通信原理实验指导书完整版.docx
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通信原理实验指导书完整版
通信原理实验指导书
通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课。
如何加强理论课程的学习，加深学生对本课程中的基本理论知识及基本概念的理解，提高学生理论联系实际的能力，如何培养学生实践动手能力和分析解决通信工程中实际问题的能力是通信原理教学的当务之急。
而通信原理实验课程就是一种重要的教学手段和途径。
本通信原理实验将通信原理的基础知识灵活地运用在实验教学环节中。
可独立也可组合、综合实施多项实验或示教。
本实验重点突出，实验内容丰富。
同时，注重理论分析与实际动手相结合，以理论指导实践，以实践验证基本原理，旨在提高学生分析问题、解决问题的能力及动手能力，并通过有目的地选择完成实验项目及二次开发，使学生进一步巩固理论基本知识，建立完整的通信系统的概念。
实验注意事项
1、实验系统接通电源前请确保电源插座接地良好。
2、除信号源模块外，其它实验模块平时应保存在保管箱中，注意防潮、防尘。
在实验完毕后应尽快将实验模块放入保管箱中保存。
3、从保管箱中取出或放入实验模块应轻拿轻放，实验模块的两侧应与保管箱插槽对准方可取出或插入实验模块，切勿用蛮力。
4、每次安装实验模块之前应确保主机箱右侧的交流开关处于断开状态。
为保险起见，建议拔下电源线后再安装实验模块。
5、安装实验模块时，应先将模块左侧卡口与固定槽中的定位卡对齐，再轻轻压下实验模块，然后在实验模块右侧用胶木螺钉固定。
应确保固定槽中的电源插针与实验模块底部的电源接口接触良好，无短路和断路，手旋螺钉也不应固定得过紧，以免压坏实验模块表面或造成短路，经过仔细检查后方可通电实验。
6、各实验模块上的双刀双掷开关、轻触开关、微动开关、拨码开关、手旋电位器均为磨损件，请不要频繁按动或旋转。
7、请勿直接用手触摸芯片、电解电容等元件，以免造成损坏。
8、各模块中的3362电位器（蓝色正方形封装）是出厂前调试使用的。
出厂后的各实验模块功能已调至最佳状态，勿需另行调节这些电位器，否则将会对实验结果造成严重影响。
若已调动请尽快复原；若无法复原，请与指导老师或直接与我公司联系。
9、在关闭各模块电源之后，方可进行连线。
连线时在保证接触良好的前提下应尽量轻插轻拔，检查无误后方可通电实验。
拆线时若遇到连线与孔连接过紧的情况，应用手捏住连线插头的塑料线端，左右摇晃，直至连线与孔松脱，切勿用蛮力强行拔出。
10、FPGA下载线和串口线应轻插、轻拔，以免折断插针。
11、按动开关或转动电位器时，切勿用力过猛，以免造成元件损坏。
12、本实验系统中的工具模块（信号源模块、码型变换模块、频谱分析模块、终端模块、同步信号提取模块）在完成本身实验功能的基础上，主要是为其它实验模块服务的。
各工具模块的使用方法我们都做了详细的介绍，希望同学们能灵活运用这些工具模块，达到最好的实验效果。
实验一信号源实验
一、实验目的
1、了解频率连续变化的各种波形的产生方法。
2、理解帧同步信号与位同步信号在整个通信系统中的作用。
3、熟练掌握信号源模块的使用方法。
二、实验内容
1、观察频率连续可变信号发生器输出的各种波形及7段数码管的显示。
2、观察点频方波信号的输出。
3、观察点频正弦波信号的输出。
4、拨动拨码开关，观察码型可变NRZ码的输出。
5、观察位同步信号和帧同步信号的输出。
三、实验器材
1、信号源模块1块
2、20M双踪示波器1台
3、频率计（可选）1台
4、PC机（可选）1台
5、连接线若干
四、实验原理
信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分，分别产生模拟信号和数字信号。
4.1、模拟信号源
地
址
选
择
器
数
据
存
储
器
预
置
分
频
器
单
片
机
D
/
A
滤
波
器
波
形
选
择
显
示
驱
动
频
率
调
节
模
拟
信
号
输
出
6
4
K
H
z
方
波
带
通
滤
波
器
6
4
K
H
z
正
弦
波
3
2
K
H
z
方
波
带
通
滤
波
器
3
2
K
H
z
正
弦
波
1
M
H
z
方
波
带
通
滤
波
器
1
M
H
z
正
弦
波
图1-1模拟信号源部分原理框图
模拟信号源部分可以输出频率和幅度可任意改变的正弦波（频率变化范围100Hz～10KHz）、三角波（频率变化范围100Hz～1KHz）、方波（频率变化范围100Hz～10KHz）、锯齿波（频率变化范围100Hz～1KHz）以及32KHz、64KHz、1MHz的点频正弦波（幅度可以调节），各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。
该部分电路原理框图如图1-1所示。
2
4
M
