无线通信指导书定稿文档格式.docx

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B方式

1

225°

315°

135°

90°

180°

270°

图1-2QPSK信号的矢量图

下面以A方式的QPSK为例说明QPSK信号相位的合成方法。

串/并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行数据，然后通过基带成形得到的双极性序列（从D/A转换器输出，幅度为±

）。

设两个双极性序列中的二进制数字分别为a和b，每一对ab称为一个双比特码元。

双极性的a和b脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二相调制，得到图1-3中虚线矢量，将两路输出叠加，即得到QPSK调制信号，其相位编码关系如表1-2所示。

图1-3矢量图

表1-2QPSK信号相位编码逻辑关系

－1

a路平衡调制器输出

b路平衡调制器输出

合成相位

用调相法产生QPSK调制原理框图如图1-4所示。

图1-4QPSK调制器原理框图

图1-5二进制码经串并变换后码型

由图1-4可以看到，QPSK的调制器可以看作是由两个BPSK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经过串行变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号I（t）和Q（t），然后对

和

进行调制，相加后即可得到QPSK信号。

经过串并变换后形成的两个支路如图1-5所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即I支路；

另外一路称为正交支路，即Q支路。

2、QPSK解调原理

由于QPSK可以看作是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图1-6所示。

图1-6QPSK解调原理框图

四、实验原理

1、实验模块简介

本实验需用到基带成形模块、IQ调制解调模块、码元再生模块及PSK载波恢复模块。

（1）基带成形模块：

本模块主要功能：

产生PN31伪随机序列作为信源；

将基带信号进行串并转换；

按调制要求进行基带成形，形成两路正交基带信号。

（2）IQ调制解调模块：

产生调制及解调用的正交载波；

完成射频正交调制及小功率线性放大；

完成射频信号正交解调。

（3）码元再生模块：

从解调出的IQ基带信号中恢复位同步，并进行抽样判决，然后并串转换后输出。

（4）PSK载波恢复模块：

与IQ调制解调模块上的解调电路连接起来组成一个完整的科斯塔斯环恢复PSK已调信号的载波，同时可用作一个独立的载波源。

本实验只使用其载波源。

I路

2、实验系统原理框图

功放

相加

Q路

PSK调制

串/并

转换

数字

信源

基带成形模块

正交分频

COS

IQ调制解调模块

载波

SIN

PSK载波恢复模块

PSK解调

码元再生模块

抽样判决

整形

输出

并/串

位同步恢复

基带成形模块产生的PN码（由PN31端输出）输入到串并转换电路中（由NRZIN端输入），进行串并转换后输出，成为IQ两路基带信号，IQ基带信号送入IQ调制解调模块中的IQ调制电路分别进行PSK调制，然后相加形成QPSK调制信号，经放大后输出。

