1、通信原理实验指导书资料实验二 数字基带信号实验一、实验目的 1、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。 2、掌握AMI、HDB3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时分复用信号的帧结构特点。二、实验仪器1、双踪示波器一台2、通信原理型实验箱一台3、M6模块数字信号源单元和AMI/HDB3编译码单元三、基本原理1、数字信源本模块是整个数字通信实验系统的发终端，其原理方框图如图1-1所示。图1-1 数字信源方框图其中，并行码产生器为实验箱M6模块数字信号源单元的K1、K2、K3，它们是8位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据
2、1、数据2相对应；发光二极管左起分别与一帧中的24位代码相对应。注意：发光二极管是10位的，前两位无效。本模块有以下测试点及输入输出点： CLK 晶振信号测试点 BS-OUT 信源位同步信号输出点/测试点 FS -OUT 信源帧同步信号输出点/测试点 NRZ-OUT NRZ信号输出点/测试点本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图1-2所示。帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第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信号为集中插入帧同步码时分复用信号。发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示0码。 图1-2 帧结构 FS信号
3、可用作示波器的外同步信号，以便观察2DPSK等信号。FS信号、NRZ-OUT信号之间的相位关系如图1-3所示，图中NRZ-OUT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NRZ-OUT码第一位起始时间约超前一个码元。图1-3 FS、NRZ-OUT波形2. AMI/HDB3编译码AMI/HDB3编译码原理框图如图1-4所示。 图1-4 HDB3编译码方框图本单元有以下测试点及输出点： NRZ_IN 编码器输入信号 BS_IN 位同步输入信号 NRZ-OUT 译码器输出信号 BS-O
4、UT 从HDB3码信号中提取的位同步信号 （AMI）HDB3-OUT 编码器输出信号 （AMI）HDB3-D （AMI）HDB3码经整流的输出信号 本模块上的码型选择开关K4用于选择码型，K4位于左边A端选择AMI码，位于右边H端选择HDB3码。3. AMI、HDB3码编码规律 AMI码的编码规律是：信息代码1变为带有符号的1码即+1或-1，1的符号交替反转；信息代码0的为0码。AMI码对应的波形是占空比为0.5的双极性归零码，即脉冲宽度与码元宽度（码元周期、码元间隔）TS的关系是=0.5TS。HDB3码的编码规律是：4个连0信息码用取代节000V或B00V代替，当两个相邻V码中间有奇数个信息
5、1码时取代节为000V，有偶数个信息1码（包括0个信息1码）时取代节为B00V，其它的信息0码仍为0码；信息码的1码变为带有符号的1码即+1或-1；HDB3码中1、B的符号符合交替反转原则，而V的符号破坏这种符号交替反转原则，但相邻V码的符号又是交替反转的；HDB3码是占空比为0.5的双极性归零码。NRZ、AMI、HDB3码的编码规律关系图如图1-5所示 图1-5 NRZ、AMI、HDB3关系图四、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。2、数字信号源实验接通数字信号源模块的电源。用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。（1）示波器的两个通道探头CH1和CH2分别
6、接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码对应的发光管灭），观察并总结NRZ码的特点；（2）用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，示波器的两个通道探头CH1和CH2分别接FS-OUT和BS-OUT，观察本实验中的时分复用信号帧结构的特点。3、AMI(HDB3)编码实验关闭数字信号源模块的电源,按照下表连线。源端口目的端口1 数字信源单元NRZ-OUTAMI(HDB3)编译码单元: NRZ-IN2 数字信源单元: BS-OUTAMI(HDB3)编译码单元: BS
7、-IN打开数字信号源模块和AMI(HDB3)编译码模块电源。用示波器观察AMI(HDB3)编码的波形。（1） 示波器的两个探头CH1和CH2分别接AMI(HDB3)编译码单元的NRZ-IN和（AMI）HDB3-OUT，将码型选择开关K4置于左边A端。将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码对应的AMI码；再将K1、K2、K3置为全0，观察全0码对应的AMI码；将K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000状态，观察并记录对应的AMI码。观察时应注意：编码输出的AMI比输入NRZ-OUT延迟了4个码元。（2）将码型选择开关K4置于右边H端重复第
8、(1)步实验，分别测得K1、K2、K3为以上情况时的HDB3码。观察时应注意： 波形显示时，每一帧数据都是循环输出，要注意调节码B的极性。 编码输出的HDB3也比输入NRZ-OUT延迟了4个码元。4、AMI(HDB3)译码实验关闭数字信号源模块的电源,保持以上连线，连接AMI(HDB3)编译码单元的（AMI）HDB3-OUT 和（AMI）HDB3-IN。 （1）将K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000状态，码型选择开关K4置于左边A端或右边H端，CH1接AMI(HDB3)编译码单元的NRZ-IN，CH2分别接（AMI）HDB3-D、BS-OUT和NRZ-
