通信系統(tǒng)實驗指導通信原理實驗指導書

1、通信系統(tǒng)實通信教研室編青島科技大學電子信息工程系二OO三年十二月實驗箱使用簡介 1.實驗一數(shù)字基帶信號 5.實驗二數(shù)字調(diào)制 1.4.實驗三模擬鎖相環(huán)與載波同步 1.8實驗四數(shù)字解調(diào)與眼圖 2.3實驗五數(shù)字鎖相環(huán)與位同步 2.8實驗六幀同步 3.4.實驗七時分復用數(shù)字基帶通信系統(tǒng) 3.8實驗八時分復用2DPSK、2FSK通信系統(tǒng)43實驗九PCM編譯碼45實驗十時分復用通話與抽樣定理 5.3附錄 通信原理實驗各單元電路原理圖 5.5實驗箱使用簡介為配合通信原理課程的理論教學，我們采購了華中科技大學（原華中理工大學）研制的TX-5通信原理教學實驗系統(tǒng)?，F(xiàn)代通信包括傳輸、復用、交換、網(wǎng)絡等四大技術。通

2、信原理課程主要介紹傳輸及復用技術。本實驗系統(tǒng)涵蓋了數(shù)字頻帶傳輸?shù)闹饕獌?nèi)容及時分復用技術，其設計思路是如下圖所示的兩路 PCM/2DPSI數(shù)字電話系統(tǒng)。STA PCM-A> PCM 編碼>BSSLASTB PCM編碼PCM-BSLB同PCMak'AP.|2PSK I碼變換肚調(diào)制卜BS信道 編碼發(fā)濾波器信道COS ctFBSLb圖中STA STB分別為發(fā)端的兩路模擬話音信號， BS為時鐘信號，SLA SLB為抽樣 信號，F(xiàn)為幀同步碼，AK為絕對碼，BK為相對碼。在收端 CP為位同步信號，F(xiàn)S為幀同 步信號，F(xiàn)i、F2為兩個路同步信號，SRA SRB為兩個PCM譯碼器輸出的模擬話

3、音信號。圖中發(fā)濾波器用來限制進入信道的信號帶寬，提高信道的頻帶利用率。收濾波器用來濾除帶外噪聲并與發(fā)濾波器、信道相配合滿足無碼間串擾條件。由于系統(tǒng)的頻率特性、碼速率與碼間串擾之間的關系比較適合于軟件仿真實驗，再考慮到收端有關信號波形的可觀測性，我們在本實驗系統(tǒng)中省略了發(fā)濾波器、信道及收濾波器，而直接將2PSK調(diào)制器輸出信號連接到載波提取單元和相干解調(diào)單元。信道編譯碼實驗也比較易于用軟件仿真，所以本系統(tǒng)設計中也不考慮。對普通語音信號進行編碼而產(chǎn)生的PCM言號是隨機信號，不適于用示波器觀察信號傳輸過程中的變化。所以我們用 24 比特為一幀的周期信號取代實際的數(shù)字語音信號作 為發(fā)端的AK信號，該周期

4、信號由兩路數(shù)據(jù)（每路 8比特）和7比特幀同步碼以及一未 定義比特復接而成。在收端對兩路數(shù)據(jù)進行分接，形成兩路并行碼和兩路串行碼，發(fā)端 的 24 比特信號可根據(jù)實驗需要任意設置。由兩路實際的話音信號（或兩路正弦信號）形成的PCM時分復用信號則不再經(jīng)過調(diào) 制、解調(diào)而直接送給 PCM譯碼器，實驗者可以觀察到 PCM舌音（或正弦信號）波形、量 化噪聲、過載噪聲，從而理解 PCM編譯碼原理。HDB碼及AMI碼是基帶傳輸中的重要碼型，其編碼規(guī)律、位同步提取原理是課堂教 學中的重點和難點，因此也是本實驗系統(tǒng)重點考慮的內(nèi)容。目前 M應用不廣泛且無統(tǒng)一的國際標準，故本實驗系統(tǒng)中沒有考慮。TX-3B型通信原理教學

5、實驗系統(tǒng)由下面十一個單元構成，其印刷電路板布局圖見后。1. 數(shù)字信源單元該單元產(chǎn)生碼速率約為 170.5KB 的單極性不歸零碼（ NRZ 碼），數(shù)字信號幀長為 24bit ，其中包括兩路數(shù)字信息， 每路 8bit ，另外 8bit 中的 7bit 為集中插入幀同步碼， 1bit無定義。本單元還產(chǎn)生了 M序列信號。2. HDB3編譯碼單元本單元用CD22103芯片完成HDB或AMI碼的編譯碼，用帶通濾波器及電荷泵鎖相環(huán) 提取位同步信號。信源部分的分頻器、三選一、倒相器、抽樣以及（AMI）HDBs編譯碼專用集成芯片CD22103等電路的功能可以用一片EPLD完成，具體見附錄四。3. 數(shù)字調(diào)制單元該

6、單元將NRZ碼對頻率約為2.216MHZ的正弦載波進行調(diào)制，產(chǎn)生2DPSK及 2ASK信 號。將NRZ碼對2.216MHZ及1.608MHZ的正弦信號進行調(diào)制產(chǎn)生 2FSK信號。4. 載波同步單元該單元采用平方環(huán)從 2DPSK信號中提取相干載波。5. 2DPSK 解調(diào)單元該單元采用相干解調(diào)方法解調(diào)2DPSKB號。6. 2FSK 解調(diào)單元該單元采用過零檢測方法解調(diào)2FSK信號。7. 位同步單元該單元用全數(shù)字鎖相環(huán)從信源的NRZ信號中或從2DPSK解調(diào)單元（或2FSK解調(diào)單元）的比較器輸出信號中提取位同步信號。8. 幀同步單元該單元從信源的 NRZ信號或從2DPSK解調(diào)單元（或2FSK解調(diào)單元）解

