四川大学电子信息工程通信原理实验报告.docx
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四川大学电子信息工程通信原理实验报告
《通信原理实验》课程实践报告
课程通信原理实验课程
学生姓名
学号2016
班级电子信息工程x班
实验时间2018年11月14日地点基B518
验证实验篇
实验5、PCM编译码系统实验
一、实验目的
1．掌握PCM编译码原理与系统性能测试；
2．熟悉PCM编译码专用集成芯片的功能和使用方法；
3．学习PCM编译码器的硬件实现电路，掌握它的调整测试方法。
二、实验仪器
1．PCM/ADPCM编译码模块，位号：
H
2．时钟与基带数据产生器模块，位号:
G
3．100M双踪示波器1台
4．信号连接线3根
5．小平口螺丝刀1只
三、实验原理
脉冲编码调制（PCM）是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号在信道中传输。
脉冲编码调制是对模拟信号进行抽样，量化和编码三个过程完成的。
PCM通信系统的实验方框图如图5-1所示。
图5-1PCM通信系统实验方框图
在PCM脉冲编码调制中，话音信号经防混叠低通滤波器后进行脉冲抽样，变成时间上离散的PAM脉冲序列，然后将幅度连续的PAM脉冲序列用类似于“四舍五入”办法划归为有限种幅度，每一种幅度对应一组代码，因此PAM脉冲序列将转换成二进制编码序列。
对于电话，CCITT规定抽样率为8KHz，每一抽样值编8位码（即为28=256个量化级），因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kB。
本实验应用的单路PCM编、译码电路是TP3057芯片（见图5-1中的虚线框）。
此芯片采用a律十三折线编码，它设计应用于PCM30/32系统中。
它每一帧分32个时隙，采用时分复用方式，最多允许接入30个用户，每个用户各占据一个时隙，另外两个时隙分別用于同步和标志信号传送，系统码元速率为2.048MB。
各用户PCM编码数据的发送和接收,受发送时序与接收时序控制,它仅在某一个特定的时隙中被发送和接收，而不同用户占据不同的时隙。
若仅有一个用户，在一个PCM帧里只能在某一个特定的时隙发送和接收该用户的PCM编码数据，在其它时隙没有数据输入或输出。
本实验模块中，为了降低对测试示波器的要求，将PCM帧的传输速率设置为64Kbit/s或128Kbit/s两种，这样增加了编码数据码元的宽度，便于用示波器观测。
此时一个PCM帧里，可容纳的PCM编码分别为1路或2路。
另外，发送时序FSX与接收时序FSR使用相同的时序，测试点为34TP01。
实验结构框图已在模块上画出了，实验时需用信号连接线连接34P02和34P03两铆孔，即将编码数据直接送到译码端，传输信道可视为理想信道。
另外，TP3057芯片内部模拟信号的输入端有一个语音带通滤波器，其通带为200HZ～4000HZ，所以输入的模拟信号频率只能在这个范围内有效。
四、实验内容及步骤
1．插入有关实验模块
在关闭系统电源的条件下，按照下表放置模块：
模块名称
放置位号
时钟与基带数据发生模块
G
PCM/ADPCM编译码模块
H
对应位号可见底板右上角的“实验模块位置分布表”，注意模块插头与底板插座的防呆口一致。
2．信号线连接
源端
目的端
连线作用
P03（底板）
34P01（H）
将连续的模拟信号送入PCM编码输入端；
34P02（H）
34P03（H）
将PCM编码输出端数据送入PCM译码输入端；
34P04（H）
P14（底板）
将PCM译码还原信号送入接收滤波器及功放输入端。
3．加电
打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。
若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。
4．PCM的编码时钟设定
“时钟与基带数据发送器模块”上的拨码器4SW02设置“01000”，则PCM的编码时钟为64KHZ（后面将简写为：
拨码器4SW02）。
拨码器4SW02设置“01001”，则PCM的编码时钟为128KHZ。
5．将时钟设置为64KHZ时，模拟信号为正弦波的PCM编码数据观察
（1）拨码器4SW02设置“01000”，则PCM的编码时钟为64KHZ。
（2）双踪示波器探头分别接在测量点34TP01和34P02，观察抽样脉冲及PCM编码数据。
DDS信号源设置为正弦波状态（通常频率为2KHZ），调节W01电位器，改变正弦波幅度，并仔细观察PCM编码数据的变化。
特别注意观察，当无信号输入时，或信号幅度为0时，PCM编码器编码为11010101或为01010101，并不是一般教材所讲授的编全0码。
因为无信号输入时，或信号幅度为0经常出现，编全0码容易使系统失步，所以编码时对编码数据奇数位进行了取反操作。
注意，本实验时钟为64KHZ，一帧中只能容纳1路信号。
