通信原理实验.docx

通信原理实验.docx

《通信原理实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理实验.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

通信原理实验

实验一HDB3编码电路实验

一、实验目的

1．了解线路编码的码型选择原则。

2．掌握HDB3码的编码规则及其特性。

3．掌握HDB3码接口变换的实现方法。

4．进一步掌握伪随机信号产生电路的实现方法。

二、实验原理

在数字通信系统中，有时不经过数字基带信号与信道信号之间的变换，只由终端设备进行信息与数字基带信号之间的变换，然后直接传输数字基带信号。

数字基带信号的形式有许多种，在基带传输中经常采用AMI码（符号交替反转码）和HDB3码（三阶高密度双极性码）。

1．传输码型

在数字复用设备中，内部电路多为一端接地，输出的信码一般是单极性非归零信码。

这种码在电缆上长距离传输时，为了防止引进干扰信号，电缆的两根线都不能接地（即对地是平衡的），这里就要选用一种适合线路上传输的码型，通常有以下几点考虑：

（1）在选用的码型的频谱中应该没有直流分量，低频分量也应尽量少。

这是因为终端机输

出电路或再生中继站都是经过变压器与电缆相连接的，而变压器是不能通过直流分量和低频分量的。

（2）传输型的频谱中高频分量要尽量少。

这是因为电缆中信号线之间的串话在高频部分更

为严重，当码型频谱中高频分量较大时，限制了信码的传输距离或传输质量。

（3）码型应便于再生定时电路从码流中恢复位定时。

若信号连“0”较长，则等效于一段时间没有收脉冲，恢复位定时就困难，所以应该使变换后的码型中连“0”较少。

（4）设备简单，码型变换容易实现。

（5）选用的码型应使误码率较低。

双极性基带信号波形的误码率比单极性信号低。

根据这些原则，在传输线路上通常采用AMI码和HDB3码。

2．AMI码

用“0”和“1”代表传号和空号。

AMI码的编码规则是“0”码不变，“1”码则交替地转换为+1和-1。

当码序列是100100011101时，AMI码为：

+100-1000+1-1+10-1。

通常脉冲宽度为码元宽度的一半，这种码型交替出现正、负极脉冲，所以没直流分量，低频分量也很少，它的频谱如图6-1所示，AMI码的能量集中于f0/2处（f0为码速率）。

这种码的反变换也很容易，在再生信码时，只要将信号整流，即可将“-1”翻转为“+1”，恢复成单极性码。

这种码未能解决信码中经常出现的长连“0”的问题。

图6-2所示为4级伪随机序列的AMI码及其波形。

图6-1AMI码的频谱示意图图6-2AMI码及其波形

3．HDB3码及变换规则

这是一种4连0取代码，当没有4个以上连“0”码时，按AMI规则编码，当出现4个连“0”码时，以码型取代节“000V”或“B00V”代替四连“0”码。

选用取代节的原则是：

用B脉冲来保证任意两个相连取代节的V脉冲间“1”的个数为奇数。

当相邻V脉冲间“1”码数为奇数时，则用“000V”取代，为偶数个时就用“B00V”取代。

在V脉冲后面的“1”码和B码都依V脉冲的极性而正负交替改变。

为了讨论方便，我们不管“0”码，而把相邻的信码“1”和取代节中的B码用B1B2......Bn表示，Bn后面为V，选取“000V”或“B00V”来满足Bn的n为奇数。

当信码中的“1”码依次出现的序列为VB1B2B3...BnVB1时，HDB3码为+-+-...--+或为-+-+...++-。

由此看出，V脉冲是可以辨认的，这是因为Bn和其后出现的V有相同的极性，破坏了相邻码交替变号原则，我们称V脉冲为破坏点，必要时加取代节B00V，保证n永远为奇数，使相邻两个V码的

