通信原理实验指导书.docx
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通信原理实验指导书
《通信原理》实验指导书（参考书）
CSU大学电子信息工程
信息与电气工程学院
2012年12月
目录
实验要求及注意事项1
实验一AMI/HDB3码编译码过程实验2
实验二眼图观察测量实验7
实验三FSK（ASK）调制实验11
实验四FSK（ASK）解调实验14
实验五二相PSK调制实验17
实验六二相PSK解调实验22
实验七脉冲编码调制PCM与时分复用26
实验要求及注意事项
1、实验前必须充分预习，完成指定的预习任务。
预习要求如下：
1）认真阅读实验指导书，分析、掌握实验电路的工作原理，并进行必要的估算；
2）熟悉实验任务；
3）复习实验中所用的仪器的使用方法及注意事项。
2、使用仪器前必须了解其性能、操作方法及注意事项，在使用时应严格遵守。
3、实验时接线要认真，相互仔细检查，确定无误后才能接通电源，初学或没有把握应经指导教师审查同意后再接通电源。
4、实验时应注意观察，若发现有破坏性异常现象（例如有元件冒烟、发烫、或有异味）应立即关断电源，保持现场，报告指导教师。
找出原因、排除故障，经指导教师同意后再继续实验。
5、实验过程中需要改变接线时，应关断电源后才能拆、接线。
6、实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果（数据、波形、现象），所记录的实验结果经指导教师审阅签字后再拆除实验线路。
7、实验结束后，必须关断电源、拔出电源插头，并将仪器、设备、工具、导线等按规定整理好。
8、实验后每个同学必须按要求独立完成实验报告。
实验一AMI/HDB3码编译码过程实验
一、实验目的
1.熟悉AMI/HDB3码编译码的原理及工作过程；
2.观察AMI/HDB3码码型变换编译码电路的测量点波形。
二、实验工作原理
（一）HDB3/AMI编码原理
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交替的变换为传输码的+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或B00V,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。
下面我们举个列子来具体说明一下，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+10-1B00V0-1+1-1000VB00V0-1
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。
从上述原理看来，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个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。
图1-1NRZ-HDB3码编码工作波形
（二）HDB3/AMI译码原理
译码是编码的逆过程。
其波形如图1-2所示。
图1-2HDB3译码工作波形
实验电路工作原理
在实验系统中，HDB3/AMI的编译码由CPLD完成，U501内部编码程序完成HDB3/AMI的编码，U501内部译码程序完成HDB3/AMI译码。
在该电路模块中，没有采用复杂的线圈耦合的方法来实现HDB3码，而是采用U504A（TL082）对HDB3/AMI码的输出进行变换。
SW501、SW502、SW503使用说明：
1．SW501为8比特基带信号设置开关，每位拨上位1，拨下位0，速率为32KHZ（或者64KHZ），如下图设置
即表示为11100110，速率为64KHZ（或者128KHZ）的数字基带信号。
2．SW502为系统功能设置开关，每位拨上位1，拨下为0。
最左端一位为基带信号选择位，拨上即选择SW501设置的8位数字信号送往编码模块，拨下即选择15位随机码，码序列为111100*********，送往编码模块。
左端第二位为基带信号速率选择位，拨上即选择32KHZ，拨下即选择64KHZ。
右端两位为功能设置，全部拨下00，即选择HDB3/AMI编译码功能（K503的1-2脚为AMI编译码，2-3脚为HDB3编译码）。
3．SW503设置确定按钮，每当SW501、SW502设置后，需按SW503确定。
编码部分：
完成AMI/HDB3编码实验。
其结构组成框图如下图1-3
图1-3AMI/HDB3编码结构组成框图
译码模块：
完成AMI/HDB3译码实验。
其结构组成框图如下图1-4
图1-4AMI/HDB3译码结构组成框图
三、实验任务
1、在RZ8631实验平台的“调制模块”位置插“AMI/HDB3编译码系统模块”。
2、当输入8位码为全“0”、全“1”、伪随机码、任意码时，分析AMI/HDB3码型变换结果。
3、观测AMI/HDB3码型变换波形，验证你的分析结果。
四、测量点说明
TP501：
数字基带信号；
TP502：
编码时钟；
TP503：
AMI/HDB3正极性编码；
TP504：
