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文档简介
1、通 信 原 理 实 验指导书(删减版)前 言通信原理是电子信息类各专业的专业基础课,是一门理论性和实践性都很强的课程。这门课的理论教学方法是:由通信系统的原理方框图得到数学模型,再对数学模型进行数学分析,从而得到关于通信的一些基本概念和重要结论。由于学生在学习这门课时一般只使用过收音机、电视机、电话机及手机等通信工具,而对通信原理特别是数字通信原理缺少实践经验和感性认识,所以往往对理论教学感到枯燥,难于理解理论分析得到的基本概念和重要结论。针对这种情况,目前各学校普遍开设了通信原理实验课,并收到了良好的效果。为配合通信原理实验教学,作者先后研制了HUST TX-1、TX-2、TX-3、TX-3
2、B、TX-5、TX-6及TX-6B型通信原理教学实验系统,同时编写了相应的实验指导书。目前,已有许多学校采用该系列实验系统为大学本科生和专科生开设通信原理实验课。为满足使用者需要,作者对原实验讲义进行了修改和补充。本实验指导书中详细介绍了该系列通信原理教学实验系统的工作原理,以及采用该实验设备做实验的实验目的、实验内容和实验步骤等。书中还给出了通信系统中的许多实用电路。本书可以作为实验教材,也可供有关人员设计电路时参考。本实验指导书由王福昌、潘晓明共同编写,由王福昌定稿。黄本雄老师参加了HUST TX实验设备的初期研发工作。参加初期研发工作的还有95届、96届及97届的本科生,他们是:管烨、凌
3、重华、王志坚、罗新宇、刘建宇、田廷玉、卢俊峰、苏梦生、聂春燕、陈卫东。2002届硕士研究生谌璟和2003届硕士研究生张璇参加了实验设备的改型工作。这些老师和同学的工作为本实验指导书的编写提供了有力支持,作者对他们表示衷心感谢。本实验指导书和HUST TX系列实验设备可以与作者编著的“通信原理”(清华大学出版社)及“通信原理辅导与习题解答”(华中科技大学出版社)配合使用,也可与其他通信原理教材配合使用。HUST TX实验设备还有待进一步改进,本书中也难免有不当之处,期望使用该系列实验设备和本书的同学、老师及工程技术人员提出宝贵意见。 目 录绪 论 1实验1 数字基带信号与AMI/HDB3编译码
4、1实验2 数字调制 3实验3 模拟锁相环与载波同步 5实验4 数字解调与眼图 8实验5 数字锁相环与位同步 10实验6 帧同步 12实验7 时分复用数字基带通信系统 14实验8 时分复用2DPSK、2FSK通信系统 16实验9 PCM编译码 18实验10 时分复用通话与抽样定理 21绪 论现代通信包括传输、复用、交换、网络等技术。通信原理课程主要介绍传输及复用技术。本实验系统涵盖了数字信号传输的主要内容及时分复用技术,其设计思路是如图0.1所示的两路时分复用PCM/2DPSK数字电话系统。FSTA BSSLAPCM-APCMSTB BSSLBPCM-BBSBKcoswct PCM编码器 PCM
5、编码器码变换器2PSK调制器发送滤波器信道coswctBKAKPCM 接收滤波器载波同步器低通滤波器位同步器抽样判决器码反变换器CPCPFSF1F2F1CPCPSRASRB 帧同步器 PCM译码器 PCM译码器aabb信道编码器信道译码器延迟器AK同步复接器图0.1 两路PCM/2DPSK数字电话系统图中STA、STB分别为发端的两路模拟话音信号,BS为时钟信号,SLA、SLB为抽样信号,F为帧同步码,AK为绝对码,BK为相对码。在收端,CP为位同步信号,FS为帧同步信号,F1、F2为两个路同步信号,SRA、SRB为两个PCM译码器输出的模拟话音信号。图中发滤波器用来限制进入信道的信号带宽,以
6、提高信道的频带利用率。收滤波器用来滤除带外噪声并与发滤波器、信道相配合使系统的频率特性满足无码间串扰条件。考虑到收端有关信号波形的可观测性,在HUST TX系列实验设备中省略了发滤波器、信道及收滤波器,而直接将2PSK调制器输出信号连接到载波提取单元和相干解调单元。实验者可以用软件仿真方法观察系统频率特性与码间串扰之间的关系。对实际的话音信号进行编码而产生的PCM信号是随机信号,不适于用示波器观察信号传输过程中的变化。因此本实验设备先用24比特为一帧的周期信号作为发端的PCM信号,该周期信号由两路数据(每路8比特)和7比特帧同步码以及1比特未定义位复接而成,用此周期信号对载波进行调制。在收端对
7、数字已调信号进行解调并对两路数据进行分接,形成两路并行码和两路串行码。发端的24比特信号可根据实验需要由实验者任意设置。由两路实际的话音信号(或两路正弦信号)形成的PCM时分复用信号则直接送给PCM译码器,实验者可以观察到话音(或正弦信号)的PCM信号波形、量化噪声、过载噪声以及频谱混叠对话音质量的影响,从而理解PCM编译码及同步复接原理。HDB3码及AMI码是基带传输中的重要码型,其编码规律、位同步提取原理是理论教学的重点和难点,也是本实验系统的重点内容之一。目前M应用不广泛且无统一的国际标准,本实验系统中没有考虑。TX-6B型通信原理教学实验系统由下面十二个模块构成,图0.2为其印刷电路板
