试验三十九FSK数字频率调制试验FSK1.docx

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试验三十九FSK数字频率调制试验FSK1

实验三十九FSK数字频率调制实验FSK1

一、实验目的

1．学习FSK数字频率调制的工作原理及电路组成。

2．掌握利用模拟开关实现FSK调制的原理和实现方法。

二、实验仪器与设备

1．THEX-1型实验平台、时钟与三级伪码发生实验（CLK）、FSK数字频率调制实验（FSK1）

2．20MHz双踪示波器

三、实验原理

数字频率调制是数字通信使用较早的一种通信方式。

由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据通信系统中得到了广泛的应用。

数字调频又可称作移频键控FSK，它是利用载频频率变化来传递数字信息。

数字调频信号可以分相位离散和相位连续两种情形。

若两个振荡器频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，只是对其中一个载波进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。

本实验电路中，由CLK模板提供的载频频率经过本实验电路分频而得到的两个不同频率的载频信号，则为相位连续的数字调频信号。

（一）FSK调制电路工作原理

FSK调制电原理框图，如图39-1，图39-2是它的电原理图。

图39-1FSK调制电原理框图

由图39-1可知，输入的基带信号由转换开关J6转接后分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经倒相去控制f2=16KHz的载频。

当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关1关闭，模拟开关2开通。

此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到已调的FSK信号。

电路中的两路载频（f1、f2）由CLK模板产生，经过J1，J2送入。

两路载频分别经射随、选频滤波、射随、再送至模拟开关U1：

A与U1：

B（4066）。

图39-2FSK调制电原理图

FSK调制原理波形见图39-3所示。

图39-3FSK调制原理波形图

四、实验步骤

1．将CLK模板上的32KHz、16KHz方波输出分别联接到FSK1模板上的J1，J2；将CLK模板上的PN伪码输出联接到FSK1模板上的J6，伪码时钟选择2K。

2．测试FSK调制电路TP1～TP7各测量点波形，并作详细分析。

测量点说明：

TP1：

32KHz方波信号

TP2：

16KHz方波信号

TP3：

作为fc1=32KHz载频信号，幅度不等时，可调节电位器R6。

TP4：

作为fc2=16KHz载频信号，幅度不等时，可调节电位器R13。

TP6：

F=2KHz的数字基带信码信号输入，输入码元速率为2KHz的1110010码。

TP5：

波形与TP6反相。

TP7：

FSK调制信号输出。

五、实验报告

1．测试FSK调制电路TP1～TP7各测量点波形，并作详细分析。

实验四十FSK数字频率解调实验FSK2

一、实验目的

1．学习FSK数字频率解调的工作原理及电路组成。

2．掌握利用锁相环实现FSK解调的原理和实现方法。

二、实验仪器与设备

1．THEX-1型实验平台、时钟与三级伪码发生实验（CLK）、FSK数字频率调制实验（FSK1）、FSK数字频率解调实验（FSK2）

2．20MHz双踪示波器

三、实验原理

FSK集成电路模拟锁相环解调器由于性能优越、价格低廉，体积小。

所以得到了越来广泛的应用。

FSK集成电路模拟锁相环解调器的工作原理简单是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频f1上，对应输出高电平，而对另一载频f2失锁，对应输出低电平，那末在锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列。

