通信原理实验指导.docx
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通信原理实验指导.docx
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通信原理实验指导
实验注意事项
1.本实验系统接通电源前请确保电源插座接地良好。
2.除信号源模块外,其它实验模块平时应保存在保管箱中,注意防潮、防尘。
在实验完毕后应尽快将实验模块放入保管箱中保存。
3.从保管箱中取出或放入实验模块应轻拿轻放,实验模块的两侧应与保管箱
插槽对准方可取出或插入实验模块,切勿用蛮力。
4.每次安装实验模块之前应确保主机箱右侧的交流开关处于断开状态。
为保
险起见,建议拔下电源线后再安装实验模块。
5.安装实验模块时,应先将模块左侧卡口与固定槽中的定位卡对齐,再轻轻
压下实验模块,然后在实验模块右侧用胶木螺钉固定。
应确保固定槽中的
电源插针与实验模块底部的电源接口接触良好,无短路和断路,手旋螺钉
也不应固定得过紧,以免压坏实验模块表面或造成短路,经过仔细检查后
方可通电实验。
6.各实验模块上的双刀双掷开关、轻触开关、微动开关、拨码开关、手旋电
位器均为磨损件,请不要频繁按动或旋转。
7.请勿直接用手触摸芯片、电解电容等元件,以免造成损坏。
8.各模块中的3362电位器(蓝色正方形封装)是出厂前调试使用的。
出厂后
的各实验模块功能已调至最佳状态,勿需另行调节这些电位器,否则将会
对实验结果造成严重影响。
若已调动请尽快复原;若无法复原,请与指导
老师或直接与我公司联系。
9.在关闭各模块电源之后,方可进行连线。
连线时在保证接触良好的前提下
应尽量轻插轻拔,检查无误后方可通电实验。
拆线时若遇到连线与孔连接
过紧的情况,应用手捏住连线插头的塑料线端,左右摇晃,直至连线与孔
松脱,切勿用蛮力强行拔出。
10.按动开关或转动电位器时,切勿用力过猛,以免造成元件损坏。
11.本实验系统中的工具模块(信号源模块、码型变换模块、频谱分析模块、
终端模块、同步信号提取模块)在完成本身实验功能的基础上,主要是为
其它实验模块服务的。
各工具模块的使用方法我们都做了详细的介绍,希
望同学们能灵活运用这些工具模块,达到最好的实验效果。
实验一信号源实验
一、实验目的
1.了解频率连续变化的各种波形的产生方法。
2.理解帧同步信号与位同步信号在整个通信系统中的作用。
3.熟练掌握信号源模块的使用方法。
二、实验内容
1.观察频率连续可变信号发生器输出的各种波形及7段数码管的显示。
2.观察点频方波信号的输出。
3.观察点频正弦波信号的输出。
4.拨动拨码开关,观察码型可变NRZ码的输出。
5.观察位同步信号和帧同步信号输出。
三、实验器材
1.信号源模块
2.20M双踪示波器一台
3.频率计一台
4.连接线若干
四、实验原理
信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分,分别产生模拟信号和数字信号。
1.模拟信号源部分
图1-1模拟信号源部分原理框图
模拟信号源部分可以输出频率和幅度可任意改变的正弦波(频率变化范围100Hz~10KHz)、三角波(频率变化范围100Hz~1KHz)、方波(频率变化范围100Hz~10KHz)、锯齿波(频率变化范围100Hz~1KHz)以及32KHz、64KHz、1MHz的点频正弦波(幅度可以调节),各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。
该部分电路原理框图如图1-1所示。
在实验前,我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U005(2864)并存放在固定的地址中。
当单片机U006(89C51)检测到波形选择开关和频率调节开关送入
的信息后,一方面通过预置分频器调整U004(EPM7128)中分频器的分频比,分频后的信
号频率由数码管M001~M004显示;另一方面根据分频器输出的频率和所选波形的种类,通过地址选择器选中数据存储器U005中对应地址的区间,输出相应的数字信号。
该数字信号经过D/A转换器U007(TLC7528)、开关电容滤波器U008(TLC14CD)后得到所需模拟信号。
2.数字信号源部分
数字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码(可通过拨码开关SW103、
SW104、SW105改变码型)以及位同步信号和帧同步信号。
绝大部分电路功能由U004
(EPM7128)来完成,通过拨码开关SW101、SW102可改变整个数字信号源位同步信号和
帧同步信号的速率,该部分电路原理框图如图1-2所示。
图1-2数字信号源部分原理框图
晶振出来的方波信号经3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器分频,前一分频器分频后可得到1MHz、256KHz、64KHz、8KHz的方波以及8KHz的窄脉冲信号。
可预置分频器的分频比可通过拨码开关SW101、SW102来改变,分频比范围是1~9999。