8、布局图。 1. 数字信源模块 本模块产生速率为170.5kbps的单极性非归零码(NRZ码),数字信号帧长为24bit,其中包括两路数字信息,每路8bit,另外8bit中的7bit为集中插入式帧同步码,1bit无定义。本模块还产生长度为31位的m序列信号。2. AMI/HDB3编译码模块本模块将数字信源模块输出的NRZ码转换为AMI码或HDB3码,从AMI码或HDB3码中提取位同步信号,并对AMI码或HDB3码进行译码。3. 数字调制模块本模块对频率为2.2165MHz的正弦载波进行调制,产生2DPSK及2ASK信号,对频率为2.216MHz及1.608MHz的正弦信号进行调制产生2FSK信号
9、,数字基带信号为数字信源模块输出的NRZ信号。4. 载波同步模块本模块采用平方环从2DPSK信号中提取相干载波。5. 2DPSK解调模块本模块采用相干解调法解调2DPSK信号。6. 2FSK解调模块本模块采用过零检测法解调2FSK信号。7. 位同步模块本模块用全数字锁相环从信源的NRZ信号中或从2DPSK解调模块(或2FSK解调模块)的比较器输出信号中提取位同步信号。8. 帧同步模块本模块从信源的NRZ信号或从2DPSK解调模块(或2FSK解调模块)解调输出的NRZ信号中提取帧同步信号。9. 数字终端模块本模块输入NRZ信号、位同步信号、帧同步信号,在位同步及帧同步信号控制下,将两路数字信息从
10、时分复用NRZ信号分接出来,并用发光二极管显示。10. PCM编译码模块本模块采用TP3057芯片对两路模拟音频信号进行A律PCM编码和译码,抽样频率可以在8KHz、4KHz及2KHz中任选其一。本模块时分复用PCM信号速率为2.048Mbps。当抽样频率为8KHz时,一帧中包含32个时隙,但只传输两路数字音频信号,其中一路信号放在第2个时隙,另一路可放在第1、2、5、7任何一个时隙内,第0个时隙中有7位帧同步码,其余29个时隙为全0码。11. 两人通话模块本模块包含音频放大器和衰减电路,与PCM编译码模块连接后可以进行两人时分复用通话实验。12设计实验模块本模块以ATMEL的CPLD芯片AT
11、F1508AS为核心,配合一些外围电路,由实验者通过硬件描述语言自行设计完成某些通信模块的功能。用上述第1、3、4、5、7、8、9等7个模块可构成一个理想信道2DPSK通信系统,用第1、3、6、7、8、9等6个模块可构成理想信道2FSK通信系统,用第1、7、8、9等4个模块可构成一个理想信道数字基带通信系统。利用TX-6B型实验设备,可以做数字基带信号及AMI/HDB3编译码、数字调制、模拟锁相环与载波同步、数字解调与眼图、数字锁相环与位同步、帧同步、PCM编译码等验证性实验以及时分复用数字基带通信系统、时分复用2DPSK/ 2FSK通信系统、时分复用通话与抽样定理等通信系统实验,还可以完成数
12、字基带信号码型变换、位同步提取、帧同步提取、信道编译码等设计性实验。通过这些实验,同学们可以获得数字通信系统的传输技术及时分复用技术的感性认识、巩固课堂上所学的理论知识。在学习通信原理这门课之前,同学们已基本具备了模拟电路及数字电路的分析、设计及调试能力,通信实验的主要目的是帮助大家理解通信系统的整体概念及基本理论。因此在本书中,没有详细地分析各种电路的工作原理,只说明了它们的作用。TX-6B型实验设备所需的三输出直流稳压电源(+5V、3A,+12V、0.5A,-12V、0.5A)已内置,实验时只需外接220V交流电。实验设备电源插座在箱体后侧,开关在箱体的左侧。电源开关中带指示灯。实验必备仪
13、器为双踪模拟示波器(至少为20MHZ),设计性实验需要计算机配合。在某些实验步骤中,需用频率计、低失真度低频信号源、失真仪、频谱仪等,但无这些仪器时绝大部分实验内容仍可完成。34实验1 数字基带信号与AMI/HDB3编译码1.1 实验目的 1、掌握单极性码、双极性码、归零码、非归零码等基带信号波形特点。 2、掌握AMI、HDB3码的编码规则。 3、掌握从HDB3码信号中提取位同步信号的方法。 4、掌握集中插入帧同步码同步时分复用信号的帧结构特点。1.3 实验内容及实验步骤1、 熟悉数字信源模块和AMI/HDB3编译码模块的工作原理,接好电源线,打开实验设备电源开关。2、 用示波器观察数字信源模
14、块上的各种信号波形。 将示波器置于外同步触发状态,用信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。示波器探头的地线接在信源模块的GND点,进行下列观察: (1)示波器的两个通道探头分别接信源模块的测试点NRZ-OUT和BS-OUT,对照发光二极管的发光状态,判断数字信源模块是否已正常工作(“1”码对应的发光管亮,“0”码对应的发光管灭); (2)用开关K1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NRZ码特点(只有正脉冲且“1”码的脉冲宽度等于位时钟周期)以及集中插入帧同步码同步时分复用信号帧结构特点(帧同步码被集中插入到每一帧的固定位