解调器框图如图40-1所示。

解调器电原理图如图40-2所示。

图40-1FSK解调电路原理框图

图40-2FSK解调电路电原理图

FSK锁相环解调器中的集成锁相环选用了MC14046。

MC14046集成电路内有两个数字式鉴相器（PDⅠ、PDⅡ）、一个压控振荡器（VCO），还有输入放大电路等，环路低通滤波器接在集成电路的外部。

压控振荡器的中心频率设计在32KHz。

图40-2中R4～R7、C2主要用来确定压控振荡器的振荡频率。

R8、C3构成外接低通滤波器，其参数选择要满足环路性能指标的要求。

从要求环路能快速捕捉、迅速锁定来看，低通滤波器的通频带要宽一些；从提高环路的跟踪特性来看，低通滤波器的通带又要窄些。

因此电路设计应在满足捕捉时间前提下，尽量减小环路低通滤波器的带宽。

由图40-2可知，当锁相环锁定时，环路对输入FSK信号中的32KHz载波处于跟踪状态，32KHz载波（正弦波）经输入整形电路后变成矩形载波。

此时鉴相器PDⅡ输出端（引脚13）为低电平，锁定指示输出（引脚1）为高电平，鉴相器PDⅠ输出（引脚2）为低电平，PDⅠ输出和锁定指示输出经或非门U2：

A（74LS32）和U3：

A（74LS04）后输出为低电平，再经积分电路和非门U3：

B（74LS04）输出为高电平。

再经过U3：

C（74LS04）、U3：

D（74LS04）整形电路反相后后从输出信号插座J3输出。

环路锁定时的各点工作波形如图40-3所示。

图40-3FSK解调原理波形图

当输入信号为16KHz时，环路失锁。

此时环路对16KHz载频的跟踪破坏，鉴相器输入端的两个比较信号存在频差，经鉴相器PDI后输出一串无规则矩形脉冲，而锁定指示（第1引脚）输出为低电平，PDI输出和锁定指示输出经或非门U2A与U3A后，输出仍为无规则矩形脉冲，这些矩形脉冲积分器和非门U3B后输出为低电平。

可见，环路对32KHz载频锁定时输出高电平，对16KHz载频失锁时就输出低电平。

只要适当选择环路参数，使它对32KHz锁定，对16KHz失锁，则在解调器输出端的就得到解调输出的基带信号序列。

四、实验步骤

1．在FSK调制实验完成的基础上，将FSK1的J7与FSK2的J1用电缆线联接在一起。

2．示波器双踪观察CLK的32KHz时钟方波和FSK2的TP2，调节R5，R7使其同步。

3．示波器双踪观察CLK的2KPN码和FSK2的TP3，可以观察到FSK解调信号输出。

4．测试FSK解调电路TP1～TP3各测量点波形，并作详细分析。

测量点说明：

TP1：

FSK解调信号输入。

TP2：

FSK解调电路工作时钟，正常工作时应为32KHz左右，频偏不大于2KHz，若有偏差，可调节电位器R5或R7和C2的电容值。

TP3：

FSK解调信号输出，即数字基带信码信号输出。

五、实验报告

1．测试FSK解调电路TP1～TP3各测量点波形，画在方格纸上，同时与FSK调制电路的测试结果作比较，作出详细分析。

实验四十一PSK移相键控调制实验PSK1

一、实验目的

1．掌握二相BPSK（DPSK）调制的工作原理及电路组成。

2．了解载频信号的产生方法。

3．掌握二相绝对码与相对码的码型变换方法。

二、实验仪器与设备

1．THEX-1型实验平台、时钟与三级伪码发生实验（CLK）、PSK移相键控调制实验（PSK1）

2．20MHz双踪示波器

三、实验原理

在本实验中，绝对移相键控（PSK）是采用直接调相法来实现，也就是用输入的基带信号直接控制已输入载波相位的变化来实现相位键控。

图41-1是二相PSK（DPSK）调制器电路框图，图41-2是它的电原理图。

图41-1二相PSK（DPSK）调制器电路框图

（一）电路基本工作原理

数字相位调制又称为移相键控。

它是利用载波相位的变化来传递数字信息的。

通常又可把它分成绝对移相与相对移相两种方式。

绝对移相就是利用载波不同相位的绝对值来传递信息。

那么，怎样才能让载波不同相位的绝对值来传递数字信息呢？

如果让所需传输的数字基带信号控制载波相位改变，而载波的振幅和频率都不变，那么就得到载波的相位发生变化的已调信号，我们把这种调制方式称为数字相位调制。

即移相键控PSK调制。

PSK在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，它的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK移幅键控和FSK移频键控。

因此，PSK技术在中、高速数据传输中得到了十分广泛的应用。

当传送消息为一随机序列时，例如话音信号经过编码后的数字信号或其它数据信号，则传送的调相信号也相应的为一随机的振荡序列，其相位与传送消息相对应，如图41-3所示。

下面对图41-2中的电路作一分析：

图41-2PSK移相键控调制实验电原理图

图41-3二相PSK调制信号波形

1．

内载波发生器电路如图41-4所示。

图41-41.024MHz内载发生器

从电路中可知，来自信号发生器的1.024MHz方波信号输入至C3的耦合电容上，由L1、C4、C5可调电容，将1.024MHz方波信号变换成1.024MHz的正弦波信号，其中调节R5可改变输出信号的幅波，由BG1等组件组成的是射随器电器，它起隔离作用。

输出信号送至载波信号转换开关K1的1脚。

内载波亦可由K1切换成512K正弦波。

2．载波倒相器

模拟信号的倒相通常采用运放作倒相器，在本实验电路中，如图41-5所示，电路由U4（LM318）、R10、R11组成，来自1.024MHz载波信号经电阻R10输入到高速运放LM318的反相输入端2脚，在运放的输出端即可得到一个反相的载波信号，即π相载波信号。