9、OUT ，观察这些信号波形。观察时应注意： NRZ-OUT信号（译码输出）迟后于NRZ-IN信号（编码输入）8个码元，同时有一定的衰减。 AMI、HDB3码是占空比等于0.5的双极性归零码，AMI-D、HDB3-D是占空比等于0.5的单极性归零码。 BS-OUT是一个周期基本恒定（等于一个码元周期）的TTL电平信号。（2）若把K1、K2、K3的每一位都置1，观察能否从AMI码中得到一个符合要求的位同步信号，为什么？若把K1、K2、K3的每一位都置0，观察能否从AMI码中得到一个符合要求的位同步信号，为什么？五、实验报告要求及思考题1. 根据实验观察，纪录相关波形并回答所涉及的问题。2. 总结不
10、归零码和归零码的特点。3. 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？ 4. 总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。 5. 试根据占空比为0.5的单极性归零码的功率谱密度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。 实验三 眼图测量实验一、实验目的1、理解眼图的定义及模型2、掌握通信系统性能的简单测试方法二、实验仪器1、通信原理型实验箱2、双踪示波器3、M6模块的数字信号源单元和M11模块的信道单元三、基本原理为了衡量基带传输系统的性能优劣，除了用专门精密仪器进行测试和调整外，在大量的维护工作中，希望用简单
11、的方法和通用仪器也能宏观监测系统的性能。在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。1、眼图的定义眼图是利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时，在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为 “眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统的优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。2、眼图形成原理及模型1）无噪
12、声时的眼图 图9-1 基带信号波形及眼图为解释眼图和系统性能之间的关系，图9-1给出了无噪声情况下无码间串扰和有码间串扰的眼图。图9-1（a）是无码间串扰的双极性基带脉冲序列，用示波器观察它，并将水平扫描周期调到与码元周期Tb一致，由于荧光屏的余辉作用，扫描线所得的每一个码元波形将重叠在一起，形成如图9-1（c）所示的线迹细而清晰的大 “眼睛” ；图9-1（b）是有码间串扰的双极性基带脉冲序列，由于存在码间串扰，此波形已经失真，当用示波器观察时，示波器的扫描迹线不会完全重合，于是形成的眼图线迹杂乱且不清晰， “ 眼睛 ” 张开的较小，且眼图不端正，如图9-1（d）所示。对比图9-1（c）和图9
13、-1（d）可知，眼图的 “眼睛” 张开的大小反映着码间串扰的强弱。 “眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。2）存在噪声时的眼图当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰，“眼睛”将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。3）眼图的模型眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤
14、波器的调整，以减小码间串扰。为了说明眼图和系统性能的关系，我们把眼图简化为图9-2所示的模型。图9-2 眼图的模型该图表明如下意义：（ 1 ）最佳抽样时刻应在 “眼睛” 张开最大的时刻。（ 2 ）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。（ 3 ）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。（ 4 ）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。（ 5 ）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。（ 6 ）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交
15、的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。 由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能保证判决完全准确。不过原则上总是眼睛张开的越大，实际判决越准确。所以，还是可以通过眼图的张开来衡量和比较基带信号的质量，并以此为依据来调节信道的传输特性，使信号在通信系统信道中传输尽可能大接近于最佳工作状态。3 、眼图原理方框图图22-眼图原理方框图本模块有以下测试点及输入输出点： S_IN 信号输入点/测试点 N_IN 噪声输出点/测试点 EYE 眼图测试点四、实验步骤1、熟悉数字信号源模块和眼图模块的工作原理。
16、2、按照下表连线。源端口目的端口1 数字信源单元:NRZ_OUT信道模块:S_IN2信道模块:PN_OUT信道模块:PN_IN3. 数字信源单元:CLK信道模块:CLK_IN3、打开数字信源单元的电源开关,接通信道模块中的+5V,+12V,-12V电源，把数字信源单元的K1，K2，K3产生任意代码，例如10110010 10101001 01110010，用示波器一个通道观察N_IN的噪声信号,用示波器的另一个通道接在接收滤波器的输出端EYE，以码元定时BS_OUT(在信源模块)作为示波器的外同步信号，调节可调电位器R53,观察这时示波器屏幕上看到的图形眼图，注意观察噪声的大小对眼图的影响,并
