信息论与编码实验书精品版.docx

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信息论与编码

浙江求是科教设备有限公司

2010年11月

实验一数字基带信号实验

一、实验目的

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AMI、HDB3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时分复用信号的帧结构特点。

5、了解HDB3（AMI）编译码集成电路CD22103。

二、实验要求

通过本实验了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点；掌握AMI、HDB3的编码规则；掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。

三、实验原理

本实验使用数字信源模块、HDB3/AMI编译码模块。

1、数字信源

图1-1数字信源方框图

本模块是整个实验系统的发终端，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。

图1-2帧结构

本模块有以下测试点及输入输出点：

∙CLK晶振信号测试点

∙BS-OUT信源位同步信号输出点/测试点

∙FS信源帧同步信号输出点/测试点

∙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74LS04

∙分频器U2：

计数器74LS161；U3：

计数器74LS193；

U4：

计数器74LS160

∙并行码产生器　　　K1、K2、K3：

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U5、U6、U7：

8位数据选择器74LS151

∙三选一U8：

8位数据选择器74S151

∙倒相器U20：

非门74LS04

∙抽样U9：

D触发器74HC74

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

74LS161进行13分频，输出信号频率为341kHz。

74LS161是一个4位二进制加计数器，预置在3状态。

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。

74LS193是一个4位二进制加/减计数器，当CPD=PL=1、MR=0时，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分别输出上述4个信号。

74SL160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。

U5、U6和U7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D0~D7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U5、U6、U7输出信号都是码速率为170.5KB、以8位为周期的串行信号。

表1-174LS151真值表

STR

（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U8的地址端A和B，U5、U6、U7输出的3路串行信号分别输入到U8的数据端D3、D0、D1，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。

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

2.HDB3编译码

原理框图、电原理图分别如图1-6和图1-7所示。

本单元有以下测试点及输出点：

∙NRZ_IN编码器输入信号

∙BS_IN位同步输入信号

∙NRZ_OUT译码器输出信号

∙BS-OUT锁相环输出的位同步信号

∙（AMI）HDB3编码器输出信号

∙（AMI）HDB3-D（AMI）HDB3整流输出信号

图1-6HDB3编译码方框图

本模块上的开关K4用于选择码型，K4位于右边（A端）选择AMI码，位于左边（H端）选择HDB3码。

图1-6中各单元与图1-7各单元器件的对应关系如下：

∙HDB3编译码器U9：

HDB3编译码集成电路CD22103A

∙单/双极性变换器U10：

模拟开关4052

∙双/单极性变换器U13：

非门74HC04

∙相加器U14：

或门74LS32

∙带通U11、U12：

运放UA741

∙限幅放大器U15：

运放LM318

∙锁相环U16：

集成锁相环CD4046

下面简单介绍AMI、HDB3码编码规律。

AMI码的编码规律是：

信息代码1变为带有符号的1码即+1或-1，1的符号交替反转；信息代码0的为0码。

AMI码对应的波形是占空比为0.5的双极性归零码，即脉冲宽度τ与码元宽度（码元周期、码元间隔）TS的关系是τ=0.5TS。

HDB3码的编码规律是：

4个连0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0码仍为0码；信息码的1码变为带有符号的1码即+1或-1；HDB3码中1、B的符号符合交替反转原则，而V的符号破坏这种符号交替反转原则，但相邻V码的符号又是交替反转的；HDB3码是占空比为0.5的双极性归零码。

