实验二 2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 调制实验
一、实验目的
1、掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。 2、掌握用键控法产生2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号的方法。
3、掌握相对码波形与2PSK 信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK 信号波形之间的关系。
4、了解2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。
二、实验内容
1、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。
2、用示波器观察2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号波形。
3、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号的频谱。
三、基本原理
本实验使用数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供位同步信号和数字基带信号（NRZ 码）。调制模块将输入的NRZ 绝对码变为相对码、用键控法产生2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号。
（A ）二进制数字调制原理
一．2ASK 1．产生
信息代码
2ASK
1
模拟法
m(t)NRZ
e o (t ) =m (t ) cos ωc t
键控法
cos ωc t
e o (t)
2．频谱
R eo (τ) =e o (t ) e o (t +τ) =m (t ) cos ωc (t ) m (t +τ) Cos ωc (t +τ)
７
=m (t ) m (t +τ) ⋅cos ωc t cos ωc (t +τ) =
P eo (f ) =
11
R m (τ) cos ωc τ=R m (τ)[e -j ωc τ+e j ωc τ] 24
1
[P s (f +f c ) +P s (f -f c )] 4
式中P s (f)为m(t)的功率密度
谱零点带宽 B=2fs =2RB
发滤波器最小带宽可为f s (理论值) 也可将基带信号处理后再进行2ASK 调制
f c -f s /f c fc+fs /2
二．2FSK 1．产生
e o (
t ) =A cos ⎡ωc t +K F m (t ) dt ⎤ ⎢⎥⎣⎦
⎰
相位连续
相位不连续
cos ωc 1t +m t cos ωc 2t
2．频谱 键控法2FSK
1
８
P eo (f ) =[P s 1(f +f c 1) +P s 1(f -f c 2)]+[P s 2(f +f c 1) +P s 2(f -f c 2)]
式中p s 1(f ) 是m(t)的功率谱，p s 2(f ) 是m (t ) 的功率谱当p(1)=p(0)时，
p s 1(f ) =p s 2(f ) |f c 1-f c 2|>2f s
1414
|f c 1-f c 2|
f c2 f c2+fs f c1 f c1+fs
2FSK信号带宽B =|f c 1-f c 2|+2f s
或
f c2 f c1
f c2 f c1
三．2PSK （BPSK ） （绝对调相）
⎧cos ωc t , " 1"
e o (t ) =m (t ) cos ωc t =⎨
⎩-cos ωc t , " 0" m
(t ) :BNRZ ,
2kT ≤t ≤(2kt 1) Ts
1． 产生
９
信息代码→2PSK 规律：“异变同不变”，即本码元与前一码元相异时，本码元内2PSK 信号的初相相对于前一码元内2PSK 信号的未相变化180°，相同时则不变。
2．频谱
1
P eo (f ) =[p s (f +f c ) +p s (f -f c )] ，P eo (f)中无离散谱f c
4
p s (f ) 为m(t)的频谱
当p(1)=p(0)时p s (f)中无直流， B=2fs 四．2DPSK （差分相位键控，相对调相） 1．产生 码变换—2PSK 调制法
“1变
第一个码元内信号的初相可任意假设
ak →2DPSK 规律：“1变0不变”，即信息代码（绝对码）为“1”时，本码元内2DPSK 信号的初相相对于前一码元内2DPSK 信号的未相变化180°，信息代码为“0”时，则本码元内2DPSK 信号的初相相对于前一码元内2DPSK 信号的末相不变化。 2．频谱 同2PSK
（B ）电路原理
数字调制单元的原理方框图及电路图分别如图2-1（实验箱面膜），图2-2所示。
１０
图2-1 数字调制方框图
本单元有以下测试点及输入输出点：
∙ BS-IN ∙ NRZ-IN ∙ CAR ∙ AK ∙ BK
位同步信号输入点 数字基带信号输入点 2DPSK 信号载波测试点
绝对码测试点（与NRZ-IN 相同） 相对码测试点
信号测试点/输出点，V P-P >0.5V 2FSK 信号测试点/输出点，V P-P >0.5V 2ASK 信号测试点，V P-P >0.5V
∙ 2DPSK-OUT ∙ 2FSK-OUT ∙ 2ASK
图2-1中晶体振荡器与信源共用，位于信源单元，其它各部分与图2-2中的 主要元器件对应关系如下：
∙ ÷8 ∙ ÷2
计数器 D 触发器 运放，调谐回路 运放，调谐回路 D 触发器；异或门 三路二选一模拟开关 三路二选一模拟开关 三极管 三极管
∙ 滤波器A ∙ 滤波器B ∙ 码变换
∙ 2ASK调制 ∙ 2FSK调制 ∙ 放大器 ∙ 射随器
∙ 2DPSK（2PSK 调制） 三路二选一模拟开关
１１
将晶振信号进行8分频、滤波后，得到2ASK 的载频554KHz 。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是2PSK 、2DPSK 的两个载波，2FSK 信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/2和1/4，也是通过分频和滤波得到的。
