通信原理實驗講義

1、通信原理實驗遼寧大學信息學院2005年5月目 錄實驗一 數(shù)字基帶信號實驗(AMI/HDB3) 3實驗二 數(shù)字調(diào)制實驗. .7實驗三 模擬鎖相環(huán)與載波同步實驗 11實驗四 數(shù)字解調(diào)實驗14實驗五 全數(shù)字鎖相環(huán)與位同步實驗 .18實驗六 幀同步實驗22實驗七 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)實驗25實驗八 2DPSK、2FSK通信系統(tǒng)實驗.29實驗九 AM調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)實驗. .30實驗十 PAM調(diào)制解調(diào)實驗. 33實驗十一 PCM編譯碼實驗. 36實驗十二 ADPCM編譯碼實驗. 42實驗十三 CVSD調(diào)制解調(diào)實驗. .47實驗十四 話音信號多編碼通信系統(tǒng)實驗.51實驗十五 碼型變換實驗（CPLD開放模塊實驗

2、） 53實驗十六 時分復用實驗（CPLD開放模塊實驗） 56實驗十七 計算機通信實驗（CPLD開放模塊實驗） 59實驗十八 5B6B編譯碼實驗（CPLD開放模塊實驗） 61實驗一 數(shù)字基帶信號實驗一、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、HDB3的編碼規(guī)則。 3、掌握從HDB3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HDB3（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（HDB3）、整流后的AMI

3、碼及整流后的HDB3碼。 2、用示波器觀察從HDB3碼中和從AMI碼中提取位同步信號的電路中有關波形。3、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、HDB3編譯碼模塊和可編程邏輯器件模塊。 1、數(shù)字信源 本模塊是整個實驗系統(tǒng)的發(fā)終端，其原理方框圖如圖1-1所示。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。發(fā)光二極管亮狀態(tài)表示1碼，熄狀態(tài)表示0碼。 本模塊有以下測試點及

4、輸入輸出點： · CLK晶振信號測試點 · BS-OUT信源位同步信號輸出點/測試點 · FS信源幀同步信號輸出點/測試點 · NRZ-OUTNRZ信號輸出點/測試點圖1-1 數(shù)字信源方框圖圖1-2 幀結構 2. HDB3編譯碼 原理框圖如圖1-3所示。本單元有以下測試點及輸出點：· NRZ_IN 編碼器輸入信號· BS_IN位同步輸入信號· NRZ_OUT譯碼器輸出信號 · BS- OUT鎖相環(huán)輸出的位同步信號 ·（AMI）HDB3 編碼器輸出信號·（AMI）HDB3-D （AMI）HDB3整

5、流輸出信號 圖1-3 HDB3編譯碼方框圖 本模塊上的開關K1用于選擇碼型，K1位于左邊（A端）選擇AMI碼，位于右邊（H端）選擇HDB3碼。 圖1-3中各單元與各單元器件的對應關系如下： · HDB3編譯碼器U9：HDB3編譯碼集成電路CD22103A · 單/雙極性變換器U10：模擬開關4052 · 雙/單極性變換器U13：非門74HC04 · 相加器U14：或門74LS32 · 帶通U11、U12：運放UA741 · 限幅放大器U15：運放LM318 · 鎖相環(huán)U16：集成鎖相環(huán)CD4046 下面簡單介紹AMI、HDB

6、3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，即脈沖寬度與碼元寬度（碼元周期、碼元間隔）TS的關系是=0.5TS。 HDB3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；HDB3碼中1、B的符號符合交替反轉(zhuǎn)原則，而V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；HD

7、B3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，則NRZ碼、AMI碼，HDB3碼如圖1-4所示。分析表明，AMI碼及HDB3碼的功率譜如圖1-5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HDB3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|=0.5TS）。這種信號的功率譜也在圖1-5中給出。由于整流后的AMI、HDB3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

8、形處理后即可得到位同步信號。本單元用CD22103集成電路進行AMI或HDB3編譯碼。當它的第3腳（HDB3/ AMI）接+5V時為HDB3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HDB3碼的正極性信號及負極性信號相對應。這兩路信號經(jīng)單/雙極性變換后得到AMI碼或HDB3。雙/單極性變換及相加器構成一個整流器。整流后的（AMI）HDB3-D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

9、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HDB3碼變換成兩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HDB3中連

