預習報告通信原理實驗一.docx

山東大學通信原理實驗預習報告預 習 報 告課程名稱： 通信原理實驗 課題名稱： 實驗一 模擬鎖相環(huán) 專業(yè)班級: 14通信工程 一班實驗成員: 呂傳磊硬件實驗回答預習問題1、 通信原理實驗系統(tǒng)由哪些部分組成？顯示控制模塊、FPGA初始化模塊、信道接口模塊、DSP+FPGA處理模塊、D/A模塊、中頻調制模塊、中頻解調模塊、A/D模塊、測試模塊、漢明編碼模塊、漢明譯碼模塊、噪聲模塊、電話接口（1、2）模塊、雙音多頻DTMF（1、2）模塊、PAM模塊、ADPCM（1、2）模塊、CVSD發(fā)模塊、CVSD收模塊、幀傳輸復接模塊、幀傳輸解復接模塊、AMI/HDB3碼模塊、CMI編碼模塊、CMI譯碼模塊、模擬鎖相環(huán)模塊、數字鎖相環(huán)模塊、現代調制技術模塊等。2、 本實驗系統(tǒng)中，無線信道傳輸包括哪些模塊？畫出系統(tǒng)框圖。各模塊的主要功能是什么？根據實驗系統(tǒng)無線信道傳輸過程，信號流程為：用戶電話接口1話音編碼1漢明糾錯編碼信道調制加噪信道信道解調漢明譯碼話音解碼2用戶電話接口2?？芍K及框圖如下：電話1、電話2模塊：分別是信源與信宿，提供信息，接收信息PCM/ADPCM/CVSD模塊：信源編碼與解碼模塊，對語音信號，進行壓縮/解壓縮算法。 漢明編碼、漢明譯碼模塊：信道編碼與信道譯碼，線性分組碼，通過增加冗余，增強通信可靠性。 調制、解調模塊：數字基帶信號與數字頻帶信號的轉換。調制是為了將基帶信號轉變?yōu)檫m合信道傳輸的帶通信號，解調是為了將帶通信號還原成基帶信號，以獲取信息。 噪聲模塊：產生高斯白噪聲，以模擬AWGN信道。3、 本實驗系統(tǒng)中，有線信道傳輸包括哪些模塊？畫出系統(tǒng)框圖。各模塊的主要功能是什么？根據實驗系統(tǒng)有線信道傳輸過程，信號流程為：用戶電話接口2話音編碼2信道復接線路編碼（HDB3/CMI）線路譯碼信道解復接話音解碼1用戶電話接口1。 可知模塊及框圖如下：電話1、電話2模塊：分別是信源與信宿，提供信息，接收信息ADPCM模塊：信源編碼與解碼模塊，自適應差分脈沖編碼調制方式，主要針對語音信號，提供壓縮/解壓縮算法。 線路碼編碼/解碼模塊：將碼序列轉換為適合基帶信道傳輸的碼序列，減少線路碼頻譜中高頻信號，并便于從接收端提取符號同步信號。 信號復接/解復接模塊：將多個數字低速信號合并為一路高速信號（將一路信號分接為多路信號）4、 查閱相關資料，解釋軟件無線電（SDR）的含義，并舉例介紹其在現代通信系統(tǒng)中的應用。軟件定義的無線電(Software Defined Radio，SDR) 是一種無線電廣播通信技術，它基于軟件定義的無線通信協(xié)議而非通過硬連線實現。頻帶、空中接口協(xié)議和功能可通過軟件下載和更新來升級，而不用完全更換硬件。 TDSCDMA是唯一明確將智能天線和高速數字調制技術設計在標準中，明確用軟件無線電技術來實施的標準。5、 本實驗系統(tǒng)中，語音編碼包括哪些方式？簡要介紹各種方式的實現過程和特點。ADPCM，自適應差分脈沖編碼調制。特性：綜合了APCM的自適應特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性，是一種性能比較好的波形編碼。它的核心想法是： 利用自適應的思想改變量化階的大小，即使用小的量化階(step-size)去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值； 使用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預測值，使實際樣本值和預測值之間的差值總是最小。優(yōu)點：算法復雜度低，壓縮比大（CD音質400kbps），編解碼延時最短（相對其它技術）缺點：聲音質量一般PCM （脈沖編碼調制）是Pulse Code Modulation的縮寫。脈沖編碼調制是數字通信的編碼方式之一。主要過程是將話音、圖像等模擬信號每隔一定時間進行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時將抽樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值。 脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation)是最常用、最簡單的波形編碼。它是一種直接、簡單地把語音經抽樣、A/D轉換得到的數字均勻量化后進行編碼的方法，是其他編碼算法的基礎。 PCM的優(yōu)點就是音質好，缺點就是體積大。 CVSD，連續(xù)可變斜率增量調制，基本原理是采用自適應方法使量階的大小隨輸入信號的統(tǒng)計特性變化而跟蹤變化。如量階能隨信號瞬時壓擴，則稱為瞬時壓擴M，記作ADM。若量階隨音節(jié)時間間隔（5一20ms）中信號平均斜率變化，則稱為連續(xù)可變斜率增量調制，記作CVSD。