1、实验四 振幅键控、移频键控、移相键控解调实验一、实验目的1、掌握 2ASK 相干解调的原理。2、掌握 2FSK 过零检测解调的原理。3、掌握 2DPSK 相干解调的原理。二、实验内容1、观察 2ASK、2FSK、2DPSK 解调信号波形。2、观察 2FSK 过零检测解调器各点波形。3、观察 2DPSK 相干解调器各点波形。三、实验器材1、信号源模块2、数字调制模块3、数字解调模块4、同步信号提取模块5、20M 双踪示波器一台四、实验原理1、2ASK 解调原理。2ASK 解调有非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）两种方法，相应的接收系统原理框图如图 16-1 所示：耦 合电 路 低
2、通滤 波 器 抽 样判 决 器位 同 步 信 号 解 调 信 号 输 出调 制 信 号 输 入 半 波整 流 器（a）耦 合电 路 低 通滤 波 器 抽 样判 决 器位 同 步 信 号 解 调 信 号 输 出调 制 信 号 输 入 相 乘 器相 干 载 波（b）图 16-1 2ASK 解调原理框图（a）非相干方式 （b）相干方式我们采用的是包络检波法。2ASK 调制信号从“ASK-IN”输入，经 CA03和 RA02 组成的耦合电路至半波整流器（由 DA02、DA03 组成），半波整流后的信号经电压比较器 UA01（LM339）与参考电位比较后送入抽样判决器进行抽样判决，最后得到解调输出的二进
3、制信号。标号为“ASK 判决电压调节”的电位器用来调节电压比较器 UA01 的判决电压。判决电压过高，将会导致正确的解调结果的丢失；判决电压过低，将会导致解调结果中含有大量错码，因此，只有合理选择判决电压，才能得到正确的解调结果。抽样判决用的时钟信号就是 2ASK 基带信号的位同步信号，该信号从“ASK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器来滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰的条件。本实验中为了简化实验设备，在调制部分的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道是理想的，所以在解调部分的输入端也没
4、有加带通滤波器。2、2FSK 解调原理 带 通滤 波 器带 通滤 波 器包 络检 波 器包 络检 波 器 抽 样判 决 器位 同 步 信 号调 制 信 号 输 入 解 调 信 号 输 出(a)（a）低 通滤 波 器低 通滤 波 器 抽 样判 决 器位 同 步 信 号 解 调 信 号 输 出相 乘 器相 乘 器带 通滤 波 器带 通滤 波 器调 制 信 号 输 入cos 2tcos 1t(b)（b）单 稳 1 整 形 2整 形 1 低 通滤 波 器单 稳 2相 加 器 抽 样判 决位 同 步 信 号 解 调 信 号 输 出调 制 信 号 输 入（c）（a）非相干方式；（b）相干方式；（c）过零检
5、测法图 16-2 2FSK 解调原理框图2FSK 有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等，相应的接收系统的框图如图 16-2 所示。这里采用的是过零检测法对 2FSK 调制信号进行解调。大家知道，2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。用过零检测法对 FSK 信号进行解调的原理框图如图 16-2（c）所示。其中整形 1 和整形 2 的功能类似于比较器，可在其输入端将输入信号叠加在 2.5V 上。2FSK 调制信号从“FSK-IN”输入。UA03（LM339）的判决电压设置在 2.5V，可把输入
6、信号进行硬限幅处理。这样，整形 1 将 2FSK 信号变为 TTL 电平；整形 2 和抽样电路共同构成抽样判决器，其判决电压可通过标号为“2FSK 判决电压调节”的电位器进行调节。单稳 1 和单稳 2 分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，它们与相加器 UA05（74HC32）一起共同对 TTL 电平的 2FSK 信号进行微分、整流处理。电阻 RA14 与 RA16 决定上升沿脉冲宽度及下降沿脉冲宽度。抽样判决器的时钟信号就是 2FSK 基带信号的位同步信号，该信号应从“FSK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。3、2DPSK 解调原理2DPSK 解调最常用的方法是
7、极性比较法和相位比较法，这里采用的是极性比较法对 2DPSK 信号进行解调，原理框图如图 16-3（a）所示。2DPSK调制信号从“PSK-IN”输入，位同步信号从“PSK-BS”输入，同步载波从“载波输入”点输入。调制信号经过 UA08（MC1496）与载波信号相乘后，去掉了调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，对此信号进行抽样判决（抽样判决器由UA10（74HC74）构成，其时钟为基带信号的位同步信号），再经过逆差分变换电路（由 UA10（74HC74）、UA11（74HC86）组成），就可以得到基带信号了。（a）极性比较法 （b）相位比较法图 1
8、6-3 2DPSK 解调原理框图4、二进制数字调制系统的性能比较现在我们来比较一下 2ASK、2FSK、2DPSK 这三种二进制数字调制系统的性能。1）频带宽度当码元宽度为 Ts 时，2ASK 系统和 2PSK 系统的频带宽度近似为2/Ts,2FSK 系统的频带宽度近似为 。因此，从频带宽度和从频ssTf212带利用率上看，2FSK 系统最不可取。2）表 16-1 中列出了 2ASK、2FSK、2DPSK 数字调制系统的误码率 与输入eP信噪比 r 的关系。从该表清楚地看出，在每一对相干和非相干的键控系统中，相干方式略优于非相干方式。它们基本上是 和 之间的关系，而erfcxp()r且随着 ，
