通原硬件实验.docx

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通原硬件实验

2010—2011学年第二学期

《通信原理硬件》实验报告

专业班级信通14班

姓名AugJ&JJG

学号

开课系室信通院实验中心

报告日期2011年12月21日

目录

实验一双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）-3-

一实验目的-3-

二实验原理-3-

三实验过程-4-

四思考题-12-

实验二具有离散大载波的双边带调幅（AM）-14-

一实验目的-14-

二实验原理-14-

三实验过程-15-

四思考题-18-

实验三：

调频（FM）-19-

一实验目的-19-

二实验原理-19-

三实验过程-23-

四思考题-29-

实验四：

线路码的编码和解码-31-

一、实验目的-31-

二、实验原理-31-

三、实验步骤-31-

四、实验结果：

-32-

实验五：

时钟恢复-36-

一、实验目的：

-36-

二、实验原理：

-36-

三、实验步骤：

-37-

四、实验结果：

-38-

五、思考题：

-41-

实验六：

眼图-43-

一实验目的-43-

二实验原理-43-

三实验过程-43-

实验七：

采样、判决-45-

一、实验目的-45-

二、实验原理：

-45-

三、实验步骤-45-

四、实验结果：

-46-

五、思考题-47-

实验八：

二进制通断键控（OOK）-49-

一实验目的-49-

二实验原理-49-

三实验过程-50-

四实验更改-54-

五思考题-54-

实验一双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）

一实验目的

1了解DSB-SCAM信号的产生以及相干解调的原理和实现方法

2了解DSB-SCAM信号波形及振幅频谱特点，并掌握其测量方法。

3了解在发送DSB-SCAM信号加导频分量的条件下，收端用锁相环提取载波的原理及其实现方法

4掌握锁相环的同步带和捕捉带的测量方法，掌握锁相环提取载波的调试方法。

二实验原理

DSB-SCAM信号的产生以及相干解调原理

下图为DSB-SC信号的产生及相干解调原理框图。

三实验过程

1DSB-SCAM信号的产生

（1）按照图连接，将音频振荡器输出的模拟音频信号及主振荡器输出的100KHz模拟载波信号分别用连接线连至乘法器的两个输出端。

（2）用示波器观看音频输出信号的信号波形的幅度以及振荡频率，调整音频信号的输出频率为10kHz,作为均值为0的调制信号m（t）。

（3）用示波器观看主震荡输出信号波形的幅度及震荡频率。

（4）器观看乘法器的输出波形，并注意已调信号波形的相位翻转与已调信号波形。

下图为乘法器输出，也即已调信号s（t）。

载波频率为调制信号的十倍，周期为其十分之一。

双边带抑制载波幅度调制信号是调制信号对载波的幅度进行的调制。

故包络的形状应与调制信号相同。

（5）测量已调信号振幅频谱，注意其振幅频谱的特点

（6）分别调整加法器的增益G和g：

首先调整增益G=1:

