通信与数字信号处理实验1指导书.docx

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通信与数字信号处理实验1指导书

DONGFANGCOLLEGE，FUJIANAGRICULTUREANDFORESTRYUNIVERSITY

实验名称：

通信与数字信号处理实验1

系别：

计算科学系

年级专业：

12电信

学号：

姓　　名：

任课教师：

吴金华

成绩：

2014

年

5

月

日

实验1AMI/HDB3编译码实验

一、实验目的

1．熟悉AMI/HDB3码编译码规则；

2．了解AMI/HDB3码编译码实现方法。

二、实验仪器

1．AMI/HDB3编译码模块，位号：

F（实物图片如下）

2．时钟与基带数据发生模块，位号：

G

3．20M双踪示波器1台

4．信号连接线1根

三、实验原理

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码的信号交替反转，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。

从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，而且也是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，即当它用来获取定时信息时，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，人们提出了许多改进的方法，HDB3码就是其中有代表性的一种。

HDB3码是三阶高密度码的简称。

HDB3码保留了AMI码所有的优点（如前所述），还可将连“0”码限制在3个以内，克服了AMI码出现长连“0”过多，对提取定时钟不利的缺点。

HDB3码的功率谱基本上与AMI码类似。

由于HDB3码诸多优点，所以CCITT建议把HDB3码作为PCM传输系统的线路码型。

如何由二进制码转换成HDB3码呢？

HDB3码编码规则如下：

1．二进制序列中的“0”码在HDB3码中仍编为“0”码，但当出现四个连“0”码时，用取代节000V或B00V代替四个连“0”码。

取代节中的V码、B码均代表“1”码，它们可正可负（即V+=＋1，V-=－1，B+=＋1，B-=－1）。

2．取代节的安排顺序是：

先用000V，当它不能用时，再用B00V。

000V取代节的安排要满足以下两个要求：

（1）各取代节之间的V码要极性交替出现（为了保证传号码极性交替出现，不引入直流成份）。

（2）V码要与前一个传号码的极性相同（为了在接收端能识别出哪个是原始传号码，哪个是V码？

以恢复成原二进制码序列）。

当上述两个要求能同时满足时，用000V代替原二进制码序列中的4个连“0”（用000V+或000V-）；而当上述两个要求不能同时满足时，则改用B00V（B+00V+或B-00V-，实质上是将取代节000V中第一个“0”码改成B码）。

3．HDB3码序列中的传号码（包括“1”码、V码和B码）除V码外要满足极性交替出现的原则。

下面我们举个例子来具体说明一下，如何将二进制码转换成HDB3码。

二进制码序列:

10000101000001110000000001

HDB3码码序列:

V+-1000V-+10–1B+00V0–1+1–1000V-B+00V+0–1

从上例可以看出两点：

（1）当两个取代节之间原始传号码的个数为奇数时，后边取代节用000V；当两个取代节之间原始传号码的个数为偶数时，后边取代节用B00V

（2）V码破坏了传号码极性交替出现的原则，所以叫破坏点；而B码未破坏传号码极性交替出现的原则，叫非破坏点。

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个码，再将所有－1变成＋1后便得到原消息代码。

本模块是采用SC22103专用芯片实现AMI／HDB3编译码的。

在该电路中，没有采用复杂的线圈耦合的方法来实现AMI／HDB3码的变换，而是采用TL084对HDB3码输出进行变换。

编码模块中，输入的码流由SC22103的1脚在2脚时钟信号的推动下输入，HDB3码与AMI码功能由20K01选择。

专用芯片的14、15脚为正向编码和负相编码输出，正负编码再通过相加器变换成AMI／HDB3码。

译码模块中，译码电路接收正负电平的AMI／HDB3码，整流后获得同步时钟，并通过处理获得正向编码和负向编码，送往译码电路的SC22103专用芯片的11、13脚。

正确译码之后21TP01与20P01的波形应一致，但由于HDB3码的编译码规则较复杂，当前的输出HDB3码字与前4个码字有关，因而HDB3码的编译码时延较大。

四、各测量点及开关的作用

20K01：

1-2，实现AMI功能；2-3，实现HDB3功能

20P01：

数字基带信码输入铆孔。

可从“时钟与基带数据发生模块”引入不同的数字信号进行编码，如全“1”、全“0”及其它码组等。

拨码器4SW02：

当设置为“01110”时，则4P01输出由4SW01拨码器设置的8比特数据，速率为64K；当设置为“00001”时，则4P01输出15位的伪随机码数据，速率为32K。

20TP01：

AMI或HDB3码编译码的64KHz工作时钟测试点。

20TP02：

AMI或HDB3码编码时的负向波形输出测试点。

20TP03：

AMI或HDB3码编码时的正向波形输出测试点。

20TP04：

AMI或HDB3码编码输出测试点。

20P02:

