现代通讯原理1实验讲义.docx
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现代通讯原理1实验讲义
第一部分现代通信原理实验系统概述2
1.1实验系统简介2
1.2实验系统组成2
1.3现代通信原理实验箱使用说明4
第二部分现代通信原理实验2
实验一AMI和HDB3码型变换实验2
实验二CMI码型变换实验5
实验三PAM编译码器系统9
实验四PCM编译码器系统12
实验五FSK传输系统实验14
实验六BPSK传输系统实验22
实验七帧成型及其传输实验32
实验八帧同步提取系统实验35
第一部分现代通信原理实验系统概述
1.1实验系统简介
通信原理综合实验系统中，涉及有数字调制解调技术、纠错编译码技术、语音编码技术、数字复接技术、基带传输技术、电话接口技术、数字接口技术等。
该系统将当今的核心技术和新器件融入通信原理课程，其具有以下特点：
1.先进性：
数字信号处理（DSP）技术+PFGA技术；
2.全面性：
通过这些测试接口，可以对每一种电路模块的功能和性能有一个全面的了解。
3.系统性：
每个电路测试模块可以放入多个系统中进行综合实验，
4.基础性：
与当今通信原理课程和教学大纲结合紧密；
5.使用性：
便于老师对实验内容的组织和实施。
1.2实验系统组成
在通信原理综合实验系统中，主要由下列功能模块组成：
1、显示控制模块
2、FPGA初始化模块
3、信道接口模块
4、DSP+FPGA处理模块
5、D/A模块
6、中频调制模块
7、中频解调模块
8、A/D模块
9、测试模块
10、汉明编码模块
11、汉明译码模块
12、噪声模块
13、电话接口（1、2）模块
14、DTMF（1、2）模块
15、PAM模块
16、ADPCM（1、2）模块
17、CVSD发模块
18、CVSD收模块
19、帧传输复接模块
20、帧传输解复接模块
21、AMI/HDB3码模块
22、CMI编码模块
23、CMI译码模块
24、模拟锁相环模块
25、数字锁相环模块
在该硬件平台中，模块化功能较强，其电路布局见图1.2.1所示。
对于每一个模块，在PCB板上均由白色线条将其明显分割开来，每个测试模块都能单独开设实验，便于教学与学习。
在通信原理综合实验系统中，电源插座与电源开关在机箱的后面，电源模块在该实验平台电路板的下面，它主要完成交流220V到+5V、+12V、-12V的直流变换，给整个硬件平台供电。
在平台上具有友好的人机接口界面设计，学生可以通过键盘选择相应的工作模式与设置有关参数。
菜单可选择方式及设置参数1.3一节。
通信原理综合实验系统通过下面几个端口与外部进行连接：
1.JH02（实验箱左端同步口模块内）：
同步数据接口方式。
该接口电平特性为RS422，通过该端口接收外部来的发送数据，并送入调制器中；同时将解调器解调之后的数据通过该端口送往外部设备。
在该接口中，还包括调制解
调器提供的收发时钟信号。
在使用RS422接口时需要通过菜单设置，选择调制器输入信号为“外部数据信号”。
2.K002（实验箱中上部左端的中频Q9连接器）：
为中频发送信号连接器，调制后的中频信号通过该口对外输出，一般通过中频同轴电缆送入信道仿真平台（JH6001）或自环送到接收端设备。
3.JL02（实验箱中上部右端的中频Q9连接器）：
从信道中来的中频信号（如加噪后的中频信号、无线衰落后的低中频信号）由该端口输入，送入解调模块中进行解调。
4.J007（数字测试信号输入）、J005（模拟测试信号输入）、J006（地）（在实验箱左端的信号输入接头）：
为测试信号输入湍，用于向通信原理综合实验系统中送入各种测试信号。
测试信号的输入能否加入测试模块还与测试模块的跳线器设置有关，具体见测试步骤。
5.JF01、JG01：