H
z
晶
振
3
分
频
可
预
置
分
频
器
B
S
F
S
1
M
2
5
6
K
8
K
6
4
K
Z
8
K
N
R
Z
码
产
生
器
码
型
调
节
分
频
比
选
择
N
R
Z
码
分
频
器
分
频
器
2
B
S
2
分
频
2
分
频
在实验前，我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U005（2864）并存放在固定的地址中。
当单片机U006（89C51）检测到波形选择开关和频率调节开关送入的信息后，一方面通过预置分频器调整U004（EPM7128）中分频器的分频比（分频后的信号频率由数码管M001~M004显示）；另一方面根据分频器输出的频率和所选波形的种类，通过地址选择器选中数据存储器U005中对应地址的区间，输出相应的数字信号。
该数字信号经过D/A转换器U007（TLC7528）和开关电容滤波器U008（TLC14CD）后得到所需模拟信号。
4.2、数字信号源
图1-2数字信号源部分原理框图
数字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码（可通过拨码开关SW103、SW104、SW105改变码型）以及位同步信号和帧同步信号。
绝大部分电路功能由U004（EPM7128）来完成，通过拨码开关SW101、SW102可改变整个数字信号源位同步信号和帧同步信号的速率，该部分电路原理框图如图1-2所示。
晶振出来的方波信号经3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器分频，前一分频器分频后可得到1MHz、256KHz、64KHz、8KHz的方波以及8KHz的窄脉冲信号。
可预置分频器的分频比可通过拨码开关SW101、SW102来改变，分频比范围是1~9999。
分频后的信号即为整个系统的位同步信号（从信号输出点“BS”输出）。
数字信号源部分还包括一个NRZ码产生电路，通过该电路可产生以24位为一帧的周期性NRZ码序列，该序列的码型可通过拨码开关SW103、SW104、SW105来改变。
在后继的码型变换、时分复用、CDMA等实验中，NRZ码将起到十分重要的作用。
五、实验步骤
5.1、将信号源模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。
5.2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下开关POWER1、POWER2，发光二极管LED001、LED002发光，按一下复位键，信号源模块开始工作。
（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）
5.3、模拟信号源部分
①观察“32K正弦波”、“64K正弦波”、“1M正弦波”各点输出的正弦波波形，对应的电位器“32K幅度调节”、“64K幅度调节”、“1M幅度调节”可分别改变各正弦波的幅度。
②按下“复位”按键使U006复位，波形指示灯“正弦波”亮，波形指示灯“三角波”、“锯齿波”、“方波”以及发光二极管LED007灭，数码管M001～M004显示“2000”。
③按一下“波形选择”按键，波形指示灯“三角波”亮（其它仍熄灭），此时信号输出点“模拟输出”的输出波形为三角波。
逐次按下“波形选择”按键，四个波形指示灯轮流发亮，此时“模拟输出”点轮流输出正弦波、三角波、锯齿波和方波。
④将波形选择为正弦波时（对应发光二极管亮），转动旋转编码器K001，改变输出信号的频率（顺时针转增大，逆时针转减小），观察“模拟输出”点的波形，并用频率计查看其频率与数码管显示的是否一致。
转动电位器“幅度调节1”可改变输出信号的幅度，幅度最大可达3V以上。
（注意:
发光二极管LED007熄灭，转动旋转编码器K001时，频率以1Hz为单位变化；按一下K001，LED007亮，此时旋转K001，频率以50Hz为单位变化；再按一下K001，LED007熄灭，频率再次以1Hz为单位变化）。
⑤将波形分别选择为三角波、锯齿波、方波，重复上述实验。
⑥模拟信号放大通道：
用导线连接“模拟输出”点与“IN”点，观察“OUT”点波形，转动电位器“幅度调节2”可改变输出信号的幅度（最大可达6V以上）。
⑦电位器W006用来调节开关电容滤波器U008的控制电压，电位器W007用来调节D/A转换器U007的参考电压，这两个电位器在出厂时已经调好，切勿自行调节。
5.4、数字信号源部分
①拨码开关SW101、SW102的作用是改变分频器的分频比（以4位为一个单元，对应十进制数的1位，以BCD码分别表示分频比的千位、百位、十位和个位），得到不同频率的位同步信号。
分频前的基频信号为2MHz，分频比变化范围是1～9999，所以位同步信号频率范围是200Hz～2MHz。