分频后的信号即为整个系统的位同步信号(从信号输出点“BS”输出)。
数字信号源部分还包括一个NRZ码产生电路,通过该电路可产生24位为一帧的周期性NRZ码序列,该序列的码型可通过拨码开关SW103、SW104、SW105来改变。
在后继的码型变换、时分复用、CDMA等实验中,NRZ码将起到十分重要的作用。
五、实验步骤
1.将信号源模块小心地固定在主机箱中,确保电源接触良好。
2.插上电源线,打开主机箱右侧的交流开关,再按下开关POWER1、POWER2,发光二
极管LED001、LED002发光,按一下复位键,信号源模块开始工作。
3.模拟信号源部分
①观察“32K正弦波”、“64K正弦波”、“1M正弦波”各点输出的正弦波波形,对应的电位器“32K幅度调节”、“64K幅度调节”、“1M幅度调节”可分别改变各正弦波的幅度。
②按下“复位”按键使U006复位,波形指示灯“正弦波”亮,波形指示灯“三角波”、“锯齿波”、“方波”以及发光二极管LED007灭,数码管M001~M004显示“2000”。
③按一下“波形选择”按键,波形指示灯“三角波”亮(其他仍熄灭),此时信号输出点“模拟输出”的输出波形为三角波。
逐次按下“波形选择”按键,四个波形指示灯轮流发亮此时“模拟输出”点轮流输出正弦波、三角波、锯齿波和方波。
④将波形选择为正弦波(对应发光二极管亮),转动旋转编码器K001,改变输出信号的频率(顺时针转增大,逆时针转减小),观察“模拟输出”点的波形,并用频率计查看其频率与数码管显示的是否一致。
转动电位器“幅度调节1”可改变输出信号的幅度,幅度最大可达3V以上。
(注意,发光二极管LED007熄灭,转动旋转编码器K001时,频率以1Hz为单位变化;按一下K001,LED007亮,此时转动K001,频率以50Hz为单位变化;再按一下K001,频率再次以1Hz为单位变化。
⑤将波形分别选择为三角波、锯齿波、方波,重复上述实验。
⑥模拟信号放大通道:
用导线连接“模拟输出”点与“IN”点,观察“OUT”点波形,转动电位器“幅度调节2”可改变输出信号的幅度(最大可达6V以上)。
⑦电位器W006用来调节开关电容滤波器U008的控制电压,电位器W007用来调节D/A转换器U007的参考电压,这两个电位器在出厂时已经调好,切勿自行调节。
4.数字信号源部分
①拨码开关SW101、SW102的作用是改变分频器的分频比(以4位为一个单元,对应十进制数的1位,以BCD码分别表示分频比的千位、百位、十位和个位),得到不同频率的位同步信号。
分频前的基频信号为2MHz,分频比变化范围是1~9999,所以位同步信号频率范围是200Hz~2MHz。
例如,若想信号输出点“BS”输出的信号频率为15.625KHz,则需将基频信号进行128分频,将拨码开关SW101、SW102设置为0000000100101000,就可以得到15.625KHz的方波信号。
拨码开关SW103、SW104、SW105的作用是改变NRZ码的码型。
1位拨码开关就对应着NRZ码中的一个码元,当该位开关往上拨时,对应的码元为1,往下拨时,对应的码元为0。
②将拨码开关SW101、SW102设置为0000000100000000,SW103、SW104、SW105设置为011100100011001110101010,观察BS、2BS、FS、NRZ波形。
③改变各拨码开关的设置,重复观察以上各点波形。
④观察1024K、256K、64K、32K、8K、Z8K各点波形(由于时钟信号为晶振输出的24MHz方波,所以整数倍分频后只能得到的1000K、250K、62.5K、31.25K、7.8125K信号,电路板上的标识为近似值,这一点请注意)
。
六、输入、输出点参考说明
1.输入点说明
IN:
模拟信号放大器输入点。
2.输出点说明
模拟输出:
波形种类、幅度、频率均可调节。
各种波形的频率变化范围如下:
正弦波:
100Hz~10KHz
三角波:
100Hz~1KHz
锯齿波:
100Hz~1KHz
方波:
100Hz~10KHz
32KHz正弦波:
31.25KHz正弦波输出点。
(幅度最大可达4V以上)
64KHz正弦波:
62.5KHz正弦波输出点。
(幅度最大可达4V以上)
1MHz正弦波:
1MHz正弦波输出点。
(幅度最大可达4V以上)
OUT:
模拟信号放大器输出点。
(放大倍数最大为2倍)
数字输出:
Z8K:
7.8125KHz窄脉冲输出点。
8K:
7.8125KHz方波输出点。
32K:
31.25KHz方波输出点。
64K:
62.5KHz方波输出点。
256K:
250KHz方波输出点。
1024K:
1000KHz方波输出点。
BS:
位同步信号输出点。
(方波,频率可通过拨码开关SW101、SW102改变)
2BS:
2倍位同步信号频率方波输出点。
FS:
帧同步信号输出点。
(窄脉冲,频率是位同步信号频率的二十四分之一)
NRZ:
24位NRZ码输出点。
(码型可通过拨码开关SW103、SW104、SW105改变,
码速率同位同步信号频率)
7PN、15PN、31PN:
预留端口输出点。
七、实验思考题
1.位同步信号和帧同步信号在整个通信原理系统中起什么作用?
