实验六十五 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验

实验六十五 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验 实验六 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验 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、2DPSK信号的方法。 3( 掌握相对码波形与2PSK信号波形之间的关系以及绝对码波形与2DPSK信号波形之 间的关系。 4( 掌握2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱特性。 二、实验内容 1( 观察绝对码和相对码的波形。 2( 观察2ASK、2FSK、2DPSK信号波形。 3( 观察2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱。 三、实验器材 1( 信号源模块 2( 数字调制模块 3( 频谱分析模块 4( 20M双踪示波器 一台 5( 频率计(选用) 一台 四、实验原理 调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数字调制。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。 1( 2ASK调制原理。 在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使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代表信号中的“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(OOK)。2ASK信号典型的时域波形如图15-1所示，其时域数学表达式为: StaAt()cos,,, (15,1) 2ASKnc 式中，A为未调载波幅度，为载波角频率，为符合下列关系的二进制序列的第n,acn 个码元: P0出现概率为,a, (15,2) ,n1出现概率为1,P, 综合式15,1和式15,2，令A,1，则2ASK信号的一般时域表达式为: 15,1 ，， ,,S(t)ag(tnT)cos,t,2ASKnsc,,n，， (15,3) ,S(t)cos,tc 式中，T为码元间隔，为持续时间 [,T/2，T/2] 内任意波形形状的脉冲(分析gt()sss 时一般设为归一化矩形脉冲)，而就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。 St() ar2 1 0 1 1 t 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts S(t)2ASK A t0 -A 图15-1 2ASK信号的典型时域波形 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。设为归一化矩形脉冲，gt() 若的傅氏变换为，则为二进制随机单极性矩形脉冲序列，且任意码元为0的gt()Gf()St() 的功率谱密度表达式为: 概率为P，则St() 2222P(f),fP(1,P)G(f)，f(1,P)G(0),(f) (15,4) sss ，，sin,,T1s式中，;Hz，并与二进制序列的码元速率R在数值上相f,GfT(),sss,,TfT,ss，， 等。可以看出，单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。2ASK信号的双边功率谱密度表达式为: 122,, P(f),fP(1,P)G(f，f)，G(f,f)，ASKscc24 1222,, (15,5) f(1,p)G(0),(f，f)，,(f,f)scc4 式(15,5)表明，2ASK信号的功率谱密度由两个部分组成:(1)由经线性幅度gt()调制所形成的双边带连续谱;(2)由被调载波分量确定的载频离散谱。图15-2为2ASK信号的单边功率谱示意图。 15,2 (f)/dB 2ASKP f f-4Rf-2R ff+2Rf+4Rcs cs c cs csf-3Rf-Rf+Rf+3Rcs cs cs cs 图15-2 2ASK信号的单边功率谱密度示意图 对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽。在不同应用场合，信号带宽 有多种度量定义，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信号大部分功率的信号。显然，2ASK信号 的谱零点带宽为 (Hz) (15,6) BfRfRfRT,，,,,,[()()]22/20ASKcscsss 式中，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)R(bit/s)在sb 数值上相等。 1234 2ASK信号载波开关电路 +5 基带信号S403TP403R402 S401TP401BNTP1KDDBNTP2C403图15-3 2ASK调制原理框图 334112 +53C406U400A334+5TL082ASK调制输出R403R424ASK载波输入U402A1K300K74HC4066+5C404R404104S402TP4021KU401BBNTPR406LM33910kR421713300K1 6ASK基带输入 R4051K C405104CC 图15-4 2ASK调制电路原理图 15,3 BB AA 1234 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调制载波的输出通/断控制门，由二进制序列控制门的通断，,St()St()1时开关导通;,0时开关截止，这种调制方式称为通,断键控法。其次，2ASK信号St() 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另一种方式，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，其原理框图和电路原理图分别如图15-3、图15-4所示。 