若用普通示波器要观察到稳定波形，通常正弦波频率设为2KHZ或1KHZ。
（3）双踪示波器探头分别接在34P01和34P04，观察译码后的信号与输入正弦波是否一致。
6．时钟为128KHZ，模拟信号为正弦波的PCM编码数据观察
上述信号连接不变，将拨码器4SW02设置“01001”，则PCM的编码时钟为128KHZ。
双踪示波器探头分别接在测量点34TP01和34P02，观察抽样脉冲及PCM编码数据。
DDS信号源设置为正弦波状态（通常频率为2KHZ），调节W01电位器，改变正弦波幅度，并仔细观察PCM编码数据的变化。
注意，此时时钟为128KHZ，一帧中能容纳2路信号。
本PCM编码仅一路信号，故仅占用一帧中的一半时隙。
用示波器观察34P01和34P04两点波形，比较译码后的信号与输入正弦波是否一致。
7．关机拆线
实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。
五、测量设置及测量结果
1.拨码器开关4SW02设置为“01000”，PCM编码时钟为64KHz；信号源设置为2KHz、峰峰值为1V的正弦波，示波器接至测量点34TP01和34P02，观察抽样脉冲及PCM编码数据，如图1.1所示。
也可调节W01，改变信号幅度，观察PCM编码数据的变化。
图1.1抽样脉冲以及时钟为64KHz的PCM编码数据
2.示波器接在34P01和34P04。
观察译码后的信号与输入正弦波是否一致，如图1.2所示
图1.2输入正弦波以及译码后信号
3.拨码器4SW02设置为“01001”，则PCM编码时钟128KHz。
示波器分别接至34TP01和34P02，观察抽样脉冲信号及PCM编码数据。
如图1.3所示
图1.3抽样脉冲以及时钟为128KHz的PCM编码数据
4.示波器接在34P01和34P04。
观察译码后的信号与输入正弦波是否一致，如图1.4所示
图1.4输入正弦波及译码后信号
七、实验数据分析
1.输入信号为0时，PCM编码器编码为11010101或为01010101。
因为无信号输入时，或信号幅度为0经常出现，编码全0容易使系统失步，所以编码时对编码数据奇数位进行了取反操作。
从实验波形可以看出模拟信号输入幅度为0时，PCM编码数据为01010101。
2.时钟频率为64Kbps实验中，34TP01探头输出的波形为抽样脉冲的波形，34P02探头输出的为PCM编码数据波形，调节W01电位器，改变正弦波幅度，我们观察发现PCM编码数据的幅度也随之增大或减小，与抽样脉冲幅度成正比。
我们仔细观察发现，无信号输入时，PCM编码器编码为11010101，并非全0码。
还应注意的是，时钟为64KHz时，一帧中只能容纳1路信号，如果想通过示波器观察到稳定波形，正弦波频率应设为2KHz或1KHz。
探头接在34P01和34P04时，译码后的信号与输入正弦波基本一致。
3.时钟频率为128Kbps实验中，34TP01探头输出的波形为抽样脉冲的波形，34P02探头输出的为PCM编码数据波形，调节W01电位器，改变正弦波幅度，我们观察发现PCM编码数据的幅度也随之增大或减小，与抽样脉冲幅度成正比。
由于时钟为128KHz时，一帧中能容纳2路信号，PCM编码仅一路信号，故仅占用一帧中的一半时隙，因此我们观察到在图中，每一帧都有一半时间波形归于0。
而128kHz也相对于64KHz更密集一些。
探头接在34P01和34P04时，译码后的信号与输入正弦波基本一致。
八、实验体会
通过本次实验，实践了PCM实验中的信号线连接、通电、调试、观察示波器波形之后。
将通信系统中经典的PCM编码理论知识中的抽样、量化、编码过程转化成实践过程，在理解过它们的实验原理之后，实践中只是连接几条线就能实现，可见实践器材的封装性、合理很人性化。
通过与理论知识的结合，对抽样、量化、编码、译码有了更深刻的认识，它们中的每一个环节都是非常重要的，缺一不可，否则将严重影响信息的有效性。
在对于34TP01，34P01等等这样的不易区分接口出现了错连、连串等情况，我们做实验时还发现输入正弦波与译码后信号时延不明显等问题。
实验6FSK调制解调实验
一、实验目的
1．掌握FSK调制器的工作原理及性能测试；
2．掌握FSK锁相解调器工作原理及性能测试；
3.学习FSK调制、解调硬件实现，掌握电路调整测试方法。
二、实验仪器
1．信道编码与ASK.FSK.PSK.QPSK调制模块，位号：
A,B位
2．FSK解调模块，位号：
C位
3．时钟与基带数据发生模块，位号：
G位
4．100M双踪示波器
三、实验原理
数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。
由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗群时延性能较强，因此在无线中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。
（一）FSK调制电路工作原理