7、調(diào)輸出的NRZ 信號中提取幀同步信號。9. 數(shù)字終端單元該單元輸入NRZ信號、位同步信號、幀同步信號，在位同步及幀同步信號控制下， 將兩路數(shù)字信息從時分復用NRZ信號分接出來，并用發(fā)光二極管顯示。10. PCM 編譯碼單元本單元采用TP3057芯片對兩路模擬音頻信號進行PCM編碼和譯碼。時分復用PCM信號碼速率為2.048MB,幀結構類似于 PCM基群信號，但只傳輸兩路數(shù)字音頻信號，其 中一路信號放在第 2 個時隙，另一路可放在第 1、 2、5、7 任何一個時隙內(nèi)，第 0 個時 隙中有 7 位幀同步碼，其余 29個時隙為全 0碼。11. 兩人通話單元該單元包含音頻放大和衰減電路，與PCM編譯碼

8、單元連接可進行兩人時分復用通話實驗。話音抽樣頻率可選擇為 8K/4K/2K Hz 。用上述前8個單元可構成一個理想信道 2DPSK或者2FSK通信系統(tǒng)，用1、6、7、8 單元可構成一個理想信道數(shù)字基帶通信系統(tǒng)。利用 TX-5 型實驗設備，可開設數(shù)字基帶信號、數(shù)字調(diào)制、模擬鎖相環(huán)與載波同步、 數(shù)字解調(diào)與眼圖、數(shù)字鎖相環(huán)與位同步、幀同步、時分復用數(shù)字基帶通信系統(tǒng)、時分復 用2DPSK/ 2FSK通信系統(tǒng)、PCM編譯碼、時分復用通話與抽樣定理等一個實驗。通過 這些實驗，同學們可以獲得數(shù)字通信時分復用技術及傳輸技術的感性認識、鞏固課堂上 所學的理論知識。在學習通信原理 這門課之前， 同學們已基本具備了

9、模擬電路及數(shù)字電路的分析、 設計及調(diào)試能力，通信實驗的主要目的是幫助大家理解通信系統(tǒng)的整體概念及基本理 論。因此在實驗指導書中，不必詳細地分析各個單元電路的工作過程，只說明了它們的 作用。TX-5 型實驗設備所需三輸出直流穩(wěn)壓電源（+5V、 3A， +12V、 0.5A ， 12V、 0.5A ）已內(nèi)置，實驗時只需將交流 220V 通過電源線接到實驗箱左側的插座內(nèi)。 電源開關在實 驗板左下角， 開關中帶指示燈 。實驗其他必備20MHZ雙蹤示波器，萬用表等。在某些實驗步驟中，需用頻率計、低 失真度低頻信號源、失真儀、頻譜儀等 , 但無這些儀器時絕大部分實驗內(nèi)容仍可完成。本實驗設備還有待進一步完善

10、，實驗指導書中也難免有不當之處，期望同學們及有 關老師提出寶貴意見。實驗一 數(shù)字基帶信號、 實 驗目的1 、了解單極性碼、雙極性碼、歸零碼、不歸零碼等基帶信號波形特點。2 、掌握AMI、HDB碼的編碼規(guī)則。3 、掌握從HDB碼信號中提取位同步信號的方法。4 、掌握集中插入幀同步碼時分復用信號的幀結構特點。5、了解HDB （AMI）編譯碼集成電路 CD22103二、 實 驗內(nèi)容1 、用示波器觀察單極性非歸零碼（ NRZ、傳號交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）、三階高密度雙 極性碼（HDB）、整流后的AMI碼及整流后的 HDB碼。2 、用示波器觀察從 HDB碼中和從AMI碼中提取位同步信號的電路中有關波形。 3

11、、用示波器觀察 HDB3、 AMI 譯碼輸出波形。三、 基 本原理本實驗使用數(shù)字信源模塊和 HDB編譯碼模塊。1 、數(shù)字信源本模塊是整個實驗系統(tǒng)的發(fā)終端， 模塊內(nèi)部只使用+5V電壓，其原理方框圖如圖1-1 所示，電原理圖如圖1-3所示（見附錄）。本單元產(chǎn)生NRZ信號，信號碼速率約為170.5KB, 幀結構如圖 1-2 所示。幀長為 24位，其中首位無定義，第 2位到第 8位是幀同步碼（ 7 位巴克碼1110010）,另外16位為2路數(shù)據(jù)信號，每路 8位。此NRZ信號為集中插入幀同步碼時分復用信號，實驗電路中數(shù)據(jù)碼用紅色發(fā)光二極管指示，幀同步碼及無定義位用綠色發(fā)光二極管指示。發(fā)光二極管亮狀態(tài)表示

12、 1 碼,熄狀態(tài)表示 0 碼。 本模塊有以下測試點及輸入輸出點：? CLK? BS-OUT? FS晶振信號測試點信源位同步信號輸出點 /測試點（ 2 個） 信源幀同步信號輸出點 / 測試點? NRZ-OUT(AK)NRZ信號（絕對碼）輸出點/測試點（4個）圖 1-1 中各單元與電路板上元器件對應關系如下：? 晶振? 分頻器? 并行碼產(chǎn)生器CRY晶體；U1:反相器7404U2:計數(shù)器74161； U3:計數(shù)器74193； U4:計數(shù)器40160K1、 K2、 K3：8 位手動開關, 從左到右依次與幀同步碼、 數(shù)據(jù) 1 、數(shù)據(jù) 2 相對應；發(fā)光二極管：左起分別與一幀 中的 24位代碼相對應?八選一

13、?三選一?倒相器?抽樣U5 U6 U7: 8位數(shù)據(jù)選擇器 4512U8: 8位數(shù)據(jù)選擇器4512U20:非門 74HC04NRZ-OUT圖1-1 數(shù)字信源方框圖圖1-2 幀結構U9: D觸發(fā)器 74HC74下面對分頻器，八選一及三選一等單元作進一步說明。(1) 分頻器74161 進行13分頻，輸出信號頻率為 341kHz。74161是一個4位二進制加計數(shù)器， 預置在3狀態(tài)。74193 完成十2、十4、十8、十16運算，輸出 BS S1、S2、S3等4個信號。BS為位 同步信號，頻率為170.5kHz。S1、S2、S3為3個選通信號，頻率分別為 BS信號頻率的 1/2、1/4和1/8。74193