2( 2FSK调制原理。 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，即载频为时代表传0，载频为时代表传1。显然，2FSK信号完全ff01 可以看成两个分别以和为载频、以和为被传二进制序列的两种2ASK信号的合fafa0nn1 成。2FSK信号的典型时域波形如图15-5所示，其一般时域数学表达式为 ，，，， (15,7) ,,，,S(t)ag(tnT)cos,tag(tnT)cos,t,,2FSKns0ns1,,,,nn，，，， 式中，，，是的反码，即 a,,2,f,,2,fann0011 P0概率为,a, ,n1概率为1,P, P1概率为,a, ,nP0概率为1,, ar2 1 0 1 1 t0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts S(t)2FSK A t0 -A 图15-5 2FSK信号的典型时域波形 15,4 因为2FSK属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为 (15,8) h,f,fT,f,f/R10s10s 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信号与2ASK信号的相似之处是含有载频离散谱分量，也就是说，二者均可以采用非相干方式进行解调。可以看出，当h<1时，2FSK信号的功率谱与2ASK的极为相似，呈单峰状;当h>>1时，2FSK信号功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似为 (Hz) (15,9) B,f,f，2R2FSK10s 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，在二进制码元状态转换(或)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0,11,0 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带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图15-6所示: 载波1开关1 倒相器基带信号 2FSK信号相加器 载波2开关2 图15-6 2FSK调制原理框图 由图可知，从“FSK基带输入”输入的基带信号分成两路，1路经U404(LM339)反相后接至U405B(4066)的控制端，另1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至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( 2DPSK调制原理。 2PSK信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和π相位载波分别代表传1和传0，其时域波形示意图如图15-7所示。 设二进制单极性码为a，其对应的双极性二进制码为b，则2PSK信号的一般时域数学nn 表达式为: ，， (15,10) ,,S(t)bg(tnT)cos,t,2PSKnsc,,n，， 15,5 ,a,P1当0时，概率为,n其中: b,,n，1当a,1时，概率为1,Pn, 则(15,10)式可变为: ,，，,,,，,g(tnT)cost当a0，，,,scn,,,，，n (15,11) S(t),,2PSK，，,，，g(t,nT)cos,t，0当a,1,scn,,,，，n, ar2 1 0 1 1 t 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts S(t)2PSK A t0 -A 图15-7 2PSK信号的典型时域波形 由(15,10)式可见，2PSK信号是一种双边带信号，比较(15,10)式于(15,3)式可知，其双边功率谱表达式与2ASK的几乎相同，即为: 22，，P(f),fP(1,P)G(f，f)，G(f,f)， PSKs2,,cc，， 1222 (15,12) ,,f(1,P)G(0),(f，f)，,(f,f)scc4 2PSK信号的谱零点带宽与2ASK的相同，即 B,(f，R),(f,R),2R,2/T(Hz) (15,13) 2PSKcscsss 我们知道，2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在这种绝对移相的方式中，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为2PSK的“倒π”现象，因此， 15,6 实际中一般不采用2PSK方式，而采用差分移相(2DPSK)方式。 2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移x表示(x定义为本码元初相与前一码元初相之差)，并设 ” ,,,,,数字信息“1 ” ,,,0,数字信息“0 则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下: 数字信息: 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 2DPSK信号相位: 0 0 0 π 0 π π π 0 0 π 或: π π π 0 π 0 0 0 π π 0 图15-8为对同一组二进制信号调制后的2PSK与2DPSK波形。从图中可以看出，2DPSK信号波形与2PSK的不同。2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调2DPSK信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值。只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了2PSK方式中的“倒π”现象发生。