QPSK已调信号载波为10.7MHz，是由21.4MHz本振源经正交分频产生。

QPSK已调信号送入IQ调制解调模块中的IQ解调电路分别进行PSK相干解调，相干载波由调制端的本振源经正交分频产生。

解调输出的IQ两路模拟基带信号送入码元再生模块进行抽样判决，转换为数字信元后再进行并串转换后输出。

抽样判决前IQ信号需经整形变为二值信号，并且需恢复位同步信号。

位同步信号恢复由码元再生模块中的数字锁相环完成。

IQ解调电路的载波也可由PSK载波恢复模块上的本振源提供，此时解调变为非相干解调，从解调输出的模拟基带信号可以看出信号失真很大，无法进行码元再生。

五、实验步骤

1、关闭实验箱总电源，按如下要求连接好连线：

1．1在实验箱上正确安装基带成形模块（以下简称基带模块）、IQ调制解调模块（以下简称IQ模块）、码元再生模块（以下简称再生模块）和PSK载波恢复模块。

1．2用台阶插座线完成如下连接：

源端口

目的端口

基带模块：

PN31

NRZIN

I-OUT

IQ调制解调模块：

I-IN

Q-OUT

Q-IN

码元再生模块：

1．3用同轴视频线完成如下连接

IQ调制模块（载波单元）：

输出（J5）

输入（J4）

IQ调制模块（IQ调制单元）：

输出（J2）

IQ调制模块（IQ解调单元）：

输入（J3）

2、打开实验箱总电源，再分别打开上述各实验模块电源。

3、按基带成形模块上“选择”键，选择QPSK模式（QPSK指示灯亮）。

4、用示波器观察基带模块上“I-OUT”及“Q-OUT”测试点，并分别与“NRZIN”测试点的信号进行对比，观察串并转换情况。

注意由于串并转换的延迟作用，“I-OUT”、“Q-OUT”测试点的数据相对“NRZIN”测试点延迟1.5个码元周期

5、示波器探头接IQ调制“输出”端（观测点TH4），观察QPSK已调信号峰峰值，调电位器“W1”使峰峰值为1.2V左右。

6、示波器探头接IQ解调“I-OUT”及“Q-OUT”端，观察波形，调电位器“W1”使I、Q两路信号尽量接近两电平。

（调“W1”可微调信号相位，使解调时正交载波的相位与已调信号尽量接近，以减少解调失真）

7、示波器探头分别接IQ解调“I-OUT”端及基带“I-OUT”端，注意观察两者是否一致，若一致表示解调正确，若不一致可能是载波相位不对，可将按IQ模块复位键复位或重新开关该模块电源复位。

8、示波器探头分别接IQ解调“Q-OUT”端及基带“Q-OUT”端，注意观察两者是否一致，若一致表示解调正确，若不一致可能是载波相位不对，可将按IQ模块复位键复位或重新开关该模块电源复位。

9、按再生模块上“选择”键，选择QPSK模式（QPSK指示灯亮）。

10、示波器探头分别接再生模块上“NRZ”端和基带模块上“NRZ”端，观察两路码元是否一致（注意解调出的NRZ码比输入的NRZ码延迟3个码元周期），若一致表示解调正确，若不一致可回到步骤6重新实验。

11、断开IQ模块上载波“输出”端与该模块上载波“输入”视频线，将IQ模块上载波“输入”端与QPSK载波恢复模块上“VCO-OUT”端连接起来，此时系统是非相干解调。

12、从步骤7开始再次观察各信号，注意比较与前面相干解调时的不同之处。

六、思考题

1、为什么相干解调时基带信号是两电平的，而非相干解调时是多电平的？

2、在实验中，QPSK载波恢复模块起什么作用？

3、实验中，如果I、Q支路接反，即I接到Q，Q接到I，会有正确结果码？

为什么？

实验二时分复用通信系统实验

一、实验目的

1．掌握时分复用的概念。

2．了解时分复用与解复用系统的构成及工作原理。

3．了解时分复用这种复用方式的优点与缺点。

4．了解时分复用在整个通信系统中的作用。

二、实验内容

1．对两路模拟信号进行PCM编码，然后进行复用，观察复用后的信号并与复用前的编码信号比较。

2．将复用后的信号进行解复用，然后进行PCM解码，观察解复用后的两路解码信号与原两路模拟信号是否相同。

三、实验器材

1．信号源模块

2．时分复用模块

3．模拟信号数字化模块

4．20M双踪示波器一台

5．连接线若干

四、实验原理

在实际的通信系统中，为了提高通信系统的利用率，往往用多路通信的方式来传输信号。

所谓多路通信，就是把多个不同信源所发出的信号组合成一个群信号，并经由同一信道进行传输，在收端再将它分离并被相应接收。

时分复用（TDM，即Time-DivisionMultiplexing）就是一种常用的多路通信方式。

时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续（模拟）的基带信号由可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。

这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。

利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。

图2-1表示的是两个基带信号在时间上交替出现。

显然这种时间复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。

这就是时分复用的概念。

此外，时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；

二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。

然而，时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。

所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。

为此，必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。

它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。

在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。

上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。

采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。

原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速地数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。

