信息传输原理与技术实验课实验手册.docx
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信息传输原理与技术实验课实验手册
信息传输原理与技术实验课
实验手册
I、模块介绍
本实验平台采用模块化设计,主要由标配模块和选配模块组成。
下面主要介绍通信原理实验平台中的九个标配模块,以便了解各模块的具体功能及作用。
标配模块包括有:
主控&信号源模块
2号模块数字终端&时分多址模块
3号模块信源编译码模块
6号模块信道编译码模块
7号模块时分复用&时分交换模块
8号模块基带传输编译码模块
9号模块数字调制解调模块
13号模块载波同步及位同步模块
21号模块PCM编译码及语音终端模块
通信原理实验平台中选配模块比较多。
这里仅对信道模拟模块、软件无线电调制模块和软件无线电解调模块、信道编码及交织模块以及信道译码及解交织模块进行相关说明,其他选配模块暂不介绍。
注:
部分实验名称中标识有“（选做”,表示该实验涉及到选配模块。
各高校需根据所购平台中模块的具体配置情况以及各实验项目的模块要求,再合理选择和安排实验教学。
1、主控&信号源模块
一、按键及接口说明
电源指示
图1主控&信号源按键及接口说明
二、功能说明
该模块可以完成如下五种功能的设置,具体设置方法如下:
1、模拟信号源功能
模拟信号源菜单由“信号源”按键进入,该菜单下按“选择/确定”键可以依次设置:
“输出波形”→“输出频率”→“调节步进”→“音乐输出”→“占空比”（只有在输出方波模式下才出现。
在设置状态下,选择“选择/确定”就可以设置参数了。
菜单如下图所示:
（a输出正弦波时没有占空比选项（b输出方波时有占空比选项
图2模拟信号源菜单示意图
注意:
上述设置是有顺序的。
例如,从“输出波形”设置切换到“音乐输出”需要按3次“选择/确定”键。
下面对每一种设置进行详细说明:
a.“输出波形”设置
一共有6种波形可以选择:
正弦波:
输出频率10Hz~2MHz
方波:
输出频率10Hz~200KHz
三角波:
输出频率10Hz~200KHz
DSBFC（全载波双边带调幅:
由正弦波作为载波,音乐信号作为调制信号。
输出全载波双边带调幅。
DSBSC（抑制载波双边带调幅:
由正弦波作为载波,音乐信号作为调制信号。
输出抑制载波双边带调幅。
FM:
载波固定为20KHz,音乐信号作为调制信号。
b.“输出频率”设置
“选择/确定”顺时针旋转可以增大频率,逆时针旋转减小频率。
频率增大或减小的步进值根据“调节步进”参数来。
在“输出波形”DSBFC和DSBSC时,设置的是调幅信号载波的频率;
在“输出波形”FM时,设置频率对输出信号无影响。
c.“调节步进”设置
“选择/确定”顺时针旋转可以增大步进,逆时针旋转减小步进。
步进分为:
“10Hz”、“100Hz”、“1KHz”、“10KHz”、“100KHz”五档。
d.“音乐输出”设置
设置“MUSIC”端口输出信号的类型。
有三种信号输出“音乐1”、“音乐2”、“3K+1K正弦波”三种。
e.“占空比”设置
“选择/确定”顺时针旋转可以增大占空比,逆时针旋转减小占空比。
占空比调节范围
10%~90%,以10%为步进调节。
2、数字信号源功能
数字信号源菜单由“功能1”按键进入,该菜单下按“选择/确定”键可以设置:
“PN输出频率”和“FS输出”。
菜单如下图所示:
图3数字信号源菜单
a.“PN输出频率”设置
设置“CLK”端口的频率及“PN”端口的码速率。
频率范围:
1KHz~2048KHz。
b.“FS输出”设置
设置“FS”端口输出帧同步信号的模式:
模式1:
帧同步信号保持8KHz的周期不变,帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。
（要求“PN输出频率”不小于16KHz,主要用于PCM、ADPCM编译码帧
同步及时分复用实验
模式2:
帧同步的周期为8个CLK时钟周期,帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。
（主要用于汉明码编译码实验
模式3:
帧同步的周期为15个CLK时钟周期,帧同步的脉宽为CLK的一个时钟周期。
