实验五 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验

实验五 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 实验五 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验 通信原理实验五 振幅键控、移频键控、移相键控调制和频 谱分析实验 一、 实验目的 1 掌握用键控法产生2ASK, 2FSK, 2PSK信号的方法 2 掌握2ASK, 2FSK, 2PSK信号的频谱特性 二、 实验内容 用matlab生成以下波形及波形的频谱: 1 2ASK, 2FSK, 2PSK信号波形 2 2ASK, 2FSK, 2PSK信号频谱 三、 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。 1. 2ASK调制原理。 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，即用载波幅度的有无来代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 信号中的“1”或者是“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5-1—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 所示，其时域数学表达式为: S2ASK(t)=an?Acosωct (5-1) 式中，A为未调载波幅度，ωc为载波角频率，an为符合下列关系的二进制序列的第n个码元: an???0 ?1出现概率P 出现概率为1?P (5-2) 令A=1，则2ASK信号的一般时域表达式为: ? S2ASK(t)?????n?ang(t?nTs)?cos?ct?S(t)cos?ct ?? (5-3) 式中，Ts为码元间隔，g(t)为持续时间[-Ts/2, Ts/2]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随机单极性脉冲序列。 图5-1 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g(t)为归一化矩形脉冲，若g(t)的傅氏变换为G(f)，S(t)则为二进制随机单极性矩形脉冲序列，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: Ps(f)?fsP(1?P)G(f)?fs2(1?P)2G(0)?(f) 式中，G(f)?Ts?22 (5-5) ?sin??Ts?1Hz，并与二进制序列的码元速率Rs在数值上相等。?;fs??fTTss?? 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: P2ASK(f)?122fsP(1?P)G(f?fc)?G(f?fc)?4 1222fsP(1?P)G(0)?(f?fc)??(f?fc)4 ??? (5-5) 式(5-5)表明，2ASK信号的功率谱密度由两个部分组成:(1)由g(t)经线性幅度调制 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。 对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的宽带。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: B2FSK??(fc?Rs)?(fc?Rs)?f0?2Rs?2/Ts(Hz) (5-6) 式中，Rs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)Rb(bit/s)在数值上相等。 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，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为f0时代表传0，载频为f1时代表传1。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以f0和f1为载频，以an和n为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。2FSK信号的典型时域波形如图5-5所示，其一般时域数学表达式为: ? S2FSK(t)??????ang(t?nTs)?cos?0t???????ng(t?nTs)?cos?1t ???n?n —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (5-7) 式中，?0?2?f0,?1?2?f1,n是an的反码，即 ?0an???1 ?1n???0概率为 P概率为1?P 概率为P概率为1?P 图5-5 2FSK信号的典型时域波形 因为2FSK属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为 h=|f1-f0|Ts =|f1-f0|/Rs (5-8) 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 B2FSK=|f1-f0|+2Rs(Hz) (5-9) 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(0?1或1?0)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带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法， —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 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5-7所示。 设二进制单极性码为an，其对应的双极性二进制码为bn，则2PSK信号的一般时域数学表达式为: ? S2PSK(t)?????n?bng(t?nTs)?cos?ct ?? (5-10) 其中:bn????1 ??1当an?0时,概率为P 当an?1时,概率为1?P 则(5-10)式可变为: ??????? S2PSK(t)??? ?? ???????n?n?g(t?nTs)?cos(?ct??)???g(t?nTs)?cos(?ct?0)??当an?0 当an?1 (5-11) 图5-7 2PSK信号的典型时域波形 由(5-10)式可见，2PSK信号是一种双边带信号，比较(5-10)式于(5-3)式可知，其双边功率谱表达式与2ASK的几乎相同，即为: P2ASK(f)?fsP(1?P)G(f?fc)?G(f?fc)? 1222fsP(1?P)G(0)?(f?fc)??(f?fc)4 2PSK信号的谱零点带宽与2ASK的相同，即 22??? (5-12) B2PSK=(fc+Rs)-(fc-Rs)=2Rs=2/Ts(Hz) (5-13) 我们知道，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应数字信号的，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，刚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，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 δΦ=π?数字信息“1” δΦ=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5-8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，则鉴别这个相位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信号时无法分辨的。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)变换成相码，然后再根据相对码进 行绝对移相而形成。 图5-8 2PSK与2DPSK波形对比 ——————————————————————————————————————