1、1通信原理作业班级：通信 112 班学号：201127138姓名：张少华日期：2014、5、252第一章：绪论1.1 引言随着电子计算机的普及，数据通信技术正在迅速发展。数字频率调制是数据通信中常见的一种调制方式。频移键控（FSK）方法简单，易于实现，并且解调不须恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。因此，FSK 调制技术在通信行业得到了广泛地应用，并且主要适用于用于低、中速数据传输。由于 FSK 调制解调原理相对比较简单，作为数字通信原理的入门学，理解 FSK 后可以容易理解其他更复杂的调制系统，为以后的进一步发展打下基础。1.2 FSK 简介数字频率调制又称频移键控(FsK
2、Frequency Shift Keying)，二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。 2FSK 信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK 键控法 则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。第二章：理论基础
3、2.1 2FSK 调制原理及方法32.1.1 2FSK 调制的基本原理用基带信号 )(tf对高频载波的瞬时频率进行控制的调制方式叫做调频，在数字调制系统中则称为频移键控(FSK)。频移键控在数字通信中是使用较早的一种调制方式，这种方式实现起来比较容易，抗干扰和抗衰落的性能也较强。其缺点是占用频带较宽，频带利用串不够高，因此，额移键控主要应用于低、中速数据的传输，以及衰落信道与频带较宽的信道。2.1.2 2FSK 信号的表达式和波形图频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在 2FSK 中，载波的频率随二进制基带信号在 1f和 2两个频率点间变化。故其表达式为：（式 2.1） 假设二进制序列
4、 s（t）为 l01001 时，则 2FSK 信号的波形如图 2.1.2 所示 图 2.1.2 2FSK 信号的波形从图中可以看出，一个 2FSK 信号可以看成是两个不同载频的 2ASK 信号的叠加。因此，2FSK 信号的时域表达式又可写成式中：g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为 sT；4f1 门电路 1门电路 2相加倒相f2基带信号输入模 拟调 频 器)(tS )(2tSFKxa是 的反码，若 xa=1，则 x=0；若 xa=0，则 x=1，于是n和 分别是第 n 个信号码元的初相位。在移频键控中， n和 不携带信息，通常可令和为零。2.1.3 2FSK 信号的带宽由式(2.1)可知，2FSK
5、信号可以看成是两个不同载频的振幅键控信号之和，因此它的频带宽度是两倍数字基带信号带宽(B)与 12cf之和，即：12cscfTfBW2.1.4 2FSK 调制方案的比较2FSK 信号产生的方法主要有两种。一种可以采用模拟电路来实现（即直接调频法） ；另一种可以采用键控法来实现。（1） 直接调频法原理所谓直接调频法，就是用数字基带信号去控制一个振荡器的某种参数而达到改变振荡频率的目的。如图 2.1.3 所示图 2.1.3 直接调频法原理框图（2）键控法原理该方法就是在二进制基带矩形脉冲序列的控制 下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元 sT期间输出 1f或 2两个载波之一
6、。其原理如图 1.2.2 所示，它将产生二进制 FSK 信号。图中，数字信号控制两个独立振荡器。门电路（即开关电路）和按数字信号的变化规律通断。若门打开，则门关闭故输出为 1f，反之则输出 2f。这种方法的特点是转换速度快、波形好，而且频率稳定度可以做得很高。频率键控法还可以借助数字电路来实现。以上两种 FSK 信号的调制方法的差异在于：由直接调频法产生的 2FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。 （这一类特殊的 FSK，称为连续相位 FSK 而键控法产生的 2FSK 信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。5图 21.4 键控法原理框图2.1
7、.5 2FSK 调制方案的选择我们组选择采用键控法来产生 2FSK 信号，主要基于以下 2 个原因：1：直接调频法产生的移频键控信号虽易于实现，但由于是同一振荡器产生两个不同频率的信号，在频率变换的过渡点相位是连续的，其频率稳定度较差。而且这种方法产生的 FSK信号频移不能太大，否则振荡不稳，甚至停振，因而实际应用范围不广，仅适用于低速传输系统。2：频率键控法是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。由于产生 1f和 2载频是由两个独立的振荡器实现，则输出的 2FSK 信号的相位是不连续的。这种方法的特点是转换速度快，波形好，频
