通信原理实验报告PPT

1、通信原理A-实验教程电子科学与技术系 周维龙实验主要设备 TX-5型通信原理实验箱 双踪示波器AMI-HDB3编译码数字信源数字调制2DPSK解调器2FSK解调器位同步帧同步载波同步数字终端PCM编译码两人通话实验要求 学生2-3人一组，按要求完成各实验内容； 实验结束后，每个学生必须写好相应的实验报告，提交实验报告后，方可离开；实验内容 序号序号实验内容实验内容课时课时1数字基带信号22数字调制23数字解调与眼图24模拟锁相环与载波同步2实验一 数字基带信号（2学时）实验目的 了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点； 掌握AMI、HDB3的编码规则； 掌握从HDB3码信号

2、中提取位同步信号的方法； 了解HDB3(AMI)编译码集成电路CD22103。实验内容 用示波器观察单极性非归零码（NRZ)、传号交替反转码（AMI)、三阶高密度双极性码（HDB3)、整流后的AMI码及整流后的HDB3码； 用示波器观察从HDB3码中和从AMI码中提取位同步信号的电路中有关波形； 用示波器观察HDB3、AMI译码输出波形。基本原理 数字信源 HDB3编译码数字信源 本模块是整个实验系统的发送端，模块内部只使用+5V电压，其原理方框图如图1-1所示，电原理图如图1-2所示。本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图12所示。帧长为24位，其中首位无定义，第2位

3、到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。此NRZ信号为集中插日帧同步码时分复用信号，实验电路中数据码用红色发光二极管指示，帧同步码及无定义位用绿色发光二极管指示。发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示0码。 图11 数字信源方框图图12 帧结构图图 1-1（b) 数字信源实物图晶振信号测试点信源位同步信号输出点/测试点NRZ信号（绝对码）输出点/测试点信源帧同步信号输出点/测试点数字信号源原理图一、分频器 74161进行13分频，输出信号频率为341KHZ。74161是一个4位二进制加计数器，预置在3状态。 74193完成2、4、8、16运算，输出BS

4、、S1、S2、S3等4个信号。BS为位同步信号，频率为170.5KHZ。S1、S2、S3为三个选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2、1/4、和1/8。74193是一个4位二进制加/减计数器，当CPD=PL=1、 =0时，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分别输出上述4个信号。 40160是一个二十进制加计数器，预置在7状态，完成3运算，在Q0和Q1端分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。 分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-3（a）和1-3（b)所示。 图1-3 分频器输出信号波形二、八选一 采用8路数据选择器4512，它包含了8

5、路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1-1所示。U5、U6和U7的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接S1、S2、S3信号，它们的8个数据信号输入端x0 x7分别与K1、K2、K3输出的8个并行信号连接。由表11可以分析出U5、U6、U7输出信号都是码速率为170.5KB、以8位为周期的串行信号。CBAINHDISZ00000X000100X101000X201100X310000X410100X511000X611100X71001高阻表1-1 4512真值表三、三选一 三选一电路原理同八选一电路原理。S4、S5信号分别输入到U8的地址端A和B，U5、U6、U7输出的3

6、路串行信号分别输入到U8的数据端x3、x0、x1，U8的输出端即是一个码速率为170.5KB的2路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ)。四、倒相与抽样 图1-1中的NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比BS信号的下降沿稍有点迟后。在实验二的数字调制单元中，有一个将绝对码变为相对码的电路，要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号上升沿对齐，而这两个信号由数字信源提供。倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的，它们使NRZ-OUT及BS-OUT信号满足码变换电路的要求。 FS信号可用作示波器的外同步信号，以便观察2DPSK等信号。 FS信号、NRZOUT信号之间的相位关系如图

7、1-4所示，图中NRZOUT的无定义位为0，帧同步码为1110010，数据1为11110000，数据2为00001111。FS信号的低电平、高电平分别为4位和8位数字信号时间，其上升沿比NRZOUT码第一位起始时间超前一个码元。 图1-4 FS、NRTOUT波形HDB3编译码 原理框如图1-5所示。本模块内部使用+5V和-5V电压，其中-5V电压由-12V电压源经三端稳压器7905变换得到。 本模块上的开关K4用于选择码型，K4位于左边A(AMI端）选择AMI码，位于右边H(HDB3端）选择HDB3码。 图1-5 HDB3编译码方框图图1-6 HDB3编译码原理图图1-7 HDB3编译码实物图

