《通信原理》实验手册.docx

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《通信原理》实验手册

实验1数字基带信号与AMI/HDB3编译码

实验目的

1、掌握单极性码、双极性码、归零码、非归零码等基带信号波形特点。

2、掌握AMI、HDB3码的编码规则。

3、掌握从HDB3码信号中提取位同步信号的方法。

4、掌握集中插入帧同步码同步时分复用信号的帧结构特点。

预习知识（实验前填写完成）

（1）AMI码的编码规律是：

将二进制信息码的“1”码交替编码为“+1”码和“-1”码，而“0”码编码后仍为“0”码。

（2）HDB3码的编码规律是：

4个连“0”二进制信息码用取代节“000V”或“B00V”代替，当两个相邻V码中间有奇数个信息“1”码时取代节为“000V”，有偶数个信息“1”码（包括0个信息“1”码）时取代节为“B00V”；其它的信息码中“0”码编码后仍为“0”码；信息码的“1”码编码后变为“+1”码或“-1”码。

HDB3码中“1”、“B”的符号与其前一个非“0”码的符号相反，符合交替反转原则；而“V”的符号与其前一个非“0”码的符号相同，破坏了符号交替反转原则；但相邻V码的符号又是交替反转的。

（3）设信息码为100001100000100000000010，画出其NRZ码、AMI码，HDB3码波形。

实验内容及实验步骤（根据实验数据填写）

本模块有以下信号测试点：

NRZ译码器输出信号测试点

BS-R锁相环输出的位同步信号测试点

AMI-HDB3编码器输出信号测试点

1、熟悉数字信源模块和AMI/HDB3编译码模块的工作原理，接好电源线，打开实验设备电源开关。

2、用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。

将示波器置于外同步触发状态，用信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。

示波器探头的地线接在信源模块的GND点，进行下列观察：

（1）示波器的两个通道探头分别接信源模块的测试点NRZ-OUT和BS-OUT，对照发光二极管的发光状态，判断数字信源模块是否已正常工作（“1”码对应的发光管亮，“0”码对应的发光管灭）；

（2）用开关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NRZ码特点只有正脉冲且“1”码的脉冲宽度等于位时钟周期以及集中插入帧同步码同步时分复用信号帧结构特点帧同步码被集中插入到每一帧的固定位置，各路数据占有各自固定的时隙

（3）用示波器观察AMI/HDB3编译码模块的各种波形。

（1）示波器的两个探头CH1和CH2分别接信源模块的测试点NRZ-OUT和AMI/HDB3模块的测试点AMI-HDB3，将信源模块的K1、K2、K3每一位都置1，观察全1码对应的AMI码（开关K4置于左方AMI端）波形和HDB3码（开关K4置于右方HDB3端）波形。

再将K1、K2、K3置为全0，观察全0码对应的AMI码和HDB3码波形。

观察时应注意：

AMI码和HDB3码波形的占空比为0.5；编码输出信号AMI-HDB3比输入信号NRZ-OUT滞后了约4个码元。

（2）将K1、K2、K3置于011100100000110000100000状态，观察并记录对应的AMI码和HDB3码。

（3）将K1、K2、K3置于010000000000000000000000状态，CH1接信源模块的BS-OUT，K4先置于左方AMI端，CH2依次观察AMI/HDB3模块的BS-R和NRZ信号；再将K4置于右方HDB3端，CH2再次观察BS-R和NRZ信号。