标准异步数据端口A（JF01）和B（JG01）。
A到B的异步传输经过信道传输，B到A为直通方式。
通信原理综合实验系统接口布局见图1.2.2所示。
在通信原理综合实验系统中，为便于学习和实验，各项实验内容是以模块进行划分，每个测试模块可以单独开设实验。
各模块之间的系统连接见图1.2.3所示。
由图可以看出，在系统中通信双方的传输信道是不对称的。
从用户电话1向用户电话2的信号支路是以无线信道传输技术为主，信号流程为：
用户电话接口1→话音编码1→汉明纠错编码→信道调制→加噪信道→信道解调→汉明译码→话音解码2→用户电话接口2。
HDB3
CMI
从用户电话2向用户电话1的信号支路是以有线信道传输技术为主，信号流程为：
用户电话接口2→话音编码2→信道复接→线路编码（HDB3/CMI）→线路译码→信道解复接→话音解码1→用户电话接口1。
这样设计实验系统的目的是为了在不增加成本的条件下最大限度的增加系统实验内容，加强学生的动手能力，便于将各测试模块放在不同系统中进行测试、比较，加强学生对各模块在系统中的地位、作用、性能的掌握，使学生对通信系统有一个较全面的了解，同时老师可以根据实验实际课时对实验项目进行组织和优化。
在每一个模块中，都有测试点与测试插座对应信号点的定义。
1.3现代通信原理实验箱使用说明
在通信原理综合实验系统中，各模块的功能实现，需初始化不同的FPGA程序与数字信号处理DSP程序，并对它们进行一定的管理。
这些都是通过操作界面，让学生进行选择、控制。
在系统加电之后，系统按照上次关机前选择的模式进行初始化，在这期间DSP+FPGA模块中的初始化灯（DV01）熄灭。
当初始化完成之后，初始化灯亮。
在这之后大约经过5秒钟之后，完成相应模式参数的设置。
在这过程中，液晶显示器一直显示以下内容：
通信原理实验
完成初始化与参数设定后，液晶显示：
调制方式选择
之后，将等待学生的输入，学生必须按下箭头键（除复位键外，其它键将不起作用），将进入前一次学生选择的界面。
学生通过上、下箭头键进行下列菜单的选择：
菜单１：
调制方式选择（该菜单上只有下箭头和右箭头起作用）菜单１1：
m序列
菜单２：
FSK传输系统菜单１2：
工作方式选择菜单１3：
匹配滤波
菜单３：
BPSK传输系统菜单14：
PCM
菜单４：
DBPSK传输系统菜单15：
ADPCM（在该菜单上只有上箭头和左箭头起作用）
通过上下箭头，学生可以在菜单１到菜单15之间移动，对已选择的模式或参数的菜单打勾，否则显示小手。
如要选择某一种模式，当移至该菜单时按确认键即可。
当学生可在菜单2到菜单4任一菜单上进行确认时，系统对学生选择的模式进行初始化，在这期间左边的初始化灯（DV01）熄灭。
当初始化完成之后，初始化灯亮。
在这之后大约经过5秒钟，完成相应模式参数的设置，并且在该菜单上打勾。
菜单2－4是调制方式选择；菜单6－11是输入数据选择；菜单13是一个复选菜单：
第一次确认选择，第二次按确认则取消该参数的设置；菜单14－15是语音编码方式选择
菜单5：
输入数据选择
菜单6：
外部数据信号
菜单7：
全１码
菜单8：
全０码
菜单9：
０／１码
菜单１0：
特殊码序列
JH5001跳线初始位置状态图
O
N
I
K
L/LZ
SWO01
Ki01
Ki02
G
W
J
DC
/DC
DSP+FPGA
KW01
KW02
KW03
C
SWC01
KC01
MZ
H
1
5
K501
K502K503
K504
7
4
K601K602
K603
K604
K604
K301
KQ02KO01
K401
8
9
2
6
k202K202K201
k203
K902
K901
K801
K701
K702
K101
K102
X
B
P
D
Y
注：
虚线框内字母为测试点TPX0Y中的X.
