《数字通信原理》实验指导书资料.docx

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《数字通信原理》实验指导书资料

通信原理课程实验指导书

课程学时：

64学时

实验学时：

12学时

适用专业：

信息工程、电子信息科学与技术

编写者：

审查者：

编写日期：

2007年4月

实验1基带传输系统实验

一、实验目的

1.了解Nyquist基带传输设计准则2.熟悉升余弦基带传输信号的特点

3.掌握眼图信号的观察方法4.学习评价眼图信号的基本方法

二、实验仪器

1.ZH7001（II）通信原理基础实验箱一台

2.20MHz双踪示波器一台3.函数信号发生器一台

三、实验原理

在寻找对信号基带传输的设计过程中，Nyquist设计准则为基带传输系统信号设计提供了一个方法。

利用该准则一方面可以对信号的频谱进行限制，另一方面又不会产生码间串扰。

升余弦信号设计是其中的一个例子。

升余弦滤波器的传递函数为：

其中，α是滚降因子，取值范围为0到1。

一般α=0.25~1时，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。

对于矩形脉冲BPSK信号能量的90%大约在1.6Rb的带宽内，而对于α=0.5的升余弦滤波器，所有能量则在1.5Rb的带宽内。

为了在实际系统上可实现升余弦滤波器，一般将其进行截短，截短长度一般从中央最大点处向两边延长4个码元。

截短成形的基带信号频谱一般能很好地满足实际系统的要求。

图1.1Nyquist升余弦滤波基带传输频域与时域特性示意图

脉冲成形滤波器可以在基带实现，也可以设置在发射机的输出端。

一般说来，在基带上脉冲成形滤波器用DSP或FPGA来实现，每个码元一般需采样4个样点，并考虑当前输出基带信号的样点值与８个码元有关，使用脉冲成形的数字通信系统经常在调制器中同一时刻存储了几个符号，然后通过查询一个代表了存储符号离散时间波形来输出这几个符号（表的大小为210），这种查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图1.2所示：

成形之后的基带信号经D/A变换之后，直接对载波进行调制。

图1.2BPSK基带成形原理示意图

对基带系统性能判断主要依据是图1.3中所示的眼图的主要测量指标。

在实验过程中请注意对不同的基带传输性能进行测试。

图1.3眼图主要的性能指标测试示意图

升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的频响为开根号升余弦响应的滤波器来实现。

这种响应特性的分配为系统提供了最佳接收方案。

在ZH7001（II）型通信原理基础实验箱中，基带传输的框图如图1.4所示。

四、实验内容

1.α＝0升余弦滤波成形信号观察

（1）准备工作：

将数字调制解调模块中的KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02设置成3级m序状态（KG02的最下面跳线器插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（32K位置），KG04置于α＝0升余弦滤波状态（所有跳线器不插入）。

