通信原理实验讲义（完整版）

通信原理实验指导书班级：电科6班实验地点：理八523二0一六年十月实验一信号源实验一、实验目的1、了解通信原理实验箱的基本结构。2、熟练掌握主控&信号源模块的使用方法。3、熟练掌握数字存储示波器的基本使用方法。4、理解帧同步信号与位同步信号在整个通信系统中的作用。二、实验内容1、观察频率连续可变正弦信号输出波形。2、观察128KHz和256KHz正弦信号输出波形3、观察位同步信号和帧同步信号的输出。4、观察PN序列的输出。三、实验仪器1、主控&信号源模块一块2、数字存储双踪示波器一台3、连接线若干四、实验介绍1、信号源模块在实验箱中名称为------主控&信号源模块。其按键及接口说明如图1-1所示：图1-1主控&信号源按键及接口说明2、主控&信号源模块功能说明A.模拟信号源功能模拟信号源菜单由“模拟信号源”按键进入，该菜单下按“选择/确定”键可以依次设置：“输出波形”→“输出频率”→“调节步进”→“音乐输出”→“占空比”（只有在输出方波模式下才出现）。在设置状态下，选择“选择/确定”就可以设置参数了。菜单如图1-2所示：（a）输出正弦波时没有占空比选项（b）输出方波时有占空比选项图1-2模拟信号源菜单示意图注意：上述设置是有顺序的。例如，从“输出波形”设置切换到“音乐输出”需要按3次“选择/确定”键。下面对每一种设置进行详细说明：“输出波形”设置一共有6种波形可以选择：正弦波：输出频率10Hz~2MHz方波： 输出频率10Hz~200KHz三角波：输出频率10Hz~200KHzDSBFC（全载波双边带调幅）：由正弦波作为载波，音乐信号作为调制信号。输出全载波双边带调幅。DSBSC（抑制载波双边带调幅）：由正弦波作为载波，音乐信号作为调制信号。输出抑制载波双边带调幅。FM：载波固定为20KHz，音乐信号作为调制信号。“输出频率”设置“选择/确定”顺时针旋转可以增大频率，逆时针旋转减小频率。频率增大或减小的步进值根据“调节步进”参数来。在“输出波形”DSBFC和DSBSC时，设置的是调幅信号载波的频率；在“输出波形”FM时，设置频率对输出信号无影响。“调节步进”设置“选择/确定”顺时针旋转可以增大步进，逆时针旋转减小步进。步进分为：“10Hz”、“100Hz”、“1KHz”、“10KHz”、“100KHz”五档。“音乐输出”设置设置“MUSIC”端口输出信号的类型。有三种信号输出“音乐1”、“音乐2”、“3K+1K正弦波”三种。“占空比”设置“选择/确定”顺时针旋转可以增大占空比，逆时针旋转减小占空比。占空比调节范围10%~90%，以10%为步进调节。数字信号源功能数字信号源菜单由“数字信号源”按键进入，该菜单下按“选择/确定”键可以设置：“PN输出频率”和“FS输出”。菜单如图1-3所示：图1-3数字信号源菜单“PN输出频率”设置设置“CLK”端口的频率及“PN”端口的码速率。频率范围：1KHz~2048KHz。“FS输出”设置设置“FS”端口输出帧同步信号的模式：模式1：帧同步信号保持8KHz的周期不变，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。（要求“PN输出频率”不小于16KHz，主要用于PCM、ADPCM编译码帧同步及时分复用实验）模式2：帧同步的周期为8个CLK时钟周期，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。（主要用于汉明码编译码实验）模式3：帧同步的周期为15个CLK时钟周期，帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。（主要用于BCH编译码实验）通信原理实验菜单功能按“主菜单”按键后的第一个选项“通信原理”，再确定进入各实验菜单。如图1-4所示：图1-4进入通信原理实验菜单进入“通信原理实验”菜单后，逆时针旋转光标会向下走，顺时针旋转光标会向上走。按下“选择/确认”时，会设置光标所在实验的功能。有的实验有会跳转到下级菜单，有的则没有下级菜单，没有下级菜单的会在实验名称前标记“√”符号。在选中某个实验时，主控模块会向实验所涉及到的模块发命令。因此，需要这些模块电源开启，否则，设置会失败。实验具体需要哪些模块，在实验步骤中均有说明，详见具体实验。五、注意事项1、实验开始时要将所需模块固定在实验箱上，并确定接触良好，否则菜单无法设置成功。2、信号源设置中，模拟信号源输出步进可调节，便于不同频率变化调节。六、实验步骤1、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下本模块开关POWER，电源指示灯红、黄、绿发光。2、信号源模块开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功。