为了使后面的合路后的0相载波与π相载波的幅度相等，在载波倒相器电路中加了增益调整电位器R11。

3．信码反相器

由U1：

C（74LS04）组成。

4．模拟开关相乘器

对载波的相移键控是用乘法器来实现的，常用的乘法器有环行调制器、模拟乘法器集成电路以及模拟开关电路等，本实验采用的是模拟开关4066作乘法器，电路如图41-5右半部分。

4066是一种4路双向模拟开关，其中每一路引脚互相独立。

图41-5载波倒相器，模拟开关相乘器

下面再作详细分析4066多路多向模拟开关在本实验电路中的工作原理。

从图可知。

0相载波与π相载波分别加到模拟开关1：

U5A的输入端（1脚）、模拟开关2：

U5B的输入端（11脚），在数字基带信号的信码中，它的正极性加到模拟开关1的输入控制端（13脚），它反极性加到模拟开关2的输入控制端（12脚）。

用来控制两个同频反相载波的通端。

当信码为“1”码时，模拟开关1的输入控制端为高电平，模拟开关1导通，输出0相载波，而模拟开关2的输入控制端为低电平，模拟开关2截止。

反之，当信码为“0”码时，模拟开关1的输入控制端为低电平，模拟开关1截止。

而模拟开关2的输入控制端却为高电平，模拟开关2导通。

输出π相载波，两个模拟开关的输出通过载波输出控制开关K3合路迭加后输出，即为二相PSK调制信号，波形如图41-6所示。

图41-6模拟开关乘相器工作波形

5．差分编码器

在数据传输系统中，由于相对移相键控调制具有干抗干扰噪声能力强，在相同的信噪比条件下，可获得比其它调制方式（例如：

ASK、FSK）更低的误码率，因而这种方式广泛应用在实际通信系统中。

DPSK调制是采用码型变换法加绝对调相来实现，即把数据信息源（如：

伪随机码发生器输出的伪随机码序列、增量调制编码器输出的数据信号或脉冲编码调制PCM编码器输出的数字信号）作为绝对码序列｛an｝，通过差分编码器变成相对码序列｛bn｝，然后再用相对码序列｛bn｝，进行绝对移相键控，此时该调制的输出就是DPSK已调信号。