17、记录。.五、实验报告要求及思考题1、根据实验结果，记录并绘出眼图的波形图，并说明眼图的各项参数。2、一随机二进制序列为10110001，符号“1”对应的基带波形为g1(t), “0”对应的基带波形为g2(t)，g2(t)=-g1(t)=g(t)，g(t)为升余弦波形,持续时间为Ts。(1) 当示波器扫描周期为T0=Ts时，试画出眼图。(2) 若升余弦波持续时间为2Ts，T0=Ts，再画眼图。3、为什么利用眼图能大致估算接收系统性能的好坏程度？实验四 数字调制实验一、实验目的1.掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。2.掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的方法。3
18、.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。二、实验仪器1.双踪示波器一台2.通信原理实验箱一台3.M6模块的数字信号源单元和M4模块的数字调制单元三、基本原理1、本实验中M6模块的数字信号源单元向M4模块的数字调制单元提供位同步信号（BS-OUT）和数字基带信号（NRZ-OUT）。数字调制模块将输入的NRZ绝对码变为相对码、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。调制单元的原理方框图如图2-1所示。图2-1 数字调制方框图将晶振信号进行8分频、滤波后，得到2ASK的载频0. 554MHz。2FSK信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/8和1
19、/16，即0. 554MHz和0. 277MHz。它们也是通过分频和滤波得到的。本单元有以下测试点及输入输出点： BS-IN 位同步信号输入点（数字调制单元） NRZ-IN 数字基带信号输入点（数字调制单元） CAR 2DPSK信号载波测试点 CAR-D 2DPSK信号载波倒相测试点 AK(即NRZ-IN) 绝对码测试点（与NRZ-IN相同） BK 相对码测试点 2DPSK（2PSK） 2DPSK（2PSK）信号测试点/输出点，VP-P0.5V 2FSK 2FSK信号测试点/输出点，VP-P0.5V 2ASK 2ASK信号测试点，VP-P0.5V2、2PSK、2DPSK调制原理及相位模糊现象。
20、2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图2-2所示。图2-2 2PSK、2DPSK波形图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK信号相位变化180 ，相同时2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”。2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180 。码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。实际工程中，2PSK或2DPSK信号载波频率与码速
21、率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是那种关系，上述结论总是成立的。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2-3所示。图2-3 2DPSK调制器相对于绝对码AK，2PSK调制器的输出就是2PSK信号；相对于相对码，2PSK调制器的输出是2DPSK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、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2-3中调制后的信号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，这取决于载波的
22、参考相位以及异或门电路的初始状态。2DPSK通信系统可以克服上述2PSK系统的相位模糊现象，故实际通信中采用2DPSK而不用2PSK（多进制下亦如此，采用多进制差分相位调制MDPSK），此问题将在数字解调实验中再详细介绍。四、实验步骤1.熟悉M4模块的数字调制单元的工作原理。2.按照下表连线：源端口目的端口1 数字信源单元: BS-OUT 数字调制: BS-IN2 数字信源单元NRZ-OUT数字调制: NRZ-IN3 数字信源单元: CLK数字调制: CLK3.绝对码、相对码实验接通数字信源模块与数字调制模块的电源。示波器的两个探头CH1和CH2分别接数字调制单元的AK（NRZ-IN）和BK，
23、将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码时AK、BK的波形；再将K1、K2、K3置为全0，观察全0码时AK、BK的波形；将K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 1001 1010状态，观察并记录此时AK、BK的波形。观察并总结从绝对码至相对码的变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。4.仔细观察CAR和CAR-D信号，分析载波信号的特点。5.2PSK调制实验将码型选择开关置于2PSK端（左端）。示波器CH1接AK（NRZ-IN），CH2接2PSK/2DPSK，将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码时AK与2PSK的对应波形；再将K1、
