通信原理实验邓国辉资料.docx
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通信原理实验邓国辉资料
通
信
原
理
实
验
内
容
目录
实验一常用信号的观察3
实验二信号的抽样与恢复4
实验三ASK调制与解调实验8
实验四FSK调制与解调实验11
实验五脉冲编码调制与解调14
实验一常用信号的观察
一、实验目的
1．了解常用信号的波形和特点；
2．了解相应信号的参数；
3．学习示波器的应用；
二、实验设备
1．THBCC-1型信号与系统—控制理论及计算机控制技术试验平台。
2．双踪慢扫描示波器1台。
3．PC机（安装数字信号发生器的软件），串口通信线一根。
三、实验内容
1、观察常用信号，如：
正弦波、方波、三角波、锯齿波及一些组织函数波形如
2、用示波器测量信号，读出信号的幅度和频率，并用坐标纸记录信号的波形
四、实验原理说明
描述信号有多种方法，可是是数学表达式（时间的函数），也可以是函数图形（即为信号的波形）
对于各种信号可分为周期信号和非周期信号；连续信号和离散信号。
五、实验步骤
1.连接数字信号发生器的串口通信线，打开数字信号发生器的电源。
2.运行上位机的波形发生器软件，选择串口和波特率，然后选择波形，点击发送数据，用示波器观察输出的波形
3.选择不同的频率，观察输出波形的变化
五、实验报告
根据实验测得的数据，绘出各种信号波形图，并写出相应数学函数表达式。
实验二信号的抽样与恢复
一、实验目的
1.了解电信号的抽样方法与过程以及信号恢复的方法。
2.观察连续时间信号经抽样后的波形图，了解其波形特点。
3.验证抽样定理并恢复原信号。
二、实验内容
1.用示波器观察不同的抽样频率抽样得到的抽样信号。
2.用示波器观察各抽样信号经低通滤波器恢复后的信号并验证抽样定理。
三、实验仪器
1.信号与系统实验箱一台
2.3000XH-5实验模块一块
3.双踪示波器或虚拟示波器一台
4.连接线若干
四、实验原理
利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。
在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真的恢复出原始信号。
抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。
数字通信系统是以此定理作为理论基础。
抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。
抽样定理指出：
一个频带受限信号m（t），如果它的最高频率为fh，则可以唯一的由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。
抽样信号的时域与频域变化过程如图3-1所示：
-ωs-ωm0ωmωs
t
ω
图2-1抽样信号的时域与频域变化过程
信号的抽样与恢复方框图和电路原理图分别如图2-2、2-3所示。
原信号恢复后的信号
图2-2信号的抽样与恢复电路框图
图2-3信号的抽样与恢复电路原理图
五、实验步骤
本实验使用3000XH-5实验模块中的信号的抽样与恢复部分。
1.熟悉信号的抽样与恢复的工作原理。
接好电源线，将3000XH-5实验模块固定于信号系统实验平台上，连接好实验模块电源，打开实验箱电源开关，按下模块电源按钮，检查模块灯亮，实验箱开始正常工作.