15、置,各路数据占有各自固定的时隙)。3、 用示波器观察AMI/HDB3编译码模块的各种波形。(1) 示波器的两个探头CH1和CH2分别接信源模块的测试点NRZ-OUT和AMI/HDB3模块的测试点AMI-HDB3,将信源模块的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)波形和HDB3码(开关K4置于右方HDB3端)波形。再将K1、K2、K3置为全0,观察全0码对应的AMI码和HDB3码波形。观察时应注意:AMI码和HDB3码波形的占空比为0.5;编码输出信号AMI-HDB3比输入信号NRZ-OUT滞后了约4个码元。(2)将K1、K2、K3置于0111 001
16、0 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,CH1接信源模块的NRZ-OUT。K4先置左方AMI端,CH2依次接AMI/HDB3模块的DET、BPF、BS-R和NRZ,观察这些信号波形;再将K4置右方HDB3端,再次观察DET、BPF、BS-R和NRZ等信号波形。观察时应注意: AMI/HDB3模块的NRZ信号(译码输出)滞后于信源模块的NRZ-OUT信号(编码输入)约8个码元。 DET是占空比等于0.5的单极性归零信号。 BPF信号是一个幅度和周期都不恒定的准正弦信号,BS-R是一个周期基本恒定(等于一个码元周期)
17、的TTL电平信号。 信源代码连“0”个数越多,越难于从AMI码中提取位同步信号(或者说要求带通滤波的Q值越高,因而越难于实现),而HDB3码则不存在这种问题。本实验中若24位信源代码中连“0”很多时,则难以从AMI码中得到一个符合要求的稳定的位同步信号,因此不能完成正确的译码(由于分离参数的影响,各实验设备所能观察到的现象可能不同。一般可将信源代码置成只有1个“1”码的状态来观察上述现象)。1.4 实验思考题 1集中插入帧同步码同步时分复用信号的帧结构有何特点? 2. 根据实验观察和纪录回答:(1)非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
18、同?为什么? 3. 设信源代码为全“1”码或全“0”码或0111 0010 0000 1100 0010 0000,给出对应的AMI码及HDB3码的代码和波形。 4. 总结用滤波法从HDB3码中提取位同步信号的原理。5. 占空比为0.5的单极性归零码的功率谱密度公式为式中fs=1/Ts,P为“1”码的概率,G( f )=0.5TsSa(0.5pf/fs) 。试用此公式说明:为什么信息代码中的连“0”码越长,越难于从AMI码中提取位同步信号,而HDB3码则不存在此问题。实验2 数字调制2.1 实验目的 1、掌握绝对码(AK)、相对码(BK)的概念以及它们之间的关系。 2、掌握用键控法产生2ASK
19、、2FSK、2DPSK信号的方法。 3、掌握BK与2PSK信号波形之间的关系、AK与2DPSK信号波形之间的关系。4、 了解2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。2.3 实验内容及实验步骤 1、熟悉数字调制模块的工作原理。接通电源,打开实验箱电源开关。将数字调制模块单刀双掷开关K7置于左方N端,使信源输出周期性NRZ信号(而非m序列信号)作为调制器的基带信号。2、将示波器置于外同步触发状态,用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT(AK),CH2接数字调制模块的BK,信源模块的K1、K2、K3置于任意状态(非全0
20、),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。3、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)。观察时应注意: 若用20MHz模拟示波器观察,可将时基扩展MAG开关置于X10档,以便更清晰地观察到多个码元周期内2PSK信号或2DPSK信号波形。 若用模拟示波器观察,带衰减探头的灵敏度应置于X10档,以减小探头输入电容对信号波形的影响。 接已调信号的示波器探头(CH1)的地线应接在数字调制模块的GND点,以免已调信号相位
21、不连续处出现较大的毛刺。 几种已调信号幅度远小于基带信号的幅度,观察时要适当调节示波器CH1通道的幅度旋钮,增加此通道的灵敏度。4、示波器CH2接AK、CH1依次接2FSK和2ASK;观察这两个信号与AK的关系(“1”码与“0”码对应的2FSK信号的幅度可能略有不同)。 5、用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱(条件不具备时可不进行此项观察)。2.4 实验思考题 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1001 1010,假定载频分别为码元速率的1倍和1.5倍,画出2DPSK及2PS
22、K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,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3 模拟锁相环与载波同步3.1 实验目的 1. 掌握模拟锁相环的工作原理,以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2. 掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环环路滤波器的设计方法。3. 了解2DPSK相干载波相位模糊现象产生的原因。3.3 实验内容及实验步骤 本实验使用数字信源模块、数字