10、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HDB3碼優(yōu)于AMI碼之處。HDB3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。圖1-4 NRZ、AMI、HDB3關系圖圖1-5 AMI、HDB3、RZ|=0.5TS頻譜四、實驗步驟 1、熟悉信源模塊，AMI&HDB3編譯碼模塊（由可編程邏輯器件模塊實現(xiàn)）和HDB3編譯碼模塊的工作原理。2、打開數(shù)字信號源模塊和AMI&HDB3編譯碼模塊的電源。用示波器觀察數(shù)字信源模塊上的各種信號波形。 用FS作為示波器的外同步信號，進行下列觀察：（1） 示波器的兩個通道探頭分別接NRZ-OUT和BS-OUT，對照

11、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K1產(chǎn)生代碼×1110010（×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、打開AMI(HDB3)編譯碼模塊電源。將數(shù)字信源模塊的NRZ-OUT和BS-OUT用導線分別連接到AMI(HDB3)編譯碼模塊的NRZ-IN和BS-IN上。用示波器觀察HDB3編譯單元的各種波形。用信源模塊的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NRZ-OUT和（

12、AMI）HDB3，將信源模塊K1、K2、K3的每一位都置1，觀察并記錄全1碼對應的AMI碼和HDB3碼；再將K1、K2、K3置為全0，觀察全0碼對應的AMI碼和HDB3碼。觀察AMI碼時將開關K1置于A端，觀察HDB3碼時將K1置于H端，觀察時應注意編碼輸出（AMI）HDB3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)，K320置A或H端，將（AMI）HDB3OUT和（AMI）HDB3IN相連，將CH1接NRZ-OUT，CH2分別接（AMI

13、）HDB3-D和NRZ ，觀察波形。觀察時應注意： · NRZ信號（譯碼輸出）遲后于NRZ-OUT信號（編碼輸入）8個碼元。 · AMI、HDB3碼是占空比等于0.5的雙極性歸零碼，AMI-D、HDB3-D是占空比等于0.5的單極性歸零碼。 · BS-OUT是一個周期基本恒定（等于一個碼元周期）的TTL電平信號。· 本實驗中若24位信源代碼中只有1個“1“碼，則無法從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。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。信源代碼連0個數(shù)越多，越難于從AMI

14、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)），譯碼輸出NRZ越不穩(wěn)定。而HDB3碼則不存在這種問題。五、實驗報告要求 1. 根據(jù)實驗觀察和記錄回答： （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HDB3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HDB3碼的代碼和波形。 3. 總結從HDB3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HDB3碼則不

15、存在此問題。 5. 根據(jù)公式， 計算環(huán)路自然諧振頻率n，阻尼系數(shù)和等效噪聲帶寬BL 。式中IP=0.05A，Ko=8×103 rad/s.v 。再用Q= foBL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。6. 將C105改為1000mf，重新計算鎖相環(huán)等效帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)。7設輸入的NRZ碼為：111100010110010000100110，求出其對應的CMI，BHP，Miller編碼，并畫出波形圖。實驗二 數(shù)字調(diào)制實驗 一、實驗目的 1、掌握絕對碼、相對碼概念及它們之間的變換關系。 2、掌握用鍵控法產(chǎn)生2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信號的方法。

16、 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、2PSK、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 本實驗使用數(shù)字信源模塊和數(shù)字調(diào)制模塊。信源模塊向調(diào)制模塊提供位同步信號和數(shù)字基帶信號（NRZ碼）。調(diào)制模塊將輸入的NRZ絕對碼變?yōu)橄鄬Υa、用鍵控法產(chǎn)生2ASK、2FSK、2DPSK信號。調(diào)制單元的原理

17、方框圖如圖2-1所示。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：· BS-IN位同步信號輸入點· NRZ-IN數(shù)字基帶信號輸入點· CAR2DPSK信號載波測試點· AK(即NRZ-IN)絕對碼測試點（與NRZ-IN相同）· BK相對碼測試點· 2DPSK（2PSK）-OUT2DPSK（2PSK）信號測試點/輸出點，VP-P>0.5V· 2FSK-OUT2FSK信號測試點/輸出點，VP-P>0.5V· 2ASK2ASK信號測試點，VP-P>0.5V將晶振信號進行2分頻、濾波后，得到

18、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2PSK、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2-2所示。圖2-2 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

19、的相位變化180°。碼元為“0”時，2DPSK信號的相位不變，可簡稱為“1變0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信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2PSK調(diào)制方法產(chǎn)生2DPSK信號，原理框圖及波形圖如圖2-3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、2DPSK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AK