将加法器的B输出端接地，A输入端接已调信号，用示波器观看加法器的输出波形以及振幅频谱，使加法器输入与加法器输出幅度一致。

可以观察到两者相位相反。

DSB-SC信号加导频分量

已调信号振幅频谱

2DSB-SCAM信号的相干解调即载波提取

（1）单独测量VCO性能

①将VCO模块前面板上的频率选择开关拨到HI载波频段的位置，VCO的Vin输入端暂不接信号，用示波器观看VCO的输入波形及工作频率f0。

然后将可变直流电压模块的DC输出端与VCO模块的Vin端相连接，双踪示波器分别介于VCO输出端及DC输出端，调整VCO模块的GAIN旋钮，使得在可变直流电压为

时的VCO频率偏移为

。

当直流可变电压为+1V时，VCO频率为90Khz左右：

当直流可变电压为+1V时，VCO频率为85Khz左右：

（2）锁相环的调试

将另一VCO作为信号源输入乘法器。

改变信源VCO的中心频率，用示波器观看锁相环中的相乘。

此时的锁相环相当于混频器，为差频，此时差频为21.51Khz，一路频率为109.9Khz

另一路频率为89.29Khz，可见差频大约为21Khz左右，证明此时确实产生的是混频信号：

（3）测量锁相环的同步带及捕捉带

首先将信号源VCO的中心频率调到比100Khz小很多的频率，使锁相环处于失锁状态（示波器输出为交流波形），调节信号源VCO，使其频率由低往高缓慢变化，当信号波形变为直流，说明锁相环由失锁状态进入了锁定状态，如下图所示的CH2，右上角频率即为CH2的频率，即f2=96.15khz

