数据通信原理实验报告 6Word格式.docx

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实验课程：

数据通信原理

实验室号：

_____田C－405实验设备号：

3实验时间：

11.21

指导教师签字：

成绩：

实验一数字信号源实验

一、实验目的和要求

1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。

2、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。

3、掌握数字信号源电路组成原理。

4、用示波器观察单极性非归零码（NRZ）、帧同步信号（FS）、位同步时钟（BS）。

5、用示波器观察NRZ、FS、BS三信号的对应关系。

6、学习电路原理图。

二、实验原理

本模块是实验系统中数字信号源，即发送端，其原理方框图如图1-1所示。

本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图1-2所示。

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时分复用信号。

发光二极管亮状态表示‘1’码，熄状态表示‘0’码。

本模块有以下测试点及输入输出点：

CLK-OUT时钟信号测试点，输出信号频率为4.433619MHz

BS-OUT信源位同步信号输出点/测试点，频率为170.5KHz

FS信源帧同步信号输出点/测试点,频率为7.1KHz

NRZ-OUTNRZ信号输出点/测试点

图1-3为数字信源模块的电原理图。

图1-1中各单元与图1-3中的元器件对应关系如下：

晶振CRY：

晶体；

U1：

反相器7404

分频器US2：

计数器74161；

US3：

计数器74193；

US4：

计数器40160

并行码产生器KS1、KS2、KS3：

8位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据1、数据2相对应；

发光二极管左起分别与一帧中的24位代码相对应

八选一US5、US6、US7：

8位数据选择器4512

三选一US8：

倒相器US10：

非门74HC04

抽样US9：

D触发器74HC74

图1-1数字信源方框图

图1-2帧结构

下面对分频器，八选一及三选一等单元作进一步说明。

（1）分频器

74161进行13分频，输出信号频率为341kHz。

74161是一个4位二进制加计数器，预置在3状态。

74193完成÷

2、÷

4、÷

8、÷

16运算，输出BS、S1、S2、S3等4个信号。

BS为位同步信号，频率为170.5kHz。

S1、S2、S3为3个选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2、1/4和1/8。

74193是一个4位二进制加/减计数器，当CD=PL=1、MR=0时，可在Q0、QB、QC及QD端分别输出上述4个信号。

40160是一个二一十进制加计数器，预置在7状态，完成÷

3运算，在Q0和Q1端分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。

分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-4（a）和1-4（b）所示。

（2）八选一

采用8路数据选择器4512，它内含了8路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1-1所示。

US5、US6和US7的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接S1、S2、S3信号，它们的8个数据信号输入端x0~x7分别K1、K2、K3输出的8个并行信号连接。

由表1-1可以分析出US5、US6、US7输出信号都是码速率为170.5KB、以8位为周期的串行信号。

（3）三选一

三选一电路原理同八选一电路原理。

S4、S5信号分别输入到US8的地址端A和B，US5、US6、US7输出的3路串行信号分别输入到US8的数据端x3、x0、x1，U8的输出端即是一个码速率为170.5KB的2路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ）。

图1-4分频器输出信号波形

（4）倒相与抽样

图1-1中的NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比BS信号的下降沿稍有点迟后。

在实验二的数字调制单元中，有一个将绝对码变为相对码的电路，要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号的上升沿对齐，而这两个信号由数字信源提供。

倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的，它们使NRZ-OUT及BS-OUT信号满足码变换电路的要求。

表1-14512真值表

C

B

A

INH

DIS

Z

x0

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

Φ

高阻

FS信号可用作示波器的外同步信号，以便观察2DPSK等信号。

FS信号、NRZ-OUT信号之间的相位关系如图1-5所示，图中NRZ-OUT的无定义位为0，帧同步码为1110010，数据1为11110000，数据2为00001111。

FS信号的低电平、高电平分别为4位和8位数字信号时间，其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。

图1-5FS、NRZ-OUT波形

三、主要仪器设备

（1）通信原理实验箱

（2）示波器

四、操作方法与实验步骤

1、熟悉信源模块的工作原理。

2、打开电源开关及模块电源开关，用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。

3、用同轴电缆将FS输出与示波器外同步信号输入端相连接，把FS作为示波器的外同步信号，进行下列观察：

（1）示波器的两个通道探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT，对照发光二极管的发光状态，判断数字信源单元是否已正常工作（1码对应的发光管亮，0码对应的发光管熄）；

（2）用拨码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，观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点。