20、、BK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2-3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MDPSK），此問題將在數(shù)字解調(diào)實驗中再詳細介紹。圖2-3 2DPSK調(diào)制器2PSK信號的時域表達式為 S(t)= m(t)Cosct式中m(t)為雙極性不歸零碼BNRZ，當“0

21、”、“1”等概時m(t)中無直流分量，S(t)中無載頻分量，2DPSK信號的頻譜與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。時域表達式為式中m(t)為NRZ碼。設碼元寬度為Ts，fS=1Ts在數(shù)值上等于碼速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率譜密度如圖2-4所示?？梢?，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

22、調(diào)制信號。多進制的MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK信號的功率譜與二進制信號功率譜類似。圖2-4 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信號功率譜本實驗系統(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1、熟悉數(shù)字信源單元及數(shù)字調(diào)制單元的工作原理。2、連線：數(shù)字調(diào)制單元的CLK、BS-IN、NRZ-IN分別連至數(shù)字信號源單元的CLK、BS-OUT、NRZ-OUT。3、打開數(shù)字信源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊得電源。用數(shù)字信源模塊的FS信號作為示波器的外同步信號，示波器CH1接AK，CH2接BK，信源模塊的K1、K2、K

23、3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。4、示波器CH1接2DPSK-OUT，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信號的幅度可能不一致，但這并不影響信息的正確傳輸。5、示波器CH1接AK、CH2依次接2FSK-OUT和2ASK-OUT；觀察這兩個信號與AK的關系（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）。6、用頻譜議觀察AK、2ASK、2FSK、2D

24、PSK信號頻譜（條件不具備時不進行此項觀察）。應該注明的是：由于示波器的原因，實驗中可能看不到很理想的2FSK、2DPSK波形。 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信號的相位變化與絕對碼的關系以及2DPSK信號的相位變化與相對碼的關系（即2PSK的相位變化與信息代碼之間的關系）

25、。實驗三 模擬鎖相環(huán)與載波同步實驗 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信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信號中提取載波同步信號，觀察相位模糊現(xiàn)象。 三、基本原理 常用平方環(huán)或同相正交環(huán)（科斯塔斯環(huán)）從2DPSK信號中提取相干載波。本實驗用平方環(huán)，其原理方框圖如圖3-1所示。圖3-1 載波同步方框圖 載波同步模

26、塊上有以下測試點及輸入輸出點：· 2DPSK-IN 2DPSK信號輸入點· MU 平方器輸出測試點，VP-P1V· COMP 鎖相環(huán)輸入信號測試點· Ud 鎖相環(huán)壓控電壓測試點 · VCO 鎖相環(huán)輸出信號測試點，VP-P0.2V · CAR-OUT 相干載波信號輸出點/測試點鎖相環(huán)由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）及壓控振蕩器（VCO）組成，如圖3-2所示。圖3-2 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ui(t)與uo(t)之間的相位誤差并進行運算形

27、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)=Uisinit+i(t)，uo(t)=Uocosit+o(t)，則ud(t)=Udsine(t)，e(t)=i(t)-o(t)，故模擬鎖相環(huán)的PD是一個正弦PD。設uc(t)=ud(t)F(P)，F(xiàn)(P)為LF的傳輸算子，VCO的壓控靈敏度為K o，則環(huán)路的數(shù)學模型如圖3-3所示。圖3-3 模擬環(huán)數(shù)學模型 當時，令Kd=Ud為PD的線性化鑒相靈敏度、單位為V/rad，則環(huán)路線性化數(shù)學模型如圖3-4所示。圖3-4 環(huán)

28、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(I(t)為常數(shù))時，在環(huán)路的作用下，VCO輸出信號頻率可以由固有振蕩頻率o（即環(huán)路無輸入信號、環(huán)路對VCO無控制作用時VCO的振蕩頻率），變化到輸入信號頻率I，此時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o=I-o為環(huán)路固有頻差，p表示環(huán)路的捕捉帶，H表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中p<H。當|o|<P時，環(huán)路可以進入鎖定狀態(tài)。當|o|<H時環(huán)路可以保持鎖定狀態(tài)。當|o|>P時，環(huán)路不能進入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若o發(fā)生

29、變化使|o|>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I>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I(t)呈低通特性，即環(huán)路可以將I(t)中的低頻成分傳遞到輸出端，I(t)中的高頻成分被環(huán)路濾除?；蛘哒f，o(t)中只含有I(t)的低頻成分，I(t)中的高頻成分變成了相位誤差e(t)。所以當uI(t)是調(diào)角信號時，環(huán)路對uI(t)等效為一個帶通濾波器，離I較遠的頻率成分將被環(huán)路濾掉。· 環(huán)路自然諧振頻率n及阻尼系數(shù)(具體公式在下文中給出)是兩個重要