KP01置于1-2状态（相干解调位置）。

（2）以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。

测量过零点抖动与眼皮厚度（换算成码元宽度的百分数）。

（3）用KG02输入不同的测试数据（0/1码，11101010），观察TPi03的信号（主要从信号的最佳点收敛情况、过零抖动情况进行判断）。

总结信号特征并解释原因。

2.α＝1、α＝0.4、α＝0.4开根号升余弦滤波的眼图观察

（1）准备工作：

除KG04外，其余同步骤1。

KG04设置成α＝1、α＝0.4、α＝0.4开根号升余弦滤波状态。

（2）以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。

测量过零点抖动与眼皮厚度（换算成码元宽度的百分数）。

（3）用KG02输入不同的测试数据（0/1码，11101010），观察TPi03的信号（主要从信号的最佳点收敛情况、过零抖动情况进行判断）。

总结信号特征并解释原因。

五、实验报告

1、写出眼图正确的观察方法；

2、比较“α＝0升余弦滤波”与“α＝0.3升余弦滤波”基带成形传输的不同点；

3、比较“α＝1升余弦滤波”与“α＝0.4升余弦滤波”的不同点

4、比较“α＝0.4升余弦滤波”与“α＝0.4开根号升余弦滤波”的不同点

5、叙述Nyquist滤波作用；

6、画出主要测量点的工作波形；

实验2FSK调制解调实验

一、实验目的

1、了解FSK调制的基本工作原理；2.自行设计FSK调制、解调单元；

二、实验仪器

1、ZH7001（II）通信原理基础实验箱一台2.20MHz示波器一台

三、实验原理

在ZH7001（II）型的FSK调制框图如图2.1下：

图2.1FSK调制方框图

用数字基带信号的电平高低不同控制UE01（CD4046）内部的压控振荡器的振荡频率。

当输入码元为0时，振荡频率为6～9KHz；当输入码元为1时，振荡频率为20～24KHz。

这些频率范围的调整是通过WE01、WE02来获取的。

其中WE01调整输入1、0信号的幅度，从而达到控制传号频率与空号频率的间隔。

WE02是调整送入到VCO输入端信号的直流偏移，通过调整WE02达到控制FSK中心频率的作用。

注意：

FSK的数据输入信号来源于基带成形模块的测试序列，其通过KG02来选择不同的数据，数据速率受KG03控制，在FSK实验中KG03设置在500bps（KG03处于2-3状态）。

FSK解调框图见图2.12.3：

图2.3FSK解调方框图

FSK解调的工作原理是用一个模拟锁相环UE02（CD4046）对输入的FSK信号进行鉴频。

在解调模块中采用一个PLL环，当输入的FSK频率出现变化时，锁相环也随之变化，它是通过控制环路的输入电压TPE04来达到的。

这样当输入信号频率为20～24KHz时，锁相环的VCO控制电压为高电平，输出码元为1；反之当输入信号频率为6～9KHz时，锁相环的VCO控制电压为低电平，输出码元为0。

压控振荡器（VCO）的控制电压直接反映了FSK信号中的码元变化。

将该VCO的输入控制电压送入比较器中之后就能得到的FSK接收解调的数字信号。

在ZH7001（Ⅱ）通信原理基础实验箱中，FSK调制解调实验是作为扩展模块实验来开设的，在该模块中，各测试点的定义如下：

TPE01:

FSK调制端的电平变换输出；TPE02:

调制之后的FSK调制输出

TPE03:

解调端的PLL压控振荡器输出；TPE04:

FSK解调的鉴频输出

TPE05:

锁定指示（锁定时为高电平）；TPE06:

FSK解调输出

TPE07:

FSK解调输入信号

在该模块中，各跳线的功能如下：

1、KE01：

跳线开关KE01用于选择UE01的鉴相输出。

当KE01设置于1_2时（左端），选择异或门鉴相输出；当KE01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，详情请参见4046器件性能资料。