2.将同步信号源单元产生的VPP＝2V、f0＝1KHz的正弦波和f0＝2KHz的方波分别送入待抽样信号输入点S_IN和抽样脉冲信号输入点SQU_IN，将PAM_OUT端信号送入LP_IN端，用示波器分别观察抽样信号输出点PAM_OUT和恢复后的信号输出点S_OUT的波形并将实验数据记录下来（实验中低通滤波器的截止频率fC＝1KHz）。
3.改变抽样脉冲信号的频率，分别将f0＝8KHz、16KHz的方波送入抽样脉冲信号输入点SQU_IN，重复实验步骤2，比较在不同的抽样频率下恢复后的信号波形之间的差别并得出结论。
4.将同步信号源单元产生的VPP＝2V、f0＝1KHz的三角波作为待抽样信号送入S_IN，重复上述实验步骤。
注：
由于电路设计原因，本模块输出点波形含有一定量的直流分量。
六、输入、输出点参考说明
1.输入点参考说明
S_IN：
原信号（待抽样信号）输入点。
LP_IN：
恢复后的信号输入点。
SQU_IN：
抽样脉冲信号输入点。
2.输出点参考说明
PAM_OUT：
抽样信号输出点。
S_OUT：
恢复后的信号输出点。
七、实验报告要求
1.整理并绘出原信号、抽样信号及恢复后的信号波形。
2.比较在几种不同抽样频率情况下原信号与恢复后的信号波形，并得出结论。
1．比较原信号分别为正弦波和三角波，其抽样信号波形的特点。
实验三ASK调制与解调实验
一、实验目的
1、掌握用键控法产生ASK信号的方法；
2、掌握ASK非相干解调的原理。
二、实验内容
1、观察ASK调制信号波形；
2、观察ASK解调信号波形。
三、实验仪器
1、信号源模块
2、模块3、4、7
3、连接线若干
4、20M双踪示波器一台
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字调制。
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的变化而变化的。
使载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“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信号的产生方法比较简单。
首先，因2ASK信号的特征是对载波的“通－断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门，由二进制序列s（t）控制门的通断,s（t）＝1时开关导通；s（t）＝0时开关截止，这种调制方式称为通－断键控法。
其次，2ASK信号可视为s（t）与载波的乘积，故用模拟乘法器实现2ASK调制也是很容易想到的另一种方式，称其为乘积法。
2、2ASK解调原理
2ASK解调有非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）两种方法。
五、实验框图
图3.1ASK调制原理
图3.2ASK解调原理
六、实验步骤
（一）ASK调制实验
1、将信号源模块和模块3、4、7固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。
2、按照下表进行实验连线：
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
PN（8K）
模块3：
ASK-NRZ
S4拨为“1100”，PN是8K伪随机码
信号源：
64K同步正弦波
模块3：
ASK载波
提供ASK调制载波，幅度为4V
*检查连线是否正确，检查无误后打开电源
3、以信号输入点“ASK-NRZ”的信号为内触发源，用示波器观察点“ASK-OUT”输出的波形，即为PN码经过ASK调制后的波形。
4、通过信号源模块上的拨码开关S4控制产生PN码，改变送入的基带信号，同时改变载波频率，重复上述实验。
实验结束关闭电源。
（二）ASK解调实验
1、接着上面ASK调制实验继续连线：
源端口
目的端口
连线说明
模块3：
ASK-OUT
模块4：
ASKIN
ASK解调输入
模块3：
ASK-DOUT
模块7：
DIN
锁相环法位同步提取信号输入
模块7：
BS
模块4：
ASK-BS
提取的位同步信号
*检查连线是否正确，检查无误后再次打开电源
2、将模块7上的拨码开关S2拨为“1000”，观察模块4上信号输出点“ASK-DOUT”处的波形，把电位器W3顺时针拧到最大，并调节的电位器W1（改变判决门限），直到在“ASK-DOUT”处观察到稳定的PN码。
3、观察ASK解调输出“OUT1”处波形，并与信号源产生的PN码进行比较。
调制前的信号与解调后的信号应相同，相位有一定偏移。
4、通过信号源模块上的拨码开关S4控制产生PN码，改变送入的基带信号，同时改变载波频率，重复上述实验。
5、实验结束关闭电源，拆除连线，整理实验数据与波形，完成实验报告。
图3.3部分试验结果图
七、实验报告要求
1.整理实验数据与波形，完成实验报告。
实验四FSK调制与解调实验
一、实验目的
1、掌握用键控法产生FSK信号的方法；
2、掌握2FSK过零检测解调的原理。
二、实验内容
1、观察FSK调制信号波形；
2、观察FSK解调信号波形；
3、观察FSK过零检测解调器各点波形。
三、实验仪器
1、信号源模块
2、模块3
3、模块4
4、模块7可选
5、20M双踪示波器一台
6、连接线若干
四、实验原理
1、2FSK调制原理
2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为f0时代表传0，载频为f1时代表传1。
显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以f0和f1为载频、以an和~an为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。
2FSK信号的产生通常有两种方式：
（1）频率选择法；
（2）载波调频法。
在这里，我们采用的是频率选择法。
2、2FSK解调原理
