法等，相应的接收系统的原理框图如图3-29所示。

3-29 2FSK解调原理框图这里采用的是过零检测法对2FSK信号进行解调。

大家知道，2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。

用过零检测法对FSK信号进行解调的原理框图如图3-29c所示。

其中整形1和整形2的功能类似于比较器，可在其输入端将输入信号叠加在2.5V上，可把输入信号进行硬限幅处理。

这样，整形1将2FSK信号变为TTL电平；整形2和抽样电路共同构成抽样判决器，其判决电压可通过标号为“2FSK判决电压调节”的电位器进行调节。

单稳1和单稳2分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，他们与相加器UA05(74HC32)一起共同对TTL电平的2FSK 信号进行微分，整流处理。

电阻RA14与RA16决定上升沿脉冲宽度与下降沿脉冲宽度。

抽样判决器的时钟信号就是2FSK基带信号的位同步信号，该信号从“FSK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。

【模块说明】（一）信号输入点参考说明数字调制模块：ASK基带输入：ASK基带信号输入点ASK载波输入：ASK载波信号输入点FSK基带输入：FSK基带信号输入点FSK载波输入1：FSK第一路载波信号输入点FSK载波输入2: FSK第二路载波信号输入点数字解调模块：ASK-IN:ASK调制信号输入点ASK-BS:ASK解调位同步信号输入点FSK-IN:FSK调制信号输入点FSK-FS:ASK解调位同步信号输入点（二）信号输出点参考说明数字调制模块：ASK调制输出：ASK调制信号输出点FSK调制输出：FSK调制信号输出点数字解调模块：OUT1:ASK调制信号经耦合电路后的输出点OUT2:ASK信号经二极管检波电路后的信号输出点OUT3:ASK检波后的信号经低通滤波器后的信号输出点ASK-OUT:ASK解调信号经电压比较器后的信号输出点（未经抽样判决）ASK解调输出：ASK解调信号输出点单稳输出1：FSK调制信号经单稳（UA04A74HC123）的信号输出点单稳输出2：FSK调制信号经单稳（UA04B 74HC123）的信号输出点过零检测：FSK解调信号经过零检测后的信号输出点FSK-OUT:FSK解调信号经电压比较器后的信号输出点（未经抽样判决）FSK:FSK解调信号输出点OUT4:模拟乘法器信号输出点【实验步骤】1将信号源模块，数字调制模块，数字解调模块，同步信号提取模块小心的固定在主机箱中，确保电源接触良好。