預習報告-通信原理-實驗一

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

答復預習問題

通信原理實驗系統(tǒng)由哪些局部組成？

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(diào)制模塊、中頻解調(diào)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、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(shù)字鎖相環(huán)模塊、現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)模塊等。

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(jù)實驗系統(tǒng)無線信道傳輸過程，信號流程為：用戶接口1→話音編碼1→漢明糾錯編碼→信道調(diào)制→加噪信道→信道解調(diào)→漢明譯碼→話音解碼2→用戶接口2。

可知模塊及框圖如下：

1、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(diào)制、解調(diào)模塊：數(shù)字基帶信號與數(shù)字頻帶信號的轉(zhuǎn)換。調(diào)制是為了將基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合信道傳輸?shù)膸ㄐ盘?，解調(diào)是為了將帶通信號復原成基帶信號，以獲取信息。

噪聲模塊：產(chǎn)生高斯白噪聲，以模擬AWGN信道。

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(jù)實驗系統(tǒng)有線信道傳輸過程，信號流程為：用戶接口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→用戶接口1。

可知模塊及框圖如下：

1、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(diào)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(zhuǎn)換為適合基帶信道傳輸?shù)拇a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(shù)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〕

查閱相關(guān)資料，解釋軟件無線電〔SDR〕的含義，并舉例介紹其在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應用。

軟件定義的無線電(SoftwareDefinedRadio，SDR)是一種無線電播送通信技術(shù)，

它基于軟件定義的無線通信協(xié)議而非通過硬連線實現(xiàn)。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。

TD－SCDMA是唯一明確將智能天線和高速數(shù)字調(diào)制技術(shù)設(shè)計在標準中，明確用軟件無線電技術(shù)來實施的標準。

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(xiàn)過程和特點。

ADPCM，自適應差分脈沖編碼調(diào)制。特性：綜合了APCM的自適應特性和DPCM系

統(tǒng)的差分特性，是一種性能比擬好的波形編碼。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(zhì)>400kbps〕，編解碼延時最短〔相對其它

技術(shù)〕

缺點：聲音質(zhì)量一般

PCM〔脈沖編碼調(diào)制〕是PulseCodeModulation的縮寫。脈沖編碼調(diào)制是數(shù)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(diào)制(PulseCodeModulation)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(jīng)抽樣、A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字均勻量化后進行編碼的方法，是其他編碼算法的根底。

PCM的優(yōu)點就是音質(zhì)好，缺點就是體積大。

CVSD，連續(xù)可變斜率增量調(diào)制，根本原理是采用自適應方法使量階Δ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，那么稱為瞬時壓擴ΔM，記作ADM。假設(shè)量階Δ隨音節(jié)時間間隔〔5一20ms〕中信號平均斜率變化，那么稱為連續(xù)可變斜率增量調(diào)制，記作CVSD。由于這種方法中信號斜率是根據(jù)碼流中連“1〞或連“0〞的個數(shù)來檢測的，所以又稱為數(shù)字檢測、音節(jié)壓擴的自適應增量調(diào)制，簡稱數(shù)字壓擴增量調(diào)制。

CVSD的特性很適合語音數(shù)字編碼。由于采用1bit量化，防止了復雜的幀結(jié)構(gòu)。有很好的檢測誤碼和糾錯的性能。其他的語音編碼方案那么需要有數(shù)字信號處理器和外部模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器來對模擬信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，CVSD卻有足夠的復雜度用來在平安應用領(lǐng)域進行數(shù)字加密。最后，CVSD可以在很寬的速率范圍內(nèi)工作——CVSD已經(jīng)被成功的應用于9.6kbps—64kbps。在9.6kbps音頻質(zhì)量不是特別的好，但是不影響理解。在24kbps到48kbps，語音質(zhì)量已經(jīng)很容易接受。高于48kbps時，性能到達了TollQuality的級別。

本實驗系統(tǒng)中，調(diào)制解調(diào)包括哪些方式？簡要介紹各種方式的實現(xiàn)過程和特點。

FSK〔Frequency-shiftkeying，頻移鍵控〕是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制

