通信原理实验.docx
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通信原理实验
通信原理实验报告
学院：
信息工程学院
专业：
电子信息科学与技术
学号：
姓名：
实验一抽样定理实验
一、实验目的
1、了解抽样定理在通信系统中的重要性。
2、掌握自然抽样及平顶抽样的实现方法。
3、理解低通采样定理的原理。
4、理解实际的抽样系统。
5、理解低通滤波器的幅频特性对抽样信号恢复的影响。
6、理解低通滤波器的相频特性对抽样信号恢复的影响。
7、理解带通采样定理的原理。
二、实验器材
1、主控&信号源、3号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
图1-1抽样定理实验框图
2、实验框图说明
抽样信号由抽样电路产生。
将输入的被抽样信号与抽样脉冲相乘就可以得到自然抽样信号，自然抽样的信号经过保持电路得到平顶抽样信号。
平顶抽样和自然抽样信号是通过开关S1切换输出的。
抽样信号的恢复是将抽样信号经过低通滤波器，即可得到恢复的信号。
这里滤波器可以选用抗混叠滤波器（8阶3.4kHz的巴特沃斯低通滤波器）或FPGA数字滤波器（有FIR、IIR两种）。
反sinc滤波器不是用来恢复抽样信号的，而是用来应对孔径失真现象。
要注意，这里的数字滤波器是借用的信源编译码部分的端口。
在做本实验时与信源编译码的内容没有联系。
四、实验步骤
实验项目一抽样信号观测及抽样定理验证
概述：
通过不同频率的抽样时钟，从时域和频域两方面观测自然抽样和平顶抽样的输出波形，以及信号恢复的混叠情况，从而了解不同抽样方式的输出差异和联系，验证抽样定理。
1、关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
将被抽样信号送入抽样单元
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH5（LPF-IN）
送入模拟低通滤波器
2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
调节主控模块的W1使A-out输出峰峰值为3V。
3、此时实验系统初始状态为：
被抽样信号MUSIC为幅度4V、频率3K+1K正弦合成波。
抽样脉冲A-OUT为幅度3V、频率9KHz、占空比20%的方波。
4、实验操作及波形观测。
（1）观测并记录自然抽样前后的信号波形：
设置开关S13#为“自然抽样”档位，用示波器分别观测MUSIC主控&信号源和抽样输出3#。
（2）观测并记录平顶抽样前后的信号波形：
设置开关S13#为“平顶抽样”档位，用示波器分别观测MUSIC主控&信号源和抽样输出3#。
（3）观测并对比抽样恢复后信号与被抽样信号的波形：
设置开关S13#为“自然抽样”档位，用示波器观测MUSIC主控&信号源和LPF-OUT3#，以100Hz的步进减小A-OUT主控&信号源的频率，比较观测并思考在抽样脉冲频率多小的情况下恢复信号有失真。
（4）用频谱的角度验证抽样定理（选做）：
用示波器频谱功能观测并记录被抽样信号MUSIC和抽样输出频谱。
以100Hz的步进减小抽样脉冲的频率，观测抽样输出以及恢复信号的频谱。
（注意：
示波器需要用250kSa/s采样率（即每秒采样点为250K），FFT缩放调节为×10）。
注：
通过观测频谱可以看到当抽样脉冲小于2倍被抽样信号频率时，信号会产生混叠。
实验项目二滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响
概述：
该项目是通过改变不同抽样时钟频率，分别观测和绘制抗混叠低通滤波和fir数字滤波的幅频特性曲线，并比较抽样信号经这两种滤波器后的恢复效果，从而了解和探讨不同滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响。
1、测试抗混叠低通滤波器的幅频特性曲线。
（1）关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
A-OUT
模块3：
TH5（LPF-IN）
将信号送入模拟滤波器
（2）开电，设置主控模块，选择【信号源】→【输出波形】和【输出频率】，通过调节相应旋钮，使A-OUT主控&信号源输出频率5KHz、峰峰值为3V的正弦波。
（3）此时实验系统初始状态为：
抗混叠低通滤波器的输入信号为频率5KHz、幅度3V的正弦波。
（4）实验操作及波形观测。
用示波器观测LPF-OUT3#。
以100Hz步进减小A-OUT主控&信号源输出频率，观测并记录LPF-OUT3#的频谱。
记入如下表格：
A-OUT频率/Hz
基频幅度/V
5K
0.524v
4.5K
1.02v
4k
2.02v
3.5K
2.17v
3.0K
3.14v
由上述表格数据，画出模拟低通滤波器幅频特性曲线。
思考：