译码数字基带信码输出铆孔。

注：

20TP02、20TP03、20TP04编码输出信号，都比数字基带信号20P01延时4个编码时钟周期，20TP01作为4连0检测用；20P02译码还原输出的数字基带信号，也比数字编码信号21TP04延时4个译码时钟周期。

五、实验内容及步骤

1．插入有关实验模块：

在关闭系统电源的条件下，将AMI/HDB3编译码模块、时钟与基带数据发生模块，分别插到通信原理底板插座上（位号为：

F、G）。

（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。

注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。

2．信号线连接：

用专用导线将4P01、20P01连接。

注意连接铆孔箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔。

3．加电：

打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。

若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。

4．AMI码测试：

1）跳线开关20K01选择1-2脚连，即实现AMI功能。

2）拨码器4SW02：

设置为“01110”，拨码器4SW01设置“11111111”。

即给AMI编码系统送入全“1”信号。

观察有关测试点波形，分析实现原理，记录有关波形。

3）拨码器4SW02：

设置为“01110”，拨码器4SW01设置“00000000”。

，即给AMI编码系统送入全“0”信号。

观察有关测试点波形，特别注意20TP04点编码波形，分析原因。

4）拨码器4SW02：

设置为“00001”，即给AMI编码系统送入复杂信号（32K的15位m序列）。

对照20TP01点时钟读出4P01点的码序列，根据AMI编码规则，画出其编码波形。

再观察有关测试点波形，验证自己的想法。

记录有关波形。

5．HDB3码测试：

1）跳线开关20K01选择2-3脚连，即实现HDB3功能。

2）拨码器4SW02：

设置为“01110”，拨码器4SW01设置“11111111”。

即给HDB3编码系统送入全“1”信号。

观察有关测试点波形，分析实现原理，记录有关波形。

3）拨码器4SW02：

设置为“01110”，拨码器4SW01设置“00000000”。

，即给HDB3编码系统送入全“0”信号。

观察有关测试点波形，特别注意20TP04点编码波形，分析原因。

4）拨码器4SW02：

设置为“00001”，即给HDB3编码系统送入复杂信号（32K的15位m序列）。

对照20TP01点时钟读出4P01点的码序列，根据HDB3编码规则，画出其编码波形。

再观察有关测试点波形，验证自己的想法。

记录有关波形。

6．关机拆线：

实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。

注：

因AMI或HDB3码的编码时钟固定为64KHZ，所以送入的基带数据速率必须是2的n次方，且不能超过64Kb/s。

另外，低于64Kb/s码元将本编码模块识别成64Kb/s的码元。

六、实验报告要求

1．根据实验结果，画出AMI/HDB3码编译码电路的测量点波形图，在图上标上相位关系。

2．根据实验测量波形，阐述其波形编码过程。

实验2眼图观察测量实验

一、实验目的

学会观察眼图及其分析方法，调整传输滤波器特性。

二、实验仪器

1.眼图观察电路（位于大底板右上角，实物图片如下）

2．时钟与基带数据发生模块，位号：

G

3．PSK调制模块，位号A

4．噪声模块，位号B

5．PSK解调模块，位号C

6．复接/解复接、同步技术模块，位号：

I

7．20M双踪示波器1台

三、实验原理

在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善（通过调整）传输系统性能。

我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。

在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。

为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。

眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。

什么是眼图?

所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元时钟作为同步信号，基带信号一个或少数码元周期反复扫描在示波器屏幕上显示的波形称为眼图。

干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。

因为对于二进制信号波形，它很像人的眼睛故称眼图。

在图8-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真（码间串扰）。

图8-1中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。

眼图中央的垂直线表示取样时刻。

当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。

在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：

+1或-1。

当波形有失真时，“眼睛”部分闭合，取样时刻信号取值就分布在小于+1或大于-1附近。

这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。

换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。

“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。

为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图8-2的形状。

由此图可以看出：

（1）最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；

（2）眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；（3）在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；（4）在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；（5）阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。

实验室理想状态下的眼图如图8-3所示。

衡量眼图质量的几个重要参数有：

1．眼图开启度（U-2ΔU）/U

指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。

无畸变眼图的开启度应为100%。

图8-1无失真及有失真时的波形及眼图

（a）无码间串扰时波形；无码间串扰眼图

（b）有码间串扰时波形；有码间串扰眼图

图8-2眼图的重要性质

其中U=U++U-

2．“眼皮”厚度2ΔU/U

指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。

3．交叉点发散度ΔT/T

指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。

4．正负极性不对称度

指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。

无畸变眼图的极性不对称度应为0。

最后，还需要指出的是：

由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。

不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。

在图8-3中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。

本实验主要是完成PSK解调输出基带信号的眼图观测实验。

（a）二进制系统（b）随机数据输入后的二进制系统

图8-3实验室理想状态下的眼图

四、各测量点和可调元件作用

底板右边“眼图观察电路”