继续往上调，当信号由直流变交流，索命锁相环失锁，即下图CH2，右上角频率为f4=113.2khz

再从f4开始将输入信号频率从高往低调，当信号由交流变直流，再次捕捉到同步时的频率，如下图CH2，右上角频率为f3=104.2khz

继续往下调节频率，当直流变为交流，则再次失锁，如下图，右上角频率为f1=89.3khz

则锁相环测量完毕。

根据测量值可以计算出锁相环的同步带及捕捉带。

同步带：

Δf=f4-f1=113.2-89.3=23.9khz

捕捉带：

Δf=f3-f2=104.2-96.15=8.05khz

（2）恢复载波

将锁相环按上述过程调好，连接，将加法器的输出信号接至锁相环的输入端。

移相器的频率选择开关拨到HI位置。

用示波器观察LPF输出信号是否是直流信号，以此来判断载波提取PLL是否处于锁定状态。

确定锁相环提取载波成功后，利用双踪示波器分别观察发端的导频信号及收端载波提取锁相环中的VCO输出经移相器后的信号波形。

调节移相器中的移相旋钮，达到移相90度，使输入于相干解调的恢复载波与发来的导频信号不仅同频，也基本同相。

用频谱仪观察恢复载波的振幅频谱。

恢复载波（相差90度）

恢复载波（通过移相器之后）

（3）相干解调

在上述实验的基础上，按照实验图，将相干解调的相乘、低通滤波模块连接上，并将发送来的信号与恢复载波分别连至相干解调的乘法器的两个输入端。

相干解调输出波形如下

相乘输出如下：

由上图可看出恢复情况良好。

四思考题

1．简述DSB-SCAM信号波形的特点。

答：

DSB-SCAM信号是双边带抑制载波调幅波。

按模拟基带信号的变化规律去控制载波的幅度。

可能出现反相点。

其频谱是系带信号的频谱被搬移到载频处，不包含离散的载频分量。

带宽展宽为基带信号带宽的2倍。

2．整理实验记录振幅频谱，画出已调信号加导频的振幅频谱图。

根据此振幅频谱，计算导频信号功率与已调信号功率之比。

答：

由实验可得，导频信号振幅频谱的幅度为已调信号边带频谱幅度的0.8倍。

所以导频信号功率与已调信号功率之比为：

（0.8）2/[12*2]=8/25

已调信号加导频的振幅频谱图：

3实验中载波提取锁相环的LPF是否可用TIMS系统中的“ＴＵＮＥＡＢＬＥ　ＬＰＦ”？

答：

不可以。

因为两者截止频率不同，若换用，会造成波形失真。

实验中LPF的截止频率为2.8kHz，而可调低通滤波器的机制频率可调，若无法调到2.8kHz，则可能无法滤除全部高频分量，造成波形失真。

4若本实验中的音频信号为１KHz，请问实验系统所提供的ＰＬＬ能否用来提取载波？

答：

不能。

因为实验体统提供的PLL截止频率为2.8kHz，若音频信号为1kHz，则低通滤波器无法滤除音频信号，导致VCO无法输出稳定的导频分量。

5若发端不加导频，收端提取载波还有其他办法吗？

请画出框图。

答：

发端不加导频此时可在收端用平方环法或COSTAS环法从接收信号中提取出载波。

平方环法框图：

COSTAS环法框图：

实验二具有离散大载波的双边带调幅（AM）

一实验目的

1了解AM信号的产生原理以及实现方法。

2了解AM的信号波形及振幅频谱的特点，并掌握调幅系数的测量方法。

3了解AM信号的非相关解调原理和实现方法。

二实验原理

1.AM信号的产生

2.AM信号的解调

由于AM信号的振幅频谱具有离散大载波，所以收端可以从AM信号中提取载波进行相干解调，其实现类似于DSB-SCAM信号加导频的载波提取及相干解调的方法。

AM的主要优点时可以实现包络检波器进行非相干解调。

本实验采用包络检波方案.

3.连接图

三实验过程

1AM信号的产生

按实验图进行各模块之间的连接，音频振荡器输出为5Khz，主振荡器输出为100Khz，分别调整加法器的增益为1，逐步增大可变直流电压，使得加法器输出波形是正的，观察乘法器输出波形。

测量AM信号的调幅系数a值，调整可变直流电压，使a=0.8。

产生的波形如下：

AM波（a=0.8）

CH1为基带信号，CH2为已调信号，可见已调信号频率为5Khz，调制指数由Amax=504mv，Amin=56mv，可计算出a=（amax-amin）/（amax+amin）=0.8，可见产生的为符合实验要求的AM调制信号。