由于這種方法中信號斜率是根據碼流中連“1”或連“0”的個數來檢測的，所以又稱為數字檢測、音節(jié)壓擴的自適應增量調制，簡稱數字壓擴增量調制。 CVSD的特性很適合語音數字編碼。由于采用1bit量化，避免了復雜的幀結構。有很好的檢測誤碼和糾錯的性能。其他的語音編碼方案則需要有數字信號處理器和外部模數數模轉換器來對模擬信號進行數字轉換。整個CVSD編解碼算法，包括了輸入輸出濾波器，可以繼承在單硅片里。盡管結構簡單，CVSD卻有足夠的復雜度用來在安全應用領域進行數字加密。最后，CVSD可以在很寬的速率范圍內工作CVSD已經被成功的應用于9.6kbps64kbps。在9.6kbps音頻質量不是特別的好，但是不影響理解。在24kbps到48kbps，語音質量已經很容易接受。高于48kbps時，性能達到了Toll Quality的級別。6、 本實驗系統(tǒng)中，調制解調包括哪些方式？簡要介紹各種方式的實現過程和特點。 FSK（Frequency-shift keying，頻移鍵控）是信息傳輸中使用得較早的一種調制方式,它的主要優(yōu)點是: 實現起來較容易,抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。最常見的是用兩個頻率承載二進制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)。MSK，最小頻移鍵控(Minimum Shift Keying)是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控(CPFSK)。其最大頻移為比特速率的1/4，即MSK是調制系數為0.5的連續(xù)相位的FSK。其特點是：一是信號能量的99.5%被限制在數據傳輸速率的1.5倍的帶寬內。譜密度隨頻率（遠離信號帶寬中心）倒數的四次冪而下降，而通常的離散相位FSK信號的譜密度卻隨頻率倒數的平方下降。因此，MSK信號在帶外產生的干擾非常小。這正是限帶工作情況下所希望有的寶貴特點。二是信號包絡是恒定的，系統(tǒng)可以使用廉價高效的非線性器件。 BPSK (Binary Phase Shift Keying)二進制相移鍵控，是把模擬信號轉換成數據值的轉換方式之一，利用偏離相位的復數波浪組合來表現信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準的正弦波和相位反轉的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送接受2值(1比特)的信息。 具有倒現象，雖抗噪聲較強但傳送效率差。 DBPSK（差分二進制移相鍵控）方式是利用前后相鄰碼元的相對載波相位值去表示數字信息的一種方式。即用前后兩個碼元之間相差來表示碼元的值“0”和“1”。例如，假設相差值“”表示符號“1”，相差為“0”表示符號“0?？梢钥闯?DPSK的波形與BPSK的不同，他們的同一相位并不對應相同的數字信息符號，而前后碼元相對相位差才表示信息符號。這說明，解調2DPSK信號是并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，則只要鑒別這個相差關系就可正確恢復數字信息，這就避免了BPSK中的倒現象發(fā)生。 GMSK，高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying），這是GSM系統(tǒng)采用的調制方式。數字調制解調技術是數字蜂窩移動通信系統(tǒng)空中接口的重要組成部分。GMSK調制是在MSK（最小頻移鍵控）調制器之前插入高斯低通預調制濾波器這樣一種調制方式。GMSK提高了數字移動通信的頻譜利用率和通信質量。 QAM是Quadrature Amplitude Modulation的縮寫，中文譯名為“正交振幅調制”，其幅度和相位同時變化，屬于非恒包絡二維調制。QAM是正交載波調制技術與多電平振幅鍵控的結合。與其它調制技術相比,QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優(yōu)點。7、 本實驗系統(tǒng)中，線路編碼包括哪些方式？簡要介紹各種方式的實現過程和特點。 AMI碼，極性交替翻轉碼，將二元碼變換為三元碼，并引入相關性，用以改變信號波形的功率譜結構，但容易使時鐘提取困難。 HDB3碼，三階高密度雙極性碼（High Density Bipolar of Order 3）是一種適用于基帶傳輸的編碼方式，它是為了克服AMI碼的缺點而出現的，具有能量分散，抗破壞性強等特點。HDB3碼將4個連續(xù)的“0”位元取代成“000V”或“B00V”。CMI（Coded Mark Inversion）碼是傳號反轉碼的簡稱，與雙相碼類似，它也是一種雙極性二電平碼。其編碼規(guī)則是“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；“0”碼固定地用“01”表示。