图1-8NRZ、AMI、HDB3关系图

CD22103的引脚及内部框图如图1-10所示，引脚功能如下：

图1-10CD22103的引脚及内部框图

（1）NRZ-IN编码器NRZ信号输入端；

（2）CTX编码时钟（位同步信号）输入端；

（3）HDB3/AMI　码型选择端：

接TTL高电平时，选择HDB3码；接

TTL低电平时，选择AMI码；

（4）NRZ-OUTHDB3译码后信码输出端；

（5）CRX码时钟（位同步信号）输入端；

（6）RAIS告警指示信号（AIS）检测电路复位端，负脉冲有效；

（7）AISAIS信号输出端，有AIS信号为高电平，无ALS信号时为低电平；

（8）VSS接地端；

（9）ERR不符合HDB3/AMI编码规则的误码脉冲输出端；

（10）CKRHDB3码的汇总输出端；

（11）+HDB3-INHDB3译码器正码输入端；

（12）LTFHDB3译码内部环回控制端，接高电平时为环回，接低电平时为正常；

（13）-HDB3-INHDB3译码器负码输入端；

（14）-HDB3-OUTHDB3编码器负码输出端；

（15）+HDB3-OUTHDB3编码器正码输出端；

（16）VDD接电源端（+5V）

四、实验所用仪器

1、双踪示波器一台

2、通信原理Ⅵ型实验箱一台

3、M6信源模块

五、实验步骤与方法

1、熟悉信源模块，AMI&HDB3编译码模块（由可编程逻辑器件模块实现）和HDB3编译码模块的工作原理。

2、接通数字信号源模块的电源。

用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。

（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。

3、关闭数字信号源模块的电源,按照下表连线，打开数字信号源模块和AMI（HDB3）编译码模块电源。

用示波器观察AMI（HDB3）编译单元的各种波形。

源端口

目的端口

1．数字信源单元NRZ-OUT

AMI（HDB3）编译码单元:

NRZ-IN

2．数字信源单元:

BS-OUT

AMI（HDB3）编译码单元:

BS-IN

（1）示波器的两个探头CH1和CH2分别接NRZ-OUT和（AMI）HDB3，将信源模块K1、K2、K3的每一位都置1，观察并记录全1码对应的AMI码和HDB3码；再将K1、K2、K3置为全0，观察全0码对应的AMI码和HDB3码。

观察AMI码时将开关K1置于A端，观察HDB3码时将K1置于H端，观察时应注意编码输出（AMI）HDB3比输入NRZ-OUT延迟了4个码元。

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

（3）将K1、K2、K3置于任意状态，K4（码型选择开关）置A或H端，CH1接NRZ-OUT，CH2分别接（AMI）HDB3-D、BPF、BS-R和NRZ，观察这些信号波形。

观察时应注意：

∙NRZ信号（译码输出）迟后于NRZ-OUT信号（编码输入）8个码元。

∙AMI、HDB3码是占空比等于0.5的双极性归零码，AMI-D、HDB3-D是占空比等于0.5的单极性归零码。

∙BS-OUT是一个周期基本恒定（等于一个码元周期）的TTL电平信号。

六、实验注意事项

本实验中若24位信源代码中只有1个“1“码，则无法从AMI码中得到一个符合要求的位同步信号，因此不能完成正确的译码。

若24位信源代码全为“0”码，则更不可能从AMI信号（亦是全0信号）得到正确的位同步信号。

信源代码连0个数越多，越难于从AMI码中提取位同步信号（或者说要求带通滤波的Q值越高，因而越难于实现），译码输出NRZ越不稳定，而HDB3码则不存在这种问题。

七、实验预习要求

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、AMI、HDB3码编码规律；

3、了解八选一及三选一分频器。

八、实验报告要求及思考题

1.根据实验观察和纪录回答：

（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？

为什么？

2.设代码为全1，全0及011100100000110000100000，给出AMI及HDB3码的代码和波形。

3.总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。

4.试根据占空比为0.5的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。

实验二码型变换

一、实验目的

1.了解传号反转码（CMI），双相码（BHP）,延迟调制码（MILLER）等基带信号波形特点。

2.掌握传号反转码（CMI），双相码（BHP）,延迟调制码（MILLER）的编码规则。

3.掌握传号反转码（CMI），双相码（BHP）,延迟调制码（MILLER）的译码规则。

二、实验要求

通过本实验了解传号反转码（CMI），双相码（BHP）,延迟调制码（MILLER）等基带信号波形特点；掌握传号反转码（CMI），双相码（BHP）,延迟调制码（MILLER）的编码规则；掌握传号反转码（CMI），双相码（BHP）,延迟调制码（MILLER）的译码规则。