W06：

接收滤波器特性调整电位器。

P16：

眼图观察信号输入点。

P17：

接收滤波器输出升余弦波形测试点（眼图观察测量点）。

五、实验步骤

1．插入有关实验模块：

在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“PSK调制模块”、“噪声模块”、“PSK解调模块”，插到底板“G、A、B、C”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。

注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。

2．BPSK信号线连接：

用专用导线将4P01、37P01；37P02、3P01；3P02、38P01；38P02、P16连接（底板右边“眼图观察电路”）。

注意连接铆孔的箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔。

3．加电：

打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。

若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。

4．跳线开关设置：

“PSK调制模块”跳线开关37K02的1-2、3-4相连。

“时钟与基带数据发生模块”的拨码器4SW02：

设置为“00001“，4P01产生32Kb/s的15位m序列输出。

5．无噪声眼图波形观察：

（1）噪声模块调节：

调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；

（2）调节3W02，调整3P02信号幅度为4V。

（3）调整好PSK调制解调电路状态，即37P01与38P02波形一致（可以反相），若不一致，可调整38W01电位器。

（4）调整接收滤波器

（这里可视为整个信道传输滤波器

）的特性，使之构成一个等效的理想低通滤波器。

（5）用示波器的一根探头CH1放在4P02（码元时钟）上，另一根探头CH2放在P17（数字基带信号的升余弦波）上，选择示波器触发方式为CH1，调整示波器的扫描旋纽，则可观察到若干个并排的眼图波形。

眼图上面的一根水平线由连1引起的持续正电平产生，下面一根水平线由连0码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1、0交替码产生。

观看眼图，调整电位器W06直到眼图波形的过零点位置重合、线条细且清晰，此时的眼图为无码间串扰、无噪声时的眼图。

在调整电位器W06过程中，可发现眼图波形过零点线条有时弥散，此时的眼图为有码间串扰、无噪声时的眼图，并且线条越弥散，表示码间串扰越大；在调整过程中，还可发现W06在多个不同位置，眼图波形的过零点都重合，由于W06不同位置，对应

的不同特性，它正好验证了无码间串扰传输特性不是唯一的。

6．有噪声眼图波形观察：

调节3W01，增加噪声电平。

因为噪声的影响，PSK解调输出的基带信号中将出现干扰的毛刺信号（实为电平毛刺，在后续再生信号中容易引起判决错误，出现误码），此时的眼图线条变粗、变模糊并且呈毛刺状。

噪声越大，线条越粗，越模糊。

7．另外，噪声也可直接与基带眼图信号混合，然后观测眼图。

此时用专用导线将4P01与P16及P17与3P01相连。

即将基带眼图信号直接接入“噪声模块”，调节3W01，增加噪声电平，此时需在3P02铆孔观测眼图波形。

8.关机拆线：

实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。

注：

本实验电路要求输入的基带信号为32Kb/s速率。

六、实验报告要求

1．分析电路的工作原理，叙述其工作过程。

2．叙述眼图的产生原理以及它的作用。

实验3FSK（ASK）调制解调实验

一、实验目的

1．掌握FSK（ASK）调制器的工作原理及性能测试；

2．掌握FSK（ASK）锁相解调器工作原理及性能测试；

3.学习FSK（ASK）调制、解调硬件实现，掌握电路调整测试方法。

二、实验仪器

1．FSK调制模块，位号A（实物图片如下）

2．FSK解调模块，位号C（实物图片如下）

3．时钟与基带数据发生模块，位号：

G（实物图片见第3页）

4．噪声模块，位号B

5．20M双踪示波器1台

6．小平口螺丝刀1只

7．频率计1台（选用）

8．信号连接线3根

三、实验原理

数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。

由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗群时延性能较强，因此在无线中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。

（一）FSK调制电路工作原理

FSK调制电路是由两个ASK调制电路组合而成，它的电原理图，如图5-1所示。

16K02为两ASK已调信号叠加控制跳线。

用短路块仅将1-2脚相连，输出“1”码对应的ASK已调信号；用短路块仅将3-4脚相连，输出“0”码对应的ASK已调信号。

用短路块将1-2脚及3-4脚都相连，则输出FSK已调信号。

因此，本实验箱没有专门设置ASK实验单元电路。

图5-1FSK调制解调电原理框图

图5-1中，输入的数字基带信号分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经反相器去控制f2=16KHz的载频。

当基带信号为“1”时，模拟开关B打开，模拟开关A关闭，此时输出f1=32KHz；当基带信号为“0”时，模拟开关B关闭，模拟开关A打开，此时输出f2=16KHz；在输出端经开关16K02叠加，即可得到已调的FSK信号。