八、实验报告要求
1.分析实验电路的工作原理,叙述其工作过程。
2.根据实验测试记录,在坐标纸上画出各测量点的波形图。
3.对实验思考题加以分析。
实验二码型变换实验
一、实验目的
1.了解几种常见的数字基带信号。
2.掌握常用数字基带传输码型的编码规则。
二、实验内容
1.观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码的波形。
2.观察全0码或全1码时各码型波形。
3.观察HDB3码、AMI码、BNRZ码正、负极性波形。
4.观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码经过码型反变换后的输出波形。
三、实验器材
1.信号源模块
2.码型变换模块
3.20M双踪示波器一台
4.频率计一台
5.连接线若干
四、实验原理
1.编码规则
①NRZ码
NRZ码的全称是单极性不归零码,在这种二元码中用高电平和低电平(这里为零电
平)分别表示二进制信息“1”和“0”,在整个码元期间电平保持不变。
例如:
②RZ码
RZ码的全称是单极性归零码,与NRZ码不同的是,发送“1”时在整个码元期间高
电平只持续一段时间,在码元的其余时间内则返回到零电平。
例如
③BNRZ码
BNRZ码的全称是双极性不归零码,在这种二元码中用正电平和负电平分别表示“1”
和“0”。
与单极性不归零码相同的是整个码元期间电平保持不变,因而在这种码型中不存
在零电平。
例如:
④BRZ码
BRZ码的全称是双极性归零码,与BNRZ码不同的是,发送“1”和“0”时,在整
个码元期间高电平或低电平只持续一段时间,在码元的其余时间内则返回到零电平。
例如:
⑤AMI码
AMI码的全称是传号交替反转码,其编码规则如下:
信息码中的“0”仍变换为传输
码的“0”;信息码中的“1”交替变换为传输码的“+1、-1、+1、-1、…”。
例如:
代码:
10011000111…
AMI码:
+100-1+1000-1+1-1…
AMI码的主要特点是无直流成分,接收端收到的码元极性与发送端完全相反也能正
确判断。
译码时只需把AMI码经过全波整流就可以变为单极性码。
由于其具有上述优点,
因此得到了广泛应用。
但该码有一个重要缺点,即当用它来获取定时信息时,由于它可能
出现长的连0串,因而会造成提取定时信号的困难。
⑥HDB3码
HDB3码的全称是三阶高密度双极性码,其编码规则如下:
将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“1”码时取代
节为“000V”码;有偶数个信息“1”码(包括0个)时取代节为“B00V”,其它的信息
“0”码仍为“0”码,这样,信息码的“1”码变为带有符号的“1”码即“+1”或“-1”。
例如:
代码:
100001000011000011
HDB3码:
-1000-V+1000+V-1+1-B00–V+1-1
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码的特点是明显的,它除了保
持AMI码的优点外,还增加了使连0串减少到至多3个的优点,而不管信息源的统计特
性如何。
这对于定时信号的恢复是十分有利的。
HDB3码是ITU-T推荐使用的码之一。
本
实验电路只能对码长为24位的周期性NRZ码序列进行编码。
⑦BPH码
BPH码的全称是数字双相码(DigitalDiphase),又叫分相码(Biphase,Split-phase)或
曼彻斯特码(Manchester),它是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二
进制新码去取代的码;或者可以理解为用一个周期的方波表示“1”码,用该方波的反相
来表示“0”码,其编码规则之一是:
0→01(零相位的一个周期的方波);
1→10(π相位的一个周期的方波)。
例如:
代码:
1100101
双相码:
10100101100110
BPH码可以用单极性非归零码(NRZ)与位同步信号的模二和来产生。
双相码的特
点是只使用两个电平,而不像前面二种码具有三个电平。
这种码既能提取足够的定时分量,
又无直流漂移,编码过程简单。
但这种码的带宽要宽些。
⑧CMI码
