通信原理实验教案.docx

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通信原理实验教案

实验板书及重要内容提纲：

实验一抽样定理和PAM调制解调实验

一、实验目的

1、通过脉冲幅度调制实验，使学生能加深理解脉冲幅度调制的原理。

2、通过对电路组成、波形和所测数据的分析，加深理解这种调制方式的优缺点。

二、实验内容

1、观察模拟输入正弦波信号、抽样时钟的波形和脉冲幅度调制信号，并注意观察它们之间的相互关系及特点。

2、改变模拟输入信号或抽样时钟的频率，多次观察波形。

三、实验器材

1、信号源模块一块

2、①号模块一块

3、20M双踪示波器一台

4、连接线若干

四、实验原理

（一）基本原理

1、抽样定理

抽样定理表明：

一个频带限制在（0，

）内的时间连续信号

，如果以T≤

秒的间隔对它进行等间隔抽样，则

将被所得到的抽样值完全确定。

图3-1抽样与恢复

该式表明，已抽样信号

的频谱

是无穷多个间隔为ωs的

相迭加而成。

这就意味着

中包含

的全部信息。

需要注意，若抽样间隔T变得大于

，则

和

的卷积在相邻的周期内存在重叠（亦称混叠），因此不能由

恢复

。

可见，

是抽样的最大间隔，它被称为奈奎斯特间隔。

抽样频率为带通信号带宽的两倍。

图3-2画出抽样频率

≥2B（无混叠）和

＜2B（有混叠）时两种情况下冲激抽样信号的频谱。

（a）连续信号的频谱

（b）高抽样频率时的抽样信号及频谱（无混叠）

（c）低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）

图3-2采用不同抽样频率时抽样信号的频谱

2、脉冲振幅调制（PAM）

所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随输入信号变化的一种调制方式。

如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则前面所说的抽样定理，就是脉冲增幅调制的原理。

图3-3自然抽样及平顶抽样波形

PAM方式有两种：

自然抽样和平顶抽样。

图3-4脉冲振幅调制电路原理框图

五、测试点说明

六、实验步骤及注意事项

1、观测PAM自然抽样波形

1）用示波器观测信号源“2K同步正弦波”输出，调节W1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4V左右。

2）将信号源上S4设为“1010”，使“CLK1”输出32K时钟。

3）将模块1上K1选到“自然”。

4）关闭电源，按如下方式连线

源端口

目标端口

连线说明

信号源：

“2K同步正弦波”

模块1:

“PAM-SIN”

提供被抽样信号

信号源：

“CLK1”

模块1:

“PAMCLK”

提供抽样时钟

*检查连线是否正确，检查无误后打开电源

5）用示波器在“自然抽样输出”处观察PAM自然抽样波形。

2、观测PAM平顶抽样波形

a）用示波器观测信号源“2K同步正弦波”输出，调节W1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4V左右。

b）将信号源上S1、S2、S3依次设为“10000000”、“10000000”、“10000000”，将S5拨为“1000”，使“NRZ”输出速率为128K，抽样频率为：

NRZ频率/8（实验中的电路，NRZ为“1”时抽样，为“0”时保持。

在平顶抽样中，抽样脉冲为窄脉冲）。

c）将K1设为“平顶”。

关闭电源，按下列方式进行连线。

源端口

目标端口

连线说明

信号源：

“2K同步正弦波

模块1：

“PAM-SIN”

提供被抽样信号

信号源：

“NRZ”

模块1：

“PAMCLK”

提供抽样脉冲

d）打开电源，用示波器在“平顶抽样输出”处观察平顶抽样波形。

3、改变抽样时钟频率，观测自然抽样信号，验证抽样定理。

4、观测解码后PAM波形与原信号的区别

1）步骤3的前3步不变,按如下方式连线

源端口

目标端口

连线说明

信号源：

“2K同步正弦波”

模块1:

“PAM-SIN”

提供被抽样信号

信号源：

“CLK1”

模块1:

“PAMCLK”

提供抽样时钟

模块1:

“自然抽样输出”

模块1:

“IN”