方式,它的主要優(yōu)點是:實現(xiàn)起來較容易,抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)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(MinimumShiftKeying)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(diào)制系數(shù)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(shù)據(jù)傳輸速率的1.5倍的帶寬內(nèi)。譜密度隨頻率〔遠離信號帶寬中心〕倒數(shù)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(shù)的平方下降。因此，MSK信號在帶外產(chǎn)生的干擾非常小。這正是限帶工作情況下所希望有的珍貴特點。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(BinaryPhaseShiftKeying)二進制相移鍵控，是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一，利用偏離相位的復數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準的正弦波和相位反轉(zhuǎn)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π現(xiàn)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(shù)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(shè)相差值“π〞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(shù)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(diào)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(guān)系不破壞，那么只要鑒別這個相差關(guān)系就可正確恢復數(shù)字信息，這就防止了BPSK中的倒π現(xiàn)象發(fā)生。

GMSK，高斯最小頻移鍵控〔GaussianFilteredMinimumShiftKeying〕，這是GSM系統(tǒng)采用的調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)空中接口的重要組成局部。GMSK調(diào)制是在MSK〔最小頻移鍵控〕調(diào)制器之前插入高斯低通預調(diào)制濾波器這樣一種調(diào)制方式。GMSK提高了數(shù)字移動通信的頻譜利用率和通信質(zhì)量。

QAM是QuadratureAmplitudeModulation的縮寫，中文譯名為“正交振幅調(diào)制〞，其幅度和相位同時變化，屬于非恒包絡二維調(diào)制。QAM是正交載波調(diào)制技術(shù)與多電平振幅鍵控的結(jié)合。與其它調(diào)制技術(shù)相比,QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優(yōu)點。

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(xiàn)過程和特點。

AMI碼，極性交替翻轉(zhuǎn)碼，將二元碼變換為三元碼，并引入相關(guān)性，用以改變信號

波形的功率譜結(jié)構(gòu)，但容易使時鐘提取困難。

HDB3碼，三階高密度雙極性碼〔HighDensityBipolarofOrder3〕是一種適用于基帶傳輸?shù)木幋a方式，它是為了克服AMI碼的缺點而出現(xiàn)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〔CodedMarkInversion〕碼是傳號反轉(zhuǎn)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)那么是“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(xiàn)，含有豐富的定時信息。此外，由于10為禁用碼組，不會出現(xiàn)三個以上的連碼，這個規(guī)律可以用來宏觀檢錯。

在通信系統(tǒng)中，鎖相環(huán)的作用是什么？

同步在電信網(wǎng)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，那么將以統(tǒng)一步調(diào)進行工作。同步的技術(shù)根底是鎖相，因而鎖相技術(shù)是通信中最重要的技術(shù)之一。

9、解釋以下英文縮寫的含義，給出英文全稱：

FPGA：Field－ProgrammableGateArray，即現(xiàn)場可編程門陣列

DTMF：DualToneMultiFrequency，雙音多頻，由高頻群和低頻群組成，上下頻群各包含4個頻率。

PCM：脈沖編碼調(diào)制(PulseCodeModulation)

ADPCM:AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation,自適應差分脈沖編碼調(diào)制

CVSD:ContinuousVariableSlopeDeltaModulation(CVSD)連續(xù)可變斜率增量調(diào)制語音編碼

PAM：脈沖振幅調(diào)制〔PulseAmplitudeModulation〕

DSP：DigitalSignalProcessing，數(shù)字信號處理

A/D：模數(shù)轉(zhuǎn)換，AnalogtoDigital

D/A：數(shù)模轉(zhuǎn)換，DigitaltoAnalog

HDB3:三階高密度雙極性碼〔HighDensityBipolarofOrder3〕是一種適用于基帶傳輸?shù)木幋a方式

CMI:CodedMarkInversion碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱，與雙相碼類似，它也是一種雙極性二電平碼。