三、实验原理

本实验使用数字信源模块和可编程逻辑器件模块。

1．CMI，BHP,MILLER编译码

CMI,BHP,MILLER码的编码原理框图如图2－1，2－2。

在可编程逻辑器件单元中，有以下测试点及输出点：

∙GCLK1（83）4.433MHz时钟输入点

∙IO－12位同步输入点

∙IO－11NRZ输入点

∙IO－79CMI编码输出

∙IO－74BHP编码输出

∙IO－73MILLER编码输出

∙IO－63CMI译码输出

∙IO－81BHP译码输出

∙IO－76MILLER译码输出

图2-3为各个码型的对应关系，注意，输出信号中除CMI编码输出外皆有一定延迟。

CMI码即为传号翻转码，“1”交替地用“00”和“11”来表示，而“0”则固定用“01”来表示，因此把信号从1位（bit）变成了2位（bit），属于二电平的NRZ的1B2B码型，这种码的特点是：

（1）没有直流分量；

（2）定时信号容易被提取，由波形可知。

只要将负跳变取出即可作为定时信号；（3）有一定的纠错能力，因为在CMI码序列中只会有01和交替出现00或11，不会出现10或连续出现00或11，若出现就是错码。

因此在低速的系统中选为传输码型。

图2－1

CMI的编码实现：

在BS上升沿对NRZ取样，是1则输出一个BS周期的1或0，选择标准是与上一个采样值为1时输出的值相反，即上一次输出1则这一次输出0，反之亦然；采样值为0则将BS的一个周期取反后输出。

CMI码为“00”或“11”时对应NRZ的1，为“01”时对应NRZ的“0”，由此可知，在BS信号的上升沿和下降沿分别采样，对应CMI与NRZ的关系就可以将CMI译码为NRZ。

注意，实际操作时为了避免采样出现冒险，使用延迟后的BS信号采样。

BHP码又称双相码、反相码或Manchester码。

它是用分别持续半个码元周期的正负电平组合表示信码“1”，用分别持续半个码元周期的负正电平组合表示信码“0”。

双相码的主要特点是不管信码的统计特性如何，在每个码元周期中点都存在电平跳变，因此比较容易提取定时信号，而且因为每个周期中正负电平各占一半，所以没有直流分量。

但是它的脉冲最小宽度时码元周期的一半，所以它占用的带宽比相同周期的不归零码大一倍。

BHP码的编码很简单，只要将NRZ码与BS的反相信号相异或即可。

而它的译码需要用两倍BS频率的信号对其采样，“01”对应NRZ的“0”，“10”对应NRZ的“1”。

Miller码又称延迟调制码，其编码规则为：

信码“1”用“01”或“10”交替表示，信码“0”用“00”或“11”交替表示。

它的主要特点是：

（1）由编码规则可知，当信码序列出现“101”时，Miller码出现最大脉冲宽度为两个码元周期，而信码出现连“0时，它的最小脉冲宽度为一个码元周期，这一性质可用于进行误码检测。

（2）比较双相码与Miller码的码型，可以发现后者是前者经过一级触发器得来。

由上述特点可知Miller码的编码过程：

将NRZ编码为BHP码，再由BHP码经过一级触发器即得Miller码。

Miller码的解码方法与BHP码相同，只要将判决条件改为NRZ与Miller码的对应关系即可。

图2－2

图2-3

四、实验仪器

1.双踪示波器一台

2.通信原理Ⅵ型实验箱一台

3.M8:

CPLD模块和M6:

数字信号源模块

4.PC机一台

五、实验步骤与方法

1．接通CPLD模块的电源，下载光盘上CPLD下载目录下的“codec.pof”,详细下载步骤见附录二。

断开CPLD模块电源，按照下表连线，再一次接通数字信源模块和CPLD单元的电源，用示波器观察各种码型编译码的信号波形。

源端口

目的端口

数字信源模块：

NRZ-OUT

可编程逻辑单元：

IO-11

数字信源模块：

BS-OUT

可编程逻辑单元：

IO-12

数字信源模块：

CLK

可编程逻辑单元：

GCLK1（IO-83）

1）示波器的CH1接在CPLD单元的IO－11上，CH2依次接在IO－79，IO－74，IO－73上，依次观察CMI，BHP和Miller码，并总结出这三种码型与NRZ码的关系。