FSK有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等。
这里采用的是过零检测法对FSK调制信号进行解调。
大家知道，2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。
五、实验框图
图4.1FSK调试原理框图
图4.2FSK解调原理框图
六、实验步骤
（一）FSK调制实验
1、将信号源模块和模块3、4、7固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。
2、按照下表进行实验连线
表4.1连线
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
PN（8K）
模块3：
FSK-NRZ
S4拨为“1100”，PN是8K伪随机码
信号源：
128K同步正弦波
模块3：
载波A
提供FSK调制A路载波，幅度为4V
信号源：
64K同步正弦波
模块3：
载波B
提供FSK调制B路载波，幅度为4V
*检查连线是否正确，检查无误后打开电源
3、将模块3上拨码开关S1都拨上。
以信号输入点“FSK-NRZ”的信号为内触发源，用双踪示波器同时观察点“FSK-NRZ”和点“FSK-OUT”输出的波形。
4、单独将S1拨为“01”或“10”，在“FSK-OUT”处观测单独载波调制波形。
5、通过信号源模块上的拨码开关S4控制产生PN码，改变送入的基带信号，同时改变载波频率，重复上述实验。
6、实验结束关闭电源。
（二）FSK解调实验
1、接着上面FSK调制实验继续连线：
表4.2连线
源端口
目的端口
连线说明
模块3：
FSK-OUT
模块4：
FSKIN
FSK解调输入
模块3：
FSK-DOUT
模块7：
DIN
锁相环法位同步提取信号输入
模块7：
BS
模块4：
FSK-BS
提取的位同步信号
*检查连线是否正确，检查无误后再次打开电源
2、将模块7上的拨码开关S2拨为“1000”，观察模块4上信号输出点“FSK-DOUT”处的波形，并调节模块4上的电位器W5（顺时针拧到最大），直到在该点观察到稳定的PN码。
3、用示波器双踪分别观察模块3上的“FSK-NRZ”和模块四上的“OUT2”处的波形，将“OUT2”处FSK解调信号与信号源产生的PN码进行比较。
4、通过信号源模块上的拨码开关S4控制产生PN码，改变送入的基带信号，同时改变载波频率，重复上述实验。
5、实验结束关闭电源，拆除连线，整理实验数据及波形完成实验报告。
附：
实验参考波形
实验五脉冲编码调制与解调
一、实验目的
1、掌握脉冲编码调制与解调的原理；
2、掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法；
3、了解脉冲编码调制信号的频谱特性；
4、了解大规模集成电路TP3067的使用方法。
二、实验内容
1、观察脉冲编码调制与解调的结果，分析调制信号与基带信号之间的关系；
2、改变基带信号幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况；
3、改变基带信号的频率，观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况；
4、改变位同步时钟，观测脉冲编码调制波形。
三、实验仪器
1、信号源模块一块
2、模块2一块
3、20M双踪示波器一台
4、立体声耳机一副
5、连接线若干
四、实验原理
（一）基本原理
模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，当这些连续变化的抽样值通过有噪声的信道传输时，接收端就不能对所发送的抽样准确地估值。
如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能对所发送的抽样准确地估值，从而有可能消除随机噪声的影响。
脉冲编码调制（PCM）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。
PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。
抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。
国际标准化的PCM码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。
编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。
预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300Hz～3400Hz左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。
在整个PCM系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码。
通常，用信噪比S/N来表示。
国际电报电话咨询委员会（ITU-T）详细规定了它的指标，还规定比特率为64kb/s，使用A律或律编码律。
1、量化
（5.1）
从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。
如图4-2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，…，L。
yk常称为重建电平或量化电平。
当量化器输入信号幅度x落在xk与xk+1之间时，量化器输出电平为yk。
这个量化过程可以表达为：
，这里xk称为分层电平或判决阈值。
通常称为量化间隔。
均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。
因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。
