FSK调制技术是一种数字调制技术，它是将数字信号转换为模拟信号的一种方法，广泛应用于无线通信、数字音频、数据传输等领域。本文将介绍FSK调制及解调的原理，以及实验过程和实验结果。
一、FSK调制原理
频移键控调制(FSK)是一种数字调制技术，它的原理是将数字信号转换为模拟信号，通过改变信号的频率来传输信息。在FSK调制中，二进制信号被转换为两个不同频率的正弦波信号，分别代表数字0和数字1.在数字0的情况下，信号的频率为$f_1$，在数字1的情况下，信号的频率为$f_2$。因此，FSK调制可以看作是一种频率调制技术。
FSK调制的数学表达式如下:
调制信号:
- s(t) = Acos(2πft + θ), (当输入为“1”时)
- s(t) = Acos(2π(f-Δf)t + θ)), (当输入为“0”时)
其中,
- f:载波频率
- Δf:频率偏移量,Δf = f1 – f2
- f1:代表数字1的频率
- f2:代表数字0的频率
- A:信号幅度
- θ:信号初始相位
因此,FSK调制信号所包含的两种频率分量为f1和f2.其表达式为:
- f1 = f + Δf/2
- f2 = f – Δf/2
解调后得到的数字信号为:
- Digital Output = {1. frequecy detetor 1 output is stronger
- 0. frequecy detetor 2 output is stronger
也就是:
- 当接收到的调制信号以f1 = f + Δf/2 为主要频率分量时,输出1;
- 当接收到的调制信号以f2 = f – Δf/2 为主要频率分量时,输出0.
- 根据上述公式,我们可以实现FSK调制的仿真,主要步骤:
- 1) 设置载波频率f,频偏Δf和信号幅度A;
- 2) 根据输入的数字信号(1或0),计算得到f1或f2;
- 3) 生成相应频率f1或f2的正弦波,得到FSK调制信号;
- 4) 添加噪声后,对FSK信号进行频谱分析,观察主要频率分量是f1还是f2;
- 5) 根据主要频率分量判断当前信号所代表的数字,从而实现FSK解调。
- 通过上述仿真,我们可以直观地理解和验证FSK调制及解调的原理,相比理论公式更加直观。这也是数字通信中的一个常用实验。
二、FSK解调原理
FSK解调是将FSK调制信号还原为原始的数字信号。在FSK解调中，接收到的信号会被分成两个频率分量，分别对应数字0和数字1的频率。这些分量会被放大并进行检测，然后将它们转换回数字信号。
FSK解调的数学表达式如下:
接收到的FSK调制信号:
r(t) = s(t) + n(t)
其中,s(t)为FSK调制信号,n(t)为噪声。
根据FSK调制信号的表达式,s(t)可为:
- s(t) = Acos(2πf1t + θ), (当输入为“1”时)
- s(t) = Acos(2πf2t + θ)), (当输入为“0”时)
其中,f1和f2为代表数字1和0的两个频率。
接收机通过两个频率检测器分别检测接收信号中的f1和f2频率分量,表达为:
- f1检测器输出:f1(t) = K1r(t)cos(2πf1t + φ1)
- f2检测器输出:f2(t) = K2r(t)cos(2πf2t + φ2)
其中,K1和K2为频率检测器的增益,φ1和φ2为频率检测器的初始相位。
判决规则:
- 当f1(t) > f2(t) 时,输出1
- 当f2(t) > f1(t) 时,输出0
也就是比较两个频率检测器的输出,哪个输出更强,判定接收信号所包含的主要频率分量,从而确定发送的数字信息。
因此,FSK解调的关键在于:设置两个中心频率分别为f1和f2的频率检测器,通过检测接收信号在f1和f2处的频率分量强弱,来判断发送的数字信号。由于噪声的存在,判决阈值的设置也很重要,通常设置为全量程的1/2.
这个简单的原理描述了FSK解调的基本数学表达和实现原理。在实际系统中,为提高检测精度,还会采用更复杂的频率判决方法,但原理与此相同。
三、实验过程
实验材料：
- 1.信号发生器
- 2.频谱分析仪
- 3.示波器
- 4.电缆
- 5.计算机
实验步骤：
- 1.将信号发生器连接到频谱分析仪。
- 2.将信号发生器设置为FSK模式，并设置数字0和数字1的频率。
- 3.将信号发生器连接到示波器，以便观察信号的波形。
- 4.将信号发生器连接到计算机，以便记录信号的频率和幅度。
- 5.使用频谱分析仪检测信号的频率分量。
- 6.使用示波器观察信号的波形。
实验结果：
通过实验，我们可以看到FSK调制信号的频率在数字0和数字1之间切换。在数字0的情况下，信号的频率为$f_1$，在数字1的情况下，信号的频率为$f_2$。我们还可以通过频谱分析仪检测到信号的频率分量，并使用示波器观察信号的波形。
四、结论
FSK调制技术是一种数字调制技术，它的原理是将数字信号转换为模拟信号，通过改变信号的频率来传输信息。FSK解调是将FSK调制信号还原为原始的数字信号。通过实验，我们可以看到FSK调制信号的频率在数字0和数字1之间切换，并且可以使用频谱分析仪检测到信号的频率分量，使用示波器观察信号的波形。