图41-7是绝对与相对码转换电路，即差分编码器电路。

图41-7差分编码器电路

上面已对绝对移相作了分析，那么相对移相的含义是什么？

所谓相对移相，就是利用载波相位的相对值来传递信息，也就是利用前后码元载波相位的相对变化来传递信息，所以也称为“差分移相”。

“绝对移相”的原理提出还是比较早的，然而由于技术实现上的困难，一直未能在实际系统中推广应用，只是后来提出了“相对移相”后，才使移相键控付诸于实现。

理论分析和实际试验证明：

在恒参信道下，移相键控比振幅键控、频率键控，不但具有较高的抗干扰性能，而且可更经济有效地利用频带。

所以说它是一种比较优越的调制方式，因而在实际中得到广泛的应用。

在绝对相移方式，由于发端是以两个可能出现的相位之中一个相位作基准的。

因而在收端也必须有这样一个相同的基准相位作参考，如果这个参考相位发生变化（0相变π相或π相变0相），则恢复的数字信息就会发生0变1或1变0，从而造成错误的恢复。

在实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能发生的，而且在通信过程中不易被发现。

如，由于某各种突然的骚动，系统中的触发器可能发生状态的转移，锁相环路稳定状态也可能发生转移，等等，出现这种可能时，采用绝对移相就会使接收端恢复的数据极性相反。

如果这时传输的是经增量调制的编码后话音数字信号，则并不影响话音的正常恢复，只是在相位发生跳变的瞬间，有噪声出现。

但如果传输的是计算机输出的数据信号，这将会使恢复的数据面目全非，为了克服这种现象，通常在传输数据信号时采用二相相对移相（DPSK）方式。

DPSK是利用前后相邻码元对应的载波相对相移来表示数字信息的一种相移键控方式。

图41-8PSKDPSK编码波形

绝对码是以基带信号码元的电平直接表示数字信息的，如规定高电平代表“1”，低电平代表“0”。

相对码（差分码）是用基带信号码元的电平与前一码元的电平有无变化来表示数字信息的，如规定：

相对码中有跳变表示1，无跳变表示0。

图41-9是差分编码器电路，可用模二加法器延时器（延迟一个码元宽度Tb）来实现这两种码的互相转换。

图41-9差分编码器电路图

设输入的绝对码an为1110010码，则经过转码器后输出的相对码bn为1110010，即

图41-10是它的工作波形图。

图41-10差分编码器的工作波形图

四、实验步骤

本实验需要准备“时钟与三级伪码发生实验”（CLK）模块。

（一）二相PSK调制器

1．用内载波发生器产生的1.024MHz信号作输入载波信号来观察TP6~TP11各测量点的波形。

2．用内载波信号发生器产生的512KHz信号作输入载波信号来观察TP6~TP11各测量点的波形。

（二）二相DPSK调制器，加入差分编码器电路来传输二相DPSK信号，重做上述1、2的内容。

注：

做二相BPSK实验时，必须把开关K2的1脚与2脚相连接。

做二相DPSK实验时，必须把开关K2的2脚与3脚相连接。

测量点性质：

（用20MHz双踪示波器同步观察）

TP1：

输入频率为1024KHz的方波信号。

TP2：

输入频率为512KHz的方波信号。

TP3：

输入PN32K三级伪随机码

TP4：

K21-2，PN32K绝对码；K22-3，PN32K相对码

TP5：

32KHz方波输入（产生相对码时用）

TP6：

K11-2时，1024KHz正弦波，波形不好时可调节R5和C3

K12-3时，514KHz正弦波，波形不好时可调节R7和C9

TP7：

波形同TP6

TP8：

波形同TP6，波形不好时可调节R11

TP9：

PSK调制第二路（π相）输出波形，当开关K3都断开时。

TP10：

PSK调制第一路（0相）输出波形，当开关K3都断开时。

TP11：

当开关K303都合上时，即K31-2相连、K33-4相连时，则为PSK调制信号输出波形。

五、实验报告

1．简述BPSK调制电路的工作原理及工作过程。

2．简述DPSK调制电路的工作原理及工作过程。

3．根据实验测试记录（波形、频率、相位、幅度以及时间对应关系）依次画出调制器各测量点的工作波形，并给以必要的说明。

实验四十二PSK移相键控解调（含载波提取）实验PSK2

一、实验目的

1．掌握二相（PSK、DPSK）解调器的工作原理与系统电路组成。

2．熟悉二相相对移相与绝对移相的转换方法。

3．掌握二相（PSK、DPSK）系统的主要性能指标的测试方法。

二、实验仪器与设备

1．THEX-1型实验平台、时钟与三级伪码发生实验（CLK）、PSK移相键控调制实验（PSK1）、PSK移相键控解调（含载波提取）实验（PSK2）

2．20MHz双踪示波器

三、实验原理

二相PSK（DPSK）解调器的总电路方框图如图42-1所示。

二相PSK（DPSK）的载波为1.024MHz，数字基带信号的码元速率为32bit/s。

图42-1解调器总方框图

从图42-1可见，该解调器由三部分组成：

载波提取电路、位定时恢复电路与信码再生整形电路。

载波恢复和位定时提取，是数字载波传输系统必不可少的重要组成部分。

载波恢复的具体实现方案是和发送端的调制方式有关，以相位键控为例，有：

N次方环、科斯塔斯环（Constas）、逆调

图42-2同相正交环提取载波电原理方框图

制环和判决反馈环等。

近几年来由于数字电路技术和集成电路的迅速发展，又出现了基带数字处理载波跟踪环，并且已在实际应用领域得到了广泛的使用。

但是，为了加强学生基础知识的学习及对基本理论的理解，我们从实际出发，选择同相正交环解调电路作为基本实验。

图42-2是电原理框图，图42-3是电原理图。

图42-3PSK移相键控解调实验电原理图

（一）．二相（PSK、DPSK）信号输入电路

电路见图42-4所示，由BG1（9013）组成射随器电路，对发送端送来的二相（PSK、DPSK）信号进行前后级隔离，由U1（LM311）组成模拟信号放大电路，进一步对输入小信号前二相（PSK、DPSK）信号进行放大后送外鉴相器Ⅰ与鉴相器Ⅱ分别进行鉴相。

图42-4二相（PSK、DPSK）信号输入电路

（二）．同相正交环锁相环提取载波电路

从图42-2电原理方框图中可知，在这种环路里，误码信号是由两个鉴相器提供的。

VCO压控振荡器给出两路互相正交的载波信号分别送至两鉴相器，输入的二相（PSK、DPSK）信号经过两个鉴相器分别鉴相后，由低通滤波器滤除载波频率以上的高频分量，分别送入两判决器后得到基带信号Ud1与Ud2，其中Ud1中包含着码元信息，但无法对VCO压控振荡器进行控制。

只有将Ud1、Ud2经过基带模拟相乘器相乘后，就可以去掉码元信息，得到反映VCO输出信号与输入载波间的相位差的误码控制电压，从而实验现了对VCO压控振荡器的控制。