从AMI码中提取的位同步信号BS-R的相位相对于其时钟BS-OUT的相位关系是：

由于此时信源代码连“0”个数太多，从AMI码中提取的位同步信号BS-R的相位相对于其时钟BS-OUT的相位是不固定的，观察中有两种可能现象：

BS-R的周期相对于BS-OUT有细微的改变；或BS-R相对于BS-OUT做快速抖动。

因此不能完成正确的AMI译码。

而HDB3码则不存在这种问题

实验1数字基带信号与AMI/HDB3编译码

实验思考题

（1）不归零码和归零码的特点是什么？

（2）与信源代码中的“1”码相对应的AMI码及HDB3码是否一定相同？

答：

1）不归零码特点：

脉冲宽度等于码元宽度Ts

归零码特点：

＜Ts

2）与信源代码中的“1”码对应的AMI码及HDB3码不一定相同。

因信源代码中的“1”码对应的AMI码“1”、“-1”相间出现，而HDB3码中的“1”，“-1”不但与信源代码中的“1”码有关，而且还与信源代码中的“0”码有关。

举例：

信源代码100001100001000001

AMI10000-110000-1000001

HDB310001-11-100-1100010-1

（3）写出下列信息代码的AMI及HDB3码

信息代码1111111

AMI1-11-11-11

HDB31-11-11-11

信息代码0000000000000

AMI0000000000000

HDB30001-1001-1001-1

信息代码011100100000110000100000

AMI01-1100-1000001-10000100000

HDB301-1100-1000-101-11001-1000–10

（4）试根据单极性归零码的功率谱密度公式说明为什么信息代码中的连0码越长，越难于从AMI码中提取位同步信号，而HDB3码则不存在此问题。

实验者签名指导教师签字

实验2数字调制

实验目的

1、掌握绝对码（AK）、相对码（BK）的概念以及它们之间的关系。

2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号的方法。

3、掌握BK与2PSK信号波形之间的关系、AK与2DPSK信号波形之间的关系。

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

预习知识（实验前填写完成）

（1）2ASK的编码规律是：

（2）2FSK的编码规律是：

（3）2DPSK的编码规律是：

（4）画出2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱简图：

实验内容及实验步骤（根据实验数据填写）

数字调制模块上有以下信号测试点：

CAR2DPSK和2ASK的载波信号测试点

BK相对码测试点

2DPSK2DPSK信号测试点，VP-P>0.5V

2FSK2FSK信号测试点，VP-P>0.5V

2ASK2ASK信号测试点，VP-P>0.5V

1、熟悉数字调制模块的工作原理。

接通电源，打开实验箱电源开关。

将数字调制模块单刀双掷开关K7置于左方N端，使信源输出周期性NRZ信号（而非m序列信号）作为调制器的基带信号。

2、将示波器置于外同步触发状态，用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。

示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT（AK），CH2接数字调制模块的BK，信源模块的K1、K2、K3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：

3、示波器CH1接2DPSK，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：

2DPSK信号波形对于AK信号而言，逢“1”变，2DPSK信号波形对于BK信号而言，在码元发生变化的地方变。

4、示波器CH2接AK、CH1依次接2FSK和2ASK；观察这两个信号与AK的关系：

实验2数字调制

实验思考题

1.设绝对码为11111、00000或10011010，求相对码。

答：

绝对码11111，00000，10011010

相对码参考信号010101，00000，11101100

参考信号101010，11111，00010011

2.设相对码为11111、00000或10011010，求绝对码。

答：

相对码11111，00000，10011010

绝对码参考信号100000，00000，01010111

参考信号010000，10000，11010111

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。

实验者签名指导教师签字

实验3模拟锁相环与载波同步

实验目的

1.掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。

2.掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环环路滤波器的设计方法。

3.了解2DPSK相干载波相位模糊现象产生的原因。

预习知识（实验前填写完成）

（1）模拟锁相环的原理框图（科斯塔斯环）：

（2）简单介绍模拟锁相环及平方环载波同步器的工作原理。

锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）及压控振荡器（VCO）组成，如图3.3所示。

模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是一个有源或无源低通滤波器。

锁相环路是一个相位负反馈系统。

PD检测ui（t）与uo（t）之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud（t）。

LF滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc（t）。

在uc（t）的作用下、uo（t）的相位向ui（t）的相位靠近。

则环路的数学模型如图所示。

由上述数学模型进行数学分析，可得到以下重要结论：

当ui（t）是固定频率正弦信号（θi（t）为常数）时，在环路的作用下，VCO输出信号频率可以由固有振荡频率ωo（即环路无输入信号、环路对VCO无控制作用时VCO的振荡频率）变化到输入信号频率ωi，此时θo（t）也是一个常数，ud（t）、uc（t）都为直流。