（主要用于BCH编译码实验
3、通信原理实验菜单功能
按“主菜单”按键后的第一个选项“通信原理实验”,再确定进入各实验菜单。
如下图所示:
（a主菜单（b进入通信原理实验菜单
图4设置为“通信原理实验”
进入“通信原理实验”菜单后,逆时针旋转光标会向下走,顺时针旋转光标会向上走。
按下“选择/确认”时,会设置光标所在实验的功能。
有的实验有会跳转到下级菜单,有的则没有下级菜单,没有下级菜单的会在实验名称前标记“√”符号。
在选中某个实验时,主控模块会向实验所涉及到的模块发命令。
因此,需要这些模块电源开启,否则,设置会失败。
实验具体需要哪些模块,在实验步骤中均有说明,详见具体实验。
4、模块设置功能*（该功能只在自行设计实验时用到
按“主菜单”按键后的第二个选项“模块设置”,再确定进入模块设置菜单。
在“模块设置”菜单中可以对各个模块的参数分别进行设置。
如下图所示:
图5“模块设置”菜单
a.1号语音终端&用户接口
设置该模块两路PCM编译码模块的编译码规则是A律还是μ律。
b.2号数字终端&时分多址
设置该模块BSOUT的时钟频率。
c.3号信源编译码
可设置该模块FPGA工作于“PCM编译码”、“ADPCM编译码”、“LDM编译码”、“CVSD编译码”、“FIR滤波器”、“IIR滤波器”、“反SINC滤波器”等功能（测试功能是生产中使用的。
由于模块的端口会在不同功能下有不同用途,下面对每一种功能进行说明:
i.PCM编译码
FPGA完成PCM编译码功能,同时完成PCM编码A/μ律或μ/A律转换的功能。
其子菜单还能够设置PCM编译码A/μ律及A/μ律转换的方式。
端口功能如下:
编码时钟:
输入编码时钟。
编码帧同步:
输入编码帧同步。
编码输入:
输入编码的音频信号。
编码输出:
输出编码信号。
译码时钟:
输入译码时钟。
译码帧同步:
输入译码帧同步。
译码输入:
输入译码的PCM信号。
译码输出:
输出译码的音频信号。
A/μ-In:
A/μ律转换输入端口。
A/μ-Out:
A/μ律转换输出端口。
ii.ADPCM编译码
FPGA完成ADPCM编译码功能,端口功能和PCM编译码一样。
iii.LDM编译码
FPGA完成简单增量调制编译码功能,端口除了“编码帧同步”和“译码帧同步”是没用到的（LDM编译码不需要帧同步,其他端口功能与PCM编译码一样。
iv.CVSD编译码
FPGA完成CVSD编译码功能,端口除了“编码帧同步”和“译码帧同步”是没用到的（CVSD编译码不需要帧同步,其他端口功能与PCM编译码一样。
v.FIR滤波器
FPGA完成FIR数字低通滤波器功能（采用100阶汉明窗设计,截止频率为3KHz。
该功能主要用于抽样信号的恢复。
端口说明如下:
编码输入:
FIR滤波器输入口。
译码输出:
FIR滤波器输出口。
vi.IIR滤波器
FPGA完成IIR数字低通滤波器功能（采用8阶椭圆滤波器设计,截止频率为3KHz。
该功能主要用于抽样信号的恢复。
端口与FIR滤波器相同。
vii.反SINC滤波器
FPGA完成反SINC数字低通滤波器。
该功能主要用于消除抽样的孔径效应。
端口与FIR滤波器相同。
三、注意事项
1、实验开始时要将所需模块固定在实验箱上,并确定接触良好,否则菜单无法设置成
功。
2、信号源设置中,模拟信号源输出步进可调节,便于不同频率变化调节。
3、3号模块信源编译码模块
一、模块框图
二、模块简介
在信源→信源编码→信道编码→信道传输（调制/解调→信道译码→信源译码→新宿的整个信号传播连路中,本模块功能属于信源编码与信源译码（A/D与D/A环节,通过ALTERA公司的FPGA（EP2C5T144C8N完成包括抽样定理、抗混叠低通滤波、A/μ律转换、PCM编译码、ΔM&CVSD编译码的功能与应用。
帮助实验者学习并理解信源编译码的概念和具体过程,并可用于二次开发。
三、模块功能说明
1、抽样定理
被抽样信号与抽样脉冲的相乘所得信号可以选择是否经过保持电路,以输出自然抽样或平顶抽样。
2、低通混叠滤波
该滤波器为3.4KHz的8阶巴特沃斯低通滤波器,可用于抽样信号的恢复及信源编码的前置抗混滤波。
3、A/μ律转换
针对不同应用需求,本模块提供A律与μ律的转换。
4、PCM编译码