对于3.4KHz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？
2、测试fir数字滤波器的幅频特性曲线。
（1）关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
A-OUT
模块3：
TH13（编码输入）
将信号送入数字滤波器
（2）开电，设置主控菜单：
选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
调节【信号源】，使A-out输出频率5KHz、峰峰值为3V的正弦波。
（3）此时实验系统初始状态为：
fir滤波器的输入信号为频率5KHz、幅度3V的正弦波。
（4）实验操作及波形观测。
用示波器观测译码输出3#，以100Hz的步进减小A-OUT主控&信号源的频率。
观测并记录译码输出3#的频谱。
记入如下表格：
A_out的频率/Hz
基频幅度/V
5K
3.6mv
4.5k
4.66mv
4K
282mv
3.5k
1.48v
3K
3.29v
2K
4.85v
由上述表格数据，画出fir低通滤波器幅频特性曲线。
思考：
对于3KHz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？
3、分别利用上述两个滤波器对被抽样信号进行恢复，比较被抽样信号恢复效果。
（1）关电，按表格所示进行连线：
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
提供被抽样信号
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH5（LPF-IN）
送入模拟低通滤波器
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH13（编码输入）
送入FIR数字低通滤波器
（2）开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。
（3）此时实验系统初始状态为：
待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。
（4）实验操作及波形观测。
对比观测不同滤波器的信号恢复效果：
用示波器分别观测LPF-OUT3#和译码输出3#，以100Hz步进减小抽样时钟A-OUT的输出频率，对比观测模拟滤波器和FIR数字滤波器在不同抽样频率下信号恢复的效果。
（频率步进可以根据实验需求自行设置。
）思考：
不同滤波器的幅频特性对抽样恢复有何影响？
实验项目三滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。
概述：
该项目是通过改变不同抽样时钟频率，从时域和频域两方面分别观测抽样信号经fir滤波和iir滤波后的恢复失真情况，从而了解和探讨不同滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。
1、观察被抽样信号经过fir低通滤波器与iir低通滤波器后，所恢复信号的频谱。
（1）关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
提供被抽样信号
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH13（编码输入）
将信号送入数字滤波器
（2）开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。
（3）此时实验系统初始状态为：
待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。
（4）实验操作及波形观测。
a、观测信号经fir滤波后波形恢复效果：
设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【FIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为7.5KHz；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形和频谱。
b、观测信号经iir滤波后波形恢复效果：
设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【IIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为7.5KHz；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形和频谱。
c、探讨被抽样信号经不同滤波器恢复的频谱和时域波形：
被抽样信号与经过滤波器后恢复的信号之间的频谱是否一致？
如果一致，是否就是说原始信号能够不失真的恢复出来？
用示波器分别观测fir滤波恢复和iir滤波恢复情况下，译码输出3#的时域波形是否完全一致，如果波形不一致，是失真呢？