FSK的调制模块采用了可编程逻辑器件+D/A转换器件的软件无线电结构模式，由于调制算法采用了可编程的逻辑器件完成，因此该模块不仅可以完成ASK，FSK调制，还可以完成PSK，DPSK，QPSK，OQPSK等调制方式。
不仅如此，由于该模块具备可编程的特性，学生还可以基于该模块进行二次开发，掌握调制解调的算法过程。
在学习ASK，FSK调制的同时，也希望学生能意识到，技术发展的今天，早期的纯模拟电路调制技术正在被新兴的技术所替代，因此学习应该是一个不断进取的过程。
图6-1FSK调制电路原理框图
图6-1中，基带数据时钟和数据，通过JCLK和JD两个铆孔输入到可编程逻辑器件中，由可编程逻辑器件根据设置的工作模式，完成ASK或FSK的调制，因为可编程逻辑器件为纯数字运算器件，因此调制后输出需要经过D/A器件，完成数字到模拟的转换，然后经过模拟电路对信号进行调整输出，加入射随器，便完成了整个调制系统。
ASK/FSK系统中，默认输入信号应该为2K的时钟信号，在时钟与基带数据发生模块有2K的M序列输出，可供该实验使用，可以通过连线将时钟和数据送到JCLK和JD输入端。
标有ASK.FSK的输出铆孔为调制信号的输出测量点，可以通过按动模块上的SW01按钮，切换输出信号为ASK或FSK，同时LED指示灯会指示当前工作状态。
（二）FSK解调电路工作原理
图6-2FSK锁相环解调器原理示意图
FSK解调采用锁相解调，锁相解调的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频上，此时对应的环路滤波器输出电压为零，而对另一载频失锁，则对应的环路滤波器输出电压不为零，那末在锁相环路滤波器输出端就可以获得原基带信号的信息。
FSK锁相环解调器原理图如图6-2所示。
FSK锁相解调器采用集成锁相环芯片MC4046。
其中，压控振荡器的频率是由17C02.17R09.17W01等元件参数确定，中心频率设计在32KHz左右，并可通过17W01电位器进行微调。
当输入信号为32KHz时，调节17W01电位器，使环路锁定，经形成电路后，输出高电平；当输入信号为16KHz时，环路失锁，经形成电路后，输出低电平，则在解调器输出端就得到解调的基带信号序列。
四、各测量点和可调元件的作用
1.信道编码与ASK、FSK、PSK、QPSK调制模块（A、B位）
L01：
指示调制状态，L01亮时，ASK,FSK铆孔输出ASK调制信号；
L02：
指示调制状态，L02亮时，ASK,FSK铆孔输出FSK调制信号；
JCLK：
2K时钟输入端；
JD：
2K基带数据输出端；
ASK、FSK：
FSK或ASK调制信号输出端；
SW01：
调制模式切换按钮。
2．FSK解调模块（C位）
17W01：
解调模块压控振荡器的中心频率调整电位器；
17P01：
FSK解调信号输入铆孔；
17TP02：
FSK解调电路中压控振荡器输出时钟的中心频率，正常工作时应为32KHz左右，频偏不应大于2KHz，若有偏差，可调节电位器17W01；
17P02：
FSK解调信号输出，即数字基带信码信号输出，波形同16P01。
五、实验内容及步骤
1．插入有关实验模块
在关闭系统电源的情况下，按照下表放置实验模块：
模块名称
放置位号
时钟与基带数据发生模块
G
信道编码与ASK.FSK.PSK.QPSK调制
A、B
FSK解调模块
C
噪声模块
E
对应位号可见底板右上角的“实验模块位置分布表”，注意模块插头与底板插座的防呆口一致。
2．信号线连接
使用专用导线按照下表进行信号线连接：
源端
目的端
连线作用
4P01（G）
JD（AB）
为FSK调制输入2K的15位m序列；
4P02（G）
JCLK（AB）
为FSK调制输入2K的基带时钟；
ASK、FSK（AB）
3P01（E）
将调制输出送入噪声模块，为FSK调制后信号加噪；
3P02（E）
17P01（C）
将加噪后的调制信号送入FSK解调输入模块；
3．加电
打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。
若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。
4．实验设置
设置拨码器4SW02（G）为“00000”，则4P01产生2K的15位m序列输出，4P02产生2K的码元时钟。
按动SW01（AB）按钮，使L02指示灯亮，“ASK、FSK”铆孔输出为FSK调制信号。
5．FSK调制信号波形观察
用示波器通道1观测“4P01”（G），通道2观测“ASK、FSK”（A&B），调节示波器使两波形同步，观察基带信号和FSK调制信号波形，分析对应“0”和“1”载波频率，记录实验数据。
6．FSK解调观测
●无噪声FSK解调
（1）调节3W01（E），使3TP01信号幅度为0，即传输的FSK调制信号不加入噪声。
（2）用示波器分别观测JD（AB）和17P02（C），对比调制前基带数据和解调后基带数据。
两路数据是否有延时，分析其原理。