例如，若想信号输出点“BS”输出的信号频率为15.625KHz，则需将基频信号进行128分频，将拨码开关SW101、SW102设置为0000000100101000，就可以得到15.625KHz的方波信号。
拨码开关SW103、SW104、SW105的作用是改变NRZ码的码型。
1位拨码开关就对应着NRZ码中的一个码元，当该位开关往上拨时，对应的码元为1，往下拨时，对应的码元为0。
②将拨码开关SW101、SW102设置为0000000100000000，SW103、SW104、SW105设置为011100100011001110101010，观察BS、2BS、FS、NRZ波形。
③改变各拨码开关的设置，重复观察以上各点波形。
④观察1024K、256K、64K、32K、8K、Z8K各点波形（由于时钟信号为晶振输出的24MHz方波，所以整数倍分频后只能得到的1000K、250K、62.5K、31.25K、7.8125K信号，电路板上的标识为近似值，这一点请注意）。
六、输入输出点参考说明
6.1、输入点说明
IN：
模拟信号放大器输入点。
6.2、模拟输出点说明
波形种类、幅度、频率均可调节。
各种波形的频率变化范围如下：
正弦波：
100Hz～10KHz三角波：
100Hz～1KHz
锯齿波：
100Hz～1KHz方波：
100Hz～10KHz
32KHz正弦波：
31.25KHz正弦波输出点。
（幅度最大可达4V以上）
64KHz正弦波：
62.5KHz正弦波输出点。
（幅度最大可达4V以上）
1MHz正弦波：
1MHz正弦波输出点。
（幅度最大可达4V以上）
OUT：
模拟信号放大器输出点。
（放大倍数最大为2倍）
Z8K：
7.8125KHz窄脉冲输出点。
8K：
7.8125KHz方波输出点。
32K：
31.25KHz方波输出点。
64K：
62.5KHz方波输出点。
256K：
250KHz方波输出点。
1024K：
1000KHz方波输出点。
BS：
位同步信号输出点。
（方波，频率可通过拨码开关SW101、SW102改变）
2BS：
2倍位同步信号频率方波输出点。
FS：
帧同步信号输出点。
（窄脉冲，频率是位同步信号频率的二十四分之一）
NRZ：
24位NRZ码输出点。
（码型可通过拨码开关SW103、SW104、SW105改变，
码速率和位同步信号频率相同）
7PN、15PN、31PN：
预留端口输出点。
七、实验思考题
1、位同步信号和帧同步信号在整个通信原理系统中起什么作用？
2、自行计算其它波形的数据，提出利用U006和U005剩下的资源扩展其它波形的方案及设计思路。
3、自行设计一个码元可变的NRZ码产生电路并分析其工作过程。
实验二常规调幅（AM）与解调实验
一、实验目的
1、掌握常规双边带调幅（AM）与解调的原理及实现方法。
2、掌握二极管包络检波原理。
3、掌握调幅信号的频谱特性。
4、了解常规双边带调幅（AM）与解调的优缺点。
二、实验内容
1、观察常规双边带调幅（AM）的波形。
2、观察常规双边带调幅（AM）波形的频谱。
3、观察常规双边带解调（AM）的波形。
三、实验器材
1、PAM/AM模块1块
2、信号源模块1块
3、20M双踪示波器1台
4、频率计（可选）1台
5、音频信号发生器（可选）1台
6、立体声单放机（可选）1台
7、立体声耳机（可选）1副
8、连接线若干
四、实验原理
所谓调制，就是在传送信号的一方（发送端）将所要传送的信号（它的频率一般是较低的）“附加”在高频振荡信号上。
所谓将信号“附加”在高频振荡上，就是利用信号来控制高频振荡的某一参数，使这个参数随信号而变化，这里，高频振荡波就是携带信号的“运载工具”，所以也叫载波。
在接收信号的一方（接收端）经过解调（反调制）的过程，把载波所携带的信号取出来，得到原有的信息，解调过程也叫检波。
调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。
调制的方式可分为连续波调制与脉冲波调制两大类，连续波调制是用信号来控制载波的振幅、频率或相位，因而分为调幅、调频和调相三种方式；脉冲波调制是先用信号来控制脉冲波的振幅、宽度、位置等，然后再用这已调脉冲对载波进行调制，脉冲调制有脉冲振幅、脉宽、脉位、脉冲编码调制等多种形式。
本实验模块所要进行的实验是连续波的振幅调制与解调，即常规双边带调幅（AM）与解调。
具体理论公式参考相关通信原理教材。
4.1、常规双边带调幅波形
4.2、过调制波形
4.3、常规调幅波的频谱
4.4、常规调幅原理图
常规双边带调幅信号产生的具体电路原理图如图所示：
4.5、调幅信号滤波原理图
本实验就是采用MC1496作为振幅调制器。
高频载波信号从“载波输入”点输入，经高频耦合电容C207输入至U202（MC1496）的10脚。
低频基带信号从“音频输入”点输入，经低频耦合电容E205输入至U202的1脚。