下面重点介绍2PSK 、2DPSK 。2PSK 、2DPSK 波形与信息代码的关系如图2-3所示。
图2-3 2PSK、2DPSK 波形
图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。2PSK 信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK 信号相位变化180︒，相同时2PSK 信号相位不变，可简称为“异变同不变”。2DPSK 信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK 信号的相位变化180︒。码元为“0”时，2DPSK 信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。
应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。实际工程中，2PSK 或2DPSK 信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是那种关系，上述结论总是成立的。
本单元用码变换——2PSK 调制方法产生2DPSK 信号，原理框图及波形图如图2-4所示。相对于绝对码AK 、2PSK 调制器的输出就是2DPSK 信号，相对于相对码、2PSK 调制器的输出是2PSK 信号。图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与AK 、BK 的关系当然也是符合上述规律的，即对于AK 来说是“1变0不变”关系，对于BK 来说是“异变同不变”关系，由AK 到BK 的变换也符合“1变0不变”规律。
图2-4中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK 也可能具有相反的序列即00100，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。
2DPSK 通信系统可以克服上述2PSK 系统的相位模糊现象，故实际通信中采用2DPSK 而不用2PSK （多进制下亦如此，采用多进制差分相位调制MDPSK ），此问题将在数字解调实验中再详细介绍。
１２
图2-4 2DPSK调制器
2PSK 信号的时域表达式为
S(t)= m(t)Cosωc t
式中m(t)为双极性不归零码BNRZ ，当“0”、“1”等概时m(t)中无直流分量，S(t)中无载频分量，2DPSK 信号的频谱与2PSK 相同。
2ASK 信号的时域表达式与2PSK 相同，但m(t)为单极性不归零码NRZ ，NRZ 中有直流分量，故2ASK 信号中有载频分量。
2FSK 信号（相位不连续2FSK ）可看成是AK 与AK 调制不同载频信号形成的两个2ASK 信号相加。时域表达式为
S (t ) =m (t ) cos ωc 1t +m (t ) cos ωc 2t
式中m(t)为NRZ 码。
图2-5 2ASK、2PSK （2DPSK ）、2FSK 信号功率谱
１３
１４
图2-2 数字调制原理图
设码元宽度为Ts ，f S =1／Ts 在数值上等于码速率，2ASK 、2PSK （2DPSK ）、2FSK 的功率谱密度如图2-5所示。可见，2ASK 、2PSK （2DPSK ）的功率谱是数字基带信号m(t)功率谱的线性搬移，故常称2ASK 、2PSK （2DPSK ）为线性调制信号。多进制的MASK 、MPSK （MDPSK ）、MFSK 信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。
本实验系统中m(t)是一个周期信号，故m(t)有离散谱，因而2ASK 、2PSK （2DPSK ）、2FSK 也具有离散谱。
四、实验步骤
1、熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。
2、连线：数字调制单元的CLK 、BS-IN 、NRZ-IN 分别连至信源单元CLK 、BS 、NRZ 。打开 交流电源开关和两模块的电源开关。
3、用数字信源模块的FS 信号作为示波器的外同步信号，示波波CH1接AK ，
CH2接BK ，信源模块的K 1、K 2、K 3置于任意状态（非全0），观察AK 、BK 波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。
4、示波器CH1接2DPSK ，CH2分别接AK 及BK ，观察并总结2DPSK 信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK 信号相位变化与相对码的关系（此关系即是2PSK 信号相位变化与信源代码的关系）。注意：2DPSK 信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。
5、示波器CH1接AK 、CH2依次接2FSK 和2ASK ；观察这两个信号与AK 的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK 信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。
6、用频谱议观察AK 、2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号频谱（条件不具备时不进行此项观察）。
应该注明的是：由于示波器的原因，实验中可能看不到很理想的2FSK 、2DPSK 波形。
五、实验报告要求
1、设绝对码为全1、全0或1001 1010，求相对码。 2、设相对码为全1、全0或1001 1010，求绝对码。
3、设信息代码为1001 1010，载频分别为码元速率的1倍和1. 5倍，画出2DPSK 及2PSK 信号波形。
4、总结绝对码至相对码的变换规律、相对码至绝对码的变换规律并设计一个由
１５
相对码至绝对码的变换电路。
5、总结2DPSK 信号的相位变化与绝对码的关系以及2DPSK 信号的相位变化与相对码的关系（即2PSK 的相位变化与信息代码之间的关系）。
六、实验设备
RC-TX-IV 型实验系统 1台 20MHz 通用示波器 1台
１６