将PAM信号进行译码

2）将K1设为“自然”，用“PAM-SIN”信号做示波器的触发源，用双踪示波器对比观测“PAM-SIN”和“OUT”波形。

5、将信号源产生的音乐信号输入到模块1的“PAM-SIN”，“自然抽样输出”和“IN”相连，PAM解调信号输出到信号源上的“音频信号输入”，通过扬声器听语音，感性判断该系统对话音信号的传输质量。

七、实验讲解提纲

1．模拟信号数字化的三个过程：

抽样，量化，编码。

2．讲解抽样定理和PAM调制的实验原理

3．抽样间隔：

4．抽样频率

≥2B（无混叠）和

＜2B（有混叠）时两种情况

5．PAM方式有两种：

自然抽样和平顶抽样

6．验收内容：

PAM自然抽样波形

PAM平顶抽样波形

解码后PAM和原信号的对比

音频信号输入

实验二脉冲编码调制解调实验

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。

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、改变基带信号的幅度，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。

三、实验器材

1、信号源模块一块

2、②号模块一块

3、20M双踪示波器一台

四、实验原理

（一）基本原理

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，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N来表示

图5-1PCM调制原理框图

1、量化

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5-2所示

图5-2模拟信号的量化

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，

上述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。

图5-3均匀量化过程示意图

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。

广泛采用的两种对数压缩律是

压缩律和A压缩律。

美国采用

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。

五、输入、输出点参考说明

六、实验步骤

1、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）实验系统连线――关闭系统电源，进行如下连接：

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W681512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

作自环实验，直接将接收帧同步和发送帧同步相连

模块2：

BSX

模块2：

BSR

作自环实验，直接将接收位同步和发送位同步相连

模块2：

PCMOUT-A

模块2：

PCMIN-A

将PCM编码输出结果送入PCM译码电路进行译码

*检查连线是否正确，检查无误后打开电源

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。

6）改变K1、K2开关，观测PCM调制和解调波形。

2、从信号源引入非同步正弦波，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）。

3、用麦克风或音乐输出信号代替信号源模块的正弦波，输入模块2的点“SININ-A”，重复上述操作和观察，并记录下来。

（可选）

4、将信号输出点“SINOUT-A”输出的信号引入“耳机1”，用耳机听还原出来的声音，与音乐片（麦克风）直接输出的声音比较，判断该通信系统性能的优劣。

（可选）

七．实验讲解提纲

1.PCM在现实生活的应用：

光纤

2.PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。

3.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。

4.模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，优缺点。

5.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。

6.

压缩律和A压缩律。

6．验收内容：

PCM调制波形

PCM解调波形

改变输入信号频率：

小于300HZ和大于3400HZ的PCM解调波形

实验三振幅键控（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、实验器材

1、信号源模块一块

2、③号模块一块

3、④号模块一块

4、⑦号模块一块

5、20M双踪示波器一台

6、连接线若干

四、基本原理

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信号典型的时域波形如图9-1所示，其时域数学表达式为：

（9-1）

式中，A为未调载波幅度，

为载波角频率，

为符合下列关系的二进制序列的第n个码元：

（9-2）

综合式9-1和式9-2，令A＝1，则2ASK信号的一般时域表达式为：

（9-3）

式中，Ts为码元间隔

图9-12ASK信号的典型时域波形

2ASK信号的产生方法称为通－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，相应的接收系统原理框图如图9-2所示：

（a）非相干方式

（b）相干方式

图9-22ASK解调原理框图

五、实验原理

1、ASK调制电路

在这里，我们采用的是通－断键控法，2ASK调制的基带信号和载波信号分别从“ASK-NRZ”

和“ASK载波”输入，其实验框图和电路原理图

2、ASK解调电路

图9-5ASK解调实验框图

我们采用的是包络检波法。

实验框图如图9-5所示。

六、测试点说明

1、信号输入点参考说明

ASK-NRZ：

ASK基带信号输入点。

ASK载波：

ASK载波信号输入点。

ASKIN：

ASK调制信号输入点。

ASK-BS：

ASK解调位同步时钟输入点。

2、信号输出点参考说明

ASK-OUT：

ASK调制信号输出点。

TH2：

ASK信号经低通滤波器后的信号观测点。

ASK-DOUT：

ASK解调信号经电压比较器后的信号输出点（未经同步判决）。

OUT1：

ASK解调信号输出点。

七、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（32K）

模块3：

ASK-NRZ

S4拨为1100，PN是8K伪随机序列

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，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码的频率，改变送入的基带信号，重复上述实验；也可以改变载波频率来实验。