14、是一個4位二進制加/減計數(shù)器，當 CPD= PL =1、MR 0時, 可在Q0、Q、Q2及Q端分別輸出上述4個信號。40160 是一個二一進制加計數(shù)器，預置在7狀態(tài)，完成十3運算，在Q和Q端分別輸出選通信號 S4、S5,這兩個信號的頻率相等、等于S3信號頻率的1/3。分頻器輸出的S1、S2、S3、S4、S5等5個信號的波形如圖1-4 (a)、( b)所示。(2) 八選一采用8路數(shù)據(jù)選擇器4512，它內(nèi)含了 8路傳輸數(shù)據(jù)開關、地址譯碼器和三態(tài)驅(qū)動器， 其真值表如表1-1所示。U5 U6和U7的地址信號輸入端 A B、C并連在一起并分別接S1、S2、S3信號，它們的8個數(shù)據(jù)信號輸入端 x0 x7分

15、別K1、K2、K3輸出的8個并行信號連接。由表 1-1可以分析出U5 U6、U7輸出信號都是碼速率為170.5KB、以8位為周期的串行信號。（3）三選一三選一電路原理同八選一電路原理。 S4、S5信號分別輸入到 U8的地址端A和B， U5 U6 U7輸出的3路串行信號分別輸入到 U8的數(shù)據(jù)端x3、x0、x1，U8的輸出端即是 一個碼速率為170.5KB的2路時分復用信號，此信號為單極性不歸零信號（NR0。51 一一 一一一一52 IIIIIT53 S3(a)5455（b）圖1-4 分頻器輸出信號波形（4）倒相與抽樣圖1-1中的NRZ信號的脈沖上升沿或下降沿比BS信號的下降沿稍有點遲后。在實驗二

16、的數(shù)字調(diào)制單元中，有一個將絕對碼變?yōu)橄鄬Υa的電路，要求輸入的絕對碼信號的 上升沿及下降沿與輸入的位同步信號的上升沿對齊，而這兩個信號由數(shù)字信源提供。倒 相與抽樣電路就是為了滿足這一要求而設計的，它們使NRZ-OUT及BS-OUT信號滿足碼變換電路的要求。表 1-1 4512真值表CBAINHDISZ00000X000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻FS 信號可用作示波器的外同步信號，以便觀察2DPSK等信號。FS信號、NRZ-OUT言號之間的相位關系如圖1-5所示，圖中NRZ-OUT勺無定義位為0，幀同步碼為111001

17、0,數(shù)據(jù)1為11110000,數(shù)據(jù)2為00001111。FS信號的低電平、 高電平分別為4位和8位數(shù)字信號時間，其上升沿比NRZ-OUT碼第一位起始時間超前一 個碼元。幀同步碼數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)2NRZ-OUT J一"二FS圖 1-5 FS、NRZ-OUT波形2. HDB 3編譯碼原理框圖如圖1-6所示。本模塊內(nèi)部使用 +5V和-5V電壓，其中-5V電壓由-12V電 源經(jīng)三端穩(wěn)壓器7905變換得到。本單元有以下信號測試點：? NRZ? BS-R? (AMI) HDB? BPF? DET譯碼器輸出信號鎖相環(huán)輸出的位同步信號 編碼器輸出信號帶通濾波器輸出信號（AM） HDB整流輸出信號整流器圖

18、1-6 HDB 3編譯碼方框圖本模塊上的開關 K4用于選擇碼型，K4位于左邊（A端）選擇AMI碼，位于右邊（H 端）選擇HDB碼。圖1-6中各單兀與電路板上兀器件的對應關系如下：? HDB編譯碼器U10:HDB編譯碼集成電路 CD22103A?單/雙極性變換器U11:模擬開關4052?雙/單極性變換器U12:非門74HC04?相加器U17:或門74LS32?帶通U13、U14:運放 UA741?限幅放大器U15:運放LM318?鎖相環(huán)U16:集成鎖相環(huán)CD4046信源部分的分頻器、三選一、倒相器、抽樣以及（AMI）HDB3編譯碼專用集成芯片CD22103等電路的功能可以用一片 EPLD（EPM

19、7064芯片完成，說明見附錄四。下面簡單介紹AMI、HDB碼編碼規(guī)律。AMI碼的編碼規(guī)律是：信息代碼1變?yōu)閹в蟹柕?碼即+1或-1，1的符號交替反轉(zhuǎn)；信息代碼0的為0碼。AMI碼對應的波形是占空比為0.5的雙極性歸零碼，即脈沖寬度t與碼元寬度（碼元周期、碼元間隔）Ts的關系是t =0.5Ts。HDB碼的編碼規(guī)律是：4個連0信息碼用取代節(jié) 000V或B00V代替，當兩個相鄰 V 碼中間有奇數(shù)個信息1碼時取代節(jié)為000V,有偶數(shù)個信息1碼（包括0個信息1碼）時 取代節(jié)為B00V,其它的信息0碼仍為0碼；信息碼的1碼變?yōu)閹в蟹柕?碼即+1或 -1 ; HDB碼中1、B的符號符合交替反轉(zhuǎn)原則，而V

20、的符號破壞這種符號交替反轉(zhuǎn)原則，但相鄰V碼的符號又是交替反轉(zhuǎn)的；HDB碼是占空比為0.5的雙極性歸零碼。設信息碼為 0000 0110 0001 0000 0 ，貝y NRZ碼、AMI碼，HDB碼如圖1-8所示。分析表明，AMI碼及HDB碼的功率譜如圖1-9所示，它不含有離散譜fs成份（fs =1/Ts, 等于位同步信號頻率）。在通信的終端需將它們譯碼為NRZ碼才能送給數(shù)字終端機或數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。在做譯碼時必須提供位同步信號。工程上，一般將AMI或HDB碼數(shù)字信號進行整流處理，得到占空比為0.5的單極性歸零碼（RZ| t =0. 5Ts）。這種信號的功率譜也在圖1-9中給出。由于整流后的 AMI