2、KE02：

跳线开关KE02是用于选择输入锁相信号：

当KE02置于2_3时（右端），输入信号来自FSK调制端；当KE02置于1_2时（左端）选择外部的测试信号。

四、实验步骤

1.FSK信号传号频率与空号频率的测量

（1）准备工作：

将选择开关KG03置于右端（数据速率为500bps），将FSK调制解调模块中的跳线开关KE01、KE02均置于右端，KG01放置在测试位置（最下端）。

（2）TPE02是已调FSK波形，通过开关KG02选择全1码输入数据信号，观测TPE02的信号波形，测量其基带信号周期和频率——传号频率。

（3）通过开关KG02选择全0码输入数据信号，观测TPE02信号波形，测量其基带信号周期和频率——空号频率。

将测量结果与1码比较。

2.FSK调制基带信号观测

（1）准备：

同实验步骤1；

（2）通过开关KG02选择为0/1码输入数据信号，TPM02是发送数据信号（数字调制解调模块中部），TPE02是已调FSK波形。

并以TPM02作为同步信号，观测TPM02与TPE02点波形应有明确的信号对应关系（频率等）。

3.锁相环特性观察

（1）准备：

与步骤1不同之处是将KE02置于1-2端，这样接收的信号来源于外部测试信号。

（2）用信号源加入TTL方波测试信号。

通过：

J007（TTL信号）、J006（地）加入测试信号，改变测试信号的频：

从5KHz～30KHz进行变化，观察PLL鉴相输出TPE04的信号波形。

再观察TPE06的波形。

（注意：

示波器放在直流档测量）

（3）反复进行上述测量，设计FSK的参数，并进行下一步实验。

4.解调数据信号观测

（1）准备：

同步骤1；

（2）测量FSK解调数据信号测试点TPE06的波形，观测时仍用发送数据（TPM02）作同步，比较其两者的对应关系。

（3）通过开关KG02选择其它码，测量TPE06信号波形，观测解调数据是否与发送数据保持一致。

5.不同参数的FSK基带信号观测：

调节电位器WE01、WE02，分别调整频率间隔和中心频率，观测基带信号TPE02随调整的变化情况。

6.不同频率下的解调数据信号观测：

通过开关KG03选择码元速率在左端32K位置，观测对解调输出有什么影响，为什么？

五、实验报告

1、画出各测量点的工作波形；

2、自行设计一个FSK（可选择不同的中心频率与频率间隔）的传输系统并进行验证。

实验3BPSK传输系统实验

一、实验目的

1、学习观察BPSK的调制信号；2、掌握BPSK调制原理；

3、熟悉BPSK调制载波包络的变化；4、掌握BPSK解调的基本原理；

5、观察BPSK解调数据反相的现象；6、掌握BPSK数据传输过程，熟悉典型电路；

二、实验仪器

1、ZH7001（II）通信原理基础实验箱一台2、20MHz双踪示波器一台

三、实验原理

理论上二进制相移键控（BPSK）幅度恒定，其载波相位随着输入数据m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°。

在“ZH7001（II）型通信原理基础实验箱”中，BPSK的调制工作过程如下：

首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两路支路。

因I、Q两路信号频率是一样的，相位相差90度,所以经调制合路之后仍为BPSK方式。

采用直接数据（非归零码）调制与成形信号调制的波形如图3.1所示：

图3.1直接数据调制与成形信号调制的波形

在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波在频率上是一样的，但相位存在两种关系：

0０、180０。

如果是0０，则解调出来的数据与发送数据一样，否则，解调出来的数据将与发送数据反相。

为了对接收信号中的数据进行正确的解调，要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。

这就是载波恢复与位定时恢复。

为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。

判决反馈环结构如图3.2所示：

图3.2BPSK判决反馈环结构

判决反馈环具有00、1800两个相位平衡点，因而存在相位模糊点。

对于接收的BPSK信号，在什么时刻对信号进行抽样、判决，这主要由位定时来决定。

位定时的好坏决定误码率的大小。

在刚接收到BPSK信号之后，位定时一般不处于正确的抽样位置，必须采用一定的算法对抽样点进行调整，这个过程称为位定时恢复。

常用的位定时恢复有：

滤波法、数字锁相环等。

以2倍码元速率抽样为例：

信号取样如图3.4所示。

S（n-1）、S（n+1）为调整后的最佳样点，S（n）为码元中间点。

首先位定时的提取时刻为其基带信号存在过零点，即如图2.4中的情况所示。

位定时误差的大小按下式进行计算：

图3.4位定时误差提取示意图

如

，则位定时抽样脉冲向前调整；反之向后。

这个过程主要是通过调整分频计数器进行的，如图3.5所示。

图3.5位定时调整示意图

在实际应用中还须对位定时的误差进行滤波（位定时环路滤波），这样可提高环路的抗噪声性能。

四、实验步骤

1、准备工作：

将KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02置成3级m序列状态（KG02的最下面跳线器插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（32K位置），KG04置于ɑ=0.4的升余弦响应。

KP01置于左边相干解调位置。

2、BPSK调制基带信号眼图观测：

以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。

成型滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4，判断信号观察的效果。

思考：

怎样的系统才是最佳的？

匹配滤波器最佳接收机性能如何从系统指标中反映出来？

3、BPSK调制信号0/π相位测量：

KG02设置成测试序列为全1码（三个跳线均不插入），使输入调制数据为0／1码。

用示波器的一路观察调制输出波形（TPK03），并选用该信号作为示波器的同步信号；示波器的一路连接到调制参考载波上（TPK06或TPK07），以此信号作为观测的参考信号。