30、參數(shù)。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；越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。· 當環(huán)路輸入端有噪聲時，I(t)將發(fā)生抖動，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€等周期信號。對2DPSK信號進行平方處理后得，此信號中只含有直流和2c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

31、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。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U56:A和U56:B構成。U56:A被設置為上升沿觸發(fā)，U56:B為下降沿觸發(fā)，故改變U56:A輸出信號的寬度即可改變U56:B輸出信號的相位，從而改變相干載波的相位。此移相

32、電路的移相范圍小于90°。可對相干載波的相位模糊作如下解釋。在數(shù)學上對cos2ct進行除2運算的結果是cosct或-cosct。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”。在本套實驗裝置中，鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器采用數(shù)字集成瑣相環(huán)芯片CD4046，現(xiàn)對此芯片介紹如下：CD4046是一數(shù)字集成鎖相環(huán)，它包括鑒相器和壓控振蕩器。 該片內(nèi)有兩個鑒相器供選擇，一個是異或門鑒相器，一個是鑒頻-鑒相器。四、實驗步驟 本實驗使用數(shù)字信源、數(shù)字調(diào)制、載波同步及模擬鎖相環(huán)三個模塊。1. 熟悉上述四個模塊的工作原理。2. 將信源模塊的BS-OUT

33、、NRZ-OUT、CLK分別連接到數(shù)字調(diào)制模塊的BS-IN、NRZ-IN和CLK，再將調(diào)制模塊的2DPSK連接到載波同步模塊的2DPSK-IN。將模擬鎖相環(huán)及載波同步單元的KEY波動開關撥到上方，用示波器順序觀察2DPSK，MU,VCO,COMP,Ud ,CAR-OUT信號，結合原理圖理解從2DPSK信號中提取載波的過程。3 用示波器觀察鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)。環(huán)路鎖定時，環(huán)路輸入信號頻率等于反饋信號頻率，即COMP與VCO的頻率相等，這時如觀察ud為近似鋸型波的穩(wěn)定波形。環(huán)路失鎖時環(huán)路輸入信號頻率與反饋信號頻率不相等，即此時COMP與VCO的頻率不相等，這時如觀察ud為不穩(wěn)定波形。 根據(jù)

34、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) 向下?lián)軇娱_關KEY, 接通電源后用示波器觀察ud，若ud為穩(wěn)定波形，則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的電位器R26，ud隨R26減小而減小，隨R26增大而增大，這說明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。用示波器兩路探頭同時觀察COMP和VCO，可以看到兩個信號頻率相等。也可以用頻率計分別測量COMP和VCO頻率。在鎖定狀態(tài)下，向某一方向變化R26，可使ud由穩(wěn)定的波形變?yōu)椴环€(wěn)定，COMP和VCO頻率不再相等，環(huán)路由鎖定狀態(tài)變?yōu)槭фi。 接通電源后ud也可能是不穩(wěn)定的差拍信號，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

35、圍（對應于環(huán)路的同步范圍）。環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時，COMP和VCO頻率不相等。調(diào)節(jié)R26使ud的差拍頻率降低，當頻率降低到某一程度時ud會突然變成穩(wěn)定的信號，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將雙蹤示波器兩路探頭分別接在COMP（鎖相環(huán)輸入頻率fi ）和VCO端，調(diào)節(jié)R26, 使環(huán)路處于良好的鎖定狀態(tài)，即示波器上兩路波形不但清晰穩(wěn)定，而且要盡可能地保持很小的相位差。a) 同步帶測量：緩慢調(diào)節(jié)R26使COMP端的頻率fi向下，直到剛好出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時停止調(diào)節(jié)R26，記下此時的鎖相環(huán)輸入頻率fi； 緩慢調(diào)節(jié)R26使COMP端的頻率fi向上，使環(huán)路重新鎖定,直到再次出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時停止調(diào)節(jié)