实验二 2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 调制实验
一、实验目的
1、掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。 2、掌握用键控法产生2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号的方法。
3、掌握相对码波形与2PSK 信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK 信号波形之间的关系。
4、了解2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。
二、实验内容
1、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。
2、用示波器观察2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号波形。
3、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号的频谱。
三、基本原理
本实验使用数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供位同步信号和数字基带信号（NRZ 码）。调制模块将输入的NRZ 绝对码变为相对码、用键控法产生2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号。
（A ）二进制数字调制原理
一．2ASK 1．产生
信息代码
2ASK
1
模拟法
m(t)NRZ
e o (t ) =m (t ) cos ωc t
键控法
cos ωc t
e o (t)
2．频谱
R eo (τ) =e o (t ) e o (t +τ) =m (t ) cos ωc (t ) m (t +τ) Cos ωc (t +τ)
７
=m (t ) m (t +τ) ⋅cos ωc t cos ωc (t +τ) =
P eo (f ) =
11
R m (τ) cos ωc τ=R m (τ)[e -j ωc τ+e j ωc τ] 24
1
[P s (f +f c ) +P s (f -f c )] 4
式中P s (f)为m(t)的功率密度
谱零点带宽 B=2fs =2RB
发滤波器最小带宽可为f s (理论值) 也可将基带信号处理后再进行2ASK 调制
f c -f s /f c fc+fs /2
二．2FSK 1．产生
e o (
t ) =A cos ⎡ωc t +K F m (t ) dt ⎤ ⎢⎥⎣⎦
⎰
相位连续
相位不连续
cos ωc 1t +m t cos ωc 2t
2．频谱 键控法2FSK
1
８
P eo (f ) =[P s 1(f +f c 1) +P s 1(f -f c 2)]+[P s 2(f +f c 1) +P s 2(f -f c 2)]
式中p s 1(f ) 是m(t)的功率谱，p s 2(f ) 是m (t ) 的功率谱当p(1)=p(0)时，
p s 1(f ) =p s 2(f ) |f c 1-f c 2|>2f s
1414
|f c 1-f c 2|
f c2 f c2+fs f c1 f c1+fs
2FSK信号带宽B =|f c 1-f c 2|+2f s
或
f c2 f c1
f c2 f c1
三．2PSK （BPSK ） （绝对调相）
⎧cos ωc t , " 1"
e o (t ) =m (t ) cos ωc t =⎨
⎩-cos ωc t , " 0" m
(t ) :BNRZ ,
2kT ≤t ≤(2kt 1) Ts
1． 产生
９
信息代码→2PSK 规律：“异变同不变”，即本码元与前一码元相异时，本码元内2PSK 信号的初相相对于前一码元内2PSK 信号的未相变化180°，相同时则不变。
2．频谱
1
P eo (f ) =[p s (f +f c ) +p s (f -f c )] ，P eo (f)中无离散谱f c
4
p s (f ) 为m(t)的频谱
当p(1)=p(0)时p s (f)中无直流， B=2fs 四．2DPSK （差分相位键控，相对调相） 1．产生 码变换—2PSK 调制法
“1变
第一个码元内信号的初相可任意假设
ak →2DPSK 规律：“1变0不变”，即信息代码（绝对码）为“1”时，本码元内2DPSK 信号的初相相对于前一码元内2DPSK 信号的未相变化180°，信息代码为“0”时，则本码元内2DPSK 信号的初相相对于前一码元内2DPSK 信号的末相不变化。 2．频谱 同2PSK
（B ）电路原理
数字调制单元的原理方框图及电路图分别如图2-1（实验箱面膜），图2-2所示。
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图2-1 数字调制方框图
本单元有以下测试点及输入输出点：
∙ BS-IN ∙ NRZ-IN ∙ CAR ∙ AK ∙ BK
位同步信号输入点 数字基带信号输入点 2DPSK 信号载波测试点
绝对码测试点（与NRZ-IN 相同） 相对码测试点
信号测试点/输出点，V P-P >0.5V 2FSK 信号测试点/输出点，V P-P >0.5V 2ASK 信号测试点，V P-P >0.5V
∙ 2DPSK-OUT ∙ 2FSK-OUT ∙ 2ASK
图2-1中晶体振荡器与信源共用，位于信源单元，其它各部分与图2-2中的 主要元器件对应关系如下：
∙ ÷8 ∙ ÷2
计数器 D 触发器 运放，调谐回路 运放，调谐回路 D 触发器；异或门 三路二选一模拟开关 三路二选一模拟开关 三极管 三极管
∙ 滤波器A ∙ 滤波器B ∙ 码变换
∙ 2ASK调制 ∙ 2FSK调制 ∙ 放大器 ∙ 射随器
∙ 2DPSK（2PSK 调制） 三路二选一模拟开关
１１
将晶振信号进行8分频、滤波后，得到2ASK 的载频554KHz 。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是2PSK 、2DPSK 的两个载波，2FSK 信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/2和1/4，也是通过分频和滤波得到的。