电路中的两路载频（f1、f2）由时钟与基带数据发生模块产生的方波，经射随、选频滤波变为正弦波，再送至模拟开关4066。

载频f1的幅度调节电位器16W01，载频f2的幅度调节电位器16W02。

（二）FSK解调电路工作原理

FSK解调采用锁相解调，锁相解调的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频上，此时对应的环路滤波器输出电压为零，而对另一载频失锁，则对应的环路滤波器输出电压不为零，那末在锁相环路滤波器输出端就可以获得原基带信号的信息。

FSK锁相环解调器原理图如图5-2所示。

FSK锁相解调器采用集成锁相环芯片

17P01

17P02

图5-2FSK锁相环解调器原理示意图

MC4046。

其中，压控振荡器的频率是由17C02、17R09、17W01等元件参数确定，中心频率设计在32KHz左右，并可通过17W01电位器进行微调。

当输入信号为32KHz时，调节17W01电位器，使环路锁定，经形成电路后，输出高电平；当输入信号为16KHz时，环路失锁，经形成电路后，输出低电平，则在解调器输出端就得到解调的基带信号序列。

四、各测量点和可调元件的作用

1.FSK调制模块

16K02：

两ASK已调信号叠加控制跳线。

用短路块将1-2脚及3-4脚都相连，则输出FSK已调信号。

仅1-2脚连通，则输出ASK已调信号。

16TP01：

32KHz方波信号输入测试点，由4U01芯片（EPM240）编程产生。

16TP02：

16KHz方波信号输入测试点，由4U01芯片（EPM240）编程产生。

16TP03：

32KHz载波信号测试点，可调节电位器16W01改变幅度。

16TP04：

16KHz载波信号测试点，可调节电位器16W02改变幅度。

16P01：

数字基带信码信号输入铆孔。

16P02：

FSK已调信号输出铆孔，此测量点需与16P01点波形对比测量。

2．FSK解调模块

17W01：

解调模块压控振荡器的中心频率调整电位器。

17P01：

FSK解调信号输入铆孔。

17TP02：

FSK解调电路中压控振荡器输出时钟的中心频率，正常工作时应为32KHz左右，频偏不应大于2KHz，若有偏差，可调节电位器17W01。

17P02：

FSK解调信号输出，即数字基带信码信号输出，波形同16P01。

3．噪声模块

3W01:

噪声电平调节。

3W02：

加噪后信号幅度调节。

3TP01:

噪声信号测试点，电平由3W01调节。

3P01:

外加信号输入铆孔。

3P02:

加噪后信号输出铆孔。

五、实验内容及步骤

1．插入有关实验模块：

在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“FSK调制模块”、“噪声模块”、“FSK解调模块”，插到底板“G、A、B、C”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。

注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。

2．信号线连接：

用专用导线将4P01、16P01；16P02、3P01；3P02、17P01连接（注意连接铆孔的箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔）。

3．加电：

打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。

若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。

4．设置好跳线及开关：

用短路块将16K02的1-2、3-4相连。

拨码器4SW02：

设置为“00000”，4P01产生2K的15位m序列输出。

5．载波幅度调节：

16W01：

调节32KHz载波幅度大小，调节峰峰值4V。

16W02：

调节16KHz载波幅度大小，调节峰峰值4V。

用示波器对比测量16TP03、16TP04两波形。

6．FSK调制信号和巳调信号波形观察：

双踪示波器触发测量探头接16P01，另一测量探头接16P02，调节示波器使两波形同步，观察FSK调制信号和巳调信号波形，记录实验数据。

7．噪声模块调节：

调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；调节3W02，调整3P02信号幅度为4V。

8．FSK解调参数调节：

调节17W01电位器，使压控振荡器锁定在32KHz（16KHz行不行？

），同时可用频率计监测17TP02信号频率。

9．无噪声FSK解调输出波形观察：

调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；双踪示波器触发测量探头接16P01，另一测量探头接17P02。

同时观察FSK调制和解调输出信号波形，并作记录，并比较两者波形，正常情况，两者波形一致。

如果不一致，可微调17W01电位器，使之达到一致。

10．加噪声FSK解调输出波形观察：

调节3W01逐步增加调制信号的噪声电平大小，看是否还能正确解调出基带信号。

11．ASK实验与上相似，这儿不再赘述。

12．关机拆线：

实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。

注：

由于本实验中载波频率为16KHz、32KHz，所以被调制基带信号的码元速率不要超过4KHz。

六、实验报告要求

1．根据实验步骤2的连线关系，画出实验结构示意图。

2．画出FSK、ASK各主要测试点波形。

3．分析其输出数字基带信号序列与发送数字基带信号序列相比有否产生延迟，这种解调方式在什么情况下会出现解调输出的数字基带信号序列反向的问题?