通信原理实验报告.docx
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通信原理实验报告.docx
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通信原理实验报告
通信原理实验报告
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电子信息与通信工程学院
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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。
5、了解AMI/HDB3编译码集成电路CD22103。
1.2基本原理
本实验使用数字信源模块和AMI/HDB3编译码模块。
1、数字信源模块 本模块是整个实验系统的发终端,模块内部使用+5V电压,其原理方框图如图1.1
所示,电原理图如图1.2(对应TX-1、TX-2和TX-3型设备)及图1.3(对应TX-3B、TX-5和TX-6型设备)所示。
本模块产生NRZ信号,信号速率约为170.5kbps,帧结构如图1.4所示。
信号的帧长为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同步时分复用信号。
实验设备上,数据码用红色发光二极管指示,帧同步码及无定义位用绿色发光二极管指示。
发光二极管亮状态表示“1”码,熄状态表示“0”码。
本模块有以下信号测试点及输出点:
CLK BS-OUT FS NRZ-OUT(AK)
无定义位
晶振信号测试点信源位定时信号测试点/输出点信源帧定时信号测试点 NRZ信号(绝对码AK)测试点/输出点
2.AMI/HDB3编译码模块
图1.4信源输出信号帧结构
本模块的原理框图如图1.7所示,电原理图如图1.8(对应TX-1、TX-2和TX-3型设备)及图1.9(对应TX-3B、TX-5和TX-6型设备)所示,图中NRZ-IN接信源模块的输出信号NRZ-OUT,BS-IN接信源模块的输出位定时信号BS-OUT,它们已在印刷电路板上连通。
模块内部使用+5V和-5V电压,其中-5V电压由-12V电源经三端稳压器7905变换得到。
本模块有以下信号测试点:
NRZ BS-R AMI-HDB3BPF DET
NRZ-INBS-IN
NRZ
译码器输出信号测试点
锁相环输出的位同步信号测试点
编码器输出信号测试点
带通滤波器输出信号测试点
整流器输出信号测试点
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011100100000110000100000态,观察并记
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,观察这些信号的波形再将K4置右方HDB3端,再次观察DET、BPF、BS-R和NRZ等信号波形
将K4置右方HDB3端时如下:
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)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.根据实验观察和纪录回答:
(1)不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码是否一定相同?
答:
1)不归零码特点:
脉冲宽度等于码元宽度Ts
归零码特点:
<Ts
2)与信源代码中的“1”码对应的AMI码及HDB3码不一定相同。
因信源代码中的“1”码对应的AMI码“1”、“-1”相间出现,而HDB3码中的“1”,“-1”不但与信源代码中的“1”码有关,而且还与信源代码中的“0”码有关。
举例:
信源代码100001100001000001
AMI10000-110000-1000001
HDB310001-11-100-1100010-1
2.设代码为全1,全0及011100100000110000100000,给出AMI及HDB3码的代码和波形。
答:
信息代码1111111
AMI1-11-11-11
HDB31-11-11-11
信息代码0000000000000
AMI0000000000000
HDB30001-1001-1001-1
信息代码011100100000110000100000
AMI01-1100-1000001-10000100000
HDB301-1100-1000-101-11001-1000–10
3.总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。
答:
HDB3中不含有离散谱fS(fS在数值上等于码速率)成分。
整流后变为一个占空比等于0.5的单极性归零码,其连0个数不超过3,频谱中含有较强的离散谱fS成分,故可通过窄带带通滤波器得到一个相位抖动较小的正弦信号,再经过整形、移相后即可得到合乎要求的位同步信号。
4.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。
答:
=0.5TS时单极性归零码的功率谱密度为:
式中
在数值上等于码速率,P为“1”码概率
G(f)为=0.5TS的脉冲信号的富氏变换
将HDB3码整流得到的占空比为0.5的单极性归零码中连“0”个数最多为3,而将AMI码整流后得到的占空比为0.5的单极性归零码中连“0”个数与信息代码中连“0”个数相同。
所以信息代码中连“0”码越长,AMI码对应的单极性归零码中“1”码出现概率越小,fS离散谱强度越小,越难于提取位同步信号。
而HDB3码对应的单极性归零码中“1”码出现的概率大,fS离散谱强度大,于提取位同步信号。
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、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。
2.2实验原理
数字调制分为二进制调制和多进制调制,二进制调制是多进制调制的基础。
在HUSTTX系列实验设备中只包含二进制数字调制,多进制调制实验由仿真软件实现,需要仿真软件的读者可以向作者索取,当然也可以使用有关商业软件或自己开发。
本实验使用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字基带信号和位定时信号。
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。
调制模块内部使用+5V电源。
数字调制模块的原理方框图如图2.1所示,电原理图如图2.2所示。
图中CLK-IN接信源模块晶振的输出信号CLK,NRZ-IN(AK)接信源模块的输出信号NRZ-OUT(AK),BS-IN接信源模块的输出位定时信号BS-OUT,它们已在印刷电路板上连通。
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(仅TX-5和TX-6型实验设备有此开关)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),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)。
1.设绝对码为全1、全0或10011010,求相对码。
答:
绝对码11111,00000,10011010
相对码10101,00000,11101100
或01010,11111,00010011
2.设相对码为全1、全0或10011010,求绝对码。
答:
绝对码11111,00000,10011010
相对码00000,00000,01010111
