劉新紅
(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京,100018)
在數(shù)字通信系統(tǒng)中,F(xiàn)SK(Frequency-Shift Keying)憑借其極強(qiáng)的抗干擾能力、對(duì)信道特性變化不敏感以及在傳輸距離方面更具優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于數(shù)字調(diào)制中[1-2]。
FSK解調(diào)相對(duì)調(diào)制要難實(shí)現(xiàn)一些,有相干解調(diào)和非相干解調(diào),對(duì)于相干解調(diào),電路濾波器參數(shù)選取是否合適決定了能否解調(diào)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào),在文獻(xiàn)[3-4]中都是只給出了濾波器參數(shù)取值,并未分析如何確定這些參數(shù)。文獻(xiàn)5采用非相干解調(diào),濾波器參數(shù)確定較簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[6-7]均為過零檢測(cè)法解調(diào)。本文在理論分析基礎(chǔ)上結(jié)合仿真驗(yàn)證給出相干解調(diào)電路中濾波器參數(shù)確定方法,有助于根據(jù)需要設(shè)計(jì)FSK調(diào)制解調(diào)電路。
FSK是用不同頻率的載波來傳遞數(shù)字消息的,F(xiàn)SK信號(hào)可看成兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控(ASK)信號(hào)的疊加。調(diào)制有模擬調(diào)制法和鍵控法,本文采用模擬調(diào)制法進(jìn)行調(diào)制。
調(diào)制仿真電路如圖1左半部分所示。調(diào)制過程為,隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)和取反信號(hào)分別和兩個(gè)頻率的正弦信號(hào)相乘后相加產(chǎn)生調(diào)制后的FSK信號(hào),如式(1)所示。
為簡(jiǎn)化分析,式中假設(shè)兩正弦載波信號(hào)初相位為0,由于相位不攜帶有用信息,這種簡(jiǎn)化對(duì)分析結(jié)果無影響。
調(diào)制過程的信號(hào)波形圖如圖2中的波形1、2、3及圖3中的波形2所示,分別是取反后的被調(diào)制二進(jìn)制信號(hào)比特率100b/s,f1= 8 00Hz的正弦調(diào)制信號(hào),f2=1200Hz的正弦調(diào)制信號(hào),F(xiàn)SK調(diào)制信號(hào) e(t)。 e (t)信號(hào)頻率隨輸入二進(jìn)制信號(hào)變化而變化,實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制信號(hào)對(duì)載波的頻率調(diào)制。
FSK的解調(diào)相對(duì)于調(diào)制實(shí)現(xiàn)起來要困難一些。解調(diào)方法很多,有模擬鑒頻法和數(shù)字檢測(cè)法,有非相干解調(diào)也有相干解調(diào)。本文采用相干解調(diào)。
調(diào)制后的信號(hào) e (t)經(jīng)信噪比高斯白噪聲信道到達(dá)接收端,接收信號(hào) r(t) =e(t) +n(t)。
解調(diào)仿真電路如圖1右半部分所示。采用相干解調(diào),解調(diào)的過程為, r(t)經(jīng)帶通濾波器濾除帶外噪聲,再分為2路,分別與與發(fā)端同頻的頻率為f1、f2正弦載波相乘,再經(jīng)低通濾波輸出2路信號(hào)經(jīng)比較判決得到與發(fā)送端相同的二進(jìn)制數(shù)字序列。實(shí)現(xiàn)FSK解調(diào)。
解調(diào)過程中信號(hào)的變化為:
圖3波形1到5依次是下路輸入二進(jìn)制序列和頻率f2相乘波形,F(xiàn)SK調(diào)制信號(hào),疊加噪聲的FSK信號(hào),下路同步解調(diào)信號(hào),上下2路解調(diào)信號(hào)比較后得到的最終解調(diào)信號(hào)。各環(huán)節(jié)波形和理論分析一致。