C208为高频旁路电容，E206为低频旁路电容。
调幅信号从MC1496的12脚输出。
实际上，从此脚输出的调幅信号还要经过滤波，这样才能保证调幅信号的质量。
滤波电路如图所示。
五、实验步骤
5.1、将信号源模块、PAM/AM模块、频谱分析模块、终端模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。
5.2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下四个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D200、D201、L1、L2、LED600发光，按一下信号源模块的复位键，四个模块均开始工作。
（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）。
5.3、使信号源模块的信号输出点“模拟输出”输出频率为2KHz、峰-峰值为左右的正弦波,旋转“64K幅度调节”电位器使“64K正弦波”处信号的峰-峰值为1V。
5.4、实验连线
5.4、 用连接线连接信号源模块的信号输出点“模拟输出”和PAM/AM模块的信号输入点“AM音频输入”，以及信号源模块的信号输出点“64K正弦波”和PAM/AM模块的信号输入点“AM载波输入”，调节PAM/AM模块的电位器“调制深度调节”，同时用示波器观察测试点“调幅输出”处的波形，可以观察到常规双边带调幅（AM）波形和抑制载波的双边带调幅波形。
5.5、观察“AM载波输入”、“AM音频输入”、“调幅输出”、“滤波输出”、“解调幅输出”各点处输出的波形。
5.7、观察波形
5.7、改变“AM音频输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。
5.8、改变“AM载波输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。
5.9、将立体声单放机输出的音频信号引入信号源的信号输入点“IN”，连接信号源模块的信号输出点“OUT”与PAM/AM模块的信号输入点“AM音频输入”，再连接信号源模块的信号输出点“64K正弦波”和PAM/AM模块的信号输入点“AM载波输入”，重复上述实验并观察各点波形。
（可选）
5.10、用连接线连接PAM/AM模块的信号输出点“解调幅输出”与终端模块的信号输入点“S-IN”，在耳机插孔S1中插上耳机，听还原出来信号的声音。
（可选）
六、输入输出点参考说明
6.1、输入点说明
AM音频输入：
模拟信号输入点，输入的信号即为基带信号。
AM载波输入：
载波信号输入点，频率应远高于基带信号。
6.2、输出点说明
调幅输出：
调幅信号输出点。
滤波输出：
调幅信号经低通滤波器后的信号输出点。
解调幅输出：
解调幅信号解调输出点。
七、实验思考题
1、为什么常规双边带调幅（AM）的信息传输速率较低，应该采用什么样的方法加以解决？
2、单边带、双边带、残留边带和抑制载波双边带调幅这几种调制方式各有什么优点和缺点？
3、调节电位器“调制深度调节”时，调幅信号会发生怎样的变化，为什么
实验三脉冲幅度调制与解调实验
一、实验目的
1、理解脉冲幅度调制的原理和特点。
2、了解脉冲幅度调制波形的频谱特性。
二、实验内容
1、观察基带信号、脉冲幅度调制信号、抽样时钟的波形，并注意观察它们之间的相互关系及特点。
2、改变基带信号或抽样时钟的频率，多次观察波形。
3、观察脉冲幅度调制波形的频谱。
三、实验器材
1、PAM/AM模块1块
2、信号源模块1块
3、20M双踪示波器1台
4、频率计（可选）1台
5、音频信号发生器（可选）1台
6、立体声单放机（可选）1台
7、立体声耳机（可选）1副
10、连接线若干
四、实验原理
4.1、抽样频谱图
4.2、脉冲幅度调制原理框图
所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。
如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则上述所介绍的抽样定理，就是脉冲幅度调制的原理。
但是，实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，通常采用窄脉冲串来代替。
本实验模块采用32K或64K或1MHz的窄矩形脉冲来代替理想的窄脉冲串，当然，也可以采用外接抽样脉冲对输入信号进行脉冲幅度调制，本实验采用下图所示的原理方框图。
音频输入
隔离电路
调制电路
抽样脉冲
低通滤波器
音频输出
4.3、调制原理图
图中，被抽样的信号从S201输入，若此信号为音频信号（300～3400Hz），则它经过TL084构成的电压跟随器隔离之后，被送到模拟开关4066的第1脚。