21、、HDB碼中含有離散譜fs，故可用一個窄帶濾波 器得到頻率為fs的正弦波，整形處理后即可得到位同步信號。信息代碼 NRZife 形 I I I圖 1-9 AMI、HDB、RZ| T =0.5T s頻譜本單元用CD22103集成電路進行AMI或HDB編譯碼。當它的第3 腳( HDB/ AMI )接+5V時為HDB編譯碼器，接地時為 AMI編譯碼器。編碼時，需輸入NRZ碼及位同步信號，它們來自數(shù)字信源單元，已在電路板上連好。CD22103編碼輸出兩路并行信號+H-OUT 和-H-OUT，它們都是半占空比的正脈沖信號，分別與AMI或HDB碼的正極性信號及負極性信號相對應。這兩路信號經(jīng)單 /雙極性變換

22、后得到 AMI碼或HDB。雙/單極性變換及相加器構成一個整流器。整流后的DET信號含有位同步信號頻率離散譜。由于位同步頻率比較低，很難將有源帶通濾波器的帶寬做得很窄，它輸出的信 號BPF是一個幅度和周期都不恒定的正弦信號。對此信號進行限幅放大處理后得到幅度 恒定、周期變化的脈沖信號，但仍不能將此信號作為譯碼器的位同步信號，需作進一步處理。當鎖相環(huán)的自然諧振頻率足夠小時，對輸入的電壓信號可等效為窄帶帶通濾波器（關于鎖相環(huán)的基本原理將在實驗三中介紹）。本單元中采用電荷泵鎖相環(huán)構成一個Q值約為35的的窄帶帶通濾波器，它輸出一個符合譯碼器要求的位同步信號BS-R。譯碼時，需將 AMI或HDB碼變換成兩

23、路單極性信號分別送到CD22103的第11、第13腳，此任務由雙/單變換電路來完成。當信息代碼連 0個數(shù)太多時，從 AMI碼中較難于提取穩(wěn)定的位同步信號，而HDB中連0個數(shù)最多為3，這對提取高質(zhì)量的位同信號是有利的。這也是HDB碼優(yōu)于AMI碼之處。HDB碼及經(jīng)過隨機化處理的 AMI碼常被用在PCM一、二、三次群的接口設備中。在實用的HDB編譯碼電路中，發(fā)端的單/雙極性變換器一般由變壓器完成；收端的 雙/單極性變換電路一般由變壓器、自動門限控制和整流電路完成，本實驗目的是掌握 HDB編碼規(guī)則，及位同步提取方法，故對極性變換電路作了簡化處理，不一定符合實用 要求。CD22103 的引腳及內(nèi)部框圖如

24、圖 1-10所示，詳細說明如下:NK7-INiiaCTKNKZ-OUTCD22103CEX(a)RAISAIS畑89LIECKRHDBj /AAUf兀為CTX事+HDBJ-OUTINRS-HN 編侶 匚專+hde3-in+HDB3-0UT -HDBj-INERRCRX-HDBa-OUT tTE_內(nèi)部框圖RAIS巧檢出圖1-10 CD22103的引腳及內(nèi)部框圖(1) NRZ-IN(2) CTX編碼器NRZ信號輸入端； 編碼時鐘（位同步信號）輸入端；（3） HDB/ AMI碼型選擇端：接 TTL高電平時，選擇 HDB碼；接TTL低電平時， 選擇AMI碼；（4） NRZ-OUTHDB譯碼后信碼輸出端

25、；（5） CRX譯碼時鐘（位同步信號）輸入端；（6） RAIS告警指示信號（AIS ）檢測電路復位端，負脈沖有效；（7） AISAIS信號輸出端，有AIS信號為高電平，無ALS信號時為低電平；（8） VSs接地端；（9） ERR不符合HDBAMI編碼規(guī)則的誤碼脈沖輸出端；（10） CKRHDB碼的匯總輸出端；（11） +HDBJNHDB譯碼器正碼輸入端；（12） LTFHDB譯碼內(nèi)部環(huán)回控制端，接高電平時為環(huán)回，接低電平為正常；（13） -HD莊-INHDB譯碼器負碼輸入端；（14） -HDE3-OUTHDB編碼器負碼輸出端；（15） +HDDOUTHDB編碼器正碼輸出端；（16） Vdd接電

26、源端（+5V）CD22103 主要由發(fā)送編碼和接收譯碼兩部分組成，工作速率為50Kb/s10Mb/s。兩部分功能簡述如下。發(fā)送部分：當 HDB/ AMI端接高電平時，編碼電路在編碼時鐘CTX下降沿的作用下，將 NRZ碼編成HDB（ +HDB3-0UT-HDB3-0UT兩路輸出）；接低電平時，編成 AMI碼。編碼輸出 比輸入碼延遲4個時鐘周期。接收部分：（1） 在譯碼時鐘 CRX的上升沿作用下，將 HDB3碼（或AMI碼）譯成NRZ碼。譯碼 輸出比輸入碼延遲4個時鐘周期。（2）HDB3碼經(jīng)邏輯組合后從 CKF端輸出，供時鐘提取等外部電路使用；（3 ）可在不斷業(yè)務的情況下進行誤碼監(jiān)測，檢測出的誤碼

27、脈沖從ERR端輸出，其脈寬等于收時鐘的一個周期，可用此進行誤碼計數(shù)。（4） 可檢測出所接收的 AIS碼，檢測周期由外部 RAIS決定。據(jù)CCITT規(guī)定，在RAIS 信號的一個周期（500s）內(nèi)，若接收信號中“ 0”碼個數(shù)少于3,則AIS端輸出高電平， 使系統(tǒng)告警電路輸出相應的告警信號，若接收信號中“0”碼個數(shù)不少于3, AIS端輸出 低電平，表示接收信號正常。（5）具有環(huán)回功能四、實驗步驟本實驗使用數(shù)字信源單元和 HDB3編譯碼單元。1、熟悉數(shù)字信源單元和 HDB3編譯碼單元的工作原理。 接好電源線，打開電源開關。2、用示波器觀察數(shù)字信源單元上的各種信號波形。用信源單元的FS作為示波器的外同步