圖2波形1、4分別是發(fā)端輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列取反后的數(shù)據(jù)序列110110000,接收端解調(diào)后得到的二進(jìn)制序列001001111,收發(fā)相同,解調(diào)正確。每位二進(jìn)制數(shù)據(jù)波形上的持續(xù)時(shí)間為0.01s,仿真時(shí)間0.1s。在仿真時(shí)間內(nèi)發(fā)端取反信號(hào)波形1和收端解調(diào)信號(hào)波形4各有10位二進(jìn)制數(shù)據(jù),但2者相對(duì)應(yīng)的只有9位,就是波形1的1~9位與波形4的2~10位。
波形4和波形2相比除了需取反外還相對(duì)于波形2延遲1bit時(shí)間。是仿真高斯白噪聲信道加上了零階保持電路造成的。
圖1 FSK調(diào)制解調(diào)仿真電路圖
圖2 FSK調(diào)制解調(diào)輸入輸出仿真波形圖
解調(diào)電路要正確解調(diào)出信號(hào),需要正確的濾波器參數(shù),由理論分析和仿真驗(yàn)證得出帶通濾波器通帶頻率 f1~f2,通帶上下截止頻率按 f1、 f2設(shè)置即可,可小范圍變化。帶通濾波器截止頻率按 f1、 f2設(shè)置,應(yīng)按半帶濾波分析,以 f1、 f2為中心頻率的兩個(gè)信號(hào)通過帶通濾波器后只保留了以f1為中心頻率的信號(hào)的上邊帶,以f2為中心頻率的信號(hào)s(t)的下邊帶,由于信號(hào)頻譜以中心頻率為軸兩邊對(duì)稱,因此單邊頻譜就包含了信號(hào)中的全部信息。
上下2路低通濾波器通帶截止頻率由式(2)可知,需要濾除的信號(hào)頻率包括2f2,還要考慮二進(jìn)制數(shù)字序列的比特率fs,在本設(shè)計(jì)與 仿 真 中f1=800Hz,f2= 1 200Hz, f1+ f2= 2 000Hz,要保留fs頻率濾除其他頻率,即濾掉的最小頻率為4 400Hz還要再減去信號(hào)頻率帶寬100Hz,故低通濾波器通帶截止頻率在fp=100~300Hz區(qū)間選取。由于濾波器的非理想性,實(shí)際可取值范圍更小,經(jīng)仿真驗(yàn)證,本設(shè)計(jì)可取值范圍為fp=100~260Hz,實(shí)際取了fp= 2 00Hz。取值小圖4波形4信號(hào)變換沿變化緩慢,解調(diào)信號(hào)相對(duì)于被調(diào)制信號(hào)延時(shí)更多。
FSK調(diào)制相對(duì)于ASK調(diào)制在解調(diào)時(shí)不需要確定判決門限,只需要2路信號(hào)比較大小,在這點(diǎn)上相對(duì)ASK容易實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
關(guān)于帶通濾波器的使用,可以像本文中這樣用一個(gè)帶通濾波器,也可以用2個(gè)帶通濾波器在上下2路中。即接收信號(hào)先分成2路,各先分別經(jīng)中心頻率為 f1、 f2帶寬fs的帶通濾波器分別取出中心頻率為 f1、 f2的信號(hào)然后再同步解調(diào)、低通濾波。
用1個(gè)濾波器可以減少濾波器使用數(shù)量,但參數(shù)選取要求嚴(yán)格,稍有不慎就無法解調(diào)出信號(hào)。用2個(gè)濾波器參數(shù)選取相對(duì)寬松,容易實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
圖3 FSK調(diào)制解調(diào)各環(huán)節(jié)仿真波形圖
FSK調(diào)制中,相干解調(diào)數(shù)學(xué)分析簡(jiǎn)單明了,易于實(shí)現(xiàn),但接收端還需要與發(fā)端同步的解調(diào)正弦載波信號(hào),需要有專門的電路實(shí)現(xiàn),本文重點(diǎn)在分析接收電路中濾波器的設(shè)計(jì)與參數(shù)選取,將載波同步簡(jiǎn)化為已同步。載波同步在同步解調(diào)電路中也是一個(gè)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。
FSK調(diào)制解調(diào)在解調(diào)時(shí)比較2路信號(hào)大小,容易實(shí)現(xiàn)解調(diào)。但要實(shí)現(xiàn)解調(diào)關(guān)鍵在于確定解調(diào)電路中濾波器參數(shù),通過理論分析和仿真驗(yàn)證,給出了濾波器參數(shù)確定方法?;赟imulink進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)FSK調(diào)制解調(diào)電路能夠?qū)崿F(xiàn)FSK調(diào)制解調(diào)。
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