极性作交替变化。

由此可见，在HDB3码中，相邻两个

V码之间或是其余的“1”码之间都符合交替变号原则，

而取代码在整修码流中不符合交替变号原则。

经过这样

的变换，既消除了直流成分，又避免了长连“0”时位定

时不易恢复的情况，同时也提供了取代信息。

图6-3给出

了HDB3码的频谱，此码符合前述的对频谱的要求。

图6-3HDB3码的频谱示意图

图6-4给出一个特定信码的HDB3编码方法。

例如，信码为：

10110000000110000001

若前一个破坏点为V-，且它至第一个连“0”串前有奇数个B，则HDB3码为：

若前一个破坏点为V+，且它至第一个连“0”串前有偶数个B，则HDB3码为：

图6-4特定信码的HDB3编码方法

这里B+、B-分别表示符合极性交替规则的正脉冲和负脉冲。

V+和V-分别表示破坏极性交替规则的正脉冲和负脉冲，由此可见HDB3码的波形不是唯一的，它与出现四连“0”码之前的状态有关。

由于HDB3码能较好地满足传输码型的各项要求，所以常被用于远端接口电路中。

在△M编码、PCM编码和ADPCM编码等终端机中或多种复接设备中，都需要HDB3码型变换电路与之相配合。

4．编码框图

编码电路接收终端机来的单极性非归零信码，并把这种变换成为HDB3码送往传输信道。

编码部分的原理框图如图6-5所示，各部分功能如下所述：

（1）单极性信码进入本电路，首先检测有无四连“0”码。

没有四连“0”时，信码不改变

地通过本电路；有四连“0”时，在第四个“0”码出现时，将一个“1”码放入信号中，取代第四个“0”码，补入“1”码称为V码。

图6-5编码部分的原理方框图

（2）取代节选择及补B码电路（取代节判决）

电路计算两个V码之间的“1”码个数，若为奇数，则用000V取代节；若为偶数，则将000V中的第一个“0”改为“1”，即此时用“B00V”取代节。

（3）破坏点形成电路

将补放的“1”码变成破坏点。

方法是在取代节内第二位处再插入一个“1”码，使单/双极性变换电路多翻转一次，后续的V码就会与前面相邻的“1”码极性相同，破坏了交替反转的规律，形成了“破坏点”。

（4）单/双极性变换电路

电路中的除2电路对加B码、插入码、V码的码序计数，它的输出控制加入了取代节的信号码流，使其按交替翻转规律分成两路，再由变压器将此两路合成双极性信号。

本级还形成符合CCITTG703要求的输出波形。

5．编码电原理图

图6-6编码电原理图

编码电原理如图6-6所示。

图6-6给出了典型的HDB3编码电路：

在同步时钟的作用下，输入的NRZ码流经过HDB3编码电路输出两路单极性码，这两路单极性码再送到“单/双极性变换”电路，产生出双极性归零的HDB3码。

实验板上已设计有单/双极性变换电路，其参考电路如图6-7所示。

图6-7单/双极性变换电路

三、实验仪器

1．PC机。

2．20MHz以上双踪示波器。

3．ByteBlaster下载缆线。

4．数字繁用表。

四、实验内容与步骤

1．开PC机界面MAX+plusⅡ软件，打开THEXT-1文件夹中EXP_06\hdb3cod中hdb3_on

.gdf文件，仔细阅读示例程序，分析程序流程。

2．菜单File\Project\SetProjecttoCurrentFile，然后选菜单MAX+plusⅡ\complier编辑当前图形文件，再仿真电路，记录电路仿真波形。

3．ByteBlaster下载缆线联结PC机并口和实验箱J1（JTAG），打开实验箱电源开关。

选择菜单项MAX+plusII\Programmer，单击Program按钮，即开始下载程序。

4．闭电源开关，取下下载缆线，参考电路原理图编号一CLK.SCH、编号五CPLD1.SCH、编号三HDB3.SCH，SW12的短路帽接入1、2脚，SW31的短路帽接入2、3脚，CLK-J13的第二个拨码开关置ON状态，选择16.9M输入时钟。