（3）调节解调模块上的17W01（C）电位器，使压控振荡器锁定在32KHz，同时注意对比JD（AB）和17P03（C）的信号是否相同。
●加入噪声FSK解调
（1）在保持上述连线（无噪声时）不变的情况下，逐渐调节3W01（E），使噪声电平逐渐增大，即改变信噪比（S/N），观察解调信号波形是否还能保持正确。
（2）用示波器观察3P01（E）和3P02（E），分析加噪前和加噪后信号有什么差别。
7.ASK调制解调观测
ASK调制解调操作和FSK操作类似，不同点在于需调整SW01（AB），使L01指示灯亮，则“ASKFSK”输出为ASK调制。
其他操作和测量参考FSK调制解调完成。
8．关机拆线
实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。
六、实验设置及测量结果
FSK调制解调观测
（1）拨码器开关4SW02（G）设为“00000”，则4P01产生2K的15位m序列输出，4P02产生2K的码元时钟；
（2）按动SW01（AB），使L02指示灯亮，“ASK、FSK”铆孔输出为FSK调制信号；
（3）示波器通道1观测“4P01（G）”，通道2观测“ASK、FSK（A&B）”，调节示波器使两波形同步，观察基带信号和FSK调制信号波形，分析对应的“0”和“1”载波频率。
记录实验数据；
基带数据及FSK调制信号
（4）调节3W01（E），使3TP01信号幅度为0，即传输的FSK调制信号不加入噪声，用示波器分别观测JD（AB）和17P02（C），对比调制前和解调后的基带数据，分析是否有延时。
调制前基带数据及解调后基带数据
（5）保持连线不变，逐渐调节3W01（E），使噪声电平逐渐增大，即改变信噪比（S/N），
观察解调信号波形是否还能保持正确
调制前基带数据和加噪后解调的基带数据
（6）示波器观察3P01（E）和3P02（E），分析加噪前和加噪后信号有什么差别
加噪前FSK调制信号及加噪后FSK调制信号
ASK调制解调观测
ASK调制解调操作和FSK操作类似，不同点在于需调整SW01（AB），使L01指示灯亮，则“ASKFSK”输出为ASK调制
基带数据及ASK调制信号
调制前基带数据及解调后基带数据
加噪前ASK调制信号及加噪后ASK调制信号
七、实验数据分析
实验连线图
FSK调制解调观察实验中，拨码器开关4SW02（G）设为“00000”，则4P01产生2K的15位m序列输出，4P02产生2K的码元时钟。
按动SW01（AB），使L02指示灯亮，“ASK、FSK”铆孔输出为FSK调制信号。
示波器通道1观测“4P01（G）”，通道2观测“ASK、FSK（A&B）”，调节示波器使两波形同步，观察基带信号和FSK调制信号波形，我们发现0对应的载波频率较高，波之间间距小，较密集；1对应的载波频率较低，波之间间距大，较疏。
保持连线不变，逐渐调节3W01（E），使噪声电平逐渐增大，即改变信噪比（S/N），观察解调信号波形已经失真，带宽变得很小，每一个调制前的基带数据在解调后都几乎变成脉冲。
说明加入噪声后，解调后的信号波形已经无法恢复成调制前的信号了。
示波器观察3P01（E）和3P02（E），分析加噪前和加噪后信号，发现加噪后的噪声波形有些不清晰，有“雪花”状的附在波形上，并且幅度比加噪前的减小很多，说明噪声对于波形有很大的影响。
输出数字基带信号序列与发送数字基带信号序列相比有产生延迟，这种解调方式在相位延迟π的情况下会出现调输出的数字基带信号序列反向的问题。
八、实验体会
通过这次实验掌握了FSK和ASK调制解调的基本原理，学习了FSK、ASK调制解调的硬件实现过程，熟悉了电路的调试方法。
经过本次FSK解调实验，对FSK调制解调过程以及ASK调制解调过程原理更加熟悉，也明白了噪声对于FSK／ASK信号的影响。
通过实验观察到噪声将对FSK和ASK调制解调系统产生影响，输出的数字基带信号序列与发送的数字基带信号序列相比会产生延迟，所以在实际应用中还需要位同步时钟的提取。
在对FSK调制信号添加噪声时，噪声的含量控制不好，经常出现：
噪声调节太小，FSK会看不出调节了噪声；将噪声稍微加大一点，又会发现FSK加噪后的信号紊乱，无法观察实验现象。
调节噪声也就是旋转按钮的力度十分关键。
实验七、眼图观察测量实验
一、实验目的
1.学会观察眼图及其分析方法，调整传输滤波器特性。
二、实验仪器
1.眼图观察电路（底板右下侧）
2．时钟与基带数据发生模块，位号：
G
3．噪声模块，位号E
4．100M双踪示波器1台
三、实验原理
在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善（通过调整）传输系统性能。
我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。
在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。
为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。
眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。
什么是眼图?
所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元时钟作为同步信号，基带信号一个或少数码元周期反复扫描在示波器屏幕上显示的波形称为眼图。
干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。
因为对于二进制信号波形，它很像人的眼睛故称眼图。
在图7-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真（码间串扰）。
图7-1中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。
眼图中央的垂直线表示取样时刻。
当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。
在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：
+1或-1。
当波形有失真时，“眼睛”部分闭合，取样时刻信号取值就分布在小于+1或大于-1附近。
这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。
换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。
“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。
为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图7-2的形状。
由此图可以看出：
（1）最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；
（2）眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；（3）在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；（4）在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；（5）阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。
实验室理想状态下的眼图如图7-3所示。
衡量眼图质量的几个重要参数有：
1．眼图开启度（U-2ΔU）/U
指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。
无畸变眼图的开启度应为100%。
图7-1无失真及有失真时的波形及眼图
（a）无码间串扰时波形；无码间串扰眼图
（b）有码间串扰时波形；有码间串扰眼图
图7-2眼图的重要性质
其中U=U++U-
2．“眼皮”厚度2ΔU/U
指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。
3．交叉点发散度ΔT/T
指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。
4．正负极性不对称度
指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。
无畸变眼图的极性不对称度应为0。
最后，还需要指出的是：
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，也不能完全保证判决全部正确。
不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。
在图7-3中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。
本实验主要是完成PSK解调输出基带信号的眼图观测实验。
（a）二进制系统（b）随机数据输入后的二进制系统
图7-3实验室理想状态下的眼图
四、各测量点和可调元件作用
底板右下侧“眼图观察电路”
W06：
接收滤波器特性调整电位器。
P16：
眼图观察信号输入点。
P17：
接收滤波器输出升余弦波形测试点（眼图观察测量点）。
五、实验步骤
1．插入有关实验模块：
在关闭系统电源的情况下，按照下表放置实验模块：
模块名称
放置位号
时钟与基带数据发生模块
G
噪声模块
E
对应位号可见底板右上角的“实验模块位置分布表”，注意模块插头与底板插座的防呆口一致。
2．信号线连接
使用专用导线按照下表进行信号线连接：
源端
目的端
连线作用
4P01（G）
3P01（E）
将待传输的码元数据送入高斯白噪声信道；
3P02（E）
P16（底板）
将经过加噪后的信号送入眼图观察电路；
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