8、主要芯片 EPM7064SLC44 (CPLD)CD22103 (HDB3/AMI)4046 (D-PPL)实验步骤（一） 本实验使用数字信源单元和HDB3编译码单元。 熟悉数字信源单元和HDB3编译码单元的工作原理。接好电源线，打开电源开关。 用示波器观察数字信源单元上的各种信号波形。 用信源单元的FS作为示波器的外同步信号，示波器探头的地端接在实验板任何位置的GND点均可，进行下列观察：（1）示波器的两个通道探头分别接信源单元的NRZ-OUT 和BS-OUT，对照发光二极管的发光状态，判断数字信源单元是否已正常工作（1码对应的发光管亮，0码对应的发光管熄）；观察并记录结果。（2）用开关K1

9、产生代码1110010（为任意代码，1110010为7位帧同步码），K2、K3产生任意信息代码，观察并记录本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点。】实验步骤（二） 用示波器观察HDB3编译单元的各种波形。 仍用信源单元的FS信号作为示波器的外同步信号。（1） 示波器的两个探头CH1和CH2分别接信源单元的NRZ-OUT和HDB3单元的AMI-HDB3，将信源单元的K1、K2、K3每一位都置1，观察全1码对应的AMI码（开关K4置于左方AMI端）和HDB3码（开关K4置于HDB3端）。再将K1、K2、K3置为全0，观察全0码对应的AMI码和HDB3码。（2） 将K1、K2

10、、K3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000态，观察并记录对应的AMI码和HDB3码。（3） 将K1、K2、K3置于任意状态，K4先置左方（AMI）端再置右方（HDB3)端，CH1接信源单元的NRZ-OUT，CH2依次接HDB3单元的DET、BPF、BS-R和NRZ，观察这些信号波形。】实验报告要求 实验目的； 实验内容； 实验原理； 实验步骤； 实验结果与分析； 总结与心得体会。注：结果与分析中回答:1、根据实验观察和记录回答：（1）不归零码和归零码的特点是什么？（2）与信源代码中的“1”码相对应的AMI码及HDB3码是否一定相同？为什么？2、设代码为全1，全0及01

11、11 0010 0000 1100 0010 0000，给出AMI及HDB3码的代码和波形。实验二 数字调制（2学时）实验目的 掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号的方法。 掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变化关系。 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。实验内容 用示波器观察绝对码波形、相对码波形。 用示波器观察2ASK、2FSK、2PSK 、2DPSK信号波形。基本原理（一） 本实验用到数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供数字基带信号（NRZ码）和位同步信号BS(已在实验电路板上连通，不必手工接线)。调制模块将输

12、入绝对码AK(NRZ码)变相对码BK、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。调制模块内部只用+5V电压。数字调制单元的原理方框图如图2-1所示，电原理图2-2所示，测试实物图如图2-3所示。晶振放大器2(A)滤波器2PSK 调制 射随器CAR2(B)滤波器2FSK 调制2ASK 调制码变换BK2ASK2FSKNRZ BSAKKKKK2DPSKCARCAR/2图2-1 数字调制方框图图2-2 数字调制原理图图2-3 数字调制测试实物图2DPSK信号载波测试点相对码测试点2DPSK信号测试点/输出点2FSK信号试点2ASK信号试点基本原理（二） 将晶振信号进行2分频、滤波后，得到2ASK

13、的载频2. .2165MHZ。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2-4所示。图2-4 2PSK、2DPSK波形基本原理（二） 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2-5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

14、、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2-5 2DPSK调制器+2PSK 调制2DPSK(AK)2PSK(BK)TSAKBKBK-1实验步骤 本实验使用数字信源单元及数字调制单元。 熟悉数字调制单元的工作原理。接通电源，打开实验箱电源开关。将数字调制单元单刀双掷开关K7置于左方N（NRZ）端。 用数字信源单元的FS信号作为示波器的外同步信号，示波器CH1接信源单元的(NRZ-OUT)AK（即调制器的输入），CH2接数字调制单元的BK，信源单元的K1、K2、K3置于任意状态（非全0）

15、，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。 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）。 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。 实验报告要求 实验目的； 实验内容； 实验原理； 实验步骤； 实验结果与分析； 总结与心得体会。注：结果与分析中回答: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

16、1001 1010，假定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相对码至绝对码的变换电路。5、总结2DPSK信号的相位变化与信息代码(即绝对码)之间的关系以及2DPSK信号的相位变化与相对码之间的关系（即2PSK的相位变化与信息代码之间的关系）。实验三 数字解调与眼图（2学时）实验目的 掌握2DPSK相干解调原理。 掌握2FSK过零检测解调原理。 实验内容 用示波器观察2DPSK相干解调器各点波形。 用示波器观察2FSK过零检测解调器各点波形。 用示波器观察眼图。基本原理（一） 可用相干解调