图2-1两个信号的时分复用

在本实验中，第一路模拟信号送入时分复用模块，第二路模拟信号送入模拟信号数字化模块，分别在这两个模块中进行PCM编码，得到两路PCM码（PCMA和PCMB），再和时分复用模块产生的帧同步码进行时分复用，得到包含四路数据（第四路为空数据）、一帧为32位的时分复用信号，其复用部分的原理框图如图2-2。

图2-2时分复用原理框图

帧同步码

由图2-2可见，时分复用是通过时钟信号对移位寄存器构成的并/串转换电路的输出信号轮流进行选通而实现的，时分复用输出信号的位同步信号的频率为BS的四倍，帧同步信号的频率为位同步信号的三十二分之一。

时分复用输出信号每一帧由32位组成，其帧结构如图2-3所示。

拨码开关SW701可设置帧同步码的码型。

图2-3时分复用输出信号帧结构

复用信号通过解复用电路还原出两路PCM编码信号，分别送入时分复用模块和模拟信号数字化模块进行PCM译码输出，得到的两路信号分别与输入信号相同。

图2-4是解复用部分的原理框图。

时分复用与解复用的所有功能都是在U701（EPM7128SLC84-15）中完成的。

图2-4解复用原理框图

在解复用电路中，先通过帧同步信号和位同步信号把四路数据分开，然后通过移位寄存器构成的并/串转换电路输出串行的数据。

时分复用和解复用的电路都比较简单，请同学们参照我们提供的原理框图自己分析电路详细的工作过程。

五、实验步骤

1．将信号源模块、时分复用模块、模拟信号数字化模块小心地固定在主机箱中，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，再分别按下三个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D701、D702、LED300、LED301发光，按一下信号源模块的复位键，三个模块均开始工作。

3．时分复用模块的Sin-IN连接信号源的模拟输出正弦信号，模拟信号数字化模块的S-IN同上或另接外部输入音频信号。

4．用连接线把模拟信号数字化模块和时分复用模块对应的连接孔连起来。

FRAMEB-OUT——FRAMEB-IN

CLKB-OUT——CLKB-IN

2048K-OUT——2048K-IN

PCMB-IN——PCMB-OUT

5．用示波器分别观察“PCMA”和“PCMB-IN”，看两路模拟信号PCM编码是否正确。

6．设置“SW701”为巴克码01110010（或任意码型），即帧同步信号，用示波器分别观察“F-DATA”、“F-BS”、“F-FS”信号。

“F-DATA”是“SW701”、“PCMA”、“PCMB”、“全零”的复用信号，“F-BS”的频率为“CLKB-OUT”频率的四倍，“F-FS”与“FRAMEB-OUT”相同。

7．从“J-DATA”输入“F-DATA”信号，从“J-BS”输入“F-BS”信号，从“F-FS”输入“F-FS”信号。

用示波器分别观察“J1-DATA”、“J1-BS”、“J1-FS”与“J2-DATA”、“J2-BS”、“J2-FS”信号;