KB01
KB02
KP01
KB03
KP02
Kx01KX02
KX04
KX03
KD02
KD01
KD03
SWB01
SWB02
液晶显示与键盘输入
第二部分现代通信原理实验
实验一AMI和HDB3码型变换实验
一、实验目的
了解二进制单极性码变换为AMI/HDB3码的编码规则；
熟悉HDB3码的基本特征；
熟悉HDB3码的编译码器工作原理和实现方法；
根据测量和分析结果，画出电路关键部位的波形；
二、实验内容
AMI码编码规则验证
AMI码译码和时延测量
AMI编码信号中同步时钟分量定性观测
AMI译码位定时恢复测量
HDB3码变换规则验证
HDB3码译码和时延测量
HDB3编码信号中同步时钟分量定性观测
HDB3译码位定时恢复测量
三、实验仪器
1．JH5001通信原理综合实验系统一台
2．20MHz双踪示波器一台
四、原理与电路
AMI码的全称是传号交替反转码。
这是一种将消息代码0（空号）和1（传号）按如下规则进行编码的码：
代码的0仍变换为传输码的0，而把代码中的1交替地变换为传输码的+1、–1、+1、–1…
由于AMI码的传号交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。
由此看出，这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。
由AMI码的编码规则看出，它已从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列，即把一个二进制符号变换成一个三进制符号。
把一个二进制符号变换成一个三进制符号所构成的码称为1B/1T码型。
AMI码除有上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点，它是一种基本的线路码，并得到广泛采用。
但是，AMI码有一个重要缺点，即接收端从该信号中来获取定时信息时，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。
为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种类的改进AMI码，HDB3码就是其中有代表性的一种。
HDB3码的全称是三阶高密度双极性码。
它的编码原理是这样的：
先把消息代码变换成AMI码，然后去检查AMI码的连0串情况，当没有4个以上连0串时，则这时的AMI码就是HDB3码；当出现4个以上连0串时，则将每4个连0小段的第4个0变换成与其前一非0符号（＋1或–1）同极性的符号。
显然，这样做可能破坏“极性交替反转”的规律。
这个符号就称为破坏符号，用V符号表示（即+1记为+V,–１记为–V）。
为使附加V符号后的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻V符号也应极性交替。
这一点，当相邻符号之间有奇数个非０符号时，则是能得到保证的；当有偶数个非0符号时，则就得不到保证，这时再将该小段的第1个0变换成+B或–B符号的极性与前一非0符号的相反，并让后面的非0符号从V符号开始再交替变化。
虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。
从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包括B在内）。
这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有–1变成+1后便得到原消息代码。
HDB3码是CCITT推荐使用的线路编码之一。
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，这对于定时信号的恢复是十分有利的。
AMI/HDB3频谱示意图参见图1。
在通信原理综合试验箱中，采用了CD22103专用芯片（UD01）实现AMI／HDB3的编译码实验，在该电路模块中，没有采用复杂的线圈耦合的方法来实现HDB3码字的转换，而是采用运算放大器（UD02）完成对AMI/HDB3输出进行电平变换。
变换输出为双极性码或单极性码。
由于AMI/HDB3为归零码，含有丰富的时钟分量，因此输出数据直接送到位同步提取锁相环（PLL）提取接收时钟。
AMI/HDB3编译码系统组成框图见图2。
接收时钟的锁相环（PLL）提取电路框图见第二章模拟锁相环一节的图2。
AMI/HDB3编译码系统组成电原理图见图2。
输入的码流进入UD01的1脚，在2脚时钟信号的推动下输入UD01的编码单元，HDB3与AMI由跳线开关KD03选择。
编码之后的结果在UD01的14（TPD03）、15（TPD04）脚输出。
输出信号在电路上直接返回到UD01的11、13脚，由UD01内部译码单元进行译码。
通常译码之后TPD07与TPD01的波形应一致，但由于当前的输出HDB3码字可能与前4个码字有关，因而HDB3的编译码时延较大。
运算放大器UD02A构成一个差分放大器，用来将线路输出的HDB3码变换为双极性码输出（TPD05）。
运算放大器UD02B构成一个相加器，用来将线路输出的HDB3码变换为单极性码输出（TPD08）。
跳线开关KD01用于输入编码信号选择：
当KD01设置在Dt位置时（左端），输入编码信号来自复接模块的TDM帧信号；当KD01设置在M位置时（右端），输入编码信号来自本地的m序列，用于编码信号观测。
本地的m序列格式受CMI编码模块跳线开关KX02控制：
KX02设置在1_2位置（左端），为15位周期m序列（111100010011010）；KX02设置在2_3位置（右端），为7位周期m序列（1110010）。
跳线开关KD02用于选择将双极性码或单极性码送到位同步提取锁相环提取收时钟：
当KD02设置在1_2位置（左端），输出为双极性码；当KD02设置2_3位置（右端），输出为单极性码。