28、信號，示波器探頭的地端接在實驗板任何位置的GND點均可，進行下列觀察：(1) 示波器的兩個通道探頭分別接信源單元的NRZ-OUT和BS-OUT對照發(fā)光二極 管的發(fā)光狀態(tài)，判斷數(shù)字信源單元是否已正常工作( 1 碼對應的發(fā)光管亮， 0 碼對應的 發(fā)光管熄)；(2) 用開關K1產(chǎn)生代碼X 1110010 (X為任意代碼，1110010為7位幀同步碼)， K2、K3產(chǎn)生任意信息代碼，觀察本實驗給定的集中插入幀同步碼時分復用信號幀結構，和NRZ碼特點。3、用示波器觀察HDB編譯單元的各種波形。仍用信源單元的FS信號作為示波器的外同步信號。(1) 示波器的兩個探頭 CH1 和 CH2分別接信源單元的 NR

29、Z-OUT和HDB3單元的(AMI) HDB,將信源單元的 K1、K2、K3每一位都置1 ,觀察全1碼對應的AMI碼和HDB碼；再 將K1、K2、K3置為全0,觀察全0碼對應的AMI碼和HDB碼。觀察 AMI碼時將HDB3單 元的開關K4置于A端，觀察HDB3碼時將K4置于H端，觀察時應注意 AMI、HDB碼是占 空比等于0.5的雙極性歸零碼。編碼輸出 HDB( AMI)比輸入NRZ-OUT延遲了 4個碼元。(2) 將K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000 態(tài)，觀察并記錄對應的 AMI 碼和 HDB3 碼。(3) 將K1、K2、K3置于任意狀態(tài)，K4先置

30、A (AMI)端再置H( HDB3端，CH1接 信源單元的 NRZ-OUT CH2依次接HDB3單元的DET BPF、BS-R和NRZ，觀察這些信號 波形。觀察時應注意：?HDB3單元的NRZ信號(譯碼輸出)滯后于信源模塊的NRZ-OUT言號(編碼輸入)8 個碼元。? DET是占空比等于0.5的單極性歸零碼。? BPF信號是一個幅度和周期都不恒定的正弦信號，BS-R是一個周期基本恒定(等于一個碼元周期)的 TTL 電平信號。? 信源代碼連 0 個數(shù)越多,越難于從 AMI 碼中提取位同步信號(或者說要求帶通 濾波的Q值越高，因而越難于實現(xiàn))，而HDB碼則不存在這種問題。 本實驗中若24位信 源代

31、碼中連零很多時，則難以從AMI碼中得到一個符合要求的位同步信號，因此不能完成正確的譯碼(由于分離參數(shù)的影響,各實驗系統(tǒng)的現(xiàn)象可能略有不同。一般將信源代 碼置成只有 1 個“1”碼的狀態(tài)來觀察譯碼輸出)。若 24位信源代碼全為“ 0”碼,則更不可能從 AMI 信號(亦是全 0 信號)得到正確的位同步信號。五、 實 驗報告要求1. 根據(jù)實驗觀察和紀錄回答：(1 )不歸零碼和歸零碼的特點是什么？(2)與信源代碼中的“ 1 ”碼相對應的 AMI碼及HDB碼是否一定相同？為什么？2. 設代碼為全 1，全0及0111 0010 0000 1100 0010 0000 ，給出AMI及HDB碼的 代碼和波形。

32、3. 總結從HDB碼中提取位同步信號的原理。4. 試根據(jù)占空比為 0.5的單極性歸零碼的功率譜密度公式說明為什么信息代碼中的連0碼越長，越難于從 AMI碼中提取位同步信號，而HDB碼則不存在此問題。5.根據(jù)公式n .lpK°/2C17,R6c7 n，Bl (1 4 2)計算環(huán)路' 2 8自然諧振頻率3 n,阻尼系數(shù)Z和等效噪聲帶寬Bl。式中I p=0.05A , K,=8nX 103 rad/s.vR36=10Q, C17=100卩F。再用 Q= f。/ Bl計算鎖相環(huán)等效帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)，式中 fo=170.5KHZ。實驗二數(shù)字調(diào)制一、實驗目的1 、掌握絕對碼、相對碼概

33、念及它們之間的變換關系。2 、掌握用鍵控法產(chǎn)生 2ASK 2FSK 2DPSK信信號的方法。3 、掌握相對碼波形與 2PSK信號波形之間的關系、絕對碼波形與2DPSK信號波形之間的關系。4、了解2ASK 2FSK 2DPSK信號的頻譜與數(shù)字基帶信號頻譜之間的關系。二、實驗內(nèi)容1 、用示波器觀察絕對碼波形、相對碼波形。2 、用示波器觀察 2ASK 2FSK 2PSK 2DPSK信號波形。3、用頻譜儀觀察數(shù)字基帶信號頻譜及2ASK 2FSK 2DPSK信號的頻譜。三、基本原理本實驗用到數(shù)字信源模塊和數(shù)字調(diào)制模塊。信源模塊向調(diào)制模塊提供數(shù)字基帶信號（NRZ碼）和位同步信號 BS（已在實驗電路板上連通

34、，不必手工接線） 。調(diào)制模塊將輸 入的絕對碼 AK（NRZ碼）變?yōu)橄鄬Υa BK用鍵控法產(chǎn)生 2ASK 2FSK 2DPSK信號。調(diào)制 模塊內(nèi)部只用+5V電壓。數(shù)字調(diào)制單元的原理方框圖如圖2-1所示，電原理圖如圖 2-2所示（見附錄）。KK圖2-1數(shù)字調(diào)制方框圖本單元有以下測試點及輸入輸出點:? CAR2DPSK信號載波測試點? BK相對碼測試點?2DPSK2DPSK言號測試點/輸出點，M-p>0.5V? 2FSK2FSK信號測試點/輸出點，Wp>0.5V? 2ASK2ASK信 號測試點，Vp-p>0.5V用2-1中晶體振蕩器與信源共用，位于信源單兀，其它各部分與電路板上主要兀