称此状态为环路的锁定状态。

定义Δωo=ωi-ωo为环路固有频差，Δωp表示环路的捕捉带，ΔωH表示环路的同步带，模拟锁相环中Δωp<ΔωH。

当|Δωo|<ΔωP时，环路可以进入锁定状态。

当|Δωo|<ΔωH时环路可以保持锁定状态。

当|Δωo|>ΔωP时，环路不能进入锁定状态。

环路锁定后，若Δωo发生变化使|Δωo|>ΔωH，则环路不能保持锁定状态。

环路不能进入锁定状态或不能保持锁定状态时将处于失锁状态。

失锁状态下ud（t）是一个上下不对称的差拍电压，当ωi>ωo时，ud（t）是上宽下窄的差拍电压；反之ud（t）是一个下宽上窄的差拍电压。

实验3模拟锁相环与载波同步

实验内容及实验步骤（根据实验数据填写）

本模块上有以下信号测试点及输出点：

MU平方器输出信号测试点，VP-P＞1V

VCOVCO输出信号测试点，VP-P＞0.2V

Ud鉴相器输出信号测试点，变化范围不小于4V

CAR-OUT相干载波信号测试点/输出点，VP-P＞0.4V

1.熟悉载波同步模块的工作原理。

接好电源线，打开实验箱电源开关。

2.检查数字信源模块和数字调制模块是否工作正常（用示波器观察信源模块的NRZ-OUT（AK）信号和调制模块的2DPSK信号之间逻辑关系正确与否）。

3.用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带。

环路锁定时Ud为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（即VCO信号频率）。

环路失锁时Ud为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。

本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制模块CAR信号频率的两倍。

环路锁定时VCO信号频率等于相干载波信号CAR-OUT频率的两倍。

所以环路锁定时调制模块的CAR和载波同步模块的CAR-OUT频率完全相等。

根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下：

（1）观察锁定状态与失锁状态

打开电源后用示波器观察Ud，若Ud为直流，则手工调节载波同步模块上的电位器CR34，通过它人为改变VCO振荡回路中的电容量，即改变VCO固有振荡频率。

从而使得Ud直流电压随振荡回路电容量减小而减小，或随振荡回路电容量增大而增大，这说明环路处于锁定状态。

用示波器同时观察调制模块的CAR信号和载波同步模块的CAR-OUT信号，可以看到两个信号频率相等。

在锁定状态下，向任一方向调节电位器CR34，可使Ud由直流变为交流，CAR和CAR-OUT频率也不再相等，此时环路由锁定状态变为失锁状态。

接通电源后Ud也可能是差拍信号，表示环路已处于失锁状态。

失锁时Ud的最大值和最小值就是锁定状态下Ud的变化范围（对应于环路的同步范围）。

环路处于失锁状态时，调节电位器CR34使Ud的差拍频率降低，当频率降低到某一程度时Ud会突然变成直流，环路由失锁状态变为锁定状态。

（2）测量同步带与捕捉带

使环路处于锁定状态后，慢慢调整电位器CR34，使Ud电平增大，直到Ud变为交流信号（上宽下窄的周期信号），环路失锁。

记锁定状态下的Ud电平最大值为Ud1;反向改变CR34，Ud的频率逐渐变低，不对称程度越来越小，直至变为直流信号，环路锁定。

记环路刚由失锁状态进入锁定状态时的Ud为Ud2;继续改变CR34，Ud减小，直至Ud变为交流信号（下宽上窄的周期信号），环路再次失锁。

记锁定状态下的Ud最小值为Ud3;再反向改变CR34，直至Ud变为直流信号，环路再次锁定。

记环路再次刚由失锁定状态进入锁定状态时的Ud为Ud4。

4、观察相干载波相位模糊现象

使环路锁定，用示波器同时观察调制模块的CAR和载波同步模块的CAR-OUT信号，反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。