5．开实验箱电源开关，用双踪示波器双路探头同时检测TP56（P28）、TP31，验证HDB3码编码方法并记录波形。

6．成上述实验后，分别把时钟信号单元中SW12的短路帽接入2、3脚，CLK-J13的第二个拨码开关置OFF状态，关闭电源开关。

五、实验报告

1．阐明实验所采用的HDB3变换实验系统电路。

2．分析HDB3编码实验电路的原理图结构。

3．画出所测得的各点波形，并与逻辑仿真的结果进行比较。

实验二窄带滤波法提取同步信号

一、实验目的

1．了解异地HDB3译码时，窄带滤波法提取同步信号（归零码）的原理和方法。

2．了解异地NRZ译码提取同步信号（非归零码）的原理和方法。

二、实验原理

数字通信系统能否有效地工作，在相当大的程度上依赖于发送端和接收端能否正确地同步。

同步的不良将会导致通信质量的下降，甚至完全不能工作。

在通信系统中，通常遇到的有三种同步方式：

载波同步、位同步和群同步。

在本次实验系统中，主要是分析位同步的问题。

实现位同步的方法有很多种，但基本上可以分为两大类型：

一种类型是外同步法，另一种类型是自同步法。

所谓外同步法，就是在发送端除了要发送有用的数字信息外，还要专门传送位同步信号，信号到了接收端，用窄带滤波器或锁相环进行滤波提取该信号作为同步之用。

所谓自同步法，就是在发送端不专门向接收端发送位同步信号，而接收端所需要的位同步信号是设法从接收信号中或从解调后的数字基带信号中提取出来。

本次实验中，位同步提取的方法是从传送到异地的HDB3和NRZ数字信息码中提取同步信号。

1．从HDB3信码中提取同步信号

窄带滤波法提取同步信号方法要根据输入信号形式而定，一般输入信号形式有两种，一

种是归零信码，另一种是非归零信码。

归零信码中包含有最多的同步信号基波分量，HDB3码属于归零信码，因此容易用窄带滤波器进行同步提取。

非归零信码中不包含同步信号的基波分量，NRZ属于非归零信码，首先应将非归零信码进

行非线性变换，然后再进行同步提取。

从HDB3信码中提取同步信号的电原理框图如图7-1所示。

图7-1提取同步信号的电原理框图

1）双/单极性变换电路由硬件完成，如图7-2所示，具体电路可参阅原理图HDB3.SCH。

在此电路中，HDB3双极性归零码变换成两路单极性归零码Hx和Hy，进入编程器件U2的18脚和16脚。

图7-2双/单极性变换电路

2）窄带滤波器和判决器电路如图7-3所示，具体电路可参阅原理图HDB3.SCH。

在此电路

中，编程器件U2内部的或门将两路单极性归零码合并成一路单极性归零码，由20脚输出；窄带滤波器为8.4672MHz的陶瓷滤波器J32，滤出8.4672MHz的基波（正弦波），电压比较器U33B充当判决器，还原出8.4672MHz同步时钟脉冲。