此时，将抽样脉冲由S202输入，其频率大于或等于输入音频信号频率的2倍即可，但至少应高于3400Hz。
该抽样脉冲送到U201（4066）的13脚作为控制信号，当该脚为高电平时，U201的1脚和2脚导通，输出调制信号；当U201的13脚为低电平时，U201的1脚和2脚断开，无波形输出。
因此，在U201的2脚就可以观察到比较理想的脉冲幅度调制信号。
4.4、解调原理图
若要解调出原始语音信号，则将调制信号送入截止频率为3400Hz的低通滤波器。
因为抽样脉冲的频率远高于输入的音频信号的频率，因此通过低通滤波器之后高频的抽样时钟信号已经被滤除，因而，只需通过一低通滤波器便能无失真地还原出原音频信号。
解调电路如下图所示。
五、实验步骤
5.1、将信号源模块、PAM/AM模块、终端模块、频谱分析模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。
5.2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下四个模块中的开关POWER1、POWER2、S2、S3，对应的发光二极管LED001、LED002、D200、D201、LED600、L1、L2发光，按一下信号源模块的复位键，四个模块均开始工作。
（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）。
5.3、将信号源模块产生的2KHz（峰-峰值在2V左右，从信号输出点“模拟输出”输出）的正弦波送入PAM/AM模块的信号输入点“PAM音频输入”，将信号源模块产生的62.5KHz的方波（从信号输出点64K输出）送入PAM/AM模块的信号输入点“PAM时钟输入”，观察“调制输出”和“解调输出”测试点输出的波形。
5.4、 将“PAM音频输入”和“调制输出”测试点输出的波形分别送入频谱分析模块，观察其频谱并比较之。
5.5、将单放机（或音频信号发生器）输出的信号经信号源模块放大之后送入PAM/AM模块的信号输入点“PAM音频输入”（方法同实验五的实验步骤9），引入适当时钟信号（从“PAM时钟输入”点输入），重复上述观察。
（可选）
5.6、将“解调输出”测试点输出的波形引入终端模块（方法同实验五的实验步骤10），用耳机听还原出来的声音，与单放机直接输出的声音比较，判断该通信系统性能的优劣。
（可选）
六、输入输出点参考说明
6.1、输入点说明
PAM音频：
基带信号输入点。
PAM时钟输入：
抽样时钟信号输入点。
6.2、输出点说明
调制输出：
PAM调制信号输出点。
解调输出：
PAM解调信号输出点。
七、实验思考题
1、简述抽样定理。
2、本实验采用的是什么抽样方式？
为什么？
3、本实验的抽样形式同理想抽样有何区别？
试将理论和实验相结合加以分析。
4、在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？
5、造成系统失真的原因有哪些？
6、为什么采用低通滤波器就可以完成PAM解调？
实验四增量调制与解调实验
一、实验目的
1、掌握增量调制编码的基本原理，并理解实验电路的工作过程。
2、了解用不同速率时钟编码时的输出波形。
3、理解连续可变斜率增量调制系统的电路组成与基本工作原理。
4、熟悉增量调制系统在不同工作频率、不同信号频率和不同信号幅度下跟踪输入信号的情况。
5、掌握增量调制信号的频谱特性。
二、实验内容
1、观察增量调制编码各点处的波形并记录下来。
2、观察增量调制译码各点处的波形并记录下来。
3、观察增量调制信号的频谱。
三、实验器材
1、模拟信号数字化模块1块
2、信号源模块1块
3、20M双踪示波器1台
4、频率计（可选）1台
5、音频信号发生器（可选）1台
6、立体声单放机（可选）1台
7、立体声耳机（可选）1副
10、连接线若干
四、实验原理
增量调制简称为△M，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化方法。
近年来在高速超大规模集成电路中用作转换器。
增量调制获得应用的主要原因是：
1、在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCM；
2、增量调制的抗误码性能好。
能工作于误比特率为10-2～10-3的信道，而PCM则要求误比特率为10-4～10-6；
3、增量调制的编译码器比PCM简单。
4.1、△M系统组成框图
一个简单的△M系统组成如下图所示。
它由相减器、判决器、本地译码器、积分器、抽样脉冲产生器及低通滤波器组成。
本地译码器实际为一脉冲发生器和积分器，它与接收端的译码器完全相同。
4.2、△M系统工作过程
其工作过程如下：
消息信号与来自积分器的信号相减后得到量化误差信号。
如果在抽样时刻，
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