跳线开关KD03用于AMI或HDB3方式选择：
当KD03设置在HDB3状态时（左端）UD01完成HDB3编译码系统；当KD03设置在AMI状态时（右端），UD01完成AMI编译码系统。
，
该模块内各测试点的安排如下：
1、TPD01：
编码输入数据（256Kbps）
2、TPD02：
256KHz编码输入时钟（256KHz）
3、TPD03：
HDB3输出+
4、TPD04：
HDB3输出–
5、TPD05：
HDB3输出（双极性码）
6、TPD06：
译码输入时钟（256Kbps）
7、TPD07：
译码输出数据（256Kbps）
8、TPD08：
HDB3输出（单极性码）
五、实验步骤
1.AMI码编码规则验证
（1）首先将输入信号选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）、单/双极性码输出选择开关设置KD02设置在2_3位置（右端）、AMI/HDB3编码开关KD03设置在AMI位置（右端），使该模块工作在AMI码方式。
将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在2_3位置（右端），产生7位周期m序列。
用示波器同时观测输入数据TPD01和AMI输出双极性编码数据TPD05波形及单极性编码数据TPD08波形，观测时用TPD01同步。
分析观测输入数据与输出数据关系是否满足AMI编码关系，画下一个M序列周期的测试波形。
（2）将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列。
重复上述测试步骤，记录测试结果。
（3）将输入数据选择跳线开关KD01拔除，将示波器探头从TPD01测试点移去，使输入数据端口悬空产生全1码。
重复上述测试步骤，记录测试结果。
（4）将输入数据选择跳线开关KD01拔除，用一短路线一端接地，另一端十分小心地插入测试孔TPD01，使输入数据为全0码（或采用将示波器探头接入TPD01测试点上，使数据端口不悬空，则输入数据亦为全0码）。
重复上述测试步骤，记录测试结果。
2.AMI码译码和时延测量
（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）；将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列；将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。
用示波器同时观测输入数据TPD01和AMI译码输出数据TPD07波形，观测时用TPD01同步。
观测AMI译码输出数据是否满正确，画下测试波形。
问：
AMI编码和译码的数据时延是多少？
（2）将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在2_3位置（右端），产生7位周期m序列。
重复上译步骤测量，记录测试结果。
问：
此时AMI编码和译码的数据时延是多少？
思考：
数据延时量测量因考虑到什么因素？
3.AMI编码信号中同步时钟分量定性观测
（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端），将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置，产生15位周期m序列；将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。
将极性码输出选择跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）产生单极性码输出，用示波器测量模拟锁相环模块TPP01波形；然后将跳线开关KD02设置在1_2位置（左端）产生双极性码输出，观测TPP01波形变化。
通过测量结果回答：
①AMI编码信号转换为双极性码或单极性码后，那一种码型时钟分量更丰富，为什么？
②接收机应将接收到的信号转换成何种码型才有利于收端位定时电路对接收时钟进行提取。
（2）将极性码输出选择跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）产生单极性码输出，使输入数据为全“1”码（方法见1），重复上述测试步骤，记录分析测试结果。
（3）使输入数据为全“0”码（方法见1），重复上述测试步骤，记录测试结果。
思考：
具有长连0码格式的数据在AMI编译码系统中传输会带来什么问题，如何解决？
4．AMI译码位定时恢复测量
（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端），将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2（或2_3）位置，将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。
先将跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）单极性码输出，用示波器测量同时观测发送时钟测试点TPD02和接收时钟测试点TPD06波形，测量时用TPD02同步。
此时两收发时钟应同步。
然后，再将跳线开关KD02设置在1_2位置（左端）双极性码输出，观测TPD02和TPD06波形。
记录和分析测量结果。
（2）将跳线开关KD02设置回2_3位置（右端）单极性码输出，再将跳线开关KD01拨除,使输入数据为全1码或全0码（方法见1）。
重复上述测试步骤，记录分析测试结果。
思考：
为什么在实际传输系统中使用HDB3码？
用其他方法行吗（如扰码）？
5.HDB3码变换规则验证