2AM信号的非相关解调

输入的AM信号的调幅系数a=0.8。

用示波器观察整流器（RECTIFIER）输出波形，整流器输出波形及其频谱如下：

用示波器观察低通滤波器（LPF）的输出波形，低通滤波输出如下，即最后的解调输出：

可见很好的恢复了原始的基带信号

当调制指数变小时，低通滤波器输出波形如下：

由上图可以看出解调输出波形出现了明显的失真

当调制指数变大时，低通滤波器输出波形如下：

由上图可以看出解调输出波形没有明显的失真，仍能明显的回复原始信号。

四思考题

（1）在什么情况下，会产生AM信号的过调现象？

答：

设AM信号Sm（t）=（m0+m’（t））coswct，则当|m’（t）|max>m0时，则会出现过调现象。

（2）对于a=0.8的AM信号，请计算载频功率与边带功率之比值。

答：

由题意可知，载频功率与边带功率之比为：

（1/2）2/[（0.8/4）2*2]=25/8

（3）是否可用包络检波器对DSB-SCAM信号进行解调？

请解释原因。

答：

不能。

因为DSB-SC信号不含离散的大载波分量，它的波形有小于零的部分。

实验三：

调频（FM）

一实验目的

1了解VCO作调频器的原理及实验方法。

2测量FM信号的波形及振幅频谱。

3了解利用锁相环作FM解调的原理及实验方法。

二实验原理

FM信号的产生及锁相环解调原理

若调制信号是单音频信号

则FM信号的表达式为

其中

其中

为频率偏移常数，

是调制指数

由卡松公式可求出单音频FM信号的频带宽度为

产生FM信号的方法之一是利用VCO，如图2.4.1所示。

m（t）输入与VCO，当输入电压为0时，VCO输出频率为

。

当输入模拟基带信号的电压变化时，VCO的振荡频率作相应变化。

FM信号的解调方案之一是利用锁相环进行FM解调。

锁相环解调的原理框图下图所示：

锁相环锁定时，VCO输出的FM信号与接收到得输入FM信号之间是同频关系，相位也几乎相同。

锁相环解调的原理如下所示。

假设锁相环输入是FM信号是s（t）,则

对于VCO来说，它的控制电压时环路滤波器的输出v（t）。

VCO的瞬时频率为

其中

是VCO的压控灵敏度（Hz/V），VCO的输出可表示为

其中

锁相环中的乘法器和低通滤波器组成了相位比较器，该低通滤波器用来滤除二倍载频分量。

鉴相器输出为

其中的

为相位差。

锁相环处于锁定状态时，相位差很小，使得

此时，可将锁相环等效的表示为图2.4.3所示的线性模型，图中g（t）是环路滤波器的冲激响应，其傅立叶变换为G（f）。

根据这一模型，相位差可表示为

等效于

或

对上式进行傅立叶变换，得到

其中的

分别是

傅立叶变换。

整理上式得：

合理设计

及G（f），使它满足以下条件：

其中W为基带信号的带宽。

于是可得到

等效于

这个结果表明，VCO的压控电压v（t）同基带信号m（t）成正比，所以v（t）就是FM解调的输出信号。

锁相环环路滤波器的频率响应G（f）的带宽应与基带信号的带宽相同，这样环路滤波器输出的噪声将被限带于W。

VCO的输出是带宽调频信号，它的瞬时频率跟随接收调频信号的瞬时频率而变。

由上面的分析可以看出，锁相环作FM解调时有两个关键点：

一是开环增益（即锁相环开环增益）要足够大，二是环路滤波器的带宽要与基带信号的带宽相同。

三实验过程

1、FM信号的产生：

将音频振荡器的频率调到2khz，作为调制信号输入于VCO的Vin输入端，音频信号，即调制的基带信号如图：

可见频率为2Khz左右。

FM调制产生的波形及频谱如下：

测量FM信号的振幅频谱，如下图：

2、FM信号的锁相环解调：

（1）单独测量VCO性能

将VCO模块前面板上的频率选择开关拨到HI载波频段的位置，VCO的Vin输入端暂不接信号，用示波器观看VCO的输入波形及工作频率f0。

然后将可变直流电压模块的DC输出端与VCO模块的Vin端相连接，双踪示波器分别介于VCO输出端及DC输出端，调整VCO模块的GAIN旋钮，使得在可变直流电压为

时的VCO频率偏移为

。

当直流可变电压为+1V时，VCO频率为90Khz左右：

当直流可变电压为+1V时，VCO频率为85Khz左右：

（2）锁相环的调试

将另一VCO作为信号源输入乘法器。

改变信源VCO的中心频率，用示波器观看锁相环中的相乘。

此时的锁相环相当于混频器，为差频，此时差频为21.51Khz，一路频率为109.9Khz

另一路频率为89.29Khz，可见差频大约为21Khz左右，证明此时确实产生的是混频信号：

（3）测量锁相环的同步带及捕捉带

首先将信号源VCO的中心频率调到比100Khz小很多的频率，使锁相环处于失锁状态（示波器输出为交流波形），调节信号源VCO，使其频率由低往高缓慢变化，当信号波形变为直流，说明锁相环由失锁状态进入了锁定状态，如下图所示的CH2，右上角频率即为CH2的频率，即f2=96.15khz

继续往上调，当信号由直流变交流，索命锁相环失锁，即下图CH2，右上角频率为f4=113.2khz

再从f4开始将输入信号频率从高往低调，当信号由交流变直流，再次捕捉到同步时的频率，如下图CH2，右上角频率为f3=104.2khz

继续往下调节频率，当直流变为交流，则再次失锁，如下图，右上角频率为f1=89.3khz

则锁相环测量完毕。

根据测量值可以计算出锁相环的同步带及捕捉带。

同步带：

Δf=f4-f1=113.2-89.3=23.9khz

捕捉带：

Δf=f3-f2=104.2-96.15=8.05khz

（1）将已调测好的FM信号输入于锁相环，用示波器观察解调信号，解调输出信号及频谱如下：

（2）当改变调制信号频率时，解调输出信号及频谱如下，此时发端频率为2.5Khz：

由上图可见解调出现了失真。

（3）当改变调制信号频率时，解调输出信号及频谱如下，此时发端频率为8Khz：

由上图可知解调输出与原始波形相同，仅仅相位发生了变化

四思考题

1本实验的FM信号调制指数β是多少？

FM信号的带宽是多少？

答：

由调制信号的波形可知，振幅a=2，又已知Kf为2.5kHz，fm为2kHz，所以β=2*2.5k/2k=2.5，FM信号的带宽为B=2（β+1）fm=14kHz.