36、R26，記下此時的信號源輸出頻率fi，則環(huán)路的同步帶為fifi。b）捕捉帶測量：緩慢調(diào)節(jié)R26，使COMP端的頻率fi向下出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，向上緩慢調(diào)節(jié)fi，直到環(huán)路剛好入鎖，記下此時的信號源輸出頻率fi; 然后向上調(diào)節(jié)fi，使環(huán)路重新失鎖后，再向下緩慢調(diào)節(jié)fi直到環(huán)路剛好入鎖，記下此時的信號源輸出頻率fi則環(huán)路的捕捉帶為fifi。五、實驗報告要求1. 總結鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)及失鎖狀態(tài)的特點。2. 根據(jù)實驗結果計算環(huán)路同步帶fH及捕捉帶fP 。3. 總結用平方環(huán)提取相干載波的原理及相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。4. 設VCO固有振蕩頻率f0 不變，環(huán)路輸入信號頻率可以改變，試擬訂測量環(huán)路同步帶及捕捉帶的步驟

37、。實驗四 數(shù)字解調(diào)實驗 一、實驗目的 1. 掌握2DPSK相干解調(diào)原理。2. 掌握2FSK過零檢測解調(diào)原理。 二、實驗內(nèi)容 1. 用示波器觀察2DPSK相干解調(diào)器各點波形。2. 用示波器觀察2FSK過零檢測解調(diào)器各點波形。 三、基本原理 可用相干解調(diào)或差分相干解調(diào)法（相位比較法）解調(diào)2DPSK信號。在相位比較法中，要求載波頻率為碼速率的整數(shù)倍，當此關系不能滿足時只能用相干解調(diào)法。本實驗系統(tǒng)中，2DPSK載波頻率等碼速率的13倍，兩種解調(diào)方法都可用。實際工程中相干解調(diào)法用得最多。 2FSK信號的解調(diào)方法有：包絡括檢波法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過零檢測法等。圖4-1 數(shù)字解調(diào)方框圖（a） 2DPSK

38、相干解調(diào) （b）2FSK過零檢測解調(diào)本實驗采用相干解調(diào)法解調(diào)2DPSK信號、采用過零檢測法解調(diào)2FSK信號。2DPSK解調(diào)模塊上有以下測試點及輸入輸出點： · 2DPSK-IN 2DPSK信號輸入點/測試點 · CAR-IN相干載波輸入點 · BS-IN位同步信號輸入點· MU相乘器輸出信號測試點 · LPF 低通、運放輸出信號測試點 · CM 整形輸出信號的輸出點/測試點· BK解調(diào)輸出相對碼測試點· AK-OUT解調(diào)輸出絕對碼測試點 2FSK解調(diào)模塊上有以下測試點及輸入輸出點： · 2FSK-IN 2

39、FSK信號輸入點/測試點 · BS-IN位同步信號輸入點· FD2FSK過零檢測輸出信號測試點 · LPF 低通濾波器輸出點/測試點 · CM整形輸出測試點 · AK-OUT解調(diào)輸出信號的輸出點/測試點 在實際應用的通信系統(tǒng)中，解調(diào)器的輸入端都有一個帶通濾波器用來濾除帶外的信道白噪聲并確保系統(tǒng)的頻率特性符合無碼間串擾條件。本實驗系統(tǒng)中為簡化實驗設備，發(fā)端即數(shù)字調(diào)制的輸出端沒有帶通濾波器、信道是理想的，故解調(diào)器輸入端就沒加帶通濾波器。 下面對2DPSK相干解調(diào)電路中的一些具體問題加以說明。 · 比較器的輸出CM為TTL電平信號，它不能作

40、為相對碼直接送給碼反變器，因為它并不是一個標準的單極性非歸零碼，其單個“1”碼對應的正脈沖的寬度可能小于碼元寬度、也可能大于碼元寬度。另外，當LPF中有噪聲時，CM中還會出現(xiàn)噪聲脈沖。 · 異或門74LS86輸出的絕對碼波形的高電平上疊加有小的干擾信號，經(jīng)U34整形后即可去掉。 DPSK相干解調(diào)器模塊各點波形示意圖如圖4-2所示。圖中設相干載波為p相。圖4-2 2DPSK相干解調(diào)波形示意圖 2FSK解調(diào)器工作原理及有關問題說明如下：· 圖4-3為2FSK過零檢測解調(diào)器各點波形示意圖，圖中設“1”碼載頻等于碼速率的兩倍，“0”碼載頻等于碼速率。整形1和整形2的功能與比較器類似