实验3模拟锁相环与载波同步

实验思考题

1.总结模拟锁相环锁定状态及失锁状态的特点。

答：

模拟环锁定状态的特点：

输入信号频率与反馈信号频率相等，鉴相器输出电压为直流。

模拟环失锁状态的特点：

鉴相器输出电压为不对称的差拍电压。

2.总结用平方环提取相干载波的原理及相位模糊现象产生的原因。

答：

平方运算输出信号中含有2fC离散谱，模拟环输出信号频率等于2fC，二分频，滤波后得到相干载波。

2电路有两个初始状态，导致提取的相干载波有两种相反的相位状态。

可对相干载波的相位模糊作如下解释：

在数学上,对cos2ωct进行除2运算的结果是cosωct或-cosωct。

实际电路也决定了相干载波可能有两个相反的相位，因2分频器的初始状态可以为“0”也可以是“1”，这两个初始状态分别对应于cosωct和-cosωct两个相干载波。

用同相正交环提取相干载波时，也存在相位模糊现象，文献[3]对此有详细分析。

实验者签名指导教师签字

实验4数字解调与眼图

实验目的

1.掌握2DPSK相干解调原理。

2.掌握2FSK过零检测解调原理

预习知识（实验前填写完成）

（1）2DPSK信号的解调方式有：

相干解调或差分相干解调法（相位比较法）

（2）2FSK信号的解调方式有：

包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等

2DPSK相干解调波形示意图

2DPSK相干解调电路中的有关信号波形如图所示，图中假设绝对码为1101011，下面对一些具体问题加以说明。

信源是周期为24bit的周期信号，当24bit的相对码BK中“1”码和“0”码个数不相等时，相乘器U29的输出信号MU及低通滤波器输出信号LPF是正负不对称的信号。

在实际的2DPSK通信系统中，抽样判决器输入信号是一个均值为0且正负对称的信号，因此最佳判决电平为0。

TX系列实验设备中，判决电平VC是可以调节的。

当VC=0而相对码BK中“1”码和“0”码个数差别太大时，可能出现误判决，即解调器出现误码。

因为此时LPF信号的正电平或负电平非常接近0电平，抽样脉冲稍不理想就会造成误码。

电位器R39用来调节判决电平，当BK中“1”码与“0”码个数差别比较大时出现误码时，可调节R39使VC接近LPF信号的中值。

实际通信系统中的2DPSK相干解调器（或差分相干解调器）是针对随机信号，不需要调节判决电平。

比较器的输出信号CM为TTL电平信号，它不能作为相对码直接送给码反变器，因为它并不是一个标准的单极性非归零码，其单个“1”码对应的正脉冲的宽度和单个“0”码对应的零电平的宽度可能小于码元宽度、也可能大于码元宽度。

另外，当LPF中有噪声时，CM中还会出现噪声脉冲（由于在TX系列实验设备中信道是理想的，接收机输入信号中无噪声，故实验时观察不到此脉冲噪声）。

实验4数字解调与眼图

2FSK过零检测解调器各点波形示意图

实验内容及实验步骤（根据实验数据填写）

2DPSK解调模块上有以下信号测试点及输入输出点：

MU相乘器输出信号测试点

LPF低通、运放输出信号测试点

VC比较器比较电压测试点

CM比较器输出信号测试点/输出点

BK解调输出相对码测试点

AK-OUT解调输出绝对码测试点/输出点

BS-IN位同步信号输入点

2FSK解调模块上有以下信号测试点及输入输出点：

FD2FSK过零检测器输出信号测试点

LPF低通滤波器输出信号测试点

CM比较器输出信号测试点/输出点

BS-IN位同步信号输入点

AK-OUT解调输出信号的测试点/输出点

1.复习前面实验的内容并熟悉2DPSK解调模块及2FSK解调模块的工作原理，接通实验箱电源。

将数字调制模块单刀双掷开关K7置于左方NRZ端。

2.检查数字信源、数字调制及载波同步模块是否工作正常，载波同步模块的锁相环应处于锁定状态。

3.2DPSK解调实验

（1）将数字信源模块的BS-OUT用信号连线连接到2DPSK解调模块的BS-IN处。

将示波器置于外同步触发状态，以信源模块的FS信号作为示波器外同步触发信号。

将示波器的CH1接数字调制模块的BK，CH2接2DPSK解调模块的MU。

MU与BK的相位关系是同相或反相。

实验4数字解调与眼图

（2）示波器的CH2接2DPSK解调模块的LPF，可看到LPF与MU相位关系是同相。

（3）示波器的CH1接VC，调节电位器R39，使VC为LPF的中值电平

（4）观察数字调制模块的BK与2DPSK解调模块的MU、LPF、BK之间的关系，再观察数字信源模块中AK信号与2DPSK解调模块的MU、LPF、BK、AK-OUT信号之间的关系。