23、调制模块和载波同步模块。 1.熟悉载波同步模块的工作原理。接好电源线,打开实验箱电源开关。 2.检查数字信源模块和数字调制模块是否工作正常(用示波器观察信源模块的NRZ-OUT(AK)信号和调制模块的2DPSK信号之间逻辑关系正确与否)。 3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态,测量环路的同步带、捕捉带。 环路锁定时Ud为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率(即VCO信号频率)。环路失锁时Ud为差拍电压,环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍,即等于调制模块CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于相干载波信号CAR-OUT
24、频率的两倍。所以环路锁定时调制模块的CAR和载波同步模块的CAR-OUT频率完全相等。根据上述特点可判断环路的工作状态,具体实验步骤如下:(1)观察锁定状态与失锁状态打开电源后用示波器观察Ud,若Ud为直流,则调节载波同步模块上的电位器CR34改变VCO的振荡回路电容,Ud随振荡回路电容减小而减小,随振荡回路电容增大而增大(为什么?请思考),这说明环路处于锁定状态。用示波器同时观察调制模块的CAR信号和载波同步模块的CAR-OUT信号,可以看到两个信号频率相等。若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT的频率。在锁定状态下,向任一方向调节CR34,可使Ud由直流变为交流,CAR和CAR-OU
25、T频率不再相等,环路由锁定状态变为失锁。接通电源后Ud也可能是差拍信号,表示环路已处于失锁状态。失锁时Ud的最大值和最小值就是锁定状态下Ud的变化范围(对应于环路的同步范围)。环路处于失锁状态时,调节CR34使Ud的差拍频率降低,当频率降低到某一程度时Ud会突然变成直流,环路由失锁状态变为锁定状态。(2)测量同步带与捕捉带使环路处于锁定状态后,慢慢调整CR34,使Ud电平增大,直到Ud变为交流信号(上宽下窄的周期信号),环路失锁。记锁定状态下的Ud电平最大值为Ud1(此值不大于12v);反向改变CR34,Ud的频率逐渐变低,不对称程度越来越小,直至变为直流信号,环路锁定。记环路刚由失锁状态进入
26、锁定状态时的Ud为Ud2;继续改变CR34,Ud减小,直至Ud变为交流信号(下宽上窄的周期信号),环路再次失锁。记锁定状态下的Ud最小值为Ud3(此值不小于OV);再反向改变CR34,直至Ud变为直流信号,环路再次锁定。记环路再次刚由失锁定状态进入锁定状态时的Ud为Ud4。令DV1=Ud1- Ud3,DV2=Ud2- Ud4,它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变化范围,可以发现DV1DV2。设VCO的灵敏度为K0(Hz/V),则环路同步带DfH及捕捉带DfP分别为:DfH =DV1K0/2 ,DfP =DV2K0/2 。应说明的是,由于VCO是晶体压控振荡器,它的频率变化范围比较小
27、,调节CR34时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态,此时可用DfH =K0(Ud1-6)或DfH =K0(6-Ud3)、DfP =K0(Ud2-6)或DfP =K0(6-Ud4)来计算同步带和捕捉带,式中6为Ud变化范围的中值(单位为V)。作上述观察时应注意: Ud信号的差拍频率低但幅度大,而CAR信号和CAR-OUT信号的频率高但幅度小,用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。 VCO输出信号的振幅随振荡频率的增大而减小,因此当在两个方向上改变CR34使环路失锁时,鉴相器输出电压Ud的幅度有大有小。 环路锁定时,Ud不一定是一个纯净的直流信号,在直流电平上可能叠加有
28、一个很小的交流信号。这种现象是由于环路输入信号不是一个纯净的正弦信号所造成的。 4. 观察环路的捕捉过程 先使环路处于失锁定状态,细心慢慢调节CR34,使环路刚刚进入锁定状态后,断开电源,然后再接通电源,用示波器观察Ud,可以发现Ud由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。Ud的这种变化表示了环路的捕捉过程:当|Dwo|Dwp时,接通电源后环路使VCO的频率由固有频率逐步向输入信号频率靠近,最后等于输入信号频率。 5. 观察相干载波相位模糊现象使环路锁定,用示波器同时观察调制模块的CAR和载波同步模块的CAR-OUT信号,反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。3.4 实验思考题1.