“J1-BS”与“J2-BS”信号完全一样，且周期为“F-BS”信号的四倍，其中“J1-FS”与“J2-FS”信号完全一样，且与“F-FS”信号一样。

8．用连接线连接

J1-DATA——PCM1-IN

J1-BS——CLK1-IN

JI-FS——FRAME1-IN

把模拟信号数字化模块和时分复用模块对应的连接孔连起来

J2-DATA——PCM2-IN

J2-BS——CLK2-IN

J2-FS——FRAME2-IN

9．用示波器观察“Sin-OUT”与模拟信号数字化模块的“OUT”。

六、输入、输出点参考说明

1．输入点参考说明

Sin-IN：

第一路模拟信号输入点。

PCMA：

第一路数据信号输入点。

PCMB-IN：

第二路数据信号输入点。

J-DATA：

时分复用信号输入点（对此信号进行解复用）。

J-BS：

解复用位同步信号输入点。

J-FS：

解复用帧同步信号输入点。

PCM1-IN：

解复用第一路PCM数据信号输入点。

CLK1-IN：

解复用第一路PCM数据位同步信号输入点。

FRAME1-IN：

解复用第一路PCM数据帧同步信号输入点。

2．输出点参考说明

2048K-OUT：

时分复用信号时钟输出点。

FRAMEB-OUT：

时分复用信号位同步信号输出点。

CLKB-OUT：

时分复用信号帧同步信号输出点。

F-DATA：

解复用后第一路数字信号输出点。

F-BS：

解复用后第一路数字信号位同步信号输出点。

F-FS：

解复用后第一路数字信号帧同步信号输出点。

J1-DATA：

解复用后第一路PCM信号输出点。

J1-BS：

解复用后第一路PCM信号位同步信号输出点。

J1-FS：

解复用后第一路PCM信号帧同步信号输出点。

J2-DATA：

解复用后第二路PCM信号输出点。

J2-BS：

解复用后第二路PCM信号位同步信号输出点。

J2-FS：

解复用后第二路PCM信号帧同步信号输出点。

Sin-OUT：

解复用后第一路PCM译码输出点。

七、实验思考题

1．认真阅读教材中的相关内容，回答时分复用的概念。

2．分析本实验中时分复用信号的产生原理，再自行设计一个时分复用信号产生电路，画出电路图并分析电路工作原理。

八、实验报告要求

1．分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2．根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图。

3．对实验思考题加以分析，并画出原理图与工作波形图。

实验三语音信号的编码与解码实验

（自适应差分脉冲编码调制与解调实验）

1．加深对自适应差分脉冲编码调制工作原理的理解。

2．了解大规模集成电路MC145540的电路组成及工作原理。

3．了解编写的程序对MC145540的控制与输出处理过程。

1．观察各测量点波形并画出图形，注意时间对应关系。

2．在有可能的情况下，编写程序并在此电路板上进行调试。

1.信号源模块

2.模拟信号数字化模块

3.20M双踪示波器一台

4.频率计（可选）一台

5.音频信号发生器（可选）一台

6.立体声单放机（可选）一台

7.立体声耳机一副

8.连接线若干

（一）ADPCM简介

由前面

实验我们已经知道，在不考虑信道误码率的情况下，

的性能通常比

的差。

这主要是因为

系统不管误差信号如何变化，传输的增量

是固定不变的。

如果使增量的数值随误差信号

的变化量化成

个电平之一，然后再进行编码，这样，系统的性能就会得到改善。

在这样的系统中，由于对传输的增量还要经过脉冲编码调制，因而称它为增量脉冲编码调制或差分脉冲编码调制

。

下面先介绍

的基本原理。

图3-1DPCM系统原理框图

图3-1给出了

系统原理框图。

图中输入抽样值信号为

，接收端输出重建信号为

，

是输入信号与预测信号

的差值，

是经量化后的差值，

是

信号经编码后输出的数字码。

编码器中的预测器与解码器的预测器完全相同，因此，在信道传输无误码的情况下，解码器输出的重建信号

与编码器的

完全相同。

的总量化误差

定义为输入信号

与解码器输出的重建信号

之差，即有

由上式可知，在这种

系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关。

自适应差分脉码调制（

）是语音压缩编码中复杂度较低的一种方法，它能在32kb/s数码率上达到符合64kb/s数码率的语音质量要求，也就是符合长途电话的质量要求。

是在差分脉冲调制

基础上逐步发展起来的，

的主要改进是量化器与预测器均采用自适应方式，即量化器与预测器的参数能根据输入信号的统计特性自适应于最佳或接近最佳参数状态。

编解码系统的原理方框图如图3-2所示。

下面着重介绍四个部分。

+

（a）编码器

同步编码

调整单元

（b）解码器

图3-2

编解码系统原理图

1．输入输出单元

输入输出信号为标准的A律或

律64kb/sADPCM主要应用于扩充现有PCM信道传输容量，即把两个30路PCM信号合并成一个2048kb/s的60路ADPCM信号，这是ITU-TG.761建议的国际标准。