17、或差分相干解调法（相位比较法）解调2DPSK信号。在相位比较法中，要求载波频率为码速率的整数倍，当此关系不能满足时只能用相干解调法。本实验系统中，2DPSK载波频率等码速率的13倍，两种解调方法都可用。实际工程中相干解调法用得最多。2FSK信号的解调方法有：包络括检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。 本实验采用相干解调法解调2DPSK信号、采用过零检测法解调2FSK信号。2DPSK模块内部使用+5V、+12V和-12V电压，2FSK模块内部仅使用+5V电压。图4-1为两个解调器的原理方框图，其电路原理图如图3-2所示，测试实物图如图3-3所示。图3-1 数字解调方框图（a) 2DPSK相

18、干解调 （b）2FSK过零检测解调 相乘器低通滤波器运放比较器抽样器码反变换AK-OUTBKCM-OUTVCBS-INMU2DPSK-INCAR-INLPF抽样判决器(a)单稳1单稳2相加器低通滤波器整形2抽样器整形12FSK-INFDCM LPFAK-OUTBS-IN抽样判决器 (b)图 3-2(a) 2DPSK 解调原理图图 3-2 (b) 2FSK 解调原理图56U34C74HC0489U34D74HC0412U34A74HC0434U34B74HC04123U36A74LS320. 1uFC20C21600pC22600pC236. 6pC24200pC250. 1uR415kR425

19、kR454kR4611kR4740kR495kR4310k10KR44R4810kVCCVCCVCCVCCVCCVCCR25kR35kVCC47165238U37LM318HA1B2CLR3Q4Q13Cext14RCext15U35A74LS123A9B10CLR11Q12Q5Cext6RCext7U35B74LS123CLK3D2S D4C D1Q5Q6U38A74LS742FSK-I NFDLPFCMBS-I NAK-OUT图3-3测试实物图解调输出相对码的输出点/测试点解调输出绝对码的输出点/测试点相乘器输出信号试点低通、运放输出信号测试点比较器比较电压测试点比较器输出信号的测试点位同步

20、信号输入点2FSK过零检测输出信号测试点低通滤波器输出信号测试点整形输出信号测试点位同步信号输入点解调输出信号的输出点/测试点主要芯片 MC149674123几点说明 在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器用来滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰条件。本实验系统中为简化实验设备，发端即数字调制的输出端没有带通滤波器、信道是理想的，故解调器输入端就没加带通滤波器。2DPSK相干解调电路中的一些具体问题 MU的波形接近图3-4所示的理论波形，略有区别。 信源是周期为24bit的周期信号，当24bit的相对码BK中“1”码和“0”码个数不相等时，相乘器U29的输出

21、信号MU及低通滤波器输出信号LPF是正负不对称的信号。在实际的2DPSK通信系统中，抽样判决器输入信号是一个均值为0且正负对称的信号，因此最佳判决电平为0。本实验系统中，Vc决定判决电平。当Vc=0而相对码BK中“1”码和“0”码个数差别太大时，可能出现误判决，即解调器出现误码。因为此时LPF信号的正电平或负电平非常接近0电平，抽样脉冲（位同步信号）稍不理想就会造成误码。电位器R39用来调节判决电平，当BK中“1”码与“0”码个数差别比较大时出现误码时，可调节R39使Vc等于LPF信号的中值（最佳判决门限）。实际通信系统中的2DPSK相干解调器（或差分相干解调器）不需要调节判决电平。 比较器的

22、输出CM为TTL电平信号，它不能作为相对码直接送给码反变器，因为它并不是一个标准的单极性非归零码，其单个“1”码对应的正脉冲的宽度可能小于码元宽度、也可能大于码元宽度。另外，当LPF中有噪声时，CM中还会出现噪声脉冲。 异或门74LS86输出的绝对码波形的高电平上叠加有小的干扰信号，经U34整形后即可去掉。图 3-4 2DPSK 相干解调波形示意图2FSK解调器工作原理及有关问题说明 图3-5为2FSK过零检测解调器各点波形示意图，图中设“1”码载频等于码速率的两倍，“0”码载频等于码速率。 整形1和整形2的功能与比较器类似，在其输入端将输入信号叠加在2.5V上。74HC04的状态转换电平约为

23、2.5V，可把输入信号进行硬限幅处理。整形1将正弦2FSK信号变为TTL电平的2FSK信号。整形2和抽样电路共同构成一个判决电平为2.5V的抽样判决器。 单稳1、单稳2分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，它们与相加器一起共同对TTL电平的2FSK信号进行微分、整流处理。电位器R43和R44决定上升沿脉冲宽度及下降沿脉冲宽度（应基本相等）。 R48可以调节滤波器的频率特性及LPF信号幅度，LPF不是TTL电平信号且不是标准的非归零码，必须进行抽样判决处理。U34对抽样判决输出信号进行整形。图3-5 2FSK过零检测解调器各点波形示意图实验步骤（一） 本实验使用数字信源单元、数字调制单元、载波同步