AMI/HDB3负极性编码；
TP505：
AMI/HDB3编码输出；
TP506：
译码输出，波形应与PT501同。
五、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。
2、写出AMI/HDB3码编译码的工作过程。
实验二眼图观察测量实验
一、实验目的
学会观察眼图及其分析方法。
二、实验电路工作原理
我们知道衡量整个通信系统的传输质量，最直观的方法就是用眼图来衡量传输畸变和噪声干扰的方法。
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，信号通过信道后，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的。
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。
为了便于实际评价系统的性能，常用所谓“眼图”。
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”，就是由解调后经过低通滤波器输出的基带信号，以码元定时作为同步信号在示波器屏幕上显示的眼图波形。
从这个称为眼图的图形上可以估计出系统的性能（指码间串扰和噪声的大小）。
另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输特性。
在图2-1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2-1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，在取样时刻信号取值分布在小于+1或大于-1附近，“眼睛”部分闭合。
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”张开的大小就指明失真的严重程度。
为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图2-2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2-3所示。
衡量眼图质量的几个重要参数有：
1.眼图开启度（U-2△U）/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2-1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2-2眼图的重要性质
其中U=U++U-
2.“眼皮”厚度2△U/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△T/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再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准确。
不过，原则上总是眼睛张开得越大，实际判决越准确。
所以，还是可以通过眼图的张开度来衡量和比较基带信号的质量，并以此为依据来调整信号在信道中的传输特性，使信号在通信系统信道中传输尽最大可能接近于最佳工作状态。
在图2-3中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。
图2-3实验室理想状态下的眼图
三、实验内容
眼图观察及分析实验。
四、实验步骤
1.用示波器的一根探头放在TP105，另一根探头放在TP405上，使波形同步，则观察到的是眼图波形；
2.用示波器的一根探头放在TP404，另一根探头放在TP405上，使之波形同步，则观察到的是升余弦波形。
五、测量点说明
1.TP404：
数字基带信号输出；
2.TP105：
32KHz时钟信号；
3.TP405：
观察眼图测量点或升余弦波形。
注意：
若用示波器的一根探头（触发）放在TP105，另一根探头放在TP405上，使波形同步，则观察到的是眼图波形；
波形如图2-4所示。
图2-4实际观测到的眼图
若用示波器的一根探头放在TP404（触发），另一根探头放在TP405上，使之波形同步，则观察到得是升余弦波形。
波形如图2-5所示。
图2-5实际观测到的升余弦波形
六、实验报告要求
1.叙述眼图的产生原理以及它的作用。
2.绘出实验观察到的眼图形状。
实验三FSK（ASK）调制实验
一、实验目的
理解和掌握FSK调制的工作原理及电路组成。
二、FSK调制电路工作原理
图3-1FSK调制解调原理框图
FSK调制解调电原理框图，如图3-1所示。
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，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。
数字调频又可称作移频键控FSK，它是利用载频频率变化来传递数字信息。
数字调频信号可以分为相位离散和相位连续两种情形。