因此，采用标准的64kb/sPCM作为ADPCM系统的输入接口是合理的。

由于标准64kb/sPCM是经过对数压缩后的数字信号，它不能直接进行一般算术运算，所以，在进入ADPCM编码前，必须把

律PCM码变换成自然二进制码，即线性PCM码。

这一变换可以通过两者之间内在的对应关系来实现。

在接收端，则需要进行一次反变换，把ADPCM码解码得到用线性PCM码表示的重建信号

，变换成

律或

律对数PCM信号输出。

2．同步编码调整单元

同步编码调整单元的功能主要是为了防止在同步级联的情况下（也就是全数字转接ADPCM-PCM-ADPCM-PCM-ADPCM）可能发生的量化噪声的积累问题。

同步编码调整的原理简述如下：

在重建PCM信号

输出到信道前，让

再进行一次ADPCM编码，然后把这个码与输入ADPCM原始码进行比较。

若比较后两者不相同，就对

PCM码增加或减少一个PCM量化电平；

如相同，则不作调整。

其具体过程如下：

1建PCM信号

变换成线性PCM重建信号

2计算差值信号

3根据定标因子

，将

再编成ADPCM码字

4把

与输入的ADPCM原始码

进行比较：

若

，则

，则增加一个量化电平；

，则减小一个量化电平。

3．自适应量化

图3-3双模式

产生原理

ITU-TG.721建议采用L=16的双模式非均匀自适应量化器。

由于差值信号

接近于高斯分布，所以采用输入为高斯分布的最佳非均匀量化器。

最佳非均匀自适应量化器对于不同输入统计特性应有不同的自适应调制因子

ITU-T要求32kb/sADPCM对语音与语音频带内数据信号都应具有最佳性能，故采用动态锁定DLQ或双模式自适应量化器。

量化器的定标因子

由快速因子

与慢速因子

组合而成，即

式中，

为自适应速度控制参数。

对于语音信号，

趋于1；

对于Modem数据信号，

趋于0，

是通过比较差值信号的短时平均值与长时平均值的差异来确定的。

双模式非均匀自适应量化器的定标因子

产生的原理框图如图3-3所示。

4．自适应预测器

ITU-TG.721建议采用零极点后向序贯自适应预测器。

它有6个零点（M=6）与2个极点（N=2），并采用次优化的梯度符号法来自适应修正预测系数。

由于

的多阶极点预测器的稳定条件较难确定，因此，在有误码存在时，可能出现不稳定现象。

实验证明，8阶零点预测器能取得相当高的预测增益

因而，采用6阶零点与2阶极点预测器的组合，可以取得良好的预测增益

具体细节请参考其它相关资料。

（二）电路原理

本实验模块中实现自适应差分脉码调制ADPCM采用的是大规模集成电路专用芯片MC145540。

MC145540的量化器与预测器均为自适应方式。

当以高于奈奎斯特速率对话音或视频信号抽样时，在前后样值间可以看到有明显的相关性，将这些相关样值按通常PCM系统的方式加以编码时会使得编码信号含有多余信息。

如果在编码前将这种多余信息去掉，则可得到效率较高的编码信号。

为此，可先利用信号

的相关性对未来样值进行预测，预测器通常为抽头延时滤波器（即FIR滤波器）。

线性预测器的预测值为：

其中

为预测系数，在DPCM中为常数，在ADPCM中为自适应变量。

N为预测阶数。

可以根据预测误差能量最小的准则求出预测系数

这样，PCM编码器就只是对差值信号

进行量化和编码，以达到DPCM或ADPCM编码的目的。

模拟信号从“S-I