图7-3窄带滤波器和判决器电路

2．从NRZ信码中提取同步信号

如前所述，NRZ属于非归零信码，非归零信码中不包含同步信号的基波分量，首先应将非归零信码进行非线性变换，然后再进行同步提取。

图7-4给出非归零信码提取同步信号的框图及变换波形。

图7-4提取同步信号的电原理框图和波形变换

本实验采用的编程电路如图7-5所示。

图7-5非归零码提取同步信号的编程电路

电路的原理是利用脉冲延迟电路和异或门对NRZ的脉冲上升沿和下降沿进行提取，形成单极性归零码，码宽约等于信码宽度的一半。

然后由窄带陶瓷滤波器滤出8.4672MHz的基波，电压比较器U33A充当判决器，还原出8.4672MHz同步时钟脉冲。

三、实验仪器

1．PC机。

2．20MHz以上示波器。

3．ByteBlaster下载缆线。

4．数字繁用表。

四、实验内容与步骤

1．按照实验六HDB3编码实验方法，在TP31产生HDB3编码。

2．打开PC机界面MAX+plusⅡ软件，打开THEXT-1文件夹中EXP_07\hdb3中hdb3_clk.gdf文件，仔细阅读示例程序，分析程序流程。

3．选菜单File\Project\SetProjecttoCurrentFile，然后选菜单MAX+plusⅡ\complier编辑当前图形文件。

4．用ByteBlaster下载缆线联结PC机并口和实验箱J2（JTAG），打开实验箱电源开关，SW01的短路帽接入1、2脚。

选择菜单项MAX+plusII\Programmer，单击Program按钮，即开始下载程序。

5．关闭电源开关，取下下载缆线，参考电路原理图编号一CLK.SCH、编号五CPLD2.SCH、编号三HDB3.SCH，SW32的短路帽接入1、3脚和2、4脚，用电缆线连接J31和J32。

6．打开实验箱电源开关，用双踪示波器双路探头同时检测SW325脚和6脚，观察HDB3双极性归零码变换成两路单极性归零码Hx和Hy，记录两路单极性归零码波形。

在CLK-J15的1脚测试端观察到恢复的同步信号，记录波形并计算频率。

7．完成上述实验后，分别把SW01、SW12的短路帽接入2、3脚,SW32的短路帽接入3、5脚和4、6脚，CLK-J13的第二个拨码开关置OFF状态，取下电缆线，关闭电源开关。

8．打开THEXT-1文件夹中EXP_07\nrz中nrz_clk.gdf文件，仔细阅读示例程序，分析程

序流程。

9．选菜单File\Project\SetProjecttoCurrentFile，然后选菜单MAX+plusⅡ\complier编辑当前图形文件，再仿真电路，记录电路仿真波形。

10．用ByteBlaster下载缆线联结PC机并口和实验箱J1（JTAG），打开实验箱电源开关。

选择菜单项MAX+plusII\Programmer，单击Program按钮，即开始下载程序。

11．关闭电源开关，取下下载缆线，参考电路原理图编号一CLK.SCH、编号五CPLD1.SCH，SW12的短路帽接入1、2脚，CLK-J13的第二个拨码开关置ON状态，选择16.9M输入时钟。

12．打开实验箱电源开关，用双踪示波器双路探头同时检测TP33和TP34观察到恢复的同步信号，记录实验波形。

13．完成上述实验后，分别把时钟信号单元中SW12的短路帽接入2、3脚，CLK-J13的第二个拨码开关置OFF状态，关闭电源开关。

五、实验报告

1．根据实验中的电路，归纳实验步骤，描绘仿真波形，并与实验记录的波形进行比较。

2．总结实验的原理、结果与心得。

六、思考题

两种同步信号提取方法的区别是什么？

实验三2DPSK调制与解调

一、实验目的

1．了解二相差分编译码原理和作用。

2．掌握2DPSK调制方法。

3．掌握2DPSK差分相干解调方法。

二、实验原理

数字相位调制又称为移相键控，它是利用载波相位的变化来传送数字信号的，通常又可把它分成绝对移相（BPSK）和相对移相（DPSK）。

所谓绝对移相是利用载波相位的绝对数值来传送数字信息，例如二相相移键控（也称PSK）。

把数字信息“1”和“0”分别用载波的相位0和π这两个离散值来表示。

其表达式为：

式中取值0或π是由数字信息比特取“1”或“0”决定。

即0相→代表数字信息“1”，π相→代表数字信息“0”。

所谓相对移相是利用数字信息前后相邻码元的相对载波相位差来决定载波的相位。

例如最简单的是2DPSK，如果相位差用△Ф来表示，则△Ф=0→代表数字信息“1”△Ф=π→代表数字信息“0”。

相对移相可以用绝对码的相对移相来形成，亦可以用相对码的绝对移相来形成，如图9-1所示。

由于绝对移相BPSK在相干解调时存在相位模糊问题（0，π相模糊），在实际应用中很少采用，而广泛使用差分移相键控DPSK，最简单的DPSK为二相差分移相键控，即2DPSK。