还是有相位的平移呢？
如果相位有平移，观测并计算相位移动时间。
注：
实际系统中，失真的现象不一定是错误的，实际系统中有这样的应用。
2、观测相频特性
（1）关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
A-OUT
模块3：
TH13（编码输入）
使源信号进入数字滤波器
（2）开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
（3）此时系统初始实验状态为：
A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。
（4）实验操作及波形观测。
对比观测信号经fir滤波后的相频特性：
设置【信号源】使A-OUT输出频率为5KHz、峰峰值为3V的正弦波；以100Hz步进减小A-OUT输出频率，用示波器对比观测A-OUT主控&信号源和译码输出3#的时域波形。
相频特性测量就是改变信号的频率，测输出信号的延时（时域上观测）。
记入如下表格：
A-OUT的频率/Hz
被抽样信号与恢复信号的相位延时/ms
3.5K
179us
3.4K
160us
3.3K
149us
3.2K
126us
3.1K
100us
五、实验报告
1、分析电路的工作原理，叙述其工作过程。
2、绘出所做实验的电路、仪表连接调测图。
并列出所测各点的波形、频率、电压等有关数据，对所测数据做简要分析说明。
必要时借助于计算公式及推导。
3、分析以下问题：
滤波器的幅频特性是如何影响抽样恢复信号的？
简述平顶抽样和自然抽样的原理及实现方法。
4、思考一下，实验步骤中采用3K+1K正弦合成波作为被抽样信号，而不是单一频率的正弦波，在实验过程中波形变化的观测上有什么区别？
对抽样定理理论和实际的研究有什么意义？
实验二HDB3码型变换实验
一、实验目的
1、了解几种常用的数字基带信号的特征和作用。
2、掌握HDB3码的编译规则。
3、了解滤波法位同步在的码变换过程中的作用。
二、实验器材
1、主控&信号源、2号、8号、13号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、连接线若干
三、实验原理
1、HDB3编译码实验原理框图
HDB3编译码实验原理框图
2、实验框图说明
我们知道AMI编码规则是遇到0输出0，遇到1则交替输出+1和-1。
而HDB3编码由于需要插入破坏位B，因此，在编码时需要缓存3bit的数据。
当没有连续4个连0时与AMI编码规则相同。
当4个连0时最后一个0变为传号A，其极性与前一个A的极性相反。
若该传号与前一个1的极性不同，则还要将这4个连0的第一个0变为B，B的极性与A相同。
实验框图中编码过程是将信号源经程序处理后，得到HDB3-A1和HDB3-B1两路信号，再通过电平转换电路进行变换，从而得到HDB3编码波形。
同样AMI译码只需将所有的±1变为1，0变为0即可。
而HDB3译码只需找到传号A，将传号和传号前3个数都清0即可。
传号A的识别方法是：
该符号的极性与前一极性相同，该符号即为传号。
实验框图中译码过程是将HDB3码信号送入到电平逆变换电路，再通过译码处理，得到原始码元。
四、实验步骤
实验项目一HDB3编译码（256KHz归零码实验）
概述：
本项目通过选择不同的数字信源，分别观测编码输入及时钟，译码输出及时钟，观察编译码延时以及验证HDB3编译码规则。
1、关电，按表格所示进行连线。
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
PN
模块8：
TH3（编码输入-数据）
基带信号输入
信号源：
CLK
模块8：
TH4（编码输入-时钟）
提供编码位时钟
模块8：
TH1（HDB3输出）
模块8：
TH7（HDB3输入）
将数据送入译码模块
模块8：
TH5（单极性码）
模块13：
TH7（数字锁相环输入）
数字锁相环位同步提取
模块13：
TH5（BS2）
模块8：
TH9（译码时钟输入）
提供译码位时钟
2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【HDB3编译码】→【256K归零码实验】。
将模块13的开关S3分频设置拨为0011，即提取512K同步时钟。
3、此时系统初始状态为：
编码输入信号为256K的PN序列。
4、实验操作及波形观测。
（1）用示波器分别观测编码输入的数据TH3和编码输出的数据TH1（HDB3输出），观察记录波形，有数字示波器的可以观测编码输出信号频谱，验证HDB3编码规则。
注：
观察时注意码元的对应位置。
（2）保持示波器测量编码输入数据TH3的通道不变，另一通道测量中间测试点TP2（HDB3-A1），观察基带码元的奇数位的变换波形。
（3）保持示波器测量编码输入数据TH3的通道不变，另一通道测量中间测试点TP3（HDB3-B1），观察基带码元的偶数位的变换波形。