2为了解决FM大频偏及中心频率稳定度之间的矛盾，可采用什么方案来产生FM信号？

答：

采用晶振.如下图:

3若发端调制信号频率为10KHz，实验三中的锁相环能否解调出原调制信号？

为什么？

答：

因为锁相环的低通滤波器截止频率为2.8kHz，若发端的调制信号频率为10kHz，则滤波器会把调制信号滤掉，无法解调出原调制信号。

4用于调频解调的锁相环与用于载波提取的锁相环有何不同之处？

答：

调制解调的锁相环的输出为低通滤波器的输出；载波提取的锁相环的输出为VCO的输出。

实验四：

线路码的编码和解码

一、实验目的

1.了解各种常用线路线路码的信号波形及其功率谱。

2.了解线路码的解码。

二、实验原理

三、实验步骤

实验装置连接图如下图所示：

1．用Tims系统中主振荡器（MasterSignals）、序列码产生（SequenceGenerator）、线性编码器（Line-CodeEncoder），缓冲放大器（BufferAmplifier），线性解码器（Line-CodeDecoder）组成如图所示的线性编码电路和线性解码电路。

2．主振荡器8.33kHz信号输入到线形编码器M.CLK端，往其内部电路分频，由B.CLK输出，作为码时钟，频率8.33k/4，分别给序列码产生器和解码的时钟。

3．用序列码产生器产生一个数字信号，再加入线形编码器进行编码分别产生，不归零绝对码（NRZ-L），不归零相对码（NRZ-M），单极性归零码（UNT-RZ），双极性归零码（BIP-RZ），AMI码和分裂码（Machester码）用示波器观察通过放大器后的波形。

四、实验结果：

产生的码型：

NRZ—L编码及解码

NRZ—M编码及解码

UNIRZ编码及解码

BIPRZ编码及解码

RZAMI编码及解码

Manchesite编码及解码

实验五：

时钟恢复

一、实验目的：

（1）了解从线路码中提取时钟的原理

（2）了解从RZ-AMI码中提取时钟的实现方法

（3）请学生自主完成从BIP-RZ或UNI-RZ码恢复时钟的实验

二、实验原理：

1、单极性归零码的时钟恢复

双极性（BIP-RZ）的信号表示式为：

S（t）=∑an*g（t-n*Tb）

其中an∈{±1}，g（t）是矩形归零脉冲，占空比通常是50%。

假设数据独立等概，则该码的功率谱密度无离散的时钟分量，仅含连续谱，如下图所示：

双极性归零码的时钟恢复非常简单，只需对s（t）取绝对值即可。

取绝对值的过程就是全波整流。

2、单极性归零码的时钟恢复

单极性归零码（UNI-RZ）的信号表示式为：

S（t）=∑an*g（t-n*Tb）

其中an∈{0，1}，g（t）是矩形归零脉冲，占空比通常是50%。

对于独立等概事件，该码的功率谱密度为下图所示：

0.5Tb

可以看出，其功率谱不仅含有离散直流分量及连续谱（主瓣宽度为2Rb），而且还包含离散的始终分量及其奇次谐波分量，所以可以利用窄带录波器或者锁相环从单极性归零码中提取出时钟分量。

3、零均值限带PAM信号的时钟恢复

对于均值为零的限带PAM信号，提取时钟的方法很多。

很多情况下，对信号s（t）取绝对值或者平方可以取得时钟的离散分量，这样就可以提取这个离散分量，再通过整形移相得到需要的时钟。

也可以通过超前滞后门同步器或者其他环路方式恢复时钟。

三、实验步骤：

从RZ-AMI码恢复时钟

实验原理图：

实验装置连接图如下图所示:

