振幅键控、移频键控、移相键控调制与解调实验 - 图文

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实验四. 振幅键控、移频键控、移相键控调制和解调实验 一、实验目的

1.掌握绝对码、相对码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过零检测解调的原理

3.掌握相对码波形与2FSK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.观察绝对码和相对码的波形 2.观察2ASK、2FSK信号波形 3.观察2ASK、2FSK信号频谱 4.观察2ASK、2FSK解调信号波形 5.观察2FSK过零检测解调器各点波形

三、实验器材

信号源模块 数字调制模块 频谱分析模块 数字解调模块

同步信号提取模块 数字示波器一台

连接线若干

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：

S2ASK(t)?an?Acos?ct

（15－1）

式中，A为未调载波幅度，?c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：

?0an???1标准文档

出现概率为P出现概率为1－P （15－2）

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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：

??S2ASK(t)???ang(t?nTs)?cos?ct

?n??S(t)cos?ct

（15－3）

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。

ar21 0 1 1t0 Ts 2Ts 3Ts 4TsS2ASK(t)A0t-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（15－4）

?sin??Ts?1f?；Hz，并与二进制序列的码元速率Rs在数值上相s?Ts??fTs?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：

P2ASK(f)?122fsP(1?P)G(f?fc)?G(f?fc)? 4122fs(1?p)2G(0)??(f?fc)??(f?fc)? 4??（15－5）

式（15－5）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。图15-2为2ASK信

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号的单边功率谱示意图。

P2ASK(f)/dBffc-4Rs fc-2Rs fc fc+2Rs fc+4Rsfc-3Rs fc-Rs fc+Rs fc+3Rs

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

B2ASK?[(fc?Rs)?(fc?Rs)]f0?2Rs?2/Ts（Hz） （15－6）

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。

2ASK信号载波开关电路基带信号

图15-3 2ASK调制原理框图

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an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15-5所示，其一般时域数学表达式为

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????S2FSK(t)???ang(t?nTs)?cos?0t???ang(t?nTs)?cos?1t

?n??n?式中，?0?2?f0，?1?2?f1，an是an的反码，即

（15－7）

?0an???1?1an???0

ar2概率为P概率为1－P概率为P

概率为1－P

1 0 1 1t0 Ts 2Ts 3Ts 4TsS2FSK(t)A0-At

图15-5 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?f0Ts?f1?f0/Rs

（15－8）

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）

（15－9）

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，其调制原理

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