注意，BHP和Miller编码输出相对NRZ码输入有延迟，但不超过一个码元周期。

2）示波器的CH1依次接在CPLD单元的IO－79，IO－74，IO－73上，CH2对应依次接在IO－63，IO－81，IO－76上，依次观察CMI，BHP和Miller码与其解码输出之间的对应关系，并总结出这三种码型与NRZ码的关系。

六、实验注意事项

注意，译码输出相对编码输出有延迟，但不超过一个码元周期。

七、实验预习要求

熟悉数字信源模块和可编程逻辑器件模块的结构和功能。

八、实验报告要求及思考题

1．设输入的NRZ码为：

010*********，分别求出其对应的CMI，BHP，Miller码，并画出波形图。

2．设输入的CMI，BHP，Miller码为：

010*********，分别求出其对应的NRZ码，并画出波形图。

实验三5B6B编译码实验

一、实验目的

1.掌握5B6B的编码规则。

2.了解5B6B编码的优点。

3.了解数字信号传输的基本原理。

二、实验要求

通过本实验掌握5B6B的编码规则、编码优点；了解数字信号传输的基本原理。

三、实验原理

1、5B6B编码介绍

在5B6B码型中，每5位二元输入信息被编码成一个6位二元输出码组。

由于五位二元码组只有32种组合，而6位二元码组有64种组合，因此可以充分利用这种冗余度来实现线路传输码应当具有的性能，在64种可能的输出码组中含有3个“1”和3个“0”的平衡码组共有20种，在其余的不平衡码组中，含4个“1”和2个“0”的码组有15种，含4个“0”和2个“1”的码组也用15个。

其他14种不平衡码组由于“1”和“0”数相差过于悬殊而不予考虑。

用这些码组构成一种双模式的码型。

为减小低频分量，应使编码后输出码组中“1”、“0”等概率出现。

将输出码组中的“1”和“0”分别赋以代数值+1、-1，然后将各位码按代数值相加，由此得到的代数和称为输出码组的数字和（DS）。

他可以用来度量“1”和“0”的平衡性，按各码组数字和的正负可将码组分成正模式码组和负模式码组。

对于含有3个“1”和3个“0”的平衡码组来说，数字和为“0”，正负模式码组具有相同的形式。

除了保证数字和应具有相反符号之外，在选择成对正负模式码组时还应考虑到使连“0”、连“1”及误码增殖越少越好。

由于可以利用的码组共有20个平衡码组和15对不平衡码组，而实际上只需要32种，为此从不平衡码组中在删除110000，000011，001111和111100，从平衡码组的正模式中删除000111，从平衡码组的负模式中删除111000，这样，最终得到表3-1所示的5B6B编码转换表。

按表3-1所得的5B6B码，有如下特点，最大连“0”或连“1”长度为5，相邻码元由“1”变“0”或由“0”变“1”的转移概率为0.5915。

误码增值系数（单个传输误码在接收端译码后所产生的误码数）最大值为5，平均值为1.281。

累计数字和在-3至+3范围内变化，即数字和的变差值为6，利用这一点可以在正常的工作状态下进行误码监测。

在每个输出码组结束时，累计数字和不可能为+1或-1，这一特性可以用来建立分组同步，若分组同步没有正确的实现，使输出码组被错误的划分，则每个输出码组结束时的累计数字和不可能出现+1和-1。

多次出现错误的数字和时，分组同步位置移动一位，以搜索新的位置，平均来说移动3位即可建立正确的分组同步。

表3-15B6B编码表

输入二元码组

输出二元码组

正模式

数字和

负模式

数字和

00000

110010

00001

110011

100001

-2

00010

110110

100010

-2

00011

100011

00100

110101

100100

-2

00101

100101

00110

100110

00111

100111

000111

-2

01000

101011

101000

-2

01001

101001

01010

101010

01011

001011

01100

101100

01101

101101

000100

-2

01110

101110

000110

-2

01111

001110

10000

110001

10001

111001

010001

-2

10010

111010

010010

-2

10011

010011

10100

110100

10101

010101

11000

111000

011000

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