29、 总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。2. 设K0=18 Hz/V ,根据实验结果计算环路同步带DfH及捕捉带DfP 。3. 由公式及计算环路参数n和,式中 Kd=6 V/rad,Ko=218 rad/(s.V),R25=2104 W,R68=2103 W,C11=2.210-6 F 。(fn应远小于码速率,应大于0.5)。4. 总结用平方环提取相干载波的原理及相位模糊现象产生的原因。实验4 数字解调与眼图4.1 实验目的 1. 掌握2DPSK相干解调原理。2. 掌握2FSK过零检测解调原理。4.3 实验内容及实验步骤本实验使用数字信源模块、数字调制模块、载波同步模块、2DPSK解调模块及2F
30、SK解调模块,它们之间的信号连接方式如图4.5所示,其中实线是指已在印刷电路板上布好的,虚线是在实验过程中由实验者自己连接的。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模块。本实验中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解调模块,做2FSK解调实验时则送到2FSK解调模块。图4-5 数字解调实验连接图 1. 复习前面实验的内容并熟悉2DPSK解调模块及2FSK解调模块的工作原理,接通实验箱电源。将数字调制模块单刀双掷开关K7置于左方NRZ端。 2. 检查数字信源、数字调制及载波同步模块是否工作正常,载波同步模块的锁相环应处于锁定状态。 3. 2
31、DPSK解调实验 (1)将数字信源模块的BS-OUT用信号连线连接到2DPSK解调模块的BS-IN处。将示波器置于外同步触发状态,以信源模块的FS信号作为示波器外同步触发信号。将示波器的CH1接数字调制模块的BK,CH2(建议使用示波器探头的x10衰减档)接2DPSK解调模块的MU。MU与BK同相或反相,其波形应接近图4.3所示的理论波形。 (2)示波器的CH2接2DPSK解调模块的LPF,可看到LPF与MU同相。当一帧内BK中“1”码和“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,使VC为LPF的中值电平(当BK中“1”
32、与“0”等概时LPF的中值为0电平)。(4)观察数字调制模块的BK与2DPSK解调模块的MU、LPF、BK之间的关系,再观察数字信源模块中AK信号与2DPSK解调模块的MU、LPF、BK、AK-OUT信号之间的关系。(5)断开、接通电源若干次,改变数字调制模块的CAR信号与载波同步模块的CAR-OUT信号的相位关系,重新进行步骤(4)中的观察。(6)将数字调制模块单刀双掷开关K7置于右方M序列端,此时数字调制器输入的基带信号是m序列。用示波器观察2DPSK解调模块中的LPF信号,即可看到无噪声时的眼图。 4. 2FSK解调实验将数字调制模块单刀双掷开关K7还原置于左方NRZ端。将数字信源模块的
33、BS-OUT用信号连线换接到2FSK解调模块的BS-IN处,示波器探头CH1接数字信源模块中的AK,CH2分别接2FSK解调模块中的FD、LPF、CM及AK-OUT,观察2FSK过零检测解调器的解调过程(注意:低通滤波器及整形电路2都有倒相作用)。LPF的波形应接近图4.4所示的理论波形。4.4 实验思考题 1. 设绝对码为1001101,根据实验观察得到的规律,画出当相干载波频率等于码速率的1.5倍,CAR-OUT与CAR同相或反相时,2DPSK相干解调器中MU、LPF、BS、BK、AK等信号的波形示意图,总结2DPSK克服相位模糊现象的机理。2. 设信息代码为1001101,2FSK的两个
34、载频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等信号的波形(设低通滤波器及整形电路2都无倒相作用)。实验5 数字锁相环与位同步5.1 实验目的 1. 掌握数字锁相环工作原理。 2. 掌握用数字环提取位同步信号的原理及对其输入的信息代码的要求。3. 掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号相位抖动等基本概念。5.3 实验内容及实验步骤 本实验使用数字信源模块和位同步模块。 1、熟悉位同步模块工作原理。将数字信源模块的NRZ-OUT信号用信号连线连接到位同步模块的S-IN点,接通实验箱电源。调整信源模块的K1