CMI码的全称是传号反转码,其编码规则如下:
信息码中的“1”码交替用“11”和
“00”表示,“0”码用“01”表示。
例如:
代码:
11010010
CMI码:
1100011101010001
这种码型有较多的电平跃变,因此,含有丰富的定时信息。
该码已被ITU-T推荐为
PCM四次群的接口码型。
在光纤传输系统中有时也用CMI码作线路传输码型。
2.电路原理
将信号源产生的NRZ码和位同步信号BS送入U900(EPM7128SLC84-15)进行变换,
可以直接得到各种单极性码和各种双极性码的正、负极性编码信号(因为FPGA的I/O口
不能直接接负电平,所以只能将分别代表正极性和负极性的两路编码信号分别输出,再通
过外加电路合成双极性码),如HDB3的正、负极性编码信号送入U901(4051)的选通控
制端,控制模拟开关轮流选通正、负电平,从而得到完整的HDB3码。
解码时同样也需要
先将双极性的HDB3码变换成分别代表正极性和负极性的两路信号,再送入FPGA进行解
码,得到NRZ码。
其它双极性码的编、解码过程相同。
①NRZ码
从信号源“NRZ”点输出的数字码型即为NRZ码,其产生过程请参考信号源工作原理。
②BRZ、BNRZ码
将NRZ码和位同步信号BS分别送入双四路模拟开关U902(4052)的控制端作为控
制信号,在同一时刻,NRZ码和BS信号电平高低的不同组合(00、01、10、11)将控制
U902分别接通不同的通道,输出BRZ码和BNRZ码。
X通道的4个输入端X0、X1、X2、X3分别接-5V、GND、+5V、GND,在控制信号控制下输出BRZ码;Y通道的4个输入端Y0、Y1、Y2、Y3分别接-5V、-5V、+5V、+5V,在控制信号控制下输出BNRZ
码。
解码时通过电压比较器U907(LM339)将双极性的BRZ和BNRZ码转换为两路单极性码,即双(极性)—单(极性)变换,再送入U900进行解码,恢复出原始的NRZ码。
③RZ、BPH码
这两种码型的编、解码方法与BRZ、BNRZ是一样的,但因为是单极性的码型,所以编、解码过程可以直接在U900中完成,在这里不再赘述。
④AMI码
由于AMI码是双极性的码型,所以它的变换过程分成了两个部分。
首先,在U900中,将NRZ码经过一个时钟为BS的JK触发器后,再与NRZ信号相与后得到控制信号AMIB,该信号与NRZ码作为控制信号送入单八路模拟开关U905(4051)的控制端,U905的输出即为AMI码。
解码过程与BNRZ码一样,也需先经过双—单变换,再送入U900进行解码。
⑤HDB3码
HDB3码的编、解码框图分别如图5-1、5-2所示,其编、解码过程与AMI码相同,
这里不再赘述。
图2-1HDB3编码原理框图
图2-2HDB3解码原理框图
⑥CMI码
由于是单极性波形,CMI码的编解码过程全部在U900中完成,其编码电路原理框图如5-3所示:
图5-3CMI编码原理框图
五、实验步骤
1.将信号源模块、码型变换模块小心地固定在主机箱中,确保电源接触良好。
2.插上电源线,打开主机箱右侧的交流开关,再分别按下两个模块中的开关POWER1、
POWER2,对应的发光二极管LED001、LED002、D900、D901发光,按一下信号源
模块的复位键,两个模块均开始工作。
31
3.将信号源模块的拨码开关SW101、SW102设置为0000010100000000,SW103、SW104、
SW105设置为011100100011000000101010。
按实验一的介绍,此时分频比千位、十位、个位均为0,百位为5,因此分频比为500,此时位同步信号频率应为4KHz。
观察BS、FS、2BS、NRZ各点波形。
4.分别将信号源模块与码型变换模块上以下四组输入/输出接点用连接线连接:
BS与BS、FS与FS、2BS与2BS、NRZ与NRZ。
观察码型变换模块上其余各点波形。
5.任意改变信号源模块上的拨码开关SW103、SW104、SW105的设置,以信号源模块的NRZ码为内触发源,用双踪示波器观察码型变换模块各点波形。
6.将信号源模块上的拨码开关SW103、SW104、SW105全部拨为1或全部拨为0,观察
码型变换模块各点波形。
六、输入、输出点参考说明
1.输入点说明
FS:
帧同步信号输入点。