若两个震荡频率分别由不同的独立振荡器提供，他们之间相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，只是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。
图3-2是本实验系统FSK调制模块的电路示意图。
电路中的一路载波，是CPLD可编程模块产生的方波信号C32或C64经过低通滤波后，得到相同频率的正弦波f1，C32或C64（效果不好）由3K01选择，f1载波幅度由3W01调节。
另一路载波，是CPLD可编程模块产生的方波信号C16经过低通滤波后，得到相同频率的正弦波f2，f2载波幅度由3W02调节。
FSK调制模块的基带输入信号有四种，分别为2KHz的伪随机序列、8KHz的方波、PC数据、增量调制CVSD模块输出的编码信号，由多路选择器3J03进行选择输入。
基带输入信号分成两路，一路控制频率为32KHz或64KHz的载波f1，由3K01选择；另一路经倒相去控制16KHz的载波f2。
当基带信号为“1”时，模拟开关A（3U01A）打开，模拟开关B（3U01B）关闭，此时输出f1，当基带信号为“0”时，模拟开关1关闭，模拟开关2开通。
此时输出f2，于是可在输出端得到已调的FSK信号，该信号的幅度由3W03调节。
图3-2FSK调制模块的电路示意图
在FSK调制信号中还可加入噪声信号NOISE，这时把跳线器插在3K03的1、2两端，不加噪声信号时，则插在2、3两端。
数字幅度调制ASK本试验箱没有做成专门的ASK单元，因为只接通FSK调制单元电路中相加开关K902的“对1调制”信号，即为ASK调制。
三、实验内容
FSK调制模块必须插在实验平台的“调制模块”位置才能正常工作。
1.载波信号的观察与调节。
跳线器插在3K01的1、2两端，选择C32，测量点为3TP01,经低通滤波器后输出正弦波作为载波f1，测量点为3TP02。
用双踪示波器观察对比C32和f1，两信号的频率是多少，是否相等？
调节3W01使f1的幅度为3V。
集成电路芯片4066（3U01A）对输入信号的Vpp幅度要求为0—5V
另一路载波f2由C16经低通滤波器后输出，测量点为3TP06，测量载波f2的频率，调节3W01使f2的输出幅度也为3V。
2.观察两路载波信号，经基带信号通过4066开关电路控制输出的情况。
用跳线器插在多路选择器3J03的第二排，选择C8（8KHz的方波）为基带信号，注意拔去3K02上的两个跳线器。
a．该基带信号通过模拟开关（3U01A、4066）控制f1输出，测量点为3TP04。
当基带信号为“1”时，模拟开关A（3UO1A）打开，此时输出f1，当基带信号为“0”时，没有信号输出。
用示波器观察和记录该信号的输出情况。
b．该基带信号经倒相通过模拟开关（3U01B、4066）去控制16KHz的载波f2输出，测量点为3TP07。
用示波器观察和记录该信号的输出情况。
3.观察和记录FSK调制信号的波形。
a．插上3K02的两个跳线器，使实验内容2中的二路信号相加，这时再用示波器观察和记录3TP04和3TP07上的信号波形，这时3TP04和3TP07上的信号已是FSK调制信号。
b．3K03上的跳线器插在1、2两端，对3TP08上FSK调制信号加上白噪声信号，在3TP09测量点观察加入白噪声的FSK调制信号，观察3TP08和3TP09上的信号在波形上有些什么变化。
c．调节3W03，使FSK调制信号的输出幅度大于1V小于5V。
4.观察载波信号的频率确定后，对基带信号的数码率有何限制。
用跳线器插在多路选择器3J03的第四排选择CVSD为基带信号
CVSD编码模块的模拟输入信号为MUSIC，编码时钟为8KHz，这时编码信号的数码率为8KHz（即使得FSK调制模块的基带信号CVSD的数码率为8KHz，该数码率能否提高，先思考，然后用实验证明）音频输出模块中选择DCOUT输出，K401接1、2两端，接通喇叭，可听音乐。
注：
各测量点波形示意图见下一实验的“图9—2”（数字基带信号为32KHZPN）。
四、思考题
1．画出各测试点的波形。
2．FSK信号的产生有两种方法，直接调频法和频率键控法。
本FSK调制模块中，属于频率键控法利用数字基带信号去控制电子开关，选择不同的频率源。
频率键控法也常常利用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，从而实现FSK调制。
请运用数字电路设计出此电路（可在开放CPLD中仿真验证），组成结构提示如下：
图3-3
实验四FSK（ASK）解调实验
一、实验目的
1.理解FSK解制的工作原理及电路组成；
2.理解利用锁相环解调FSK的原理和实现方法。
二、FSK解调工作原理
FSK集成电路模拟锁相环解调器由于性能优越，价格低廉，体积小，所以得到了越来越广泛的应用
FSK集成电路模拟锁相环解调器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的二个载频f1，f2的中心频率（中心频率定义为二载频的算术平均值，例如：
若f1=16KHz,f2=32KHz，则中心频率为24KHz；若f1=16KHz,f2=64KHz,则中心频为40KHz），那么在锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列。