9、它们将趋于同一极限值。另外，三种相干（或非相干）方式x之间，在相同误码率条件下，在信噪比要求上 2PSK 比 2FSK 小 3dB、2FSK 比2ASK 小 3dB。由此看来，在抗加性高斯白噪声方面，相干 2PSK 性能最好，2FSK 次之，2ASK 最差。表 16-1 二进制数字调制系统误码率公式表名称 Pe 与 r 的关系相干 2ASK =eP21fc非相干 2ASK = 4/r相干 2FSK =e21f非相干 2FSK =P/r相干 2PSK =e21fc差分相干 2PSK = r3）对于对信道特性变化的敏感性：在选择数字调制方式时，还应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏感。在
10、2FSK 系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来作出判断的。在 2PSK 系统中，判决器的最佳判决门限电平为零，与接收机输出信号的幅度有关。因此，它不随信道特性的变化而变化。这时，接收机容易保持在最佳判决门限状态。对于 2ASK 系统，判决器的最佳判决门限为 a/2 （当 时），(1)0p它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度 a 将随着发生变化；相应地，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2ASK 性能最差。当信道存在严重的衰落时，
11、通常采用非相干接收，因为这时在接收端不易得到相干解调所需的相干载波。当发射机有严格的限制时，可考虑采用相干接收。因为在给定的码元传输速率及误码率的条件下，相干接收所要求的信噪比要比非相干接收小。4）对于 2ASK、2FSK、2PSK 来说，发送端设备的复杂程度差不多，而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调的复杂；而同为相干解调时，2PSK 的设备最复杂，2FSK 次之，2ASK 最简单。五、实验步骤1、将信号源模块、数字调制模块、数字解调模块、同步信号提取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
12、开关，再分别按下四个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D400、D401、DA00、DA01、D500、D501 发光，按一下信号源模块的复位键，四个模块均开始工作。3、将信号源模块的位同步信号（BS）的频率设置为 15.625KHz，将信号源模块产生的 NRZ 码设置为 01110010 11001100 10101010，将同步信号提取模块的拨码开关 SW501 的第一位拨上。4、ASK 解调实验1）用信号源模块产生的 NRZ 码为基带信号，合理连接信号源模块与数字调制模块，使数字调制模块的信号输出点“ASK 调制输出”能输出正确的 ASK
13、调制波形。2）将“ASK 调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点我们“ASK-IN”，观察信号输出点“ASK-OUT”处的波形，并调节标号为“ASK 判决电压调节”的电位器，直到在该点观察到稳定的 NRZ 码为止。将该点波形送入同步信号提取模块的信号输入点“NRZ-IN”,再将同步信号提取模块的信号输出点“位同步输出”输出的波形送入数字解调模块的信号输入点“ASK-BS”，观察信号输出点“OUT1”、“OUT2”、“OUT3”、“ASK 解调输出”处的波形，并与信号源产生的 NRZ 码进行比较。5、FSK 解调实验1）将信号源模块的位同步信号的频率恢复为 15.625KHz，用信号源
14、模块产生的 NRZ 码为基带信号，合理连接信号源模块与数字调制模块，使数字调制模块的信号输出点“FSK 调制输出”能输出正确的 FSK 调制波形。2）将点“FSK 调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点“FSK-IN”，观察信号输出点“FSK-OUT”处的波形，并调节标号为“FSK 判决电压调节”的电位器，直到在该点观察到稳定的 NRZ 码为止。将该点波形送入同步信号提取模块的信号输入点“NRZ-IN”,再将同步信号提取模块的信号输出点“位同步输出”输出的波形送入数字解调模块的信号输入点“FSK-BS”，观察信号输出点 “单稳输出 1”、“单稳输出 2”、“过零检测”、“FSK 解调
15、输出”处的波形，并与信号源产生的NRZ 码进行比较。6、PSK 解调实验1）将信号源模块的位同步信号的频率恢复为 15.625KHz，用信号源模块产生的 NRZ 码为基带信号，合理连接信号源模块与数字调制模块，使数字调制模块的信号输出点“PSK 调制输出”能输出正确的 PSK 调制波形。将“PSK 调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点“PSK-IN”，将“PSK 调制输出”的波形送入同步信号提取模块的信号输入点“S-IN”，使信号输出点“载波输出”能输出提取出的正确的载波信号（方法请参考实验十四），再将该点的输出波形送入数字解调模块的信号输入点“载波输入”，观察信号输出点“PSK-
16、OUT”处的波形，并调节标号为“PSK 判决电压调节”的电位器，直到在该点观察到稳定的 NRZ码为止(电位器 WA02 可调节乘法器的平衡度，该处在出厂时已经调好，请勿自行调节)。将点“PSK-OUT”输出的波形送入同步信号提取模块的信号输入点“NRZ-IN”，再将同步信号提取模块的信号输出点“位同步输出”输出的波形送入数字解调模块的信号输入点“PSK-BS”，观察信号输出点“OUT4”、“OUT5”、“PSK 解调输出”处的波形，并与信号源产生的 NRZ 码进行比较。六、实验思考题1、改变 74123 的哪些外围元件参数对 FSK 解调能否正确输出有影响？ 答：时钟电路、载频电路、整形电路、相加电路的参数对 FSK 能否真确输出有影响。 2、用过零检测法进行 FSK 解调时，其输出信号序列与发送信号序列相比是否产生了延迟？答：产生延迟。3、PSK 解调器系统由哪几大部分组成？简述各部分的作用。答：相乘器、低通滤波、抽样判决器、位同步信号。1、相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差。2、低通滤波器滤除相乘后产生的高频成分。3、抽样判决器在规定时刻对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