编码输入信号默认采用本模块抽样输出信号,亦可以二次开发采用外部信号,同时提供时钟脉冲与帧同步信号,即可实现译码端的信号输出。
5、Δm&CVSD编译码
增量调制编译码功能提供本地译码、一致脉冲以及量阶调整的信号引出观测,方便实验者了解并掌握增量调制的具体过程。
四、端口说明
五、可调参数说明
S1开关可切换自然抽样/平顶抽样。
6、8号模块基带传输编译码模块
一、模块框图
二、模块简介
基带传输,一种不搬移基带信号频谱的传输方式,在线路中直接传送数字信号的电脉冲。
未对载波调制的待传信号称为基带信号,它所占的频带称为基带,基带的高限频率与低限频率之比通常远大于1。
一般用于工业生产中。
模式为:
服务器—终端服务器—电话线—基带—终端,ISO中属于物理层设备。
这是一种最简单的传输方式,近距离通信的局域网都采用基带传输。
三、模块功能说明
1、基带传输编码
完成AMI、HDB3、CMI、BPH等基带传输码型的编码工作。
其中,由于AMI和HDB3是3极性码。
FPGA在完成AMI及HDB3编码后,需要进行电平变换。
另外,还有误码插入功能,是为了验证基带传输编码是否具有误码告警的能力。
2、基带传输译码
完成AMI、HDB3、CMI、BPH等基带码型的译码工作。
其中,由于AMI及HDB3是
3极性码。
在FPGA译码前需要加入电平反变换功能。
四、端口说明
7、9号模块数字调制解调模块
一、模块框图
二、模块简介
在信源→信源编码→信道编码→信道传输（调制/解调→信道译码→信源译码→信宿的整个信号传播连路中,本模块功能属于数字调制解调环节,通过CPLD完成ASK、FSK、BPSK/DBPSK的调制解调实验。
帮助实验者学习并理解数字调制解调的概念和具体过程,并可分别单独用于二次开发。
三、模块功能说明
1、调制方式说明
本模块可以支持:
ASK/FSK/BPSK/DBPSK/QPSK/OQPSK。
其中调制方式与载波频率对应表如下:
2、调制部分
所有调制方式的待调制的基带信号、时钟以及载波统一在此部分对应端口输入输出。
3、调制中间观测点部分
此部分可观测到调制过程产生的NRZ_I,NRZ_Q以及I,Q信号。
4、解调部分
所有待解调信号以及相干载波统一在此部分对应端口输入,并且:
（1ASK解调输出部分,观测点包括整流输出和低通滤波输出,以及门限调节。
（2FSK解调输出部分,观测点包括单稳相加输出和低通滤波输出。
（3BPSK/DBPSK解调输出部分,观测点有低通滤波输出,并且输出BPSK解调信号（可观测后还可以继续通过差分译码（需差分译码时钟输入得到DBPSK相干解调输出。
四、端口说明
五、可调参数说明
1、S1:
通过S1拨码开关选择:
0000ASK/FSK/BPSK,0100DBPSK,1011QPSK,1111OQPSK。
2、W1:
通过W1调节门限判决的门限值。
9、21号模块PCM编译码及语音终端模块
一、模块框图
二、模块简介
在通信原理实验中,语音信号的编译码过程十分重要。
整个通话过程就是一个最基本的数字通信过程,在实际生活中具有广泛的应用。
该模块采用PCM编译码专用集成芯片W681512完成信源编译码功能,并提供了耳机和话筒的接口,同时融入了扬声器。
三、模块功能说明
1、PCM编译码单元（W681512集成芯片
包含有PCM编码及译码功能,可通过开关切换A律或μ律编译码方式。
2、话筒接口单元
可将耳麦的话筒端接入话筒接口,用于将话音信号送入实验传输系统中。
3、耳机接口单元
可将耳麦的耳机端接至耳机接口,用于反馈实验传输系统中的话音信号。
4、扬声器单元
将模拟语音信号经功放,送入扬声器播放。
四、端口说明
五、可调参数说明
1、音量W1:
旋转音量旋钮调节功放的放大倍数,实现音频信号输出频率的大小调节。
10、17号模块信道模拟模块（选配
一、模块框图
二、模块简介
信道模拟是估计系统性能的一种具体方法。
模块主要模拟实际传输中可能产生的噪声因素,如低通或带通模拟信道、白噪声信道、快衰落信道和慢衰落信道,通过观测眼图的张开和闭合和传输数据的码元,观测处码间干扰和噪声的影响。
三、模块功能说明
1、低通信道模拟
未加升余弦滤波的低通信道模拟
未加升余弦滤波的低通信道模拟原理框图