或10000,10000,11010111
3.设信息代码为10011010,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。
答:
①绝对码至相对码的变换规律
“1”变“0”不变,即绝对码的“1”码时相对码发生变化,绝对码的“0”码时相对码不发生变化。
——此为信号差分码。
②相对码至绝对码的变换规律
相对码的当前码元与前一码元相同时对应的当前绝对码为“0”码,相异时对应的当前绝对码为“1”码。
5.总结2DPSK信号的相位变化与信息代码之间的关系以及2PSK信号的相位变化与信息代码之间的关系。
答:
2DPSK信号的相位变化与绝对码(信息代码)之间的关系是:
“1变0不变”,即“1”码对应的2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的末相变化180º,“0”码对应的2DPSK信号的初相与前一码元内2DPSK信号的末相相同。
2PSK信号的相位变化与相对码(信息代码)之间的关系是:
“异变同不变”,即当前码元与前一码元相异时则当前码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相变化180º。
相同时则码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相无变化。
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。
3.2实验原理
通信系统中常用平方环或同相正交环(科斯塔斯环)从2DPSK信号中提取相干载波。
HUSTTX系列实验设备用平方环提取相干载波,其载波同步模块原理方框图如图3.1所示,电原理图如图3.2所示,图中2DPSK-IN信号接数字调制模块输出的2DPSK信号,已在印刷电路板上连通。
本模块使用+5V、+12V、-12V电压。
3.3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可调电容C34,Ud随C34减小而减小,随C34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C34,可使Ud由直流变为交流,CAR和CAR-OUT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C34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,慢慢增大C34,Ud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最大值为Ud1(此值不大于+12v);反向减小C34,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锁定状态时的Ud为Ud2;继续减小C34,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);再反向增大C34,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∆V1=Ud1-Ud3,∆V2=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∆V1>∆V2。
设VCO的灵敏度为K0(Hz/V),则环路同步带∆fH及捕捉带∆fP分别为:
∆fH=∆V1K0/2,∆fP=∆V2K0/2。
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,调节C34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∆fH=K0(Ud1-6)或∆fH=K0(6-Ud3)、∆fP=K0(Ud2-6)或∆fP=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:
·32·
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,因此当减小可调电容C34的电容量使环路失锁时,鉴相器输出电压Ud的幅度较小;而当增大C34电容量使环路失锁时,Ud的幅度较大。
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,慢慢调节C34,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|∆ωο|<∆ωp
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。
1.总结模拟锁相环锁定状态及失锁状态的特点。
答:
模拟环锁定状态的特点:
输入信号频率与反馈信号频率相等,鉴相器输出电压为直流。
模拟环失锁状态的特点:
鉴相器输出电压为不对称的差拍电压。
2.设K0=18Hz/V,根据实验结果计算环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP。
答:
代入指导书中的“3式”计算,例:
ΔV1=12V,则ΔfH=18×6=108Hz
ΔV2=8V,则ΔfP=18×4=72Hz
3.由公式
及
计算环路参数ωn和ζ,式中Kd=6V/rad,Ko=2π×18rad/s·v,R25=2×104,R68=5×103,C11=2.2×10-6F。
(fn=ωn/2π应远小于码速率,ζ应大于0.5)。
答:
远小于码速率170.5(波特)
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。
答:
平方运算输出信号中含有2fC离散谱,模拟环输出信号频率等于2fC,二分频,滤波后得到相干载波。
2电路有两个初始状态,导致提取的相干载波有两种相反的相位状态。
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。
4.2实验原理
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。
在HUSTTX系列实验设备中,2DPSK载波频率等于码速率的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:
包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。
TX系列实验设备采用相干解调法解调2DPSK信号,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,图中2DPSK-IN信号及2FSK-IN信号分别接数字调制模块输出的2DPSK信号及2FSK信号,CAR-IN信号接载波同步模块输出的CAR-OUT信号,它们已在印刷电路板上连通。
4.3实验内容及实验步骤
相乘器输出信号测试点低通、运放输出信号测试点比较器比较电压测试点比较器输出信号测试点/输出点解调输出相对码测试点解调输出绝对码测试点/输出点位同步信号输入点
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2FSK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。
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
载波同步模块
环应处于锁定状态。
3.2DPSK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
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