五、实验内容及实验数据记录

本模块有以下测试点及输入输出点：

NRZ-OUTNRZ信号输出点/测试点

（信号源模块）

2、示波器探头检查

3、示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。

（1）CLK信号波形

（2）BS-OUT信号波形（位同步信号）

（3）FS信号波形（帧同步信号）

（4）NRZ信号波形（单极性不归零码信号）

3、用同轴电缆将FS输出与示波器外同步信号输入端相连接，把FS作为示波器的外同步信号电路连接图：

（1）示波器的两个通道探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT，对照发光二极管的发光状态。

（注：

红色为NRZ-OUT信号，黄色为BS-OUT）

1110010，K2、K3产生任意信息代码。

从左到右分别为K1\K2\K3）

六、实验数据处理与分析

1、当示波器的两个探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT时，发光二极管处于亮的状态（且可以仔细观察发现拨码K为低电平时候发光二极管灭，为高电平时发光二极管亮），表明数字信源单元正常工作。

（2）从示波器中可以观察到的单极性非归零码（NRZ）、帧同步信号（FS）、位同步时钟（BS）图像如上所示。

从示波器中可以观察到NRZ、FS两个信号的对应关系见下图：

注：

图中NRZ-OUT的无定义位为0，帧同步码为1110010，数据1为11110000，数据2为00001111。

（3）从示波器中可以看出单极性不归零的占空比为100%。

（4）由本实验以及上述可以总结NRZ的特点为发送能量大且有利于提高接受端信比，带宽窄但直流和低频成分大，但是NRZ不能提取同步信息，而且判决电平也不稳定，其主要用于设备内部和短距离通信中。

（5）根据实验观察和记录结果可知NRZ、FS、BS三个信号的对应关系为：

FS信号的上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元，信源同步信号BS是周期矩形信号。

七、质疑、建议、问题讨论

问题：

在实验中，有些的探头接线有问题或则受到干扰，波形会有毛刺或出错。

实验二数字调制实验

一、实验目的和要求

1、掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。

2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的方法。

3、掌握相对码波形与2PSK信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK信号波形之间的关系。

4、了解2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。

5、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。

6、用示波器观察2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号波形。

7、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱。

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位同步信号和数字基带信号（NRZ码）。

调制模块将输入的NRZ绝对码变为相对码、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。

（A）二进制数字调制原理

1．2ASK

1．产生

2．频谱

式中Ps（f）为m（t）的功率密度

谱零点带宽B=2fs=2RB

发滤波器最小带宽可为fs（理论值）

也可将基带信号处理后再进行2ASK调制

升余弦滚降滤波器

发滤波器

升余弦滚降信号

fc

cosωct

滤除谐波

fc-fs/2

fc+fs/22

2．2FSK

键控法2FSK

式中

是m（t）的功率谱，

是

的功率谱当p

（1）=p（0）时，

=

2FSK信号带宽

3．2PSK（BPSK）（绝对调相）

1．

电子开关

180°

°

！

m（t）

BNRZ

2PSK

NRZ

产生

信息代码

2PSK规律：

“异变同不变”，即本码元与前一码元相异时，本码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的未相变化180°

，相同时则不变。

，Peo（f）中无离散谱fc

为m（t）的频谱,

当p

（1）=p（0）时ps（f）中无直流，B=2fs

4．2DPSK（差分相位键控，相对调相）

1．产生码变换—2PSK调制法

绝对码ak

相对码bk变化规律：

“1变0不变”。

bk=ak+bk-1，设bk初

始值为1，各点波形如图所示：

第一个码元内信号的初相可任意假设

ak

2DPSK规律：

“1变0不变”，即信息代码（绝对码）为“1”时，本码元内2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的未相变化180°

，信息代码为“0”时，则本码元内2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的末相不变化。

2．频谱同2PSK

（B）电路原理

数字调制单元的原理方框图及电路图分别如图2-1，图2-2所示。

图2-1数字调制方框图

图2-2数字调制原理图

本单元有以下测试点及输入输出点：

BS-IN位同步信号输入点

NRZ-IN数字基带信号输入点

CAR2DPSK信号载波测试点

AK绝对码测试点（与NRZ-IN相同）

BK相对码测试点

2DPSK（2PSK）-OUT2DPSK（2PSK）信号测试点/输出点，VP-P>

0.5V

2FSK-OUT2FSK信号测试点/输出点，VP-P>

2ASK-OUT2ASK信号测试点，VP-P>

图2-1中晶体振荡器与信源共用，位于信源单元，其它各部分与图2-2中的

主要元器件对应关系如下：

2（A）UM2：

双D触发器74HC74

2（B）UM2：

双D触发器74LS74

滤波器AUM5：

运放LF347，调谐回路

滤波器BUM5：

码变换UM1：

双D触发器74LS74；

UM3：

异或门74LS86

2ASK调制UM6：

三路二选一模拟开关4053

2FSK调制UM6：

2DPSK（2PSK调制）UM6：

放大器QM4：

三极管9013

射随器QM1：

将晶振信号进行2分频、滤波后，得到2ASK的载频2.2165MHZ。

放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是2PSK、2DPSK的两个载波，2FSK信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/2和1/4，也是通过分频和滤波得到的。

下面重点介绍2PSK、2DPSK。

2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图2-3所示。

图2-32PSK、2DPSK波形

图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。

2PSK信号的相位与信息代码的关系是：

前后码元相异时，2PSK信号相位变化180，相同时2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”。