在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、观察频率连续可变正弦信号。记录f=1KHz.UPP=3V的波形；列表记录频率连续可变正弦信号的幅度和频率变化范围。4、观察128KHz和256KHz正弦信号输出波形；列表记录信号的幅度变化范围。5、观察位同步信号和帧同步信号的输出。记录这两种信号（注意时序关系）。6、观察PN序列的输出。选择适当的码速率来记录PN15和帧同步信号（FS）模式3波形（注意时序关系），并读出15位码型。七、实验报告要求1、分析本模块的结构特点，列表记录其主要的输出信号。2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各主要测量点的波形图，并分析实验现象。实验三△m及CVSD编译码实验一、实验目的掌握简单增量调制的工作原理。了解简单增量调制与CVSD工作原理不同之处及性能上的差别。二、实验器材主控&信号源模块、3号模块各一块双踪示波器一台连接线若干三、实验原理1、Δm编译码（1）实验框图图一Δm编译码框图（2）实验框图说明编码输入信号与本地译码的信号相比较，如果大于本地译码信号则输出正的量阶信号，如果小于本地译码则输出负的量阶。然后，量阶会对本地译码的信号进行调整，也就是编码部分“+”运算。编码输出是将正量阶变为1，负量阶变为0。Δm译码的过程实际上就是编码的本地译码的过程。2、CVSD编译码（1）实验框图图二CVSD编译码框图（2）实验框图说明与Δm相比，CVSD多了量阶调整的过程。而量阶是根据一致脉冲进行调整的。一致性脉冲是指比较结果连续三个相同就会给出一个脉冲信号，这个脉冲信号就是一致脉冲。其他的编译码过程均与Δm一样。四、实验步骤实验项目一ΔM编码规则实验概述：该项目是通过改变输入信号幅度，观测△M编译码输出波形，从而了解和验证△M增量调制编码规则。1、关电，按表格所示进行连线。源端口目标端口连线说明信号源：CLK模块3：TH9(编码-时钟)提供编码时钟信号源：CLK模块3：TH15(译码-时钟)提供译码时钟信号源：A-OUT模块3：TH13(编码-编码输入)提供编码信号模块3：TH14(编码-编码输出)模块3：TH19(译码-译码输入)提供译码信号2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【Δm及CVSD编译码】→【Δm语音信号传输】→【设置量阶1000】。调节信号源W1使A-OUT的峰峰值为0.5V。3、设置模拟信号源频率为2KHz；编码和译码时钟为32KHz方波。4、实验操作及波形观测。对比观测记录模块3的TP2（本地译码)和TH14(编码输出)，然后对比TP4(信源延时)和TP3(本地译码)。选择【主菜单】→【通信原理】→【Δm及CVSD编译码】→【Δm语音信号传输】→【设置量阶3000】，调节信号源W1使A-OUT的峰峰值为1V对比观测记录模块3的TP2（本地译码)和TH14(编码输出)选择【主菜单】→【通信原理】→【Δm及CVSD编译码】→【Δm语音信号传输】→【设置量阶6000】，调节信号源W1使A-OUT的峰峰值为2V对比观测记录模块3的TP2（本地译码)和TH14(编码输出)思考：量阶过大或者过小在Δm编码中会造成什么影响实验项目二CVSD量阶观测概述：该项目是通过改变输入信号的幅度，观测CVSD编码输出信号的量阶变化情况，了解CVSD量阶变化规则。1、连线同实验项目一。2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【Δm及CVSD编译码】→【CVSD量阶观测】。调节信号源W1使A-OUT的峰峰值为1V。3、此时系统初始状态为：模拟信号源为正弦波，幅度为1V，频率为400Hz。编码时钟频率为32KHz。4、实验操作及波形观测。以“编码输入”为触发，观测“量阶”。调节“A-OUT”的幅度，观测记录量阶的变化。思考：在实验过程中量阶为什么会变化，是什么原因造成的。实验项目三CVSD一致脉冲观测概述：该项目是观测CVSD编码的一致性脉冲输出，了解CVSD一致性脉冲的形成机理。1、连线参照实验项目一。2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【Δm及CVSD编译码】→【CVSD一致脉冲观测】。调节信号源W1使A-OUT的峰峰值为1V。3、此时系统初始状态为：模拟信号源为正弦波，幅度为1V，频率为2KHz。编码时钟频率为32KHz。4、实验操作及波形观测。以编码输出为触发，观测记录“一致脉冲”。思考：在什么情况下会输出一致脉冲信号。五、实验报告1、思考，分析△M与CVSD编译码的区别。2、根据实验测试记录，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。实验四FSK调制及解调实验一、实验目的掌握用键控法产生FSK信号的方法。