仔细调整示波器同步，观察和验证调制载波在数据变化点发生相位0/π翻转。

4、I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察

（1）测量I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。

通过菜单选择在不同的输入码型下进行测量；结合BPSK调制器原理分析测试结果。

（2）将KG04置于ɑ=0.4的开根号升余弦响应，重复上述实验步骤。

仔细观察和区别两种方式下矢量图信号。

5、BPSK调制信号包络观察：

（1）KG02置成输出测试序列为全1码（三个跳线均不插入），使输入调制数据为0／1码。

观测调制载波输出测试点TPK03的信号波形。

调整示波器同步，注意观测调制载波的包络变化与基带信号（TPi03）的相互关系。

画下测量波形。

（2）用其它特殊码序列重复上一步实验，并从载波的包络上判断特列码序列。

画下测量波形。

（3）用3级m序列重复上一步实验，观测载波的包络变化。

6、接收端解调器眼图信号观测

（1）准备：

同步骤1，并用中频电缆连结KK03和JL02，建立中频自环（自发自收）。

（2）测量解调器Q支路眼图信号测试点TPJ06（在A/D模块内）波形，观测时用发时钟TPM01作同步。

将接收端与发射端眼图信号TPi03进行比较，观测接收眼图信号有何变化（有噪声）。

7、解调器失锁时的眼图信号观测

（1）将解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（开环），使环路失锁。

（2）观测失锁时的解调器眼图信号TPJ05，熟悉BPSK调制器失锁时的眼图信号（未张开）。

观测失锁时正交支路解调器眼图信号TPJ06波形。

注意：

将示波器时基从正常位置调整2～5ms/DIV对比观测。

8、接收端I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察

（1）准备：

同步骤6；

（2）测量I支路（TPJ05）和Q支路信号（TPJ06）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPJ05和TPJ06的合成矢量图。

9、解调器失锁时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形观察：

（1）准备：

同步骤7；

（2）解调器相干载波锁相环（PLL）环路跳线开关KL01设置在2_3位置（右端），使环路失锁。

观测接收端失锁时I路和Q路的合成矢量图。

掌握解调器时I路和Q路解调信号的相平面（矢量图）波形的变化，分析测量结果。

调整电位器WL01，观察实验结果。

10、解调器相干载波相位模糊度观测

（1）准备：

同步骤6；

（2）通过KG02选择输入测试数据为较短的“特殊码序列”。

（3）用双踪示波器同时测量发端调制载波（TPK06）和收端恢复相干载波（TPLZ06），并以TPK06作为示波器的同步信号。

反复的断开和接回中频自环电缆，观测两载波失步后再同步时之间的相位关系。

11、解调器相干载波相位模糊度对解调数据的影响观测

（1）准备：

同步骤6；

（2）通过KG02选择输入测试数据为较短的“特殊码序列”。

（3）用双踪示波器同时比较接收数据信号眼图（TPJ06）和发送数据信号眼图（TPi03），并以TPi03作为示波器的同步信号。

不断的断开和接回中频自环电缆，观测收发眼图信号。

分析接收时眼图信号的电平极性发生反转的原因。

12、解调器位定时信号相位抖动观测

示波器以发送时钟TPM01信号为同步，在不同的测试码型下观测接收时钟TPP01的相位抖动情况。

将各项测试结果作比较分析是否符合理论？

五、实验报告

1、写出眼图正确的观察方法；

2、叙述Nyquist滤波作用；

3、画出主要测量点的工作波形；

4、说明BPSK的解调工作过程；

5、统计步骤10的BPSK解调的相位反转概率。

实验4DBPSK传输系统实验

一、实验目的

1、学习差分编译码方法；

2、掌握DBPSK调制和解调的基本原理；

3、掌握DBPSK数据传输过程，熟悉典型电路；

4、掌握差分编译码在BPSK通信系统中的应用；

二、实验仪器

1、ZH7001（II）通信原理基础实验箱一台2.20MHz双踪示波器二台

三、实验原理

判决反馈环具有00、１800两个相位平衡点，因而采用判决反馈环存在相位模糊点。

如果是0０，则解调出来的数据与发送数据一样，否则，解调出来的数据将与发送数据反相。

为了解决这一技术问题，在发端码字上采用了差分编码，经相干解调后再进行差分译码。

将差分编译码技术与BPSK技术相结合——产生了DBPSK调制解调方式。

一个典型的差分编码调制过程如图4.1所示：

图4.1差分编码与调制相位示意图

DBPSK的实现框图如图4.2所示。

四、实验步骤

1、BPSK解调器反相现象观察：

（1）准备工作：

将KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02置成3级m序列（KG02最下面跳线插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（32K位置），KG04置于ɑ=0.4的升余弦响应。

KP01置于1-2状态（相干解调位置）。

（2）不断插入、断开中频电缆，同时观察TPK06、TPLZ06的收发载波相位，记录所观察的现象；

（3）不断插入、断开中频电缆，同时观察TPi03、TPJ06的收发眼图，记录所观察的现象；

（4）不断插入、断开中频电缆，同时观察TPM03、TPM05的收发数据，记录所观察的现象；

（5）不断插入、断开中频电缆，同时观察收发两端的李沙育波形，测量方法如下：

a）测量发送端I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。

b）测量接收端I支路（TPJ05）和Q支路信号（TPJ06）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPJ05和TPJ06的合成矢量图。