1．二相差分编译码：

二相差分编译码指的是绝对码与相对码之间的转换，绝对码是

以基带信号码元的电平直接表示数字信息的，如规定高电平代表“1”，低电平代表“0”。

图9-12PSK及2DPSK信号的波形

相对码（差分码）是用基带信号码元的电平与前一码元的电平比较有无变化来表示数字信

息的，如规定：

相对码中有跳变表示1，无跳变表示0，差分编码电路就是绝对码与相对码转换电路，如图9-2所示，是由模2加法器、延迟器（延迟一个码元宽度）来实现这两种码的相互转换。

图9-2二相差分编译码电路

图9-3给出am、bn、bn+1、bn-1的仿真波形。

图9-3am、bn、bn+1、bn-1和am’的仿真波形

2．2DPSK调制器、解调器

实现2DPSK调制器的方法很多，最常用的有：

环型调制器法，模拟乘法器法和相位选择法。

本实验采用相位选择法实现，根据2DPSK调制原理可知，2DPSK已调信号是根据输入数据序列取值“1”或“0”，相应的载波相位是取“0”或“π”只有两种状态。

这就产生了相位选择法实现2DPSK调制的方法。

图9-4给出了典型的2DPSK调制器原理框图。

图9-4相位选择法2DPSK调制器框图

图9-5给出解调器的原理框图。

图9-5相位选择法2DPSK解调器框图

三、实验仪器

1．PC机。

2．20MHz以上双踪示波器。

3．ByteBlaster下载缆线。

4．数字繁用表。

四、实验内容与步骤

1．打开PC机界面MAX+plusⅡ软件，打开THEXT-1文件夹中EXP_09\2dpskcod中

2dpsk.gdf文件，仔细阅读示例程序，分析程序流程。

2．选菜单File\Project\SetProjecttoCurrentFile，然后选菜单MAX+plusⅡ\complier编辑当前图形文件，再仿真电路，记录电路仿真波形。

3．用ByteBlaster下载缆线联结PC机并口和实验箱J1（JTAG），打开实验箱电源开关。

选择菜单项MAX+plusII\Programmer，单击Program按钮，即开始下载程序。

4．关闭电源开关，取下下载缆线，参考电路原理图编号一CLK.SCH、编号五CPLD1.SCH，SW12的短路帽接入1、2脚，CLK-J13的第二个拨码开关置ON状态，选择16.9M输入时钟。

5．打开实验箱电源开关，用双踪示波器双路探头同时检测TP56（P28）、TP57、TP33，验证2dpsk编译码原理并记录波形。

6．完成上述实验后，分别把时钟信号单元中SW12的短路帽接入2、3脚，CLK-J13的第二个拨码开关置OFF状态，关闭电源开关。

五、实验报告

1．总结实验所采用的2DPSK调制、解调实验系统电路。

2．分析实验所采用的2DPSK调制、解调电路原理。

3．画出硬件实现所测得的各点波形，并与逻辑仿真的结果进行比较。

实验四FSK调制器实验

一、实验目的

1．学习二进制FSK调制与解调原理。

2．了解FSK调制方式的特点。

3．用数字电路方式实现FSK调制。

二、实验原理

数字频率调制也称移频键控，即FSK（FrequencyShiftKeying），二进制移频键控称作2FSK，

2FSK是用两个不同频率载波来表示二进制数字码。

因此，2FSK信号便是0符号对应于载频ω1，而1符号对应于载频ω2（与ω1不同的另一载频）的已调波形，而且ω1与ω2之间的改变是瞬间完成的。

容易想到，2FSK信号可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。

这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是利用模拟调频法实现数字调频。

2FSK信号的另一产生方法便是采用键控法，即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的频率进行选通。