35、、K2、K3开关,使NRZ-OUT的连“0”和连“1”个数较少。 2、观察数字环的锁定状态和失锁状态。将示波器置于外同步触发状态,用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。将示波器的两个探头分别接信源模块的NRZ-OUT和位同步模块的BS-OUT,调节位同步模块上的电位器CR2,观察数字环的锁定状态和失锁状态。锁定时BS-OUT信号上升沿位于NRZ-OUT信号的码元中间且在很小范围内抖动;失锁时,BS-OUT的相位抖动很大,可能超出一个码元宽度范围,变得模糊混乱。 3、观察位同步信号抖动范围与位同步器输入信号连“1”或连“0”个数的关系。调节电位器CR2使环路锁定且BS-OUT信号相
36、位抖动范围最小,调整K1、K2、K3,使每帧NRZ-OUT信号只有1个“1”码或只有1个“0”码,观察BS-OUT信号的相位抖动变化情况。 4、观察位同步器的快速捕捉现象、位同步信号相位抖动大小及同步保持时间与收发两端的时钟频差的关系。调整K1、K2、K3,使每帧NRZ-OUT信号中连“1”码或连“0”码个数较少,并调节电位器CR2使BS-OUT信号的相位抖动最小(此时收发两端的时钟频差最小),手动按下复位键使锁相环路不工作,观察NRZ-OUT与BS-OUT信号的之间的相位关系变化情况,再放开复位键使环路工作,观察快速捕捉现象(位同步信号BS-OUT的相位一步调整到位)。再微调电位器CR2,当
37、BS-OUT相位抖动明显增大时再手动按下复位键(此时收发两端的时钟频差比较大),使环路不工作,观察NRZ-OUT信号与BS-OUT信号的相位关系变化情况并与固有频差最小时进行定性比较。5.4 实验思考题 1、数字环位同步器输入NRZ码的连“1”或连“0”个数增加时,提取的位同步信号相位抖动增大,试定性解释此现象。 2、若数字锁相环位同步器输入信号为RZ码,试分析连“1”码和连“0”码的长度与位同步信号相位抖动范围的关系。 3、数字环位同步器的同步抖动范围随发端和收端的时钟稳定度降低而增大,试定性解释此现象。4、若将AMI码或HDB3码整流后作为数字环位同步器的输入信号,能否提取出位同步信号?为
38、什么?对这两种码的信息代码中连“1”个数有无限制?对AMI码的信息代码中连“0”个数有无限制?对HDB3码的信息代码中连“0”个数有无限制?为什么?5、试定性解释本实验使用的数字锁相环快速捕捉机理,并与超前滞后型数字环进行比较。实验6 帧同步6.1 实验目的 1. 掌握集中插入式帧同步码识别器工作原理。 2. 掌握同步保护原理。3. 掌握假同步、漏同步、捕捉态(失步态)、维持态(同步态)等概念。6.3 实验内容及实验步骤 本实验使用数字信源模块及帧同步模块。 1、熟悉帧同步模块的工作原理,将信源模块的NRZ-OUT、BS-OUT用信号连线分别与帧同步模块的S-IN、BS-IN相连,接通实验箱电
39、源。 2、观察同步器的维持态(同步态)将数字信源模块的K1(左边的8位微动开关)置于111 0010状态 (1110010为帧同步码,是无定义位,可任意置“1”或置“0”)。为了避免信息码中出现和帧同步码相近的码元序列,将K2置为1000 0000状态、K3置为全0状态。将示波器置于外同步触发状态,用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT,CH2分别接帧同步模块的GAL、24、TH及FS,观察并纪录上述信号波形以及与NRZ-OUT的相位关系(注意:此时TH应为0电平,帧同步模块的P3指示灯熄,P1、P2亮,表示识别门限为6)。使信源的帧同步码(
40、注意是K1的第2位到第8位)中错一位,重新观察上述信号,此时GAL、24、TH、FS应不变。使信源帧同步码再错一位重作上述观察(此时同步器应转入捕捉态,仅24波形不变,请根据原理框图分析思考此过程)。 3、观察同步器的捕捉态(失步态)在实验步骤2中电路已经由同步态变为捕捉态,示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT。用CH2观察24信号,将电源断开,然后再接通电源,可看到24波形的下降沿已不再对准NRZ-OUT的第一个数据位,再用CH2观察其他信号,可以发现TH为高电平,FS无输出。将信源K1从上述实验的错两位状态还原为仅错一位状态,观察24信号相位是否变化。再将信源K1还原为七位全正确的帧同步
41、码(1110010) ,观察24信号的相位如何变化,并分析此信号相位变化的原因,从而理解同步器从失步态转为同步态的过程。 4、观察识别器假识别现象及同步保护器的保护作用。在实验步骤3中同步器转为同步态后,手动信源模块的K2和K3,使信息码中出现1110010码元序列(与1110010序列有一位不同也可以),示波器CH1接NRZ-OUT,CH2分别接GAL和FS,观察识别器假识别现象,理解同步保护电路的保护作用。6.4 实验思考题 1. 根据实验结果,画出同步器处于同步态及失步态时同步器各测试点波形。2. 本实验中同步器由同步态转为捕捉态时24信号相位为什么不变?3. 同步保护电路是如何使假识别