它们的实际电路见图42-3所示。

包括鉴相器1，鉴相器2，低通滤波器1，低通滤波器2，比较判决器1，比较判决器2，相乘器，环路滤波器，VCO压控振荡器，数字分频移相器等电路组成。

具体工作过程如下：

由U1（LM311）模拟运放放大后的信号分两路输出至两鉴相器的输入端，鉴相1与鉴相器2的控制信号输入端的控制信号分别为0相载波信号与π/2相载波信号。

这样经过两鉴相器输出的鉴相信号再通过有源低通滤波器滤掉其高频分量，再由两比较判决器完成判决解调出数字基带信码，由U6A构成的相乘器电路，去掉数字基带信号中的数字信息。

得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压Ud，Ud经过环路低通滤波器R18、R19、C12滤波后输出了一个平滑的误差控制电压，去控制VCO压控振荡器74LS124。

它的中心振荡输出频率范围从1Hz到60MHz，工作环境温度在0~70。

C，当电源电压工作在+5V、频率控制电压与范围控制电压都为+2V时，74LS124的输出频率表达为：

f0=1×10-4/Cext，在实验电路中，调节精密电位器RW2（100KΩ）的阻值，使频率控制输入电压（74LS124的2脚）与范围控制输入电压（74LS124的3脚）基本相等，此时，当电源为+5V时，才符合：

f0=5×10-4/Cext，再改变电容CA701，使74LS124的7脚输出为4.096MHz方波信号。

74LS124的6脚为使能端，低电平有效，它开启压控振荡器工作；当74LS124的7脚输出的中心频率偏离4.096MHz时，此时可调节RW1和RW2，用频率计监视测量点TP4上的频率值，使其准确而稳定地输出4.096MHz的载波信号。

该4.094MHz的载波信号经过分频（÷4）电路：

U9B与U10A（74LS74）两次分频变成1.024MHz载波信号，并完成π/2相移相。

由U10B的9脚输出π/2相去鉴相器2的控制信号输入端U2B（4066）的12脚，由U10A的5脚输出0相载波信号去鉴相器1的控制信号输入端U2A（4066）的第13脚。

这样就完成了载波恢复的功能。

图42-5是同相载波与正交载波波形。

图42-5同相载波与正交载波波形

图42-6是同相正交解调环各点波形图。

图42-6同相正交解调环各点波形图

从图中可以看出该解调环路优点是：

①该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。

②该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可全部采用模拟和数字集成电路实现。

但该解调环中缺点是：

存在相位模糊。

当解调环路中解调的数字信息与发端的数字信息相位反相时，即相干信号相位和载波相位反相，则按一下按键开关SW1，强迫使它的置“1”端送入高电平，使电路Q端输出为“1”，Q端输出为“0”，迫使相干信号的相位与载波信号相位同频同相，以消除相位误差。

然而，在实际应用中，一般不用绝对移相，而应用相对移相，而用相位比较法克服相位模糊。

TP1：

PSK解调信号输入波形

TP2：

PSK解调信号输入波形（经过射极跟随器）

TP3：

对PSK解调信号进行放大

TP4：

压控振荡器输出4.096MHz的载波信号，用频率计监视测量点TP4上的频率值有偏差时，此时，可调节W1和W2，使其准确而稳定地输出4.096MHz的载波信号。

TP5：

频率为1.024MHz的0相载波输出信号

TP6：

频率为1.024MHz的

相载波输出信号

TP7：

PSK解调输出信号，即数字基带信码

四、实验步骤

（一）在做“PSK移相键控解调（含载波提取）实验”时，首先应使“PSK移相键控调制实验”（PSK1）正常工作，因此，必须准备“PSK移相键控调制实验”（PSK1）和“时钟与三级伪随机码发生实验”（CLK）两块实验模块，并使其工作正常。

（二）本实验调试的关键在于压控振荡器输出的4.096MHz载波信号（TP4），需用频率计监视测量点TP4上的频率值，有偏差时，可调节W1和W2，使其准确而稳定地输出4.096MHz的载波信号。

必要时，可用20MHz双踪示波器同时检测CLK模块上的4.096MHz方波和PSK2的TP4，微调RW1和RW2，使其同频同相。

（三）在实验模块的TP1接上PSK调制波（分绝对码调制和相对码调制），在TP7用双踪观察解调后的三级伪随机码波形。

并观察各测量点的波形。

五、实验报告

根据实验结果，画出BPSK（DPSK）相干解调电路的波形图，在图上标上相位关系。