35、器件對應關系如下：?2 (A)U8:雙D觸發(fā)器74LS74?2 (B)U9:雙D觸發(fā)器74LS74?濾波器AV6:三極管9013，調(diào)諧回路?濾波器BV1:三極管9013，調(diào)諧回路?碼變換U18:雙 D觸發(fā)器 74LS74; U19:異或門 74LS86? 2ASK調(diào)制U22:三路二選一模擬開關4053? 2FSK調(diào)制U22:三路二選一模擬開關4053? 2PSK調(diào)制U21:八選一模擬開關 4051?放大器V5:三極管9013?射隨器V3:三極管9013將晶振信號進行2分頻、濾波后，得到2ASK的載頻2. 2165MHZ放大器的發(fā)射極和集電極輸出兩個頻率相等、相位相反的信號，這兩個信號就是2PS

36、K 2DPSK的兩個載波, 2FSK信號的兩個載波頻率分別為晶振頻率的1/2和1/4 ,也是通過分頻和濾波得到的。下面重點介紹2PSK 2DPSK 2PSK 2DPSK波形與信息代碼的關系如圖2-3所示。信息代碼 1 D11 Q圖 2-3 2PSK、2DPSK波形圖中假設碼元寬度等于載波周期的1.5倍。2PSK信號的相位與信息代碼的關系是：前后碼元相異時，2PSK信號相位變化180，相同時2PSK信號相位不變，可簡稱為"異 變同不變”。2DPSK信號的相位與信息代碼的關系是：碼元為“1”時，2DPSK信號的相位變化180。碼元為“ 0”時，2DPSK言號的相位不變，可簡稱為“ 1變0

37、不變”。應該說明的是，此處所說的相位變或不變，是指將本碼元內(nèi)信號的初相與上一碼元內(nèi)信號的末相進行比較，而不是將相鄰碼元信號的初相進行比較。實際工程中，2PSK或2DPSK言號載波頻率與碼速率之間可能是整數(shù)倍關系也可能是非整數(shù)倍關系。但不管是那種關系，上述結論總是成立的。本單元用碼變換一一2PSK調(diào)制方法產(chǎn)生 2DPSK信號，原理框圖及波形圖如圖2-4所示。相對于絕對碼 AK 2PSK調(diào)制器的輸出就是 2DPSK信號，相對于相對碼、2PSK調(diào)制器的輸出是2PSK信號。圖中設碼元寬度等于載波周期，已調(diào)信號的相位變化與AKBK的關系當然也是符合上述規(guī)律的，即對于AK來說是“ 1變0不變”關系，對于

38、BK來說是“異變同不變”關系，由AK到BK的變換也符合“ 1變0不變”規(guī)律。圖2-4中調(diào)制后的信號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，這取決于載波的參考相位以及異或門電路的初始狀態(tài)。2DPSK通信系統(tǒng)可以克服上述 2PSK系統(tǒng)的相位模糊現(xiàn)象，故實際通信中采用 2DPSK 而不用2PSK(多進制下亦如此，采用多進制差分相位調(diào)制MDPS)此問題將在數(shù)字解調(diào)實驗中再詳細介紹。AK10110EK11011圖2-4 2DPSK調(diào)制器2DPSK(AfO2PSKCBK：2PSK信號的時域表達式為S(t)= m(t)Cos co ct式中m(t)為雙極性不歸零碼 BNRZ當“ 0”

39、、“1 ”等概時m(t)中無直流分量，S(t)中無 載頻分量，2DPSKB號的頻譜與2PSK相同。2ASK 信號的時域表達式與 2PSK相同，但 m(t)為單極性不歸零碼 NRZ NRZ中有直 流分量，故2ASK信號中有載頻分量。2FSK信號(相位不連續(xù)2FSK)可看成是AK與AK調(diào)制不同載頻信號形成的兩個2ASK信號相加。時域表達式為 S(t) m(t) cos c1t m(t) cos c2t，式中m(t)為NRZ碼。2FSK圖 2-5 2ASK、2PSK(2DPSK、2FSK信號功率譜設碼元寬度為 Ts, fs=1/Ts在數(shù)值上等于碼速率，2ASK 2PSK（2DPSK、2FSK的功率譜

40、密度如圖2-5所示。可見，2ASK 2PSK（ 2DPSK的功率譜是數(shù)字基帶信號 m（t）功 率譜的線性搬移，故常稱 2ASK 2PSK（2DPSK為線性調(diào)制信號。多進制的MASK MPSK（MDPS） MFSK信號的功率譜與二進制信號功率譜類似。本實驗系統(tǒng)中 m（t） 是一個周期信號, 故 m（t） 有離散譜,因而 2ASK、2PSK（ 2DPSK）、 2FSK也具有離散譜。四、實 驗步驟本實驗使用數(shù)字信源單元及數(shù)字調(diào)制單元。1 、熟悉數(shù)字調(diào)制單元的工作原理。接通電源,打開實驗箱電源開關。將數(shù)字調(diào)制 單元單刀雙擲開關 K7置于N端。2 、用數(shù)字信源單元的 FS信號作為示波器的外同步信號，示波

41、器 CH1接信源單元的 （NRZ-OUT）AK CH2接數(shù)字調(diào)制單元的 BK信源單元的Ki、K2、K3置于任意狀態(tài)（非全0）, 觀察AK BK波形，總結絕對碼至相對碼變換規(guī)律以及從相對碼至絕對碼的變換規(guī)律。3、示波器CH1接2DPSK CH2分別接AK及BK,觀察并總結2DPSK信號相位變化與 絕對碼的關系以及 2DPSK信號相位變化與相對碼的關系（此關系即是2PSK信號相位變化與信源代碼的關系）。注意：2DPSK信號的幅度比較小，要調(diào)節(jié)示波器的幅度旋鈕，而且信號本身幅度可能不一致，但這并不影響信息的正確傳輸。4 、示波器CH1接AK CH2依次接2FSK和 2ASK觀察這兩個信號與 AK的關