（1）首先将输入信号选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）、单/双极性码输出选择开关设置KD02设置在2_3位置（右端）、AMI/HDB3编码开关KD03设置在HDB3位置（左端），使该模块工作在HDB3码方式。
将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在2_3位置（右端），产生7位周期m序列。
用示波器同时观测输入数据TPD01和AMI输出双极性编码数据TPD05波形及单极性编码数据TPD08波形，观测时用TPD01同步。
分析观测输入数据与输出数据关系是否满足AMI编码关系，画下一个M序列周期的测试波形。
（2）将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列。
重复上述测试步骤，记录测试结果。
（3）使输入数据端口悬空产生全1码（方法同1），重复上述测试步骤，记录测试结果。
（4）使输入数据为全0码（方法同1），重复上述测试步骤，记录测试结果。
6.HDB3码译码和时延测量
（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）；将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列；将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。
用示波器同时观测输入数据TPD01和HDB3译码输出数据TPD07波形，观测时用TPD01同步。
分析观测HDB3编码输入数据与HDB3译码输出数据关系是否满足HDB3编译码系统要求，画下测试波形。
问：
HDB3编码和译码的数据时延是多少？
（2）将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在2_3位置（右端），产生7位周期m序列。
重复上译步骤测量，记录测试结果。
问：
此时HDB3编码和译码的数据时延是多少，为什么？
7.HDB3编码信号中同步时钟分量定性观测
（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端），将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置，产生15位周期m序列；将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。
将极性码输出选择跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）产生单极性码输出，用示波器测量模拟锁相环模块TPP01波形；然后将跳线开关KD02设置在1_2位置（左端）产生双极性码输出，观测TPP01波形变化根据测量结果思考：
HDB3编码信号转换为双极性码和单极性码中那一种码型时钟分量丰富。
（2）将极性码输出选择跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）产生单极性码输出，使输入数据为全“1”码（方法见1），重复上述测试步骤，记录分析测试结果。
（3）使输入数据为全“0”码（方法见1），重复上述测试步骤，记录测试结果。
分析总结：
HDB3码与AMI码有何不一样的结果？
8.HDB3译码位定时恢复测量
（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端），将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2（或2_3）位置，将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。
先将跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）单极性码输出，用示波器测量同时观测发送时钟测试点TPD02和接收时钟测试点TPD06波形，测量时用TPD02同步。
此时两收发时钟应同步。
然后，再将跳线开关KD02设置在1_2位置（左端）双极性码输出，观测TPD02和TPD06波形。
记录和分析测量结果。
根据测量结果思考：
接收端为便于提取位同步信号，需对收到的HDB3编码信号做何处理？
（2）将跳线开关KD02设置回2_3位置（右端）单极性码输出，再将跳线开关KD01拔除，使输入数据为全1码或全0码（方法见1）。
重复上述测试步骤，记录分析测试结果。
六．实验报告
1.根据实验结果，画出主要测量点波形；
2.根据测量结果，分析AMI码和HDB3码收时钟提取电路受输入数据影响的关系；
3.总结HDB3码的信号特征。
实验二CMI码型变换实验
一．实验目的
1．掌握CMI码的编码规则
2．熟悉CMI编译码系统的特性
二．实验内容
1．CMI码编码规则测试；
2．1码状态记忆测量；
3．CMI码解码波形测试；
4．CMI码编码加错波形观测；
5．CMI码检错功能测试；
6．CMI译码同步观测；
7．抗连0码性能测试。
三．实验仪器
1．JH5001通信原理综合实验系统一台
2．20MHz双踪示波器一台
四．原理与电路
在实际的基带传输系统中，并不是所有码字都能在信道中传输。
例如，含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变。
同时，一般基带传输系统都从接收到的基带信号流中提取收定时信号，而收定时信号却又依赖于传输的码型，如果码型出现长时间的连“0”或连“1”符号，则基带信号可能会长时间的出现0电位，从而使收定时恢复系统难以保证收定时信号的准确性。
实际的基带传输系统还可能提出其他要求，因而对基带信号也存在各种可能的要求。
归纳起
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