BPSK:BinaryPhaseShiftKeying---二進制相移鍵控

FSK:Frequency-shiftkeying，頻移鍵控

DBPSK：Differentialbinaryphaseshiftkeying差分二進制移相鍵控

TDM：TimeDivisionMultiplexing，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(shù)字化數(shù)據(jù)、語音和視頻信號等的技術(shù)

FDM：FrequencyDivisionMultiplexing，頻分多路復用，就是指用不同頻率傳送各路消息，以實現(xiàn)多路通信

CDMA：CodeDivisionMultipleAccess，又稱碼分多址，CDMA技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)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(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。

一、實驗儀器

ZH5001通信原理綜合實驗系統(tǒng)

雙蹤示波器

函數(shù)信號發(fā)生器〔帶頻率計功能〕

二、實驗目的

掌握模擬鎖相環(huán)的根本工作原理；

掌握鎖相環(huán)的電路組成；

掌握模擬字鎖相環(huán)的根本參數(shù)及設(shè)計。

三、答復預習問題

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是一個相位比擬裝置，用來檢測輸出信號V0(t)與輸入信號Vi(t)之間的相位差θe(t)，并把θe(t)轉(zhuǎn)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(chǎn)生的無用的組合頻率分量及干擾，產(chǎn)生一個只反映θe(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(shù)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(guān)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(diào)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?ωi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(nèi)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(nèi)時,鎖相環(huán)可以保持鎖定狀態(tài)。假設(shè)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(nèi)，壓控振蕩器的控制特性為ωot=ωr+A0υc(t)；式中，A0稱為壓控靈敏度或是VCO的增益系數(shù)，ωr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。

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(shù)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(gòu)成的輸入帶通濾波器〔中心頻率：256KHz〕組成。在UP01內(nèi)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(jīng)UP03B構(gòu)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(jīng)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(jīng)UP02進行八分頻變?yōu)?4KHz信號，送入UP01的鑒相輸入B腳。經(jīng)UP01內(nèi)部鑒相器鑒相之后的誤差控制信號經(jīng)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(shù)。正常時，VCO鎖定在外來的256KHz頻率上。

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〔3V~18V〕，輸入阻抗高〔約為100M〕，動態(tài)功耗小。CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下列圖所示。主要由相位比擬器、相位比擬器、壓控振蕩器、源跟隨器等局部構(gòu)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腳相位比擬器Ⅰ的輸出端。3腳比擬信號輸入端。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(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比擬器Ⅱ的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極。

74ls74是一個邊沿觸發(fā)器數(shù)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，F(xiàn)amilyofNanopowerOpAmps，運算放大器，與其它阻容元件構(gòu)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(shù)器，在電路中用作8分頻器使用。

分析電路中所有跳線開關(guān)和電位器的功能和作用。

跳線開關(guān)KP01：用于選擇UP01的鑒相輸出。當KP01設(shè)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(shè)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(diào)整電位器WP01可以改變模擬鎖相環(huán)的環(huán)路參數(shù)。

跳線開關(guān)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(shù)。

電位器WP02：構(gòu)成低通濾波器，濾除高頻噪聲。

分析電路中各個測試點信號的含義，及有關(guān)信號之間的關(guān)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〕

如果通信系統(tǒng)的載波同步由鎖相環(huán)實現(xiàn)，那么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(nèi)容

深刻理解電路組成和實驗原理，完成以下實驗內(nèi)容，記錄實驗數(shù)據(jù)、實驗現(xiàn)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(guān)KP02設(shè)置在TEST位置，鑒相輸出開關(guān)KP01

設(shè)置在2_3位置。

測量VCO自由振蕩頻率。寫出實驗過程。

將測試信號輸入端口TestClk接地，把函數(shù)信號發(fā)生器方式設(shè)置為記數(shù)〔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。

測量此鎖相環(huán)的同步帶。

用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個256KHz的TTL信號送入數(shù)字信號測試端口

Test。用示波器同時測量Test、TP04相位關(guān)系，正常時環(huán)路鎖