下面重点介绍2PSK 、2DPSK 。2PSK 、2DPSK 波形与信息代码的关系如图2-3所示。
图2-3 2PSK、2DPSK 波形
图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。2PSK 信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK 信号相位变化180︒，相同时2PSK 信号相位不变，可简称为“异变同不变”。2DPSK 信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK 信号的相位变化180︒。码元为“0”时，2DPSK 信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。
应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。实际工程中，2PSK 或2DPSK 信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是那种关系，上述结论总是成立的。
本单元用码变换——2PSK 调制方法产生2DPSK 信号，原理框图及波形图如图2-4所示。相对于绝对码AK 、2PSK 调制器的输出就是2DPSK 信号，相对于相对码、2PSK 调制器的输出是2PSK 信号。图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与AK 、BK 的关系当然也是符合上述规律的，即对于AK 来说是“1变0不变”关系，对于BK 来说是“异变同不变”关系，由AK 到BK 的变换也符合“1变0不变”规律。
图2-4中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK 也可能具有相反的序列即00100，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。
2DPSK 通信系统可以克服上述2PSK 系统的相位模糊现象，故实际通信中采用2DPSK 而不用2PSK （多进制下亦如此，采用多进制差分相位调制MDPSK ），此问题将在数字解调实验中再详细介绍。
１２
图2-4 2DPSK调制器
2PSK 信号的时域表达式为
S(t)= m(t)Cosωc t
式中m(t)为双极性不归零码BNRZ ，当“0”、“1”等概时m(t)中无直流分量，S(t)中无载频分量，2DPSK 信号的频谱与2PSK 相同。
2ASK 信号的时域表达式与2PSK 相同，但m(t)为单极性不归零码NRZ ，NRZ 中有直流分量，故2ASK 信号中有载频分量。
2FSK 信号（相位不连续2FSK ）可看成是AK 与AK 调制不同载频信号形成的两个2ASK 信号相加。时域表达式为
S (t ) =m (t ) cos ωc 1t +m (t ) cos ωc 2t
式中m(t)为NRZ 码。
图2-5 2ASK、2PSK （2DPSK ）、2FSK 信号功率谱
１３
１４
图2-2 数字调制原理图
设码元宽度为Ts ，f S =1／Ts 在数值上等于码速率，2ASK 、2PSK （2DPSK ）、2FSK 的功率谱密度如图2-5所示。可见，2ASK 、2PSK （2DPSK ）的功率谱是数字基带信号m(t)功率谱的线性搬移，故常称2ASK 、2PSK （2DPSK ）为线性调制信号。多进制的MASK 、MPSK （MDPSK ）、MFSK 信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。
本实验系统中m(t)是一个周期信号，故m(t)有离散谱，因而2ASK 、2PSK （2DPSK ）、2FSK 也具有离散谱。
四、实验步骤
1、熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。
2、连线：数字调制单元的CLK 、BS-IN 、NRZ-IN 分别连至信源单元CLK 、BS 、NRZ 。打开 交流电源开关和两模块的电源开关。
3、用数字信源模块的FS 信号作为示波器的外同步信号，示波波CH1接AK ，
CH2接BK ，信源模块的K 1、K 2、K 3置于任意状态（非全0），观察AK 、BK 波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。
4、示波器CH1接2DPSK ，CH2分别接AK 及BK ，观察并总结2DPSK 信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK 信号相位变化与相对码的关系（此关系即是2PSK 信号相位变化与信源代码的关系）。注意：2DPSK 信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。
5、示波器CH1接AK 、CH2依次接2FSK 和2ASK ；观察这两个信号与AK 的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK 信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。
6、用频谱议观察AK 、2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号频谱（条件不具备时不进行此项观察）。
应该注明的是：由于示波器的原因，实验中可能看不到很理想的2FSK 、2DPSK 波形。
五、实验报告要求
1、设绝对码为全1、全0或1001 1010，求相对码。 2、设相对码为全1、全0或1001 1010，求绝对码。
3、设信息代码为1001 1010，载频分别为码元速率的1倍和1. 5倍，画出2DPSK 及2PSK 信号波形。
4、总结绝对码至相对码的变换规律、相对码至绝对码的变换规律并设计一个由
１５
相对码至绝对码的变换电路。
5、总结2DPSK 信号的相位变化与绝对码的关系以及2DPSK 信号的相位变化与相对码的关系（即2PSK 的相位变化与信息代码之间的关系）。
六、实验设备
RC-TX-IV 型实验系统 1台 20MHz 通用示波器 1台
１６