FSK锁相环解调节器中的集成锁相环选用了MC14046，如图4-1所示。
图4-1为FSK解调电路示意图。
图4-1FSK解调电路示意图
当2K01选择1，2两端时，电路中接2200P的电容，通过微调2W01，使压控振荡器的中心频率设计在40KHz。
当2K01选择2，3两端时，电路中接4700P的电容，通过微调2W01，使压控振荡器的中心频率设计在24KHz。
电路其它参数选择要满足环路性能指标的要求。
从要求环路能快速捕捉，迅速锁定来看，低通滤波器的通带要宽些；从提高环路的跟踪特性来看，低通滤波器的通带又要窄些。
因此电路设计应在满足捕捉时间前提下，尽量减小环路低通滤波器的带宽。
三、实验内容
“CVSD编译码模块”插在实验系统的“编/解码模块”区。
“FSK调制模块”插在实验平台的“调制模块”位置，“FSK解调模块”插在实验平台的底板“解调模块”的位置才能正常工作，K404闭合（即平台右下角，K404插上跳线器）。
1．解调基带信号为2KHz伪随机序列PN2的调制信号
当FSK调制模块的基带信号为2KHz的伪随机序列PN2时，使其调制信号的二个载波频率分别为16KHz和32KHz，因此FSK解调模块中的中心频率应设计在24KHz。
a.用示波器接在2T01，检测输入到解调模块的调制信号，读二个载波的频率。
b.用示波器的B通道接在调制模块的4TP01，观察调制模块的基带信号，为2KHz的PN2伪随机序列；示波器的A通道模块接在2TP03，观察解调模块的解调信号输出。
2K01选择2，3两端，电路中接4700P的电容，使压控振荡器的中心频率设计在24KHz，通过微调2W01，使示波器B通道显示出稳定的解调输出信号。
观察该信号是否是2KHz的伪随机序列PN2，与A通道的波形是否一致？
c.此时，用示波器接在2TP02，测量集成锁相环MC14046（2U01）的中心频率，是否为24KHz？
2．解调基带信号为8KHz方波的调制信号。
当FSK调制模块的基带信号是8KHz方波时，其调制信号的二个载波频率分别为16KHz和64KHz，因此FSK解调模块中的中心频率应设计在40KHz。
a.用示波器接在2TP01，观察输入到解调模块的调制信号的二个载波频率是否分别为16KHz和64KHz。
b.用示波器的B通道接在调制模块的4TP01，观察调制模块的基带信号，为8KHz的方波；示波器的A通道接在2TP03，观察解调模块的解调信号输出。
2K01选择1，2两端，电路中接2200P的电容，使压控振荡器的中心频率设计在40KHz，通过微调电位器2W01，使示波器B通道显示出稳定的解调输出信号。
观察该信号是否是8KHz的方波，与A通道的波形是否一致？
c.此时，用示波器接在2TP02，测量集成锁相环MC14046（2U01）的中心频率是否为40KHz？
3．解调基带信号为音乐信号的调制信号。
CVSD编码模块中选择编码时钟为8KHz的音乐信号。
在调制模块中确定其调制信号的二个载波频率分别为16KHz和32KHz，对该调制信号进行解调，根据实验原理自行选择2K01上的跳线器的位置。
用示波器观察解调输出的基带信号。
并用音频输出模块输出该基带音乐信号。
（FSK解调模块的2K02接1，2两端，音频输出模块的J401接DCOUT，K401接1、2）。
此时，喇叭中应响起音乐声。
微调电位器2W01，使音乐声听起来更加悦耳。
图4-2FSK调制解调波形示意图
四、思考题
1．画出各测试点的波形。
2．4046的哪些外围元件参数对其正确解调输出有影响？
3．本实验模块采用锁相环解调。
其解调方法很多，如同步（相干）解调法、过零检测法和包络解调法，请查找资料，画出至少两种解调方法的原理框图和每点信号变化示意图。
实验五二相PSK调制实验
一、实验目的
1.掌握二相PSK调制的工作原理及电路组成，以及绝对移相BPSK和相对移相DPSK的实现方法；
2.了解载频信号的产生方法。
二、实验电路工作原理
在本实验中，绝对移相键控（BPSK）是采用直接调相法来实现的，也就是用输入的基带信号直接控制已输入载波相位的变化来实现相位键控。
PSK调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方法，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。
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。
在绝对相移BPSK方式中，由于发端是以两个可能出现的相位之中的一个相位作基准的。
因而在收端也必须有这样一个相同的基准相位作参考，如果这个参考相位发生变化（0相变π相或π相变0相），则恢复的数字信息就会发生0变1或1变0，从而造成错误的恢复。
在实际通信时参考基准相位的随机跳变是有可能发生的，而且在通信过程中不易被发现。
如，由于某种突然的骚动，系统中的触发器可能发
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