记录所观察的现象；

总结：

BPSK解调器的解调特点，并说明原因。

2、差分编码观察

（1）准备：

同实验步骤1；

（2）同时测量TPM02、TPM03，观察它们之间的对应关系，并与差分编码的结果进行比较。

3、差分译码观察

（1）准备：

同实验步骤1；

（2）同时测量TPM04、TPM05，观察它们之间的对应关系，并与差分译码的结果进行比较。

4、差分编译码系统性能观察

（1）准备：

同实验步骤1；

（2）用两台示波器，一台同时测量TPM03、TPM05，另一台同时测量TPM02、TPM04。

不断插入、断开中频电缆，观察它们之间的对应关系。

思考：

这一实验解决了什么问题？

五、实验报告

1、画出差分编码的框图；

2、画出差分译码的框图；

3、叙述差分编译码的作用；

4、画出主要测量点的工作波形；

5、说明DBPSK的系统工作过程；

实验5非相干BPSK传输系统实验

一、实验目的

1、了解非相干BPSK解调的基本工作原理；2、掌握非相干BPSK数据传输过程；

二、实验仪器

1、ZH7001（Ⅱ）通信原理基础实验箱一台2、20MHz双踪示波器一台

三、实验原理

非相干BSPK解调不需要在接收机端恢复相干载波，因而接收机容易制造，这种传输方式在无线通信系统中被广泛使用。

对非相干BPSK的解调是通过比较接收相邻码元信号（I，Q）在星座图上的夹角,如果大于900则为1，否则为0,如图2.11.3所示:

图5.1非相干BPSK差分解调示意图

非相干解调按下式进行：

如果

，则判为１，反之判为0。

虽然非相干BPSK差分解调降低了接收机复杂度的优点，但它的能量效率比相干BPSK低3dB。

在加性高斯白噪声环境中，平均错误概率如下所示：

在非相干BPSK方式中，由于不需要恢复载波，因而不能观察到接收端的眼图信号。

四、实验步骤

1.非相干BPSK差分编码观测

（1）准备：

将开关KG01设置在测试数据位置，解调模式选择开关KP01置于2-3状态（右边非相干解调位置），数据时钟选择开关KG03置于左边32K位置，KL01置于右端测试位置。

根据跳线开关KG02选择产生3位周期m序列；

（2）用示波器同时观察数字调制解调模块内发送数据信号TPM02和差分编码输出数据TPM03，分析两信号间的编码关系。

记录测量结果。

（3）选择产生15位周期m序列，重复上述测量步骤。

记录测量结果。

2.非相干BPSK调制信号眼图观测

（1）准备：

同步骤1；

（2）以发送时钟（TPM02）作同步，观测发送信号眼图（TPi03）的波形。

成形滤波器使用升余弦响应，ɑ=0.4。

判断信号观察的效果。

通过KG04改变滚降系数重复上述实验步骤。

仔细观察和分析与上述发送信号眼图（TPi03）波形的区别。

思考如何从眼图上来反映滚降系数的大小。

3.I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察

（1）准备：

同步骤1；

（2）测量I支路（TPi03）和Q支路信号（TPi04）李沙育（x-y）波形时，应将示波器设置在（x-y）方式，可从相平面上观察TPi03和TPi04的合成矢量图，其相位矢量图应为0、π两种相位。

通过KG02选择在不同的输入码型下进行测量，结合BPSK调制器原理分析测试结果。

4.非相干BPSK调制信号0/π相位测量

（1）准备：

同步骤1；

（2）选择输入调制数据为0／1码。

用示波器的一路观察调制输出波形（TPK03），并选用该信号作为示波器的同步信号；示波器的一路连接到载波上（TPK07），以此信号作为观测的参考信号。

仔细调整示波器同步，观察和验证调制载波在数据变化点发生0/π相位翻转。

5.接收端解调眼图信号观测

（1）首先用中频电缆连结KK03和JL02，建立中频自环（自发自收）。

测量解调器I支路眼图信号测试点TPJ06（在A/D模块内）波形，观测时用发时钟TPM01作同步。

思考：

与BPSK解调器眼图有何不同，此时为什么看不到信号眼图？

（2）将跳线开关KL01（在中频解调模块）设置在2_3位置，调整电位器WL01以改变收发频差，重复上述测量步骤（示波器时基设定在2～5ms），并分析测试结果。

（3）观测正交Q支路眼图信号测试点TPJ05（在A/D模块内）波形。

联系BPSK解调器失锁时的眼图信号测量内容，分析解释其原因。

6.接收端I路和Q路调制信号的相平面（矢量图）信号观察

（1）测量I支路（TPJ0