41、，在其輸入端將輸入信號疊加在2.5V上。74HC04的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電平約為2.5V，可把輸入信號進行硬限幅處理。整形1將正弦2FSK信號變?yōu)門TL電平的2FSK信號。整形2和抽樣電路共同構成一個判決電平為2.5V的抽樣判決器。· 單穩(wěn)1、單穩(wěn)2分別被設置為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，它們與相加器一起共同對TTL電平的2FSK信號進行微分、整流處理。·LPF不是TTL電平信號且不是標準的非歸零碼，必須進行抽樣判決處理。U34對抽樣判決輸出信號進行整形。·說明一點， 2DPSK解調(diào)的信號碼不能為全0或全1，否則抽樣判決器不能正常工作。圖4-3 2FSK過零檢測解調(diào)器各點波形示

42、意圖四、實驗步驟本實驗使用數(shù)字信源模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、載波同步模塊、2DPSK解調(diào)模塊及2FSK解調(diào)模塊，它們之間的信號連結方式如圖4-4所示。實際通信系統(tǒng)中，解調(diào)器的位同步信號來自位同步提取單元。本實驗中這個信號直接來自數(shù)字信源。在做2DPSK解調(diào)實驗時，位同步信號送給2DPSK解調(diào)單元，做2FSK解調(diào)實驗時則送到2FSK解調(diào)單元。圖4-4 數(shù)字解調(diào)實驗連接圖按圖4-4將五個模塊的信號輸出、輸入點連在一起。2檢查數(shù)字信源模塊、數(shù)字調(diào)制模塊及載波同步模塊是否已在工作正常。 3. 2DPSK解調(diào)實驗 （1）用數(shù)字信源的FS信號作為示波器外同步信號，將示波器的CH1接數(shù)字調(diào)制單元的BK，CH2接2

43、DPSK解調(diào)單元的MU。MU與BK同相或反相，其波形應接近圖4-3所示的理論波形。（2）示波器的CH2接LPF，可看到LPF與MU反相。當一幀內(nèi)BK中“1”碼“0”碼個數(shù)相同時，LPF的正、負極性信號與0電平對稱，否則不對稱。 （）斷開、接通電源若干次，使數(shù)字調(diào)制單元CAR信號與載波同步單元CAR-OUT信號同相，觀察數(shù)字調(diào)制單元的BK與2DPSK解調(diào)單元的MU、LPF、BK之間的關系，再觀察數(shù)字調(diào)制單元中AK信號與2DPSK解調(diào)單元的MU、LPF、BK、AK-OUT信號之間的關系。 （）再斷開、接通電源若干次，使CAR信號與CAR-OUT信號反相，重新進行步驟（）中的觀察。 在進行上述各步驟

44、時應注意運放是一個反相放大器。4. 2FSK解調(diào)實驗示波器探頭CH1接數(shù)字調(diào)制單元中的AK，CH2分別2FSK解調(diào)單元中的FD、LPF、CM及AK-OUT，觀察2FSK過零檢測解調(diào)器的解調(diào)過程（注意：低通及整形2都有倒相作用）。LPF的波形應接近圖4-4所示的理論波形。 五、實驗報告要求 1. 設絕對碼為1001101，相干載波頻率等于碼速率的1.5倍，根據(jù)實驗觀察得到的規(guī)律，畫出CAR-OOT與CAR同相、反相時2DPSK相干解調(diào)MU、LPF、BS、BK、AK波形，總結2DPSK克服相位模糊現(xiàn)象的機理（設運放無倒相作用）。 2. 設信息代碼為1001101，2FSK的兩個載頻分別為碼速率的四

45、倍和兩倍，根據(jù)實驗觀察得到的規(guī)律，畫出2FSK過零檢測解調(diào)器輸入的2FSK波形及FD、LPF、AK波形（設低通濾波器及整形2都無倒相作用）。實驗五 全數(shù)字鎖相環(huán)與位同步實驗 一、實驗目的 1. 掌握數(shù)字鎖相環(huán)工作原理以及微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)的快速捕獲原號理。 2. 掌握用數(shù)字環(huán)提取位同步信號的原理及對信息代碼的要求。 3. 掌握位同步器的同步建立時間、同步保持時間、位同步信號同步抖動等概念。 二、實驗內(nèi)容 1. 觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài)、鎖定狀態(tài)。 2. 觀察數(shù)字環(huán)鎖定狀態(tài)下位同步信號的相位抖動現(xiàn)象及相位抖動大小與固有頻差、信息代碼的關系。 3. 觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時間與固有頻差之間的關