（4）用示波器分别观测模块8的TP2（HDB3-A1）和TP3（HDB3-B1），可从频域角度观察信号所含256KHz频谱分量情况；或用示波器减法功能观察HDB3-A1与HDB3-B1相减后的波形情况,，并与HDB3编码输出波形相比较。
（5）用示波器对比观测编码输入的数据和译码输出的数据，观察记录HDB3译码波形与输入信号波形。
思考：
译码过后的信号波形与输入信号波形相比延时多少？
（6）用示波器分别观测TP4（HDB3-A2）和TP8（HDB3-B2），从时域或频域角度了解HDB3码经电平变换后的波形情况。
（7）用示波器分别观测模块8的TH7（HDB3输入）和TH6（单极性码），从频域角度观测双极性码和单极性码的256KHz频谱分量情况。
（8）用示波器分别观测编码输入的时钟和译码输出的时钟，观察比较恢复出的位时钟波形与原始位时钟信号的波形。
思考：
此处输入信号采用的单极性码，可较好的恢复出位时钟信号，如果输入信号采用的是双极性码，是否能观察到恢复的位时钟信号，为什么？
实验项目二HDB3编译码（256KHz非归零码实验）
概述：
本项目通过观测HDB3非归零码编译码相关测试点，了解HDB3编译码规则。
1、保持实验项目一的连线不变。
2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【HDB3编译码】→【256K非归零码实验】。
将模块13的开关S3分频设置拨为0100，即提取256K同步时钟。
3、此时系统初始状态为：
编码输入信号为256K的PN序列。
4、实验操作及波形观测。
参照前面的256KHz归零码实验项目的步骤，进行相关测试。
实验项目三HDB3码对连0信号的编码、直流分量以及时钟信号提取观测
概述：
本项目通过设置和改变输入信号的码型，观测HDB3归零码编码输出信号中对长连0码信号的编码、含有的直流分量变化以及时钟信号提取情况，进一步了解HDB3码特性。
1、关电，按表格所示进行连线。
源端口
目的端口
连线说明
模块2：
DoutMUX
模块8：
TH3（编码输入-数据）
基带信号输入
模块2：
BSOUT
模块8：
TH4（编码输入-时钟）
提供编码位时钟
模块8：
TH1（HDB3输出）
模块8：
TH7（HDB3输入）
将数据送入译码模块
模块8：
TH5（单极性码）
模块13：
TH7（数字锁相环输入）
数字锁相环位同步提取
模块13：
TH5（BS2）
模块8：
TH9（译码时钟输入）
提供译码位时钟
2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【HDB3编译码】→【256K归零码实验】。
将模块13的开关S3分频设置拨为0011，即提取512K同步时钟。
将模块2的开关S1、S2、S3、S4全部置为11110000，使DoutMUX输出码型中含有连4个0的码型状态。
（或自行设置其他码值也可。
）
3、此时系统初始状态为：
编码输入信号为256KHz的32位拨码信号。
4、实验操作及波形观测。
（1）观察含有长连0信号的HDB3编码波形。
用示波器观测模块8的TH3（编码输入-数据）和TH1（HDB3输出），观察信号中出现长连0时的波形变化情况
注：
观察时注意码元的对应位置。
思考：
HDB3编码与AMI编码波形有什么差别？
（2）观察HDB3编码信号中是否含有直流分量。
将模块2的开关S1、S2、S3、S4拨为00000000000000000000000000000011，用示波器分别观测编码输入数据和编码输出数据，编码输入时钟和译码输出时钟，调节示波器，将信号耦合状况置为交流，观察记录波形。
保持连线，拨码开关由0到1逐位拨起，直到模块2的拨动开关置为00111111111111111111111111111111，观察拨码过程中编码输入数据和编码输出数据波形的变化情况。
思考：
HDB3码是否存在直流分量？
（3）观察HDB3编码信号所含时钟频谱分量。
将模块2的开关S1、S2、S3、S4全部置0，用示波器先分别观测编码输入数据和编码输出数据，再分别观测编码输入时钟和译码输出时钟，观察记录波形。
再将模块2的开关S1、S2、S3、S4全部置1，观察记录波形。
思考：
数据和时钟是否能恢复？
注：
有数字示波器的可以观测编码输出信号FFT频谱。
在恢复时钟方面HDB3码与AMI码比较有哪一个更好？
比较不同输入信号时两种码型的时钟恢复情况并联系其编码信号频谱分析原因。
五、实验报告
1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。
2、根据实验测试记录，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。
实验三FSK调制及解调实验
一、实验目的
1、掌握用键控法产生FSK信号的方法。
2、掌握FSK非相干解调的原理。
二、实验器材