同时我们也可以看到，单纯从波形上看，2PSK与2DPSK信号是无法分辨的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息;另一方面，相对移相信号可以看成是把数字信息序列(绝对码)变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。 数字信息(绝对码) 0 0 1 1 1 0 0 1 PSK波形 DPSK波形 0 0 0 1 0 1 1 1 0相对码 图15-8 2PSK与2DPSK波形对比 为了便于说明概念，我们可以把每个码元用一个如图15-9所示的矢量图来表示。图中，虚线矢量位置称为基准相位。在绝对移相中，它是未调制载波的相位;在相对移相中，它是 15,7 前一码元载波的相位。如果假设每个码元中包含有整数个载波周期，那么，两相邻码元载波的相位差既表示调制引起的相位变化，也是两码元交界点载波相位的瞬时跳变量。根据ITU-T的建议，图15-9(a)所示的移相方式，称为A方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取0、π。因此，在相对移相后，若后一码元的载波相位相对于基准相位为0，则前后两码元载波的相位就是连续的;否则，载波相位在两码元之间要发生跳变。图15-9(b)所示的移相方式，称为B方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取π/2。因而，在相对移相时，相邻码元之间必然发生载波相位的跳变。这, 样，在接收端接收该信号时，如果利用检测此相位变化以确定每个码元的起止时刻，即可提供码元定时信息，这正是B方式被广泛采用的原因之一。 π/2， 参考相位 π0 参考相位 -π/2 (a)(b) 图15-9 二相调制移相信号矢量图 2DPSK的调制原理与2FSK的调制原理类似，也是用二进制基带信号作为模拟开关的控制信号轮流选通不同相位的载波，完成2DPSK调制，其调制的基带信号和载波信号分别从“PSK基带输入”和“PSK载波输入”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS输入”点输入，其原理框图如图15-10所示: 基带信号差分变换反相器 载波输入选相开关已调信号 图15-10 2DPSK调制原理框图 五、实验步骤 1( 将信号源模块、数字调制模块、频谱分析模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触 良好。 2( 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的开关POWER1、 POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D400、D401、L1、L2发光，按一 15,8 下信号源模块的复位键，三个模块均开始工作。(注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线) 3( ASK调制实验 ? 将信号源模块产生的码速率为15.625KHz的NRZ码和64KHz的正弦波(幅度为3V 左右)分别送入数字调制模块的信号输入点“ASK基带输入”和“ASK载波输入”。 以信号输入点“ASK基带输入”的信号为内触发源，用示波器双踪同时观察点“ASK 基带输入”和点“ASK调制输出”输出的波形，并将这两点的信号送入频谱分析模 块进行分析，观察其频谱。 ? 改变送入的基带信号和载波信号，重复上述实验。 4( FSK调制实验 ? 将信号源模块产生的码速率为15.625KHz的NRZ码和32KHz正弦波(幅度为3V 左右)及64KHz的正弦波(幅度为3V左右)分别送入数字调制模块的信号输入点 “FSK基带输入”、“FSK载波输入1”和“FSK载波输入2”。以信号输入点“FSK 基带输入”的信号为内触发源，用双踪示波器同时观察点“FSK基带输入”和点“FSK 调制输出”输出的波形，并将这两点的信号送入频谱分析模块进行分析，观察其频 谱。 ? 改变送入的基带信号和载波信号，重复上述实验。 5( PSK调制实验 ? 将信号源模块的信号输出点“BS”与数字调制模块的信号输入点“PSK-BS输入” 相连接，将信号源模块产生的码速率为15.625KHz的NRZ码和64KHz的正弦波(幅 度为3V左右)分别送入数字调制模块的信号输入点“PSK基带输入”和“PSK载 波输入”。以信号输入点“差分编码输出”的信号为内触发源，用双踪示波器同时 观察点“PSK基带输入”与“差分编码输出”输出的波形。 ? 用双踪示波器同时观察点“差分编码输出”和点“PSK调制输出”输出的波形，并 将这两点的信号送入频谱分析模块进行分析，观察其频谱。 ? 改变送入的基带信号和载波信号，重复上述实验。 六、输入、输出点参考说明 1( 信号输入点参考说明 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。 PSK基带输入: PSK基带信号输入点。 PSK载波输入: PSK载波信号输入点。 PSK-BS输入: PSK差分编码时钟输入点。 2( 信号输出点参考说明 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。 PSK调制输出: PSK调制信号输出点。 差分编码输出: PSK基带信号经差分编码后的信号输出点。 15,9 七、实验思考题 1( 分析2ASK、2FSK、2DPSK的调制原理。 2( 比较2ASK、2FSK、2DPSK调制信号的频谱并做分析，进而分析三种调制方式各自 的优点和缺点。 八、实验报告要求 1( 分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。 2( 根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。 3( 对实验思考题加以分析，按照要求做出回答，并尝试画出本实验的电路原理图。 写出完成本次实验后的 心得体会 决胜全面小康心得体会学党史心得下载党史学习心得下载军训心得免费下载党史学习心得下载 以及对本次实验的改进意见。 15,10