24、K2、K3置为全0，重复以上步骤；将K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 1001 1010状态，重复以上步骤。观察并总结2PSK信号相位变化与绝对码AK的关系。6.2DPSK调制实验 将码型选择开关置于2DPSK端（右端）。示波器CH1接AK，CH2别接BK、2PSK/2DPSK，将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码时AK与BK、2DPSK的对应波形；再将K1、K2、K3置为全0，重复以上步骤；将K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 1001 1010状态，重复以上步骤。观察并总结 2DPSK信号相位变化分别与绝对码AK和相对
25、码BK的关系。7.2ASK调制实验示波器CH1接AK（NRZ-IN）、CH2接2ASK，将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码时AK与2ASK的对应波形；再将K1、K2、K3置为全0，重复以上步骤；将K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 1001 1010状态，重复以上步骤。观察2ASK与AK的关系。8.2FSK调制实验示波器CH1接AK（NRZ-IN）、CH2接2FSK，将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码时AK与2FSK的对应波形；再将K1、K2、K3置为全0，重复以上步骤；将K1、K2、K3置于0111 0010 0000
26、1100 1001 1010状态，重复以上步骤。观察2FSK与AK的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。五、实验报告要求及思考题1. 根据实验观察，纪录相关波形并回答所涉及的问题。2. 设信息代码为1001 1010，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。实验五 数字解调实验一、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。二、实验仪器1. 双踪示波器一台2. 通信原理实验箱一台3. M6模块的数字信号源单元和M4模块的数字调制单元、载波同步及模拟锁相环单元、2DPSK解调单元
27、、2FSK解调单元三、基本原理1、2DPSK信号的解调可用相干解调或差分相干解调法（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载波频率等于码速率的13/4倍，只能用相干解调法。实际工程中相干解调法用得最多。解调器的方框图如图3-1所示。图3-1 2DPSK相干解调方框图2DPSK解调模块上有以下测试点及输入输出点： 2DPSK-IN 2DPSK信号输入点/测试点 CAR-IN 相干载波输入点 BS-IN 位同步信号输入点 MU 相乘器输出信号测试点 LPF 低通、运放输出信号测试点 CM 整形输出信
28、号的输出点/测试点 BK-OUT 解调输出相对码测试点 AK-OUT（模块上写成AS-OUT了） 解调输出绝对码测试点 2DPSK相干解调器模块各点波形示意图如图3-2所示。图中设相干载波为 相。图3-2 2DPSK相干解调波形示意图说明：2DPSK解调的信号码不能为全0或全1，否则抽样判决器不能正常工作。2、2FSK信号的解调2FSK信号的解调方法有：包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。本实验采用过零检测法解调2FSK信号。解调器的方框图如图3-3所示。图3-3 2FSK过零检测法解调方框图 2FSK解调模块上有以下测试点及输入输出点： 2FSK-IN 2FSK信号输入点/测试点
29、BS-IN 位同步信号输入点 DW1 单稳1端信号输出测试点 DW2 单稳2端信号输出测试点 FD 2FSK过零检测输出信号测试点 LPF 低通滤波器输出点/测试点 CM 整形输出测试点 AK-OUT 解调输出信号的输出点/测试点2FSK过零检测解调器模块各点波形示意图如图3-4所示。图中设“1”码载频等于码速率的两倍，“0”码载频等于码速率。图3-4 2FSK过零检测解调器各点波形示意图 3、本实验中，各模块之间的信号连结方式如图3-5所示。图3-5 数字解调实验连接图实际通信系统中，解调器的位同步信号来自位同步提取单元。本实验中这个信号直接来自数字信源单元。在做2DPSK解调实验时，位同步
30、信号送给2DPSK解调单元，做2FSK解调实验时则送到2FSK解调单元。四、实验步骤1. 熟悉M4模块的载波同步及模拟锁相环单元、2DPSK解调单元、2FSK解调单元的工作原理。2. 2DPSK相干解调实验(1)按照下表连线并接通M6模块和M4模块的电源。源端口目的端口1 M6数字信源单元: CLKM4数字调制单元: CLK2 M6数字信源单元: BS-OUT M4数字调制单元: BS-IN3 M6数字信源单元NRZ-OUTM4数字调制单元: NRZ-IN4 M6数字信源单元: BS-OUTM4 2DPSK解调单元: BS-IN5 M4数字调制单元: 2PSK/2DPSKM4 2DPSK解调单元: 2DPSK-IN6 M4数字调制单元: 2PSK/2DPSKM4载波同步单元: 2DPSK-IN7 M4载波同步单元: CAR-OUTM4 2DPSK解调单元:CAR-IN(2) 将示波器的CH1接数字调制单元的BK，CH2接2DPSK解调单元的MU。MU与BK同相或反相，其波形应接近图3-2所示的理论波形。(3) 示波器的CH2接LPF，可看到LPF与MU反相。当一帧内BK中“1”码和“0”码