42、系（注意“1”碼與“ 0”碼對應的2FSK信號幅度可能不相等，這對傳輸信息是沒有影響的）。5 、用頻譜議觀察 AK 2ASK 2FSK 2DPSK信號頻譜（條件不具備時不進行此項觀 察）。五、實 驗報告要求1 、設絕對碼為全 1、全 0或 1001 1010,求相對碼。2 、設相對碼為全 1、全 0或 1001 1010,求絕對碼。3 、設信息代碼為 1001 1010 ,載頻分別為碼元速率的 1 倍和 1.5 倍,畫出 2DPSK 及2PSK信號波形。4 、總結絕對碼至相對碼的變換規(guī)律、相對碼至絕對碼的變換規(guī)律并設計一個由相 對碼至絕對碼的變換電路。5、總結2DPSK信號的相位變化與信息代碼

43、 （即絕對碼）之間的關系以及2DPSK信號 的相位變化與相對碼之間的關系（即2PSK的相位變化與信息代碼之間的關系）。實驗三模擬鎖相環(huán)與載波同步一、實驗目的1. 掌握模擬鎖相環(huán)的工作原理，以及環(huán)路的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)、同步帶、捕捉 帶等基本概念。2. 掌握用平方環(huán)法從2DPSK言號中提取相干載波的原理及模擬鎖相環(huán)的設計方法。3. 了解相干載波相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。二、實驗內(nèi)容1. 觀察模擬鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)及捕捉過程。2. 觀察環(huán)路的捕捉帶和同步帶。3. 用平方環(huán)法從2DPSK言號中提取載波同步信號，觀察相位模糊現(xiàn)象。三、基本原理通信系統(tǒng)中常用平方環(huán)或同相正交環(huán)（科斯塔斯環(huán)）從2DP

44、SK信號中提取相干載波。 本實驗系統(tǒng)的載波同步提取模塊用平方環(huán)，原理方框圖如圖3-1所示，電原理圖如圖3-2所示（見附錄）。模塊內(nèi)部使用+5V、+12V、-12V電壓，所需的2DPSK俞入信號已在實驗 電路板上與數(shù)字調(diào)制單元 2DPSK俞出信號連在一起。圖3-1載波同步方框圖本模塊上有以下測試點及輸入輸出點:? MU? VCO? Ud? CAR-OUT平方器輸出測試點，VP-P > 1VVCC輸出信號測試點，Vp-p> 0. 2V 鑒相器輸出信號測試點相干載波信號輸出點/測試點圖3-1中各單元與電路板上主要元器件的對應關系如下:?平方器U25:模擬乘法器MC1496?鑒相器?環(huán)路濾

45、波器?壓控振蕩器U23:模擬乘法器 MC1496 U24:運放 UA741 電阻R25、R68;電容C11CRY2晶體；N3 N4:三極管3DG6?放大整形? - 2?移相器?濾波器N5、N6: 3DG6 U26:A: 74HC04U27: D觸發(fā)器7474U2 8:單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7474電感L2;電容 C30F面介紹模擬鎖相環(huán)原理及平方環(huán)載波同步原理。鎖相環(huán)由鑒相器(PD、環(huán)路濾波器(LF)及壓控振蕩器(VCO組成，如圖3-3所示。Uo(t)圖3-3 鎖相環(huán)方框圖模擬鎖相環(huán)中，PD是一個模擬乘法器，LF是一個有源或無源低通濾波器。鎖相環(huán) 路是一個相位負反饋系統(tǒng)，PD檢測u (t)與Uo(t)之

46、間的相位誤差并進行運算形成誤差電壓Ud(t) ，LF用來濾除乘法器輸出的高頻分量(包括和頻及其他的高頻噪聲)形成控 制電壓Uc(t)，在Uc(t)的作用下、Uo(t)的相位向Ui(t)的相位靠近。設 Ui(t)=U iSin w it+ 0 i(t),Uo(t)=UoCOS w it+ 0o(t)，貝UUd(t) = UdSin 0e(t),0 e(t)=0 i (t)-0o(t),故模擬鎖相環(huán)的 PD是一個正弦 PD。設Uc(t)=U d(t)F(P) , F(P)為LF的傳輸算子，VCO 的壓控靈敏度為Ko，則環(huán)路的數(shù)學模型如圖 3-4所示。i(t)o(t)圖3-4模擬環(huán)數(shù)學模型當e(t)

47、時，UdSin e(t) Ud e,令 如U為PD的線性化鑒相靈敏度、單位6為V/rad，則環(huán)路線性化數(shù)學模型如圖3-5所示。i(t) e(tEKJH f(p)一o(t)圖3-5 環(huán)路線性化數(shù)學模型由上述數(shù)學模型進行數(shù)學分析，可得到以下重要結論：?當Ui(t)是固定頻率正弦信號(0 i(t)為常數(shù))時，在環(huán)路的作用下，VCC輸出信號頻率可以由固有振蕩頻率wo(即環(huán)路無輸入信號、 環(huán)路對VCC無控制作用時 VCC勺振蕩頻率)，變化到輸入信號頻率3i,此時B o(t)也是一個常數(shù)，Ud(t)、Uc(t)都為直流。我們稱此為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義 Z o=3 i- 3 o為環(huán)路固有頻差， 3 p表示環(huán)

48、路的捕捉帶， 3 H表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中 厶3 p<A 3 H。當|厶3 o|< A 3 P時，環(huán)路可以進入 鎖定狀態(tài)。當| A3 o|< 3 H時環(huán)路可以保持鎖定狀態(tài)。當| A3 o|> 3 P時，環(huán)路不能進入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若 A 3 0發(fā)生變化使| A3。|> 3 H,環(huán)路不能保持鎖定狀態(tài)。這 兩種情況下，環(huán)路都將處于失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下Ud(t)是一個上下不對稱的差拍電壓，當3 i>3 o , Ud(t)是上寬下窄的差拍電壓；反之Ud(t)是一個下寬上窄的差拍電壓。?環(huán)路對0 i(t)呈低通特性，即環(huán)路可以將B i(t)中的低頻成分傳遞

