1、通信实验实验二 数字调制一、 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、2DPSK信号的方法。 3、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。1、 了解2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。二、 实验内容 1、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。 2、用示波器观察2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号波形。3、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱。三、 基本原理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
2、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）。调制模块将输入的绝对码AK（NRZ码）变为相对码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，电原理图如图2-2所示（见附录）。图2-1 数字调制方框图 本单元有以下测试点及输入输出点： CAR 2DPSK信号载波测试点 BK 相对码测试点 2DPSK 2DPSK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-P0.5V 用2-1中晶体振荡器与信源共用，位于信源
3、单元，其它各部分与电路板上主要元器件对应关系如下： 2（A） U8：双D触发器74LS74 2（B） U9：双D触发器74LS74 滤波器A V6：三极管9013，调谐回路 滤波器B V1：三极管9013，调谐回路 码变换 U18：双D触发器74LS74；U19：异或门74LS86 2ASK调制 U22：三路二选一模拟开关4053 2FSK调制 U22：三路二选一模拟开关4053 2PSK调制 U21：八选一模拟开关4051 放大器 V5：三极管9013 射随器 V3：三极管9013将晶振信号进行2分频、滤波后，得到2ASK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
4、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2-3所示。图2-3 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”。
5、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上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2-4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、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
6、不变”关系，由AK到BK的变换也符合“1变0不变”规律。 图2-4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。图2-4 2DPSK调制器2PSK信号的时域表达式为 S(t)= m(t)Cosct式中m(t)为双极性不归零码BNRZ，当“0”、“1”等概时m(t)中无直流分量，S(t)中无载频分量，2DPSK信号的频谱与2PSK
7、相同。 2ASK信号的时域表达式与2PSK相同，但m(t)为单极性不归零码NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信号中有载频分量。 2FSK信号（相位不连续2FSK）可看成是AK与调制不同载频信号形成的两个2ASK信号相加。时域表达式为式中m(t)为NRZ码。图2-5 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信号功率谱 设码元宽度为TS，fS =1TS在数值上等于码速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率谱密度如图2-5所示。可见，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率谱是数字基带信号m(t)功率谱的线性搬移，故常称2ASK、2PSK（2DPSK）为线性调制信号。多进制的MAS
8、K、MPSK（MDPSK）、MFSK信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。 本实验系统中m(t)是一个周期信号，故m(t)有离散谱，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有离散谱。四、 实验步骤 本实验使用数字信源单元及数字调制单元。 1、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。 2、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），观察AK、BK波形，总结绝对码至相对码变
9、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）。注意：2DPSK信号的幅度比较小，要调节示波器的幅度旋钮，而且信号本身幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。 4、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（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）。 5、用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱（条件不具备时不进行此项
10、观察）。五、 实验报告要求 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）。实验四 数字解调与眼图一、 实验目的 1. 掌握2DPSK相干解调原理。2. 掌握2FSK过
11、零检测解调原理。二、 实验内容 1. 用示波器观察2DPSK相干解调器各点波形。2. 用示波器观察2FSK过零检测解调器各点波形。3用示波器观察眼图。三、 基本原理 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。图4-1 数字解调方框图（a） 2DPSK相干解调 （b）2FSK过零检测解调 本实验采用相干解调法解调2DPSK信
12、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，其电原理图如图4-2所示（见附录）。 2DPSK解调模块上有以下测试点及输入输出点： MU 相乘器输出信号测试点 LPF 低通、运放输出信号测试点 Vc 比较器比较电压测试点 CM 比较器输出信号的输出点/测试点 BK 解调输出相对码测试点 AK-OUT 解调输出绝对码的输出点/测试点（3个） BS-IN 位同步信号输入点 2FSK解调模块上有以下测试点及输入输出点： 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
13、 CM 整形输出输出点/测试点 BS-IN 位同步信号输入点 AK-OUT 解调输出信号的输出点/测试点（3个） 2DPSK解调器方框图中各单元与电路板上元器件的对应关系如下： 相乘器 U29：模拟乘法器MC1496 低通滤波器 R31；C2 运放 U30：运算放大器UA741 比较器 U31：比较器LM710 抽样器 U32:A：双D触发器7474 码反变换器 U32:B：双D触发器7474；U33:A：异或门7486 2FSK解调器方框图中各单元与电路板上元器件对应关系如下： 整形1 U34:A：反相器74HC04 单稳1、单稳2 U35：单稳态触发器74123 相加器 U36：或门743
14、2 低通滤波器 U37：运算放大器LM318；若干电阻、电容 整形2 U34:B：反相器74HC04 抽样器 U38:A：双D触发器7474 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。 下面对2DPSK相干解调电路中的一些具体问题加以说明。 MU的波形接近图4-3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的输出信号MU
15、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。 比较器的输出CM
16、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。DPSK相干解调器模块各点波形示意图如图4-3所示。图4-3 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如下： 图4-4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
17、叠加在2.5V上。74HC04的状态转换电平约为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。图4-4 2FSK过零检测解调器各点波形示意图 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。四、 实验步骤
18、本实验使用数字信源单元、数字调制单元、载波同步单元、2DPSK解调单元及2FSK解调单元，它们之间的信号连结方式如图4-5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。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解调单元及2FSK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。 2. 检查要用到
19、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！ 3. 2DPSK解调实验 （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4-3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
20、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）断开、接通电源若干次，使发端CAR信号与载波同步CAR-OUT信号的相位关系出现跳变，重新进行步骤（4）中的观察。（6）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，即可看到无噪声状态下的眼
21、图。 4. 2FSK解调实验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4-4所示的理论波形。五、 实验报告要求 1. 设绝对码为1001101，根据实验观察得到的规律，画出如果相干载波频率等于码速率的1.5倍，在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. 设信息代码为1001101，2FSK的两个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波形（设低通滤波器及整形2都无倒相作用）。