（1）按照实验连接图连接各模块。

将移相器模块印刷电路板上的拨动开关拨到LO位置。

（2）用示波器观察实验连接图中的各点波形。

（3）调节缓冲放大器的K旋钮，使得放大器输出波形足够大，经移相器移相后，比较器输出TTL电平的恢复时钟。

（4）将恢复时钟与发送时钟分别送至双踪示波器，调节移相器的相移，使得恢复时钟与发送端时钟的相位一致。

（5）将恢复时钟送至线路解码器的时钟输入端，线路码的译码器输出原发送的伪随机序列。

四、实验结果：

（1）输入RZ-AMI波形及其解码

输入BIP-RZ及其解码

输入UNI-RZ及其解码

（2）RZ-AMI时钟比较和恢复

BIP-RZ时钟比较和恢复

UNI-RZ时钟比较和恢复

五、思考题：

（1）如何从分相码中提取时钟？

答：

信号通过低通，在经过PLL锁相环锁定即可从分相码中提取时钟。

（2）对于双极性不归零码，如果发送数据中“1”出现的概率为90%，请问如何从这样的信号中提取时钟？

答：

可以将信号通过一个超前滞后门同步器来得到时钟信号。

（3）从限带基带信号中提取时钟的原理是什么？

答：

线谱法：

由于信号分量s（t）中的信息符号的均值为零，因而s（t）的功率谱密度中无离散的时钟分量，故不能直接用s（t）来产生1/Ts的离散时钟分量，但是s（t）*s（t）的数学期望是周期性的，其周期为Ts，因此可以通过平方法来产生限带基带信号的时钟分量。

实验六：

眼图

一实验目的

了解数字基带传输系统中“眼图”的观察方法及作用。

二实验原理

对于实际的数字通信传输系统，可用实验手段以及波形观察方式来评价传输系统的性能。

用示波器显示基带传输系统接收滤波器的输出基带信号波形，在示波器显示屏上可观察到类似人眼的图案，称其为眼图。

从眼图的张开程度，可以观察码间干扰和加性噪声对接收基带信号波形的影响，从而能对系统系能做出定性的判断。

三实验过程

实验连接图如下图所示。

（1）、将可调低通滤波器模块前面板上的开关置于NORM位置。

（2）、将住信号发生器的8.33KhzTTL电平的方波输入于线路码编码器的M.CLK端，经四分频后，由B.CLK端输出2.083Khz的时钟信号。

（3）、将序列发生器模块的印刷电路板上的双列直插开关选择”10”，产生长为256序列码。

（4）、用双踪示波器同时观察可调低通滤波器的输出波形及2.083Khz的时钟信号，并调节可调低通滤波器的TUNE旋钮及GAIN旋钮，以得到合适的限带基带信号波形，观察眼图如下图：

由于没有加上太多的噪声，所以从眼图可以看出，系统的抗噪性能还是比较理想的。

实验七：

采样、判决

一、实验目的

1.了解采样、判决在数字通信系统中的作用及其实现方法

2.自主设计从限带基带信号中提取时钟、并对限带基带信号进行采样、判决、恢复数据的实验方案，完成实验任务。

二、实验原理：

在数字通信系统中的接收端，设法从接收滤波器输出的基带信号中提取时钟，用以对接收滤波器输出的基带信号在眼图睁开最大处进行周期性的瞬时采样，然后将各采样值分别于最佳判决门限进行比较作出判决。

输出数据。

三、实验步骤

装置连接图如下图所示：

1.自主设计图中的提取时钟的实验方案，完成恢复时钟（TTL电平）的实验任务。

2.按照下图所示，将恢复时钟输入于判决模块的B.CLK时钟输入端（TTL电平）。

将可调低通滤波器输出的基带信号输入于判决模块，并将判决模块印刷电路板上的波形选择开关SW1拨到NRZ-L位置（双极性不归零码），SW2开关拨到“内部”位置。

3.用双踪示波器同