CMI碼易于實現，含有豐富的定時信息。此外，由于10為禁用碼組，不會出現三個以上的連碼，這個規(guī)律可以用來宏觀檢錯。8、 在通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)的作用是什么？ 同步在電信網中是一個十分重要的概念。同步的種類很多，有時鐘同步、比特同步等等，其最終目的使本地時鐘源鎖定在另一個參考時鐘源上，如果所有的終端均采用這種方式，則將以統(tǒng)一步調進行工作。同步的技術基礎是鎖相，因而鎖相技術是通信中最重要的技術之一。9、解釋以下英文縮寫的含義，給出英文全稱： FPGA：FieldProgrammable Gate Array，即現場可編程門陣列DTMF：Dual Tone Multi Frequency，雙音多頻，由高頻群和低頻群組成，高低頻群各包含4個頻率。PCM：脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation)ADPCM: Adaptive Differential Pulse Code Modulation, 自適應差分脈沖編碼調制CVSD: Continuous Variable Slope Delta Modulation (CVSD)連續(xù)可變斜率增量調制語音編碼PAM：脈沖振幅調制（Pulse Amplitude Modulation）DSP：Digital Signal Processing，數字信號處理A/D：模數轉換，Analog to DigitalD/A：數模轉換，Digital to AnalogHDB3: 三階高密度雙極性碼（High Density Bipolar of Order 3）是一種適用于基帶傳輸的編碼方式CMI: Coded Mark Inversion碼是傳號反轉碼的簡稱，與雙相碼類似，它也是一種雙極性二電平碼。BPSK: Binary Phase Shift Keying-二進制相移鍵控FSK: Frequency-shift keying，頻移鍵控DBPSK：Differential binary phase shift keying 差分二進制移相鍵控TDM：Time Division Multiplexing，時分復用模式。時分復用是指一種通過不同信道或時隙中的交叉位脈沖，同時在同一個通信媒體上傳輸多個數字化數據、語音和視頻信號等的技術FDM：Frequency Division Multiplexing，頻分多路復用，就是指用不同頻率傳送各路消息，以實現多路通信CDMA：Code Division Multiple Access，又稱碼分多址，CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。一、實驗儀器1、 ZH5001通信原理綜合實驗系統(tǒng)2、 雙蹤示波器3、 函數信號發(fā)生器（帶頻率計功能） 二、實驗目的1、 掌握模擬鎖相環(huán)的基本工作原理； 2、 掌握鎖相環(huán)的電路組成； 3、 掌握模擬字鎖相環(huán)的基本參數及設計。 三、回答預習問題1、畫出模擬鎖相環(huán)的組成框圖，說明各模塊的功能作用。 1.鑒相器（PD） PD是一個相位比較裝置，用來檢測輸出信號V0(t)與輸入信號Vi(t)之間的相位差e(t)，并把e(t)轉化為電壓Vd(t)輸出，Vd(t)稱為誤差電壓，通常Vd(t)作為一直流分量或一低頻交流量。 2.環(huán)路濾波器（LF）LF作為一低通濾波電路，其作用是濾除因PD的非線性而在Vd(t)中產生的無用的組合頻率分量及干擾，產生一個只反映e(t)大小的控制信號Ve(t)。3.壓控振蕩器（VCO）VCO是本控制系統(tǒng)的控制對象，被控參數通常是其振蕩頻率，控制信號為加在VCO上的電壓，故稱為壓控振蕩器，是一個電壓頻率變換器。2、什么是鎖相環(huán)的同步帶和捕捉帶，二者關系如何？ 同步帶:指從PLL鎖定開始，改變輸入信號的頻率fi（向高或向低兩個方向變化），直到PLL失鎖（由鎖定到失鎖），這段頻率范圍稱為同步帶。捕捉帶:環(huán)路原本是失鎖的，但失鎖能夠通過自身的調節(jié)由失鎖進入鎖定的過程稱為捕捉過程；能夠由失鎖進入鎖定所允許的最大輸入固有角頻差i稱為捕捉帶。一般情況下，捕捉帶不等于同步帶，且前者小于后者。捕獲帶是評價鎖相環(huán)捕獲性能的指標,當固有頻差在捕獲帶范圍之內時,鎖相環(huán)可以通過捕獲過程最終鎖定。同步帶是評價鎖相環(huán)跟蹤性能的指標,當固有頻差在同步帶范圍之內時,鎖相環(huán)可以保持鎖定狀態(tài)。若固有頻差大于捕獲帶,小于同步帶,鎖相環(huán)可能運行在鎖定狀態(tài),但是,一旦失鎖,將不能再次自動鎖定。3、什么是VCO的自由振蕩頻率？什么是VCO的壓控靈敏度？ 