掌握FSK非相干解调的原理。二、实验器材主控&信号源、9号模块各一块双踪示波器一台连接线若干三、实验原理1、2FSK调制原理2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为时代表传0，载频为时代表传1。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以和为载频、以和为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。2FSK信号的典型时域波形如图4-1所示，其一般时域数学表达式为 （4－1）式中，，，是的反码，即图4-12FSK信号的典型时域波形因为2FSK属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为 （4－2）显然，h与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对已调波带宽有很大影响。2FSK信号与2ASK信号的相似之处是含有载频离散谱分量，也就是说，二者均可以采用非相干方式进行解调。可以看出，当h<1时，2FSK信号的功率谱与2ASK的极为相似，呈单峰状；当h>>1时，2FSK信号功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似为（Hz） （4－3）2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（或）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图4-3所示。基带信号与一路载波相乘得到1电平的ASK调制信号，基带信号取反后再与二路载波相乘得到0电平的ASK调制信号，然后相加合成FSK调制输出；2、2FSK解调原理2FSK有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等。这里采用的是过零检测法对2FSK调制信号进行解调。大家知道，2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。用过零检测法对FSK信号进行解调的原理框图如图4-3所示。已调信号经过过零检测来识别信号中载波频率的变化情况，通过上、下沿单稳触发电路再相加输出，最后经过低通滤波和门限判决，得到原始基带信号。使用过零检测法解调各点波形图如图4-2所示。图4-2过零检测法解调各点波形3、实验原理框图图4-3FSK调制及解调实验原理框图四、实验步骤实验项目一FSK调制概述：FSK调制实验中，信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态。本项目中，通过调节输入PN序列频率，对比观测基带信号波形与调制输出波形来验证FSK调制原理。1、关电，按表格所示进行连线。源端口目的端口连线说明信号源：PN模块9：TH1(基带信号)调制信号输入信号源：256KHz(载波)模块9：TH14(载波1)载波1输入信号源：128KHz(载波)模块9：TH3(载波2)载波2输入模块9：TH4(调制输出)模块9：TH7(解调输入)解调信号输入2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【FSK数字调制解调】。将9号模块的S1拨为0000。调节信号源模块的W2使128KHz载波信号的峰峰值为3V，调节W3使256KHz载波信号的峰峰值也为3V。3、设置PN序列为PN15，输出频率64KHz。4、实验操作及波形观测。（1）观测记录CLK和PN信号。（2）示波器CH1接9号模块TH1基带信号，CH2接9号模块TH4调制输出，观测记录波形，验证FSK调制原理。（3）把（1）（2）观测的波形记录到如下坐标。CLKTH1TH4（4）将PN序列输出频率改为32KHz，观察载波个数是否发生变化，分析次现象。实验项目二FSK解调概述：FSK解调实验中，采用的是非相干解调法对FSK调制信号进行解调。实验中通过对比观测调制输入与解调输出，观察波形是否有延时现象，并验证FSK解调原理。观测解调输出的中间观测点，如TP6（单稳相加输出），TP7（LPF-FSK），深入理解FSK解调过程。保持实验项目一中的连线及初始状态。观测解调输入TH7和TP7(LPF-FSK)，理解过零信号的产生。说明过零信号的特点。以9号模块TH1为触发，用示波器分别观测9号模块TH1和TP6（单稳相加输出），说明过零点数，调制频率和二进制码元0,1的关系。CLKTH1TP64、观测记录TP6（单稳相加输出）和TP7(LPF-FSK)。TP6TP75、以信号源的CLK为触发，测9号模块LPF-FSK，观测记录眼图，并在眼图上标出最佳抽样时刻位置和门限电平位置。