5、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4：

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3：

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“ASK-NRZ”频率的16倍，如：

“ASK-NRZ”选8K时，S2选128K，即拨“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形状一致，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，重复上述实验；也可以改变载波频率来实验。

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。

八、实验讲解提纲

1、ASK在实际生活中的应用：

遥控装置

2、从载波传输中载波的3个独立可控参量引入3种最基本的数字频带调制信号

3、调制原理：

使载波在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。

4、通过讲解2ASK的时域波形更好地理解2ASK调制原理

5、解调原理：

非相干解调（包络检波法）

6、验收内容：

2ASK调制波形和2ASK解调波形

实验四移频键控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FSK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、实验器材

1、信号源模块一块

2、③号模块一块

3、④号模块一块

4、⑦号模块一块

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

时代表传0，载频为

时代表传1。

显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以

和

为载频、以

和

为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。

2FSK信号的典型时域波形如图10-1所示，其一般时域数学表达式为

图10-12FSK信号的典型时域波形

（10-1）

式中，

，

，

是

的反码，即

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。

图10-22FSK调制原理框图

2、2FSK解调原理

过零检测法

图10-32FSK解调原理框图

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。

用过零检测法对FSK信号进行解调的原理框图如图10-3所示

五、测试点说明

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：

源端口

目的端口

连线说明

信号源：

PN（32K）

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3V

*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改变PN码频率后送出，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：

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4：

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3：

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、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。

七、实验讲解提纲

1、FSK在实际生活中的应用：

蓝牙

2、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

时代表传0，载频为

时代表传1。

3、2FSK和2ASK的关系

4、2FSK的调制原理

5、2FSK的解调原理：

过零检测法

6、验收内容：

2FSK调制波形和2FSK解调波形

实验五移相键控（PSK/DPSK）调制与解调实验

一、实验目的

1、掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。

2、掌握用键控法产生PSK/DPSK信号的方法。

3、掌握PSK/DPSK相干解调的原理。

4、掌握绝对码波形与DPSK信号波形之间的关系。

二、实验内容

1、观察绝对码和相对码的波形和转换关系。

2、观察PSK/DPSK调制信号波形。

3、观察PSK/DPSK解调信号波形。

三、实验器材

1、信号源模块一块

2、③号模块一块

3、④号模块一块

4、⑦号模块一块

5、20M双踪示波器一台

6、连接线若干

四、实验原理

1、2PSK/2DPSK调制原理

PSK调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，它的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK移幅键控和FSK移频键控。

因此，PSK技术在中、高速数据传输中得到了十分广泛的应用。

PSK信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和π相位载波分别代表传1和传0，其时域波形示意图如图11-1所示。

2PSK信号的一般时域数学表达式为：

图11-12PSK信号的典型时域波形

我们知道，2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在这种绝对移相的方式中，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统也必须有这样一个固定基准相位作参考。

如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，从而造成错误的恢复。

这种现象常称为2PSK的“倒π”现象，因此，实际中一般不采用2PSK方式，而采用差分移相（2DPSK）方式。

2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。

例如，假设相位值用相位偏移x表示（x定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设

”

”

则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：

数字信息：

0011100101

2DPSK信号相位：

000π0πππ00π

或：

πππ0π000ππ0

图11-22PSK与2DPSK波形对比

解调2DPSK信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值。

只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了2PSK方式中的“倒π”现象发生。

另一方面，相对移相信号可以看成是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。

2DPSK的调制原理与2FSK的调制原理类似，也是用二进制基带信号作为模拟开关的控制信号轮流选通不同相位的载波，完成2DPSK调制，其调制的基带信号和载波信号分别从“PSK-NRZ”和“PSK载波”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS”点输入，其原理框图如图11-4所示：

图11-４2DPSK调制原理框图

①差分变换

在数据传输系统中，由于相对移相键控调制具有抗干扰噪声能力强，在相同的信噪比条件下，可获得比其他调制方式（例如：

ASK、FSK）更低的误码率，因而这种方式广泛应用在实际通信系统中。

DPSK调制是采用码型变换法加绝对调相来实现

绝对码是以宽带信号码元的电平直接表示数字信息的，如规定高电平代表“1”，低