（画出图形）

（5）断开、接通电源若干次，改变数字调制模块的CAR信号与载波同步模块的CAR-OUT信号的相位关系，重新进行步骤（4）中的观察。

（6）将数字调制模块单刀双掷开关K7置于右方M序列端，此时数字调制器输入的基带信号是m序列。

用示波器观察2DPSK解调模块中的LPF信号，即可看到无噪声时的眼图。

4.2FSK解调实验

将数字调制模块单刀双掷开关K7还原置于左方NRZ端。

将数字信源模块的BS-OUT用信号连线换接到2FSK解调模块的BS-IN处，示波器探头CH1接数字信源模块中的AK，CH2分别接2FSK解调模块中的FD、LPF、CM及AK-OUT，画出2FSK过零检测解调器的解调过程示意图。

实验思考题

1、总结2DPSK克服相位模糊现象的机理

当相干载波为-cosωCt时，MU、LPF及BK与载波为cosωCt时的状态反相，但AK仍不变（第一位与BK的起始电平有关）。

2DPSK系统之所能克服相位模糊现象，是因为在发端将绝对码变为了相对码，在收端又将相对码变为绝对码，载波相位模糊可使解调出来的相对码有两种相反的状态，但它们对应的绝对码是相同的。

实验者签名指导教师签字

实验5数字锁相环与位同步

实验目的

1.了解数字锁相环的作用。

2.了解用数字环提取位同步信号的原理及对其输入的信息代码的要求。

预习知识

（1）数字锁相环用于提取位同步信号。

（2）环路输入信号电平变化频率越低，位同步信号同步抖动越大。

若环路输入信号是单极性非归零码，则连“1”或连“0”码越多，越不利于提取位同步信号。

实验内容及实验步骤

1、熟悉位同步模块工作原理。

将数字信源模块的NRZ-OUT信号用信号连线连接到位同步模块的S-IN点，接通实验箱电源。

按几下位同步模块的复位键，确保位同步模块正常工作。

2、观察数字环的锁定状态和失锁状态。

调整信源模块的K1、K2、K3开关，使NRZ-OUT为011100101100000000000000。

将示波器置于外同步触发状态，用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。

将示波器的两个探头分别接信源模块的NRZ-OUT和位同步模块的BS-OUT。

调节位同步模块上的电位器CR2，观察数字环的锁定状态和失锁状态。

锁定时BS-OUT信号上升沿位于NRZ-OUT信号的码元中间且在很小范围内抖动；失锁时，BS-OUT的相位抖动比较大，本实验中可能超出半个码元宽度范围。

3、观察位同步信号抖动范围与位同步器输入信号连“1”或连“0”个数的关系。

调节电位器CR2使环路锁定且BS-OUT信号相位抖动范围最小，调整信源模块的K1、K2、K3，使每帧NRZ-OUT信号只有1个“1”码或只有1个“0”码，观察此时BS-OUT信号的相位抖动变化情况。

实验者签名指导教师签字

实验6时分复用数字基带通信系统

实验目的

1.掌握时分复用数字基带通信系统的基本原理。

2.掌握位同步信号抖动、帧同步信号错位对数字信号传输的影响。

3.掌握位同步信号、帧同步信号在数字分接中的作用及同步时分复用信号的分接原理。

预习知识

（1）时分复用基本原理。

（2）数字通信系统位同步、帧同步时的状态。

实验内容及实验步骤（根据实验数据填写）

本实验使用数字信源、位同步、帧同步及数字终端等四个模块。

它们的信号连接关系如图所示，其中实线表示印刷板上已经布好的连线，虚线表示实验中要由实验者连接的信号线。

1.复习位同步、帧同步的实验内容并熟悉数字终端模块工作原理，按照图将这四个模块连在一起，接通实验箱电源。

示波器处于外同步触发状态，将信源模块的FS信号作为示波器外同步触发信号。

图数字基带系统连接图

2.用示波器CH1观察数字信源模块NRZ-OUT信号，判断信源模块是否工作正常。

正常工作时现象应是：

波形显示的NRZ应和数码管一致

3.用示波器CH2观察位同步模块BS-OUT信号，调节位同步模块的电位器CR2，使位同步信号BS-OUT的上升沿对准信源NRZ信号的码元中间并且相位抖动最小。

4.将数字信源模块的K1置于1110010，用示波器CH2观察帧同步模块FS信号与信源NRZ信号的相位关系，判断帧同步模块是否工作正常。

注意：

FS信号的上升沿超前于NRZ