示波器设置：按DISPLAY－＞“持续时间”设置成“无限”。CLKLPF-FSK五、实验报告根据实验步骤记录波形，分别对实验项目一和项目二的结果进行分析。实验五BPSK(DBPSK)调制与解调实验一、实验目的1、掌握BPSK(DPSK)调制和解调的基本原理2、掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。3、熟悉BPSK（DPSK）调制载波相位的变化。二、实验内容1、观察绝对码和相对码的波形。2、观察PSK(DPSK)信号波形。3、观察PSK(DPSK)相干解调器各点波形三、实验仪器主控&信号源、9号一块双踪示波器一台连接线若干四、实验原理1、BPSK(BDPSK)调制原理BPSK信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和π相位载波分别代表传1和传0，其时域波形示意图如图5-1所示。图5-1BPSK信号的时域波形示意图我们知道，BPSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在这种绝对移相的方式中，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为BPSK的“倒π”现象，因此，实际中一般不采用BPSK方式，而采用差分移相（BDPSK）方式。BDPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移x表示（x定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设””则数字信息序列与BDPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息： 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1BDPSK信号相位： 0 0 0 π 0 π π π 0 0 π或： π π π 0 π 0 0 0 π π 0图5-2为对同一组二进制信号调制后的BPSK与BDPSK波形。图5-2BPSK与BDPSK波形对比从图中可以看出，BDPSK信号波形与BPSK的不同。BDPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调BDPSK信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值。只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了BPSK方式中的“倒π”现象发生。同时我们也可以看到，单纯从波形上看，BPSK与BDPSK信号是无法分辨的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看成是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。2、BPSK调制解调（9号模块）实验原理框图5-3PSK调制及解调实验原理框图基带信号的1电平和0电平信号分别与256KHz载波及256KHz反相载波相乘，叠加后得到BPSK调制输出；已调信号送入到13模块载波提取单元得到同步载波；已调信号与相干载波相乘后，经过低通滤波和门限判决后，解调输出原始基带信号。3、DBPSK调制解调（9号模块）实验原理框图图5-4DBPSK调制及解调实验原理框图基带信号先经过差分编码得到相对码，再将相对码的1电平和0电平信号分别与256K载波及256K反相载波相乘，叠加后得到DBPSK调制输出；已调信号送入到13模块载波提取单元得到同步载波；已调信号与相干载波相乘后，经过低通滤波和门限判决后，解调输出原始相对码，最后经过差分译码恢复输出原始基带信号。其中载波同步和位同步由13号模块完成。五、实验步骤实验项目一BPSK调制信号观测概述：BPSK调制实验中，信号是用相位相差180°的载波变换来表征被传递的信息。本项目通过对比观测基带信号波形与调制输出波形来验证BPSK调制原理。1、关电，按表格所示进行连线。源端口目的端口连线说明信号源：PN模块9：TH1(基带信号)调制信号输入信号源：256KHz模块9：TH14(载波1)载波1输入信号源：256KHz模块9：TH3(载波2)载波2输入信号源：256KHz模块9：TH10(相干载波输入)用于解调的载波模块9：TH4(调制输出)模块9：TH7(解调输入)解调信号输入2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【BPSK/DBPSK数字调制解调】。将9号模块的S1拨为0000，调节信号源模块W3使256KHz载波信号峰峰值为3V。