BS:
位同步信号输入点。
2BS:
2倍位同步频率方波信号输入点。
NRZ:
NRZ码输入点。
2.输出点说明(括号中的码元数为与信号源产生的NRZ相比延迟的码元数)
RZ:
RZ编码输出点。
BPH:
BPH编码输出点。
CMI:
CMI编码输出点。
HDB3-1:
HDB3编码正极性信号输出点。
HDB3-2:
HDB3编码负极性信号输出点。
HDB3:
HDB3编码输出点。
(八个半个码元)
BRZ-1;BRZ编码单极性输出点。
BRZ:
BRZ编码输出点。
BNRZ-1:
BNRZ编码正极性信号输出点。
(与NRZ反相)
BNRZ-2:
BNRZ编码负极性信号输出点。
(与NRZ相同)
BNRZ:
BNRZ编码输出点。
AMI-1:
AMI编码正极性信号输出点。
AMI-2:
AMI编码负极性信号输出点。
AMI:
AMI编码输出点。
ORZ:
RZ解码输出点。
(一个半码元)
OBPH:
BPH解码输出点。
(一个码元)
OCMI;CMI解码输出点。
(两个码元)
OBRZ:
BRZ解码输出点。
(半个码元)
OBNRZ;BNRZ解码输出点。
(半个码元)
OAMI:
AMI解码输出点。
(延迟极小不足半个码元)
OHDB3:
HDB3解码输出点。
(七个半个码元)
七、实验思考题
1.在分析电路的基础上回答,为什么本实验HDB3编、解码电路只能在输入信号是码长为24位的周期性NRZ码时才能正常工作?
八、实验报告要求
1.分析实验电路的工作原理,叙述其工作过程。
2.根据实验测试记录,在坐标纸上画出各测量点的波形图。
3.对实验思考题加以分析。
实验三数字调制试验
一、实验目的
1.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。
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。
4.掌握2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱特性。
二、实验内容
1.观察绝对码、相对码波形。
2.观察2ASK、2FSK、2DPSK信号波形。
3.观察2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱。
三、实验器材
1.信号源模块
2.数字调制模块
3.频谱分析模块
4.20M双踪示波器一台
5.频率计一台
四、实验原理
调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数值调制。
由于被调载波有幅度频率、相位三个独立的可控参量,当用二进制信号分别调制这三种参量时,就形成了二进制振幅键控(2ASK)、二进制移频键控(2FSK)、二进制移相键控(2PSK)三种最基本的数字频带调制信号,而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。
1.2ASK调制原理。
在振幅键控中载波幅度是随着基带信号而变化的。
将载波在二进制基带信号1或0的控
制下通或断,即用载波幅度的有无来代表信号中的“1”或者是“0”,这样就可以得到2ASK
信号,这种二进制振幅键控方式称为通—断键控(OOK)。
2ASK信号典型的时域波形如图
6-1所示,其时域数学表达式为:
S2ASK(t)=an⋅Acosωct(6-1)
式中,A为未调载波幅度,ω为载波角频率,na为符合下列关系的二进制序列的第n个码元:
(6-2)
综合式6-1和式6-2,令A=1,则2ASK信号的一般时域表达式为:
式中,Ts为码元间隔,g(t)为持续时间[-Ts/2,Ts/2]内任意波形形状的脉冲(分析时一般设为归一化矩形脉冲),而S(t)就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。
图6-12ASK信号的典型时域波形
为了更深入掌握2ASK信号的性质,除时域分析外,还应进行频域分析。
由于二进制序
列一般为随机序列,其频域分析的对象应为信号功率谱密度。
设g(t)为归一化矩形脉冲,
若g(t)的
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