系统提供有多种低通信道模拟功能,可通过主控模块设置为6KHz低通信道、5.5KHz低通信道、5KHz低通信道、4.5KHz低通信道、成形滤波+6KHz低通信道、成形滤波+5.5KHz低通信道、成形滤波+5KHz低通信道和成形滤波+4.5KHz低通信道。
如图所示,实验中观
察PN序列经低通传输的眼图效果,可以手动调节低通信道中白噪声幅度大小。
2、带通信道模拟
PSK
调制
信号
加升余弦滤波的带通信道模拟
加升余弦滤波的带通信道模拟原理框图
系统提供有多种带通信道模拟功能,可通过主控模块设置为250KHz~262KHz带通信道、251KHz~261KHz带通信道、251.5KHz~260.5KHz带通信道、252KHz~260KHz带通信道。
如图所示,实验中观察以载频为256KHz调制信号经过带通信道的传输效果,可以手动调节带通信道中白噪声幅度大小。
3、白噪声信道模拟
将10.7MHz的调制信号作为输入信号,经白噪声信道进行传输。
4、快衰落信道模拟
将10.7MHz的调制信号作为输入信号,经快衰落信道进行传输。
5、慢衰落信道模拟
将10.7MHz的调制信号作为输入信号,经慢衰落信道进行传输。
四、端口说明
五、可调参数说明
1、电位器W1噪声幅度调节旋钮,可以调节低通或噪声信道中白噪声的幅度调节旋钮。
II、实验基本操作说明
本说明适用于创新实训平台,阐述了实验前期模块准备、参数设置、波形观测等一系列基本操作,为实验者提供了一定的操作参考方法。
1、实验前先检查所需模块是否固定好,供电是否良好。
在未连线的情况下打开实验箱总电源开关及各模块电源开关,模块左边电源指示灯应全亮;若不亮,请关电后拧紧模块四角的螺丝再检查。
2、准备工作做完后,请在断电情况下根据实验指导书步骤进行连线。
3、打开电源开关后需要先进行菜单设置再进行实验。
开电后,首先弹出的是公司LOGO界面,然后自动进入到主菜单界面,旋转控制旋钮选择所需实验课程,按下旋钮进入实验课程,再在实验课程中选择所需实验。
选择所需实验时会弹出响应的实验信息提示,按下确定键,提示框即消失,进入所选实验界面。
4、实验观测前,需要调节信号源输出信号相关参数。
用示波器探头夹夹住导线的金属头,将导线另一头连接待测信号源输出端口,再调节相应旋钮和按键开关。
5、观测实验波形时,有三种基本测试方法。
（1对于测试勾,可直接用示波器探头夹夹住测试后并确定夹紧即可;
（2或将示波器探头夹取下来,直接用探头夹接触测试点,观察波形时需要注意固定好示波器探头;
（3对于台阶插座,可用导线连接台阶座与示波器探头夹子,连接方法与实验基础操作说明第四点中的叙述相同。
6、本实验指导书中实验步骤基本分为四点:
（1连线;
（2实验初始状态设置,此设置中包含菜单设置,实验前模块拨码开关设置以及信号源输出设置等;
（3实验初始状态说明,统一说明了实验中各信号源初始状态及实验环境;
（4观测,针对各实验项目要求,用示波器等辅助仪器观测并记录实验结果。
第一章信源编码技术
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。
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。
（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:
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。
（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:
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:
（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。
（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。
（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
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