46、系。 三、基本原理 位同步電路的原理框圖、波形圖分別如圖5-2、圖5-3所示。一、位同步模塊有以下測試點及輸入輸出點： · S-IN基帶信號輸入、測試點· BS-OUT位同步信號輸出、測試點二、圖5-2中各單元與圖5-3中元器件的對應關系如下： · 晶振X1：晶體； · 微分器U1D：LF347 · 放大器U1C：LF347 · 整流器U1B、U1A：LF347 · 單穩(wěn)電路 U2、U3：74LS123· 分頻器 U4：EPM7064· 門電路U4：EPM7064三、工作原理本系統(tǒng)中采用的是微分整流型數(shù)字

47、鎖相環(huán)，它主要由波形轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字鎖相器組成。1、波形轉(zhuǎn)換電路波形轉(zhuǎn)換電路主要由一微分、整流電路組成，碼元信號經(jīng)微分、整流后就可以提出位同步信號分量，其波形如圖5-1所示，原理框圖如圖5-2所示。圖5-1 基帶信號微分、整流波形2、數(shù)字鎖相數(shù)字鎖相的原理方框圖如圖5-2所示，它由穩(wěn)定度振蕩器、分頻器、相位比較器和控制器組成。其中，控制器包括圖中的扣除門、附加門和“或門”。高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)整形電路變成周期性脈沖，然后經(jīng)控制器再送入分頻器，輸出位同步脈沖序列。若接收碼元的速率為F（波特），則要求位同步脈沖的重復速率也為F（赫）。這里晶振的振蕩頻率設計在nF（赫），由晶振輸出經(jīng)整形得到重復

48、頻率為nF（赫）的窄脈沖（圖5-3中的b(b)）。如果接收端晶振輸出經(jīng)n次分頻后，不能準確地和收到的碼元信號同頻同相，這時就要根據(jù)相位比器輸出的誤差信號，通過控制器對分頻器進行調(diào)整。從經(jīng)微分、整流后的碼元信息中就可以獲得接收碼元所有過零點的信息，其工作波形如圖5-1所示。得到接收碼元的相位后，再將它加于相位比較器去比較。首先，先不管圖中的單穩(wěn)3，設接收信號為不歸零脈沖（波形a），我們將每個碼元的寬度分兩個區(qū)，前半碼元稱為“滯后區(qū)”，即若位同步脈沖波形b落入此區(qū)，表示位同步脈沖的相位滯后于接收碼元的相位；同樣，后半碼元稱為“超前區(qū)”。接收碼元經(jīng)微分整流，并經(jīng)單穩(wěn)4電路后，輸出如波形e所示的脈沖。

49、當位同步脈沖波形b（它是由n次分頻器d端的輸出，取其上升沿而形成的脈沖）位于超前區(qū)時，波形e和分頻器d端的輸出波形d使與門A有輸出，該輸出再經(jīng)過單穩(wěn)1就產(chǎn)生一超前脈沖（波形f）。若位同步脈沖波形b（圖中的虛線表示）落于滯后區(qū)，分頻器c端的輸出波形（c端波形和d端波形為反相關系）如波形c所示，則與門B有輸出，再經(jīng)過單穩(wěn)2產(chǎn)生一滯后脈沖（波單穩(wěn)1單穩(wěn)2附加門扣除門整形晶振或門BN次分頻單穩(wěn)3A微分整流單穩(wěn)4脈沖形CHEN成非門圖5-2 位同步器方框圖位同步脈沖接收碼元形g）。這樣，無論位同步脈沖超前或滯后，都會分別送出超前或滯后脈沖對加于分頻器的脈沖進行扣除或附加，因而達到相位調(diào)整的目的。圖5-3

50、 波形圖現(xiàn)在討論圖中的單穩(wěn)3的作用。同波形圖看到，位同步脈沖帥分頻器d端輸出波形（波形d）的正沿而形成的，所以相位調(diào)整的最后結果應該合波形d的正沿對齊窄脈沖e（即d的正沿位于窄脈沖之內(nèi)）。若d端產(chǎn)輸出波形最后調(diào)整到如波形圖d'所示的位置，則A、B兩個與門都有輸出；先是通過與門B輸出一個滯后脈沖，后是通過與門A輸出一超前脈沖。這樣調(diào)整的結果使位同步信號的相位穩(wěn)定在這一位置，這是我們所需要的。然而，如果d端的輸出波形調(diào)整到波形圖d的位置，這時，A、B兩個與門都有輸出，只是這時是先通過A門輸出一超前脈沖，而后通過B門輸出一滯后脈沖。如果不采取措施，位同步信號的相位也可以穩(wěn)定在這一位置，則輸出