8、率稳定度高，电路不甚复杂，在实用中可以用一个频率合成器代替两个独立的振荡器,再经分频链，进行不同的分频，也可得到 2FSK 信号。2.2 2FSK 信号解调方案的比较与选择数字调频信号的解调方法很多，如相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。下面就相干检测法、非相干检测法、过零检测法和差分检测法进行介绍。2.2.1 滤波+包络检波法2FSK 信号的包络检波法解调方框图如图 2.2.3 所示，其可视为由两路 2ASK 解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的 2ASK 信号带宽；中心频率不同，分别为 1f、 2起分路作用，用以分开两路 2ASK 信号，上支路对应 ，下支
9、路对应 ，经包络检测后分别取出它们的包络 及 ；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路 及 的抽样值分别用 表示，则抽样判决器的判决准则为6图 2.2.1 2FSK 信号包络检波方框图2.2.2 相干检测法相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图 2.2.2 所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值 进行比较判决（判决规则同于包络检波法） ，即可还原出
10、基带数字信号。图 2.2.2 2FSK 相干检测方框图2.2.3 过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图 2.2.4 所示。在图中，2FSK 信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的尖脉冲序列，这些尖脉冲的密集程度反映了信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点数。把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，以增大其直流分量，该直流分量的大小和信号频率的高低成正比。然后经低通滤波器取出此直流分量，这样就完成了频率幅度变换，从而根据直流分量
11、幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。BPFBPF半波全波整流半波全波整流LPFLPF抽样判决器定时脉冲2FSK7图 2.2.3 过零检测法方框图及各点波形图2.2. 4 差分检波法差分检波法的原理如图 2.2.4 所示，输入信号经接收滤波器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送到乘法器（平衡调制器） ，另一路经时延 送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。解调的原理可作如下说明：设输入为 tA)cos(0，它与时延 之波形的乘积为 )cs()cos(00 ttA若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为 )(20COSV可见， V是角频率偏移 的函数，但却不是一个简单的函数关系。现在我们
12、是当地选择使 0cos则有 in= 1，故此有 sin)2(AV 当 20时或 当 时若角频偏较小； 1，则有 )(2当 0时或 AV 当 2时由此可见，当满足条件 0cos及 1 时，输出电压 V将与角频偏呈线性关系。这是鉴频特性所要求的。2.2.5 2FSK 解调方案的选择过零检测法较其他三种分析方法更简单，因此我们决定用过零检测法来实现FSK 信号的解调。2.3 FSK 系统性能对于 FSK 采用非相干解调，在高斯白噪声信道环境下的平均误码率为： )2exp(10NEPb8对于一个实际通信设备，其性能一般较理论性能在 上要恶化几个 dB，一般可达0NEb（23dB） 。因而，对于一个调制
13、方式已确定的信道设备，对于其误码率的测量是一个十分重要的环节。一方面可以衡量其在实际信道环境下的性能，比理论值所恶化的程度；另一方面，通过测量设备的信道误码率指标，可以判断当前设备是否工作正常。对设备信道误码率指标的测量，不仅仅对该设备的性能有所了解，同时它也是通信系统工程方面（系统建立、维护）重要的工具。1.误码率测量对信道误码率的测量一般需通过误码测试仪进行。误码测试仪首先发送一串伪码给信道设备，信道设备将 FSK 信号发送，并经信道返回（主要是完成加噪功能） ，然后解调。将解调之后的数据再送入误码测试仪进行比较，将误码进行计数。而后将误码率显示出来： 发eP3.调制指数调制指数(h，单位为 bit/Symbol)，也被称为带宽效率，是以 bit/s/Hz 为单位来度量。较高的 h 会有较高的设备费用、复杂性、线性、以及为了保持与低 h 系统相同的误比特率而引起的 SNR 的增加。信噪比（SNR：Signal to Noise Ratio）工程应用中，SNR 的定义信号和噪声在功率上的比值。总结：通过 FSK 调制，可以采用直接调频或频移键控，将数字信号调制为以频率表示的余弦波信号，在传播中有效防止误码的发生，提高传输可靠性。FSK 检波可采用相干检测法、非相干检测法、过零检测法和差分检测等方法，从而将包含在余弦波中的信号恢复，已达到数字传输的目的。