通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。
为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。
对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。
它与均匀量化相比，有两个突出的优点。
首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。
因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。
实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。
通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。
广泛采用的两种对数压缩律是μ压缩律和A压缩律。
美国采用μ压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，本实验模块采用的PCM编码方式也是A压缩律。
2、编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。
当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。
在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：
低速编码和高速编码。
通信中一般都采用第二类。
编码器的种类大体上可以归结为三类：
逐次比较型、折叠级联型、混合型。
本实验模块中的编码芯片TP3067采用的是逐次比较型。
在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。
下面结合13折线的量化来加以说明。
在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。
若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。
具体的做法是：
用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。
其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
这样处理的结果，8个段落被划分成27＝128个量化级。
可见，上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。
（二）实验电路说明
本实验采用大规模集成电路TP3067对语音信号进行PCM编、解码。
TP3067在一个芯片内部集成了编码电路和译码电路，是一个单路编译码器。
其编码速率为2.048MHz，每一帧数据为8位，帧同步信号为8KHz。
模拟信号在编码电路中，经过抽样、量化、编码，最后得到PCM编码信号。
在单路编译码器中，经变换后的PCM码是在一个时隙中被发送出去的，在其他的时隙中编译码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM帧（32个时隙）里，只在一个特定的时隙中发送编码信号。
同样，译码电路也只是在一个特定的时隙（此时隙应与发送时隙相同，否则接收不到PCM编码信号）里才从外部接收PCM编码信号，然后进行译码，经过带通滤波器、放大器后输出。
五、实验框图
图5.1实验框图
六、实验步骤
1、将信号源模块和模块2固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，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，将信号源模块和模块2的电源开关拨下，观察指示灯是否点亮，红灯为+5V电源指示灯，绿灯为-12V电源指示灯，黄色为+12V电源指示灯。
（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，再打开电源做实验，不要带电连线）。
3、观测PCM编、译码波形。
（1）用示波器测量信号源板上“2K同步正弦波”点，调节信号源板上手调电位器W1使输出信号峰-峰值在3V左右
（2）将信号源板上S4设为0111（时钟速率为256K），S5设为0100（时钟速率为2.048M）。
（3）关闭系统电源，进行如下连线：
表5.1连线
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
2K同步正弦波
模块2：
SININ-A
提供音频信号
信号源：
CLK2
模块2：
MCLK
提供TP3067工作的主时钟（2.048M）
信号源：
CLK1
模块2：
BSX
提供位同步信号（256K）
信号源：
FS
模块2：
FSXA
提供帧同步信号
模块2：
FSXA
模块2：
FSRA
自环实验，直接将接收和发送帧同步相连
模块2：
BSX
模块2：
BSR
自环实验，直接将接收和发送帧同步相连
模块2：
PCMOUT-A
模块2：
PCMIN-A
将编码结果送入PCM译码电路进行译码
（4）用示波器观测各测试点以及PCM编码输出点“PCMOUT-A”和解调信号输出点“SINOUT-A”输出的波形。
（5）改变位时钟为2.048M（将S4设为0100），观测PCM调制和解调波形。
4、把2K同步正弦波改成非同步正弦波输入，调节W4改变输入正弦信号的频率，使其频率分别大于3400Hz或小于300Hz，观察点“PCMOUT-A”、“SINOUT-A”的输出波形，记录下来（应可观察到，当输入正弦波的频率大于3400Hz或小于300Hz时，PCM解码信号的幅度急剧减小）。
5实验结束。
图5.2部分参考实验波形
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