以上两种产生方法及波形示例如图15-1所示。

图15-1二进制移频键控（2FSK）信号的产生及波形示例

图中，s（t）代表信息的二进制矩形脉冲序列，e0（t）的即是2FSK信号。

二进制移频键控是依据频率变化来传递信息的，其波形是连续相位恒包络调频波。

其表达式为：

式中的D（t）表示输入二进制数据信号，D（t）=±1。

FSK信号的瞬时频率由以下公式确定：

因为D（t）=±1所以瞬时频率只取两个值ωi=ωc±ωd，令ωM=ωc+ωd称为传号频率；ωS=ωc-ωd称为空号频率。

2FSK波形又可写成和

FSK信号调制指数h定义为：

式中rb=1/Tb为数据速率。

当2FSK采用较小调制指数h=0.715时，FSK相关系数最小，检测性能最好，这时信号带宽近似认为是2rb；当h=0.5时，FSK相关系数为0。

FSK传号频率和空号频率的两个信号是正交的，这是一种连续相位路径的数字调制，称最小频移键控MSK；当h=1时，FSK已调功率谱是两个离散频率分量。

FSK信号功率谱密度如图15-2所示。

FSK调制的方法很多，本实验是采用数字电路方式来实现数字信号移频键控的。

数字电路方式FSK调制原理比较简单，只要用信码的高低电平控制两个不同的载波频率就能实现FSK调制。

图15-2FSK信号功率谱密度

图15-3给出中心频率为1MHz、信码率为34KHz的FSK调制电路，调制器可以利用U1完成。

全局时钟16.9344MHz，从83P输入，4级伪随机码时钟采用34KHz，计数器74193充当除16/除14电路：

当控制信号为0时，分频器除16；当控制信号为1时，分频器除14。

图15-3实际数字电路FSK调制器

为了使观察FSK两个频率之间的频差明显，可采用如图15-4所示的电路来演示。

图15-4演示性数字电路FSK调制器

三、实验仪器

1．PC机。

2．20MHz以上双踪示波器。

3．ByteBlaster下载缆线。

4．数字繁用表。

5．无感十字刀。

四、实验内容及步骤

1．打开PC机界面MAX+plusⅡ软件，打开THEXT-1文件夹中EXP_15\fsk2中Fsk.gdf

文件，仔细阅读示例程序，分析程序流程。

2．选菜单File\Project\SetProjecttoCurrentFile，然后选菜单MAX+plusⅡ\complier编辑当前图形文件，再仿真电路，记录电路仿真波形。

3．用ByteBlaster下载缆线联结PC机并口和实验箱J1（JTAG），打开实验箱电源开关。

选择菜单项MAX+plusII\Programmer，单击Program按钮，即开始下载程序。

4．关闭电源开关，取下下载缆线，参考电路原理图编号一CLK.SCH、编号五CPLD1.SCH、锁相环.SCH。

SW12的短路帽接入1、2脚，CLK-J13的第二个拨码开关置ON状态，选择16.9M输入时钟。

5．用双踪示波器双路探头同时检测TP56（P28）TP57、J4中51脚，验证演示性数字电路FSK调制并记录波形。

6．打开THEXT-1文件夹中EXP_15\fsk3中Fsk2.gdf文件文件，按上述方法编译、仿真、

下载。

7．用双踪示波器双路探头同时检测TP56（P28）TP57、J4中51脚，验证实际数字电路FSK调制原理并记录波形。

8．将SW65的短路帽接入2、4脚，FSK调制信号的解调参阅实验十四。

9．完成上述实验后，分别把时钟信号单元中S01、SW12、SW81的短路帽接入2、3脚，CLK-J13的第三个拨码开关置OFF状态，关闭电源开关。

五、实验报告

1．阐明数字电路FSK调频原理。

2．整理所采用的电原理图，画出仿真波形。

3．整理实验结果，与仿真波形作比较。

4．整理实验结果，与实验十三、实验十四结果作比较。

实验五脉冲编码调制PCM编译码实验

一、实验目的

1．学习PCM编码原理。

2．了解几种常用PCM编译码芯片。

3．用CPLD/FPGA器件实现PCM编译码芯片时序电路。

二、实验原理

1．PC