42、信号不形成假同步信号的?4. 根据实验结果,总结本实验的帧同步器由捕捉态转为同步态的过程。5. 试设计一个后方保护电路,使识别器连续两帧识别到帧同步码后,同步器由失步态转为同步态。实验7 时分复用数字基带通信系统7.1 实验目的 1.掌握时分复用数字基带通信系统的基本原理。 2.掌握位同步信号抖动、帧同步信号错位对数字信号传输的影响。3.掌握位同步信号、帧同步信号在数字分接中的作用及同步时分复用信号的分接原理。7.3 实验内容及实验步骤 本实验使用数字信源、位同步、帧同步及数字终端等四个模块。它们的信号连接关系如图7.5所示,其中实线表示印刷板上已经布好的连线,虚线表示实验中要由实验者连接的信
43、号线。 1.复习位同步、帧同步的实验内容并熟悉数字终端模块工作原理,按照图7.5将这四个模块连在一起,接通实验箱电源。示波器处于外同步触发状态,将信源模块的FS信号作为示波器外同步触发信号。 图7.5 数字基带系统连接图 2.用示波器CH1观察数字信源模块NRZ-OUT信号,判断信源模块是否工作正常。3.用示波器CH2观察位同步模块BS-OUT信号,调节位同步模块的电位器CR2,使位同步信号BS-OUT的上升沿对准信源NRZ信号的码元中间并且相位抖动最小。 4.将数字信源模块的K1置于1110010,用示波器CH2观察帧同步模块FS信号与信源NRZ信号的相位关系,判断帧同步模块是否工作正常。注
44、意:FS信号的上升沿超前于NRZ-OUT信号中第1路数据的起始时间约半个码元,基本上与BS-OUT信号的上升沿对齐。 5.当位同步模块、帧同步模块已正确地提取出位同步信号和帧同步信号时,通过信源模块及终端模块的发光二极管观察两路8bit数据是否已正确地传输到收终端。 6.用示波器观察分接出来的两路8bit周期信号D1和D2,从而判断终端模块是否已将两路时分复用信号正确地分接出来。 7.观察位同步抖动对数据传输的影响。用示波器观察数字终端模块的D1或D2信号,然后缓慢调节位同步模块上的电位器CR2,增大位同步抖动范围,观察D1或D2信号波形变化情况和发光二极管的状况(CR2在某一范围变化时,D1
45、或D2无误码,CR2变化太大时出现误码)。8观察帧同步对数据传输的影响。还原位同步模块到正确的状态。通过设置信源模块的K1、K2和K3,使帧同步码1110 010处于一帧信号中任意位置,观察数字终端分接出来的两路信号并确定它们与数字信源模块的输出信号对应关系,从而理解帧同步信号的作用。7.4 实验思考题 1.本实验系统中,为什么位同步信号在一定范围内抖动时并不发生误码?位同步信号的这个抖动范围大概为多少?2.帧同步信号在对时分复用数据进行分接时起何作用,用实验结果加以说明。3.分析数字终端模块中分接与串并变换器及并串变换器的工作原理。实验8 时分复用2DPSK、2FSK通信系统8.1 实验目的
46、 1.掌握时分复用2DPSK通信系统的基本原理。2.掌握时分复用2FSK通信系统的基本原理。8.2 实验原理图8.1给出了传输两路数字信号的时分复用2DPSK通信系统原理框图,将图中的2DPSK调制器和2DPSK解调器分别换为2FSK调制器和2FSK解调器,并去掉载波同步信号,即为时分复用2FSK通信系统。图中m(t)为时分复用数字基带信号,为NRZ码,发滤波器及收滤波器的作用与基带系统类似。为便于用示波器观察数字信号的传输过程,本实验假设信道是理想的且收、发端都无滤波器。图8.1 2DPSK时分复用通信系统8.3 实验内容及实验步骤 1.拟定2DPSK系统及2FSK系统各模块之间的信号连接方
47、案2DPSK系统中包括数字信源、数字调制、载波同步、2DPSK解调、位同步、帧同步及数字终端等七个模块。在2FSK系统中,无载波同步模块,将2DPSK解调模块改为2FSK解调模块,其它模块与2DPSK系统相同。进行本实验时,需要实验者将5根信号线正确地连接到有关模块:位同步模块的输入信号S-IN来自于2DPSK解调模块或2FSK解调模块的CM信号;帧同步模块和终端模块的输入信号S-IN来自于2DPSK解调模块或2FSK解调模块的AK-OUT信号;2DPSK解调模块或2FSK解调模块以及帧同步模块所需的位同步信号BS-IN来自于位同步模块的BS-OUT信号。其他信号已在印刷板上连好,不需要实验者