1、主控&信号源、9号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
FSK调制及解调实验原理框图
2、实验框图说明
基带信号与一路载波相乘得到1电平的ASK调制信号，基带信号取反后再与二路载波相乘得到0电平的ASK调制信号，然后相加合成FSK调制输出；已调信号经过过零检测来识别信号中载波频率的变化情况，通过上、下沿单稳触发电路再相加输出，最后经过低通滤波和门限判决，得到原始基带信号。
四、实验步骤
实验项目一FSK调制
概述：
FSK调制实验中，信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态。
本项目中，通过调节输入PN序列频率，对比观测基带信号波形与调制输出波形来验证FSK调制原理。
1、关电，按表格所示进行连线。
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
PN
模块9：
TH1（基带信号）
调制信号输入
信号源：
256KHz（载波）
模块9：
TH14（载波1）
载波1输入
信号源：
128KHz（载波）
模块9：
TH3（载波2）
载波2输入
模块9：
TH4（调制输出）
模块9：
TH7（解调输入）
解调信号输入
2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【FSK数字调制解调】。
将9号模块的S1拨为0000。
调节信号源模块的W2使128KHz载波信号的峰峰值为3V，调节W3使256KHz载波信号的峰峰值也为3V。
3、此时系统初始状态为：
PN序列输出频率32KH。
4、实验操作及波形观测。
（1）示波器CH1接9号模块TH1基带信号，CH2接9号模块TH4调制输出，以CH1为触发对比观测FSK调制输入及输出，验证FSK调制原理。
（2）将PN序列输出频率改为64KHz，观察载波个数是否发生变化。
实验项目二FSK解调
概述：
FSK解调实验中，采用的是非相干解调法对FSK调制信号进行解调。
实验中通过对比观测调制输入与解调输出，观察波形是否有延时现象，并验证FSK解调原理。
观测解调输出的中间观测点，如TP6（单稳相加输出），TP7（LPF-FSK），深入理解FSK解调过程。
1、保持实验项目一中的连线及初始状态。
2、对比观测调制信号输入以及解调输出：
以9号模块TH1为触发，用示波器分别观测9号模块TH1和TP6（单稳相加输出）、TP7（LPF-FSK）、TH8（FSK解调输出），验证FSK解调原理。
3、以信号源的CLK为触发，测9号模块LPF-FSK，观测眼图。
五、实验报告
1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程；
2、分析FSK调制解调原理。
实验四带通信道模拟及眼图实验
一、实验目的
1、了解眼图与信噪比、码间干扰之间的关系及其实际意义；
2、掌握眼图观测的方法并记录研究。
二、实验器材
1、主控&信号源、9号、13号、17号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
带通信道模拟框图
2、实验原理框图
带通信道是将直接调制的PSK信号和经过升余弦滤波后调制的PSK信号送入带通信道，比较两种状况的眼图。
然后，改变带通信道的带宽重复观测。
四、实验步骤
概述：
该项目是通过分别改变噪声幅度和带通信道频率范围，观测信道的眼图输出变化情况，了解和分析信道输出原因.
1、关电，按表格所示进行连线。
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
PN15
模块9：
TH1（基带信号）
调制信号输入
信号源：
256KHz
模块9：
TH14（载波1）
载波1输入
信号源：
256KHz
模块9：
TH3（载波2）
载波2输入
信号源：
CLK
模块9：
TH2（差分编码时钟）
调制时钟输入
模块9：
TH4（调制输出）
模块17：
TH1（信道输入）
调制输出经过信道模拟
模块17：
TH2（信道输出）
模块13：
TH2（载波同步输入）
载波同步模块信号输入
模块13：
TH1（SIN）
模块9：
TH10（相干载波输入）
用于解调的载波
模块17：
TH2（信道输出）
模块9：
TH7（解调输入）
送入解调单元
2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【信道模拟及眼图观测实验】→【250KHz~262KHz带通信道】。
3、此时系统初始状态为：
PN15为8K。
4、实验操作及波形观测。
（1）以CLK时钟信号为触发源对比观测LPF-BPSK观测点，观察输出眼图波形。
（2）调节17号板W1噪声幅度调节，调节噪声幅度，观察眼图波形变化。
17号模块测试点TP4可以观察添加的白
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