2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：

码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180。

码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。

应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。

实际工程中，2PSK或2DPSK信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。

但不管是哪种关系，上述结论总是成立的。

本单元用码变换——2PSK调制方法产生2DPSK信号，原理框图及波形图如图2-4所示。

相对于绝对码AK、2PSK调制器的输出就是2DPSK信号，相对于相对码、2PSK调制器的输出是2PSK信号。

图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与AK、BK的关系当然也是符合上述规律的，即对于AK来说是“1变0不变”关系，对于BK来说是“异变同不变”关系，由AK到BK的变换也符合“1变0不变”规律。

图2-4中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK也可能具有相反的序列即“00100”，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。

2DPSK通信系统可以克服上述2PSK系统的相位模糊现象，故实际通信中采用2DPSK而不用2PSK（多进制下亦如此，采用多进制差分相位调制MDPSK），此问题将在数字解调实验中再详细介绍。

图2-42DPSK调制器

2PSK信号的时域表达式为

S（t）=m（t）Cosωct

式中m（t）为双极性不归零码BNRZ，当“0”、“1”等概时m（t）中无直流分量，S（t）中无载频分量，2DPSK信号的频谱与2PSK相同。

2ASK信号的时域表达式与2PSK相同，但m（t）为单极性不归零码NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信号中有载频分量。

2FSK信号（相位不连续2FSK）可看成是AK与AK调制不同载频信号形成的两个2ASK信号相加。

时域表达式为

式中m（t）为NRZ码。

图2-52ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信号功率谱

设码元宽度为Ts，fS=1／Ts在数值上等于码速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率谱密度如图2-5所示。

可见，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率谱是数字基带信号m（t）功率谱的线性搬移，故常称2ASK、2PSK（2DPSK）为线性调制信号。

多进制的MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。

本实验系统中m（t）是一个周期信号，故m（t）有离散谱，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有离散谱。

三、主要仪器设备

四、实验步骤

1、熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。

2、连线：

数字调制单元的CLK－IN、BS－IN、NRZ－IN分别连至信源单元

CLK－OUT、BS－OUT、NRZ－OUT。

打开电源开关和模块电源开关。

3、用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步信号，示波波CH1接AK，CH2接BK，信源模块的KS1、KS2、KS3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。

4、示波器CH1接2DPSK-OUT，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）。

注意：

2DPSK信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。

5、示波器CH1接AK、CH2依次接2FSK-OUT和2ASK-OUT；

观察这两个信号与AK的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。

6、用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱（条件不具备时不进行此项观察）。

应该注明的是：

由于示波器的原因，实验中可能看不到很理想的2FSK、2DPSK波形。

四、实验内容及实验数据记录

（1）电路连接如下

CLK－OUT、BS－OUT、NRZ－OUT；

数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步信号，示波波CH1接AK，CH2接BK，信源模块的KS1、KS2、KS3置于任意状态（非全0））

（2）用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步信号，示波波CH1接AK，CH2接BK，观察AK和BK的波形。

（3）示波器CH1接2DPSK-OUT，CH2分别接AK及BK时的波形。

1）用示波器观察AK的波形如下：

（电路连接）（AK波形）

2）用示波器观察BK的波形如下：

（电路连接）（BK波形）

3）把AK/BK开关向左打，得到相对码波形如下：

4）把AK/BK开关向右打，得到绝对码波形分别如下：

（4）示波器CH1接AK：

1）CH2接2FSK-OUT的电路连接以及波形。

2）CH2接2ASK-OUT的波形。

6．实验数据处理与分析

（1）由实验可以得出相对码波形与2PSK波形的对应关系为：

（2）由实验也可以得到绝对码波形和2DPSK信号波形之间的关系为：

（3）绝对码和相对码之间的关系为：

bk=ak+bk-1，设bk初始值为1，各点波形如图所示：

（4）2PSK和2DPSK两者的关系为：

相对调相本质上是经过相对码变换后的数字序列的绝对调相。

（5）实验报告要求

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。

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。

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信号的相位变化与绝对码的关系以及2DPSK信号的相位变化与相对码的关系（即2PSK的相位变化与信息代码之间的关系）。

①2DPSK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。

②2PSK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。

七．质疑、建议、问题讨论

质疑：

在进行FSK和ASK调制前，有必要对信源单元的NRZ码进行绝对码到相对码的变换吗？

为什么？

实验三2ASK、2FSK数字解调实验

1.掌握2ASK过零检测解调原理。

2.掌握2FSK过零检测解调原理。

3.用示波器观察2ASK过零检测解调器各点波形。

4.用示波器观察2FSK过零检测解调器各点波形。

（A）2ASK解调

（1）包络检波

BPF

整流

LPF

抽样判决

位同步器

x（t）

r（t）

cp（t）

e0（t）

x（