48、再连线。2.进行2DPSK通信系统实验按拟定的方案连好信号连线,接通实验箱电源,数字调制模块单刀双掷开关K7置于左方NRZ端。若信源的两路数据可以正确地传输到终端,则用示波器观察信号的传输过程,从而掌握时分复用2DPSK通信系统的基本原理。若信源的两路数据不能正确地传输到终端,请分析原因并排除故障。3.进行2FSK通信系统实验使信源的两路数据正确地传输到终端。8.4 实验思考题 1.画出2DPSK系统七个模块全部信号连接图,用虚线标出手工接线。2.位同步信号的上升沿为什么要处于2DPSK解调器或2FSK解调器的低通滤波器输出信号的码元中心?3.能否将2DPSK解调器或2FSK解调器的LPF信号
49、作为位同步器的输入信号?为什么?4.能否将2DPSK解调器的BK信号作为帧同步器的输入信号?为什么?4.做此实验时遇到过哪些问题,是如何解决的?5.2DPSK系统中,若不能正确传输两路数据,排除故障的最优步骤是什么?实验9 PCM编译码9.1 实验目的 1. 掌握PCM编译码原理。 2. 掌握同步时分复用PCM基带信号的复接和分接原理。3. 了解语音信号PCM编译码系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。9.3 实验内容及实验步骤本实验使用PCM编译码模块。 1. 熟悉PCM编译码模块的工作原理,用开关K9接通8KHz抽样信号(即K9置为1000状态),开关K8置为SL1(或SL5、SL7)
50、,开关K5、K6分别置于STA-S、STB-S端,接通实验箱电源。 2. 将示波器置于内同步触发状态且设定CH1通道信号为内同步触发信号。用CH1通道分别观察STA、STB,调节电位器R20(对应STB),使正弦信号STB波形顶部不失真(峰峰值小于5V)。 3. 用示波器观察PCM译码器输出信号的量化噪声 示波器的CH1接STA(或STB),CH2接SRA(或SRB),观察编码器输入信号和译码器输出信号波形的区别(注意观察译码输出信号的量化噪声,包括小信号量化噪声和大信号量化噪声)。 4. 用示波器观察PCM编码输出信号。 示波器CH1接SL0(调整示波器扫描周期以至少显示两个SL0脉冲,从而
51、可以观察完整的一帧信号),CH2依次接SLA、PCM-A、SLB、PCM-B以及PCM,观察编码后的数据所处时隙位置与时隙同步信号的关系以及PCM信号的帧结构(注意:本实验的帧结构中有29个时隙是空时隙,SL0、SLA及SLB的脉冲宽度等于一个时隙宽度)。 开关K8分别接通SLB1、2、5、7,观察PCM帧结构的变化情况。 5. 用示波器定性观察PCM编译码器的动态范围。 如果没有配置低失真低频信号发生器,可以用本模块上的正弦信号源STB-S来粗略观察PCM编译码系统的过载噪声(将STB-S信号幅度调至5VP-P以上即过载)。 如果配置了低失真低频信号发生器,则开关K5置于STA-IN端,将低
52、失真低频信号发生器输出的1KHz正弦信号从STA-IN输入。示波器的CH1接STA,CH2接SRA。将输入信号幅度分别调至大于5VP-P、等于5VP-P,观察过载和满载时的译码输出波形。再将信号幅度分别衰减10dB、20dB、30dB、40dB、45dB、50dB,观察译码输出波形(当衰减45dB以上时,译码输出信号波形上叠加有较明显的噪声)。 6. 定量测试PCM编译码器的动态范围和频率特性。图9-7为动态范围测试方框图。开关K5置于STA-IN端,低失真低频信号发生器输出1KHz正弦信号,将幅度调为5Vp-p(设为0dB),用失真仪测试译码器输出信号的信噪比S/N,再将信号幅度分别降低10
53、dB、20dB、30dB、45dB、50dB,用失真仪测试各种信号幅度下的S/N,将测试数据填入表9.1。图9.7 动态范围测量框图表9.1信号幅度(dB)0-10-20-30-40-45-50S/N(dB)频率特性测试框图如图9.8所示。将输入信号电压调至2Vp-p左右,改变信号频率,测量译码输出信号幅度,将测试结果填入表9.2。图9.8 频率特性测试框图表9.2输入信号频率(KHz)43.83.63.43.02.52.01.51.00.50.30.20.1输出信号幅度(V)9.4 实验思考题1根据实验结果说明译码器输出信号波形与编码器输入信号波形有何区别?译码器输出信号的噪声与信号幅度有何关系?2. 设PCM通信系统传输两路话音,每帧三个时隙,每路话音各占一个时隙,另一个时隙为帧同步时隙,使用TP3057编译码器。求: (1) 编码器的抽样信号频率及时钟信号频率,以及两个抽样信号
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