在線性范圍內，壓控振蕩器的控制特性為ot=r+A0c(t) ；式中，A0稱為壓控靈敏度或是VCO的增益系數，r即為控制電壓為0時的輸出頻率值，稱為壓控振蕩器的自由振蕩頻率。4、 分析實驗電路的組成，說明主要元器件的作用。該模塊主要由模擬鎖相環(huán)UP01（MC4046）、數字分頻器UP02（74LS161）、D觸發(fā)器 UP04（74LS74）、環(huán)路濾波器和由運放UP03（TEL2702）及阻容器件構成的輸入帶通濾波器（中心頻率：256KHz）組成。在UP01內部有一個振蕩器與一個高速鑒相器組成。該模擬鎖相環(huán)模塊的框圖見上圖。因來自發(fā)端信道的HDB3碼為歸零碼，歸零碼中含有256KHz時鐘分量，經UP03B構成中心頻率為256KHz有源帶通濾波器后，濾出256KHz時鐘信號，該信號再通過UP03A放大，然后經UP04A和UP04B兩個除二分頻器（共四分頻）變?yōu)?4KHz信號，進入UP01鑒相輸入A腳；VCO輸出的512KHz輸出信號經UP02進行八分頻變?yōu)?4KHz信號，送入UP01的鑒相輸入B腳。經UP01內部鑒相器鑒相之后的誤差控制信號經環(huán)路濾波器濾波送入UP01的壓控振蕩器輸入端；WP01可以改變模擬鎖相環(huán)的環(huán)路參數。正常時，VCO鎖定在外來的256KHz頻率上。5、 查閱資料，說明集成電路MM4046、74LS74、TLE2702、74LS161的管腳分布和功能，分析這些芯片在實驗電路中的作用。CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（3V18V），輸入阻抗高（約為100M ），動態(tài)功耗小。CD4046的內部結構圖如下圖所示。主要由相位比較器、相位比較器、壓控振蕩器、源跟隨器等部分構成。 其管腳分布如下：1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。2腳相位比較器的輸出端。3腳比較信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調輸出端，用于FM解調。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極。 74ls74是一個邊沿觸發(fā)器數字電路器件，每個器件中包含兩個相同的、相互獨立的邊沿觸發(fā)d觸發(fā)器電路。在電路中，兩個74相連，進行4分頻。 TLE2702，Family of Nanopower Op Amps，運算放大器，與其它阻容元件構成帶通濾波器及作隔離運放。 74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器，在電路中用作8分頻器使用。6、 分析電路中所有跳線開關和電位器的功能和作用。跳線開關KP01：用于選擇UP01的鑒相輸出。當KP01設置于1_2時（左端），選擇異或門鑒相輸出，環(huán)路鎖定時TPP03、TPP05輸出信號將存在一定相差；當KP01設置于2_3時（右端），選擇三態(tài)門鑒相輸出，環(huán)路鎖定時TPP03、TPP05輸出信號將不存在相差，詳情請參見4046器件性能資料。調整電位器WP01可以改變模擬鎖相環(huán)的環(huán)路參數。跳線開關KP021：用于選擇輸入鎖相信號：當KP021置于1_2時（HDB3：左端），輸入信號來自HDB3編碼模塊的HDB3碼信號；當KP021置于2_3時（TEST：右端）選擇外部的測試信號（J007輸入），此信號用于測量該模擬鎖相環(huán)模塊的性能。電位器WP01：可以改變模擬鎖相環(huán)的環(huán)路參數。電位器WP02：構成低通濾波器，濾除高頻噪聲。7、 分析電路中各個測試點信號的含義，及有關信號之間的關系。 在該模塊中，各測試點如下： TP01：256KHz帶通濾波器輸出 TP02：隔離放大器輸出TP03：鑒相器A輸入信號（64KHz）TP04：VCO輸出信號（512KHz）TP05：鑒相器B輸入信號（64KHz） TP06：環(huán)路濾波器輸出TP07：鎖定指示檢測（鎖定時為高電平）8、 如果通信系統(tǒng)的載波同步由鎖相環(huán)實現，則載波同步的性能指標有哪些？ 同步效率，載波頻率，同步建立時間，同步保持時長，同步精度等四、實驗內容深刻理解電路組成和實驗原理，完成以下實驗內容，記錄實驗數據、實驗現象和實驗信號波形（標明頻率、幅度、脈沖寬度）。 準備工作：將輸入信號選擇開關KP02設置在TEST位置，鑒相輸出開關KP01設置在2_3位置。1. 測量VCO自由振蕩頻率。寫出實驗過程。將測試信號輸入端口Test Clk接地，把函數信號發(fā)生器方式設置為記數（頻率計功能）或使用示波器觀測，測量TP04監(jiān)測點的VCO輸出振蕩頻率f0。2. 測量此鎖相環(huán)的同步帶。用函數信號發(fā)生器產生一個256KHz的TTL信號送入數字信號測試端口Test。用示波器同時測量Test、TP0