51、的位同步脈沖（波形b）就會與接收碼元的相位相差180°?？朔@種不正確鎖定的辦法，是利用在這種情況下A門先有輸出的這一特點。當A門先有輸出時，這個輸出一方面產(chǎn)和超前脈沖對鎖相環(huán)進行調(diào)整；另一方面，這個輸出經(jīng)單穩(wěn)3產(chǎn)生一脈沖將與門B封閉，不會再產(chǎn)生滯后脈沖。這樣通過A六不斷輸出超前脈沖，就可以高速分頻器的輸出的相位，直到波形d的正沿對齊窄脈沖（波形e）為止。四、 實驗步驟 本實驗使用數(shù)字信源模塊和位同步模塊。 1、熟悉數(shù)字信源模塊和位同步模塊。將數(shù)字信源的輸出信號NRZ-OUT連接到位同步模塊NRZ IN端，打開電源開關數(shù)字信源模塊和位同步模塊開關。調(diào)整信源模塊的K1、K2、K3，使N

52、RZ-OUT的連“0”和連“1”個數(shù)較少。 2、觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。 將示波器的兩個探頭分別接數(shù)字信源模塊的NRZ-OUT和位同步模塊的BS-OUT，調(diào)節(jié)位同步模塊上的可變電阻R1，觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。鎖定時BS-OUT信號上升沿位于NRZ-OUT信號的碼元中間且在很小范圍內(nèi)抖動；失鎖時，BS-OUT的相位抖動很大，可能超出一個碼元寬度范圍，變得模糊混亂。 3、觀察位同步信號抖動范圍與位同步器輸入信號連“1”或連“0”個數(shù)的關系。調(diào)節(jié)可變電阻環(huán)路鎖定且BS-OUT信號相位抖動范圍最小（即固有頻差最?。?，增大NRZ-OUT信號的連“0”或連“1”個數(shù)，觀察BS-OUT信號

53、的相位抖動變化情況。4、觀察位同步器的快速捕捉現(xiàn)象、位同步信號相位抖動大小及同步保持時間與環(huán)路固有頻差的關系。使BS-OUT信號的相位抖動最小，斷開位同步單元的輸入信號，觀察NRZ-OUT與BS-OUT信號的相位關系變化快慢情況，接通位同步單元的輸入信號，觀察快速捕捉現(xiàn)象（位同步信號BS-OUT的相位一步調(diào)整到位）。再微調(diào)位同步單元上的可變電路（即增大固有頻差）當BS-OUT相位抖動增大時斷開位同步單元的輸入信號，觀察NRZ-OUT信號與BS-OUT信號的相位關變化快慢情況并與固有頻差最小時進行定性比較。 五、實驗報告要求 1、數(shù)字環(huán)位同步器輸入NRZ碼連“1”或連“0”個數(shù)增加時，提取的位同

54、步信號相位抖動增大，試解釋此現(xiàn)象。 2、設數(shù)字環(huán)固有頻差為f，允許同步信號相位抖動范圍為碼元寬度TS的倍，求同步保持時間tC及允許輸入的NRZ碼的連“1”或“0”個數(shù)最大值。 3、數(shù)字環(huán)同步器的同步抖動范圍隨固有頻差增大而增大，試解釋此現(xiàn)象。 4、若將AMI碼或HDB3碼整流后作為數(shù)字環(huán)位同步器的輸入信號，能否提取出位同步信號？為什么？對這兩種碼的連“1”個數(shù)有無限制？對AMI碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制？對HDB3碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制？為什么？5、 提出一種新的環(huán)路濾波器，使環(huán)路具有更好的抗噪能力。6、 設計出一種新的鎖相環(huán)，并且使用CPLD來實現(xiàn)。實驗六 幀同步實驗 一、實驗目的 1. 掌握巴克碼識別原理。 2. 掌握同步保護原理。 3. 掌握假同步、漏同步、捕捉態(tài)、維持態(tài)概念。 二、實驗內(nèi)容 1. 觀察幀同步碼無錯誤時幀同步器的維持態(tài)。 2. 觀察幀同步碼有一位錯誤時幀同步器的維持態(tài)和捕捉態(tài)。 3. 觀察同步器的假同步現(xiàn)象和同步保護作用。 三、基本原理 在時分復用通信系統(tǒng)中，為了正確地傳輸信息，必須在信息碼流中插入一定數(shù)量的幀同步碼，可以集中插入、也可以分散插入。本實驗系統(tǒng)中幀同步碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個碼元位置上。幀同步模塊的原理框圖如圖6-1所示。 本模塊有以下測試點及輸入輸出點： · S-IN 數(shù)字基帶信號