24、单元、2DPSK解调单元及2FSK解调单元，它们之间的信号连结方式如图3-6所示,其中实线是指已在电路板上布好的,虚线是实验中要手工连接的。实际通信系统中，解调器需要的位同步信号来自位同步提取单元。本实验中尚未用位同步提取单元,所以位同步信号直接来自数字信源。在做2DPSK解调实验时，位同步信号送给2DPSK解调单元，做2FSK解调实验时则送到2FSK解调单元。数字信源数字调制2FSK 解调2DPSK 解调载波同步BS-OUTNRZ-OUT(AK)CAR-OUT2FSK2DPSKBS-INBS-IN图4-6 数字解调实验连接图实验步骤（二） 复习前面实验的内容并熟悉2DPSK解调单元及2FSK

25、解调单元的工作原理，接通实验箱电源。将数字调制单元单刀双掷开关K7置于左方NRZ端。 检查要用到的数字信源、数字调制及载波同步单元是否工作正常，保证载波同步单元处于同步态！ 2DPSK解调实验 2FSK解调实验实验步骤（2DPSK） （1） 将数字信源单元的BS-OUT用信号连线连接到2DPSK解调单元的BS-IN点,以信源单元的FS信号作为示波器外同步信号，将示波器的CH1接数字调制单元的BK，CH2（建议使用示波器探头的x10衰减档）接2DPSK解调单元的MU。MU与BK同相或反相，其波形应接近图4-4所示的理论波形。（2） 示波器的CH2接2DPSK解调单元的LPF，可看到LPF与MU同

26、相。当一帧内BK中“1”码“0”码个数相同时，LPF的正、负极性信号电平与0电平对称，否则不对称。（3） 示波器的CH1接VC，调节电位器R39，保证VC处在0电平（当BK中“1”与“0”等概时LPF的中值即为0电平），此即为抽样判决器的最佳门限。（4） 观察数字调制单元的BK与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK之间的关系，再观察数字信源单元中AK信号与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK、AK-OUT信号之间的关系。（5） 将数字调制单元单刀双掷开关K7置于右方（M序列）端，此时数字调制器输入的基带信号是伪随机序列（本系统中是M序列）信号。用示波器观察2DPSK解调单元LPF点，即可看

27、到无噪声状态下的眼图。实验步骤（2FSK） 将数字调制单元单刀双掷开关K7还原置于左方NRZ端。将数字信源单元的BS-OUT用信号连线换接到2FSK解调单元的BS-IN点,示波器探头CH1接数字调制单元中的AK，CH2分别接2FSK解调单元中的FD、LPF、CM及AK-OUT，观察2FSK过零检测解调器的解调过程（注意：低通及整形2都有倒相作用）。LPF的波形应接近图3-5所示的理论波形。实验报告要求 实验目的； 实验内容； 实验原理； 实验步骤； 实验结果与分析； 总结与心得体会。注：结果与分析中回答:1、 设绝对码为1001101，相干载波频率等于码速率的1.5倍，根据实验观察得到的规律，

28、画出CAR-OUT与CAR同相、反相时2DPSK相干解调MU、LPF、BS、BK、AK波形示意图，总结2DPSK克服相位模糊现象的机理。2、 设绝对码为1001101,2FSK的两个载波分别为码速率的四倍和两倍，根据实验观察得到的规律，画出2FSK过零检测解调器输入的2FSK波形及FD、LPF、BS、AK波形（设低通滤波器及整形2都无倒相作用）。实验四：模拟锁相环与载波同步（2课时）实验目的1、模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。2、掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。3、了解相干载波相位模糊现象产生的原因。实验内容1、观

29、察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程 ；2、观察环路的捕捉带和同步带 ；3、用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相伴模糊现象。实验原理平方鉴相器环路滤波器压控振荡器放大整形2移相器滤波器VCOCAR-OUTMUUd2DPSK通信系统中常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从2DPSK信号中提取相干载波。本实验系统的载波同步提取模块用平方环，原理方框图如图4-1所示，电原理图如图4-2所示。模块内部使用+5V、+12V、-12V电压，所需的2DPSK输入信号已在实验电路板上与数字调制单元2DPSK输出信号连在一起。测试实物如图4-3所示。图4-1 载波同步方框图图 4-2 载波

30、同步原理图实验原理平方器输出测试点VCO输出信号测试点鉴相器输出信号测试点相干载波信号输出测试点图 4-3 实物测试图 锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）及压控振荡器（VCO）组成，如图4-4所示。uc(t)PDLFVCOuo(t)ui(t)ud(t)图4-4 锁相环方框图实验原理实验原理 模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD检测ui(t)与uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud(t)，LF用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。设ui(t)=Uisinit+i(t)，uo(t)=Uocosit+o(t)，则ud(t)=Udsine(t)，e(t)=i(t)-o(t)，故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。设uc