49、到輸出端，0 i(t)中的高頻成分被環(huán)路濾除?；蛘哒f，0 o(t)中只含有0 i(t)的低頻成分，0 i(t)中的高頻成分變成了相位誤差0e(t)。所以當Ui(t)是調(diào)角信號時，環(huán)路對u(t)等效為一個帶通濾波器，離3 i較遠的頻率成分將被環(huán)路濾掉。?環(huán)路自然諧振頻率3 n及阻尼系數(shù)Z (具體公式在下文中給出)是兩個重要參數(shù)。3 n越小，環(huán)路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；Z越大，環(huán)路 穩(wěn)定性越好。?當環(huán)路輸入端有噪聲時，0 i(t)將發(fā)生抖動，3 n越小，環(huán)路濾除噪聲的能力越強。實驗一中的電荷泵鎖相環(huán)4046的性能與模擬環(huán)相似，所以它可以將一個周期不恒定的信號變?yōu)橐粋€等周期

50、信號。有關鎖相環(huán)理論的詳細論述，請讀者參閱文獻3。對2DPSK言號進行平方處理后得S2 (t) m 2(t) cos 2 ct (1 cos 2 ct) / 2 ,此信號中只含有直流和 23 c頻率成分，理論上對此信號再進行隔直流和二分頻處理就可 得到相干載波。鎖相環(huán)似乎是多余的，當然并非如此。實際工程中考慮到下述問題必須 用鎖相環(huán)：?平方電路不理想，其輸出信號幅度隨數(shù)字基帶信號變化，不是一個標準的二倍頻 正弦信號。即平方電路輸出信號頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。?接收機收到的2DPSK信號中含有噪聲(本實驗系統(tǒng)為理想信道，無噪聲)，因而平方電路輸出信號中也含有噪聲，必須用一個窄帶濾波器濾

51、除噪聲。?鎖相環(huán)對輸入電壓信號和噪聲相當于一個帶通濾波器，我們可以選擇適當?shù)沫h(huán)路 參數(shù)使帶通濾波器帶寬足夠小。對于本模擬環(huán)，3 n、Z、環(huán)路等效噪聲帶寬Bl及等效帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù) Q的計算公式如下：KdK。 (R25 醞)。1Bl(14 2)式中fo =4.433 X 106 ( HZ),等于載頻的兩倍。設計環(huán)路時通過測量得到Kd、Ko, 般選Z值為0.5 1,根據(jù)任務要求選定3n后即可求得環(huán)路濾波器的元件值。當固有頻差為 0 時，模擬環(huán)輸出信號的相位超前輸入相位 90 ，必須對除 2 電路輸 出信號進行移相才能得到相干載波。 移相電路由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U28:A 和 U28:B 構成。U

52、28:A 被設置為上升沿觸發(fā)， U28:B 為下降沿觸發(fā)，故改變 U28:A 輸出信號的寬度即可 改變 U28:B 輸出信號的相位， 從而改變相干載波的相位。 此移相電路的移相范圍小于 90 。 在鎖定狀態(tài)下微調(diào)C34也會改變輸出信號與輸入信號的相位關系（為什么，請思考）。可對相干載波的相位模糊作如下解釋。 在數(shù)學上對C0S2 3 ct進行除2運算的結果是 COS 3 ct或-C0S 3 ct O實際電路也決定了相干載波可能有兩個相反的相位，因二分頻器的初始狀態(tài)可以為“ 0”也可以是“ 1”。四、實驗步驟本實驗使用數(shù)字信源單元、數(shù)字調(diào)制單元和載波同步單元。1. 熟悉載波同步單元的工作原理。接好

53、電源線，打開實驗箱電源開關。2. 檢查數(shù)字信源單元和數(shù)字調(diào)制單元是否正常工作（用示波器觀察NRZ（AK）和2DPSK信號有無，兩者邏輯關系正確與否） O3. 用示波器觀察載波同步模塊鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)，測量環(huán)路的同步帶、 捕捉帶。環(huán)路鎖定時 ud 為直流、環(huán)路輸入信號頻率等于反饋信號頻率（此鎖相環(huán)中即等于 VCO言號頻率）。環(huán)路失鎖時Ud為差拍電壓，環(huán)路輸入信號頻率與反饋信號頻率不相等。 本環(huán)路輸入信號頻率等于 2DPSK載頻的兩倍，即等于調(diào)制單元CAR言號頻率的兩倍。環(huán)路鎖定時VCO信號頻率等于CAR-OUTt號頻率的兩倍。所以環(huán)路鎖定時調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的 CAR-OU

54、頻率完全相等。根據(jù)上述特點可判斷環(huán)路的工作狀態(tài)，具體實驗步驟如下：（ 1 ）觀察鎖定狀態(tài)與失鎖狀態(tài)打開電源后用示波器觀察 Ud，若Ud為直流，則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的可變電容C34,Ud隨C34減小而減小，隨 C34增大而增大（為什么？請思考），這說明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。 用示波器同時觀察調(diào)制單元的CAR和載波同步單元的 CAR-OUT可以看到兩個信號頻率相等。若有頻率計則可分別測量CAR和CAR-OUT頻率。在鎖定狀態(tài)下，向某一方向變化Cm,可使Ud由直流變?yōu)榻涣?，CAR和CAR-OUTS率不再相等，環(huán)路由鎖定狀態(tài)變?yōu)槭фi。接通電源后Ud也可能是差拍信號，表示環(huán)路已處于失鎖狀態(tài)。失鎖時Ud的最大值和 最小值就是鎖定狀態(tài)下 Ud的變化范圍（對應于環(huán)路的同步范圍）。環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時， CAR和 CAR-OUT頻率不相等。調(diào)節(jié) d使Ud的差拍頻率降低，當頻率降低到某一程度時 Ud會突然變成直流，環(huán)路由失鎖狀態(tài)變?yōu)殒i定狀態(tài)。（2）測量同步帶與捕捉帶環(huán)路處于鎖定狀態(tài)后，慢慢增大C34,使Ud增大到鎖定狀態(tài)下的最大值 Ud1 （此值不大于+12V）;繼續(xù)增大G4, Ud變?yōu)榻涣鳎ㄉ蠈捪抡闹芷谛盘枺?，環(huán)路失鎖。再反向調(diào)節(jié) 減小C34, Ud的頻率