数据通信原理实验报告 2.docx
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数据通信原理实验报告2
福建农林大学计算机与信息学院
信息工程类
实验报告
课程名称：
数据通信原理
姓名：
系：
电子信息工程
专业：
电子信息工程
年级：
10
学号：
指导教师：
职称：
讲师
2012年12月3日
实验项目列表
序号
实验项目名称
成绩
指导教师
1
数字信号源实验
2
数字调制实验
3
2ASK、2FSK数字解调实验
4
2DPSK数字解调实验
5
数字基带通信系统实验
福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告
系：
电子信息工程专业：
电子信息工程年级：
10
姓名：
学号：
实验课程：
数据通信原理
实验室号：
_____田405实验设备号：
8实验时间：
11.21
指导教师签字：
成绩：
一、数字信号源实验
1．实验目的和要求
1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。
2、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。
3、掌握数字信号源电路组成原理
2．实验原理
实验系统中数字信号源，其原理方框图如图示。
本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图1-2所示。
帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。
此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号。
发光二极管亮状态表示‘1’码，熄状态表示‘0’码。
图1-3为数字信源模块的电原理图。
图1-1中各单元与图1-3中的元器件对应关系如下：
晶振CRY：
晶体；U1：
反相器7404
分频器US2：
计数器74161；US3：
计数器74193；
US4：
计数器40160
并行码产生器KS1、KS2、KS3：
8位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据1、数据2相对应；发光二极管左起分别与一帧中的24位代码相对应
八选一US5、US6、US7：
8位数据选择器4512
三选一US8：
8位数据选择器4512
倒相器US10：
非门74HC04
抽样US9：
D触发器74HC74
模块有以下测试点及输入输出点：
•CLK-OUT时钟信号测试点，输出信号频率为4.433619MHz
•BS-OUT信源位同步信号输出点/测试点，频率为170.5KHz
•FS信源帧同步信号输出点/测试点,频率为7.1KHz
•NRZ-OUTNRZ信号输出点/测试点
图1-1数字信源方框图
图1-2帧结构
FS信号可用作示波器的外同步信号，以便观察2DPSK等信号。
FS信号、NRZ-OUT信号之间的相位关系如图1-5所示，图中NRZ-OUT的无定义位为0，帧同步码为1110010，数据1为11110000，数据2为00001111。
FS信号的低电平、高电平分别为4位和8位数字信号时间，其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。
图1-5FS、NRZ-OUT波形
3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境）
通信系统实验箱一台，示波器一台
4．操作方法与实验步骤
1、熟悉信源模块的工作原理。
2、打开电源开关及模块电源开关，用示波器观察数字信源模块上各种信号波形。
3、用同轴电缆将FS输出与示波器外同步信号输入端相连接，把FS作为示波器的外同步信号，进行下列观察：
（1）示波器的两个通道探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT,对照发光二极管的发光状态，判断数字信号源单元是否已正常工作（1码对应发光的发光管亮，0码对应的发光管熄）；
（2）用拨码K1产生代码X1110010（X为任意代码，1110010为7位帧同步码），K2，K3产生任意信息代码，观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点
5．实验内容及实验数据记录
实验内容：
1、用示波器观察单极性非归零码（NRZ）、帧同步信号（FS）、位同步时钟（BS）。
2、用示波器观察NRZ,FS,BS三信号的对应关系。
3、学习电路原理图。
（1）FS的波形图
（2）BS-OUT和NRZ-OUT的波形
（3）改变K1,K2,K3的值后波形也发生了改变
6．实验数据处理与分析
从图中可以看出数字通信设备工作正常，当为高电平是二极管发光亮，当为0是灭，NRZ-OUT和BS-OUT输出的码元的周期一样。
通过上面几图我们比较分析可以看到，NRZ-OUT显示出来的的前八位为帧同步码，后16位为与KS2，KS3相对应的数据信号码，该波形与所输入数据吻合。
7．质疑、建议、问题讨论
（1）实验中并没有测出FS的波形，FS的波形是不是会影响实验结果，同时FS的上升沿是否满足比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。
经过与其他组的实验分析得知。
FS的上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。
为了使实验更为准确，在开始测试NRZ-OUT和BS-OUT的波形前可以先测试FS的波形，对比其差异。
（2）因为NRZ是单极性不归零码，所以其占空比为100%，若实验用的是单极性归零码，结果是不是会有差。
福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告
系：
电子信息工程专业：
电子信息工程年级：
10
姓名：
学号：
实验课程：
数据通信原理
实验室号：
_____田405实验设备号：
8实验时间：
11.22
指导教师签字：
成绩：
二、数字调制实验
1．实验目的和要求
1、掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。
2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的方法。
3、掌握相对码波形与2PSK信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK信号波形之间的关系。
4、了解2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。
2．实验原理
本实验使用数字信源模块和数字调制模块。
信源模块向调制模块提供位同步信号和数字基带信号（NRZ码）。
调制模块将输入的NRZ绝对码变为相对码、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。
数字调制单元的原理方框图及电路图分别如图2-1，图2-2所示。
图2-1数字调制方框图
图2-2数字调制原理图
本单元有以下测试点及输入输出点：
BS-IN位同步信号输入点
NRZ-IN数字基带信号输入点
CAR2DPSK信号载波测试点
AK绝对码测试点（与NRZ-IN相同）
BK相对码测试点
2DPSK（2PSK）-OUT2DPSK（2PSK）信号测试点/输出点，VP-P>0.5V
2FSK-OUT2FSK信号测试点/输出点，VP-P>0.5V
2ASK-OUT2ASK信号测试点，VP-P>0.5V
图2-1中晶体振荡器与信源共用，位于信源单元，其它各部分与图2-2中的
主要元器件对应关系如下：
2（A）UM2：
双D触发器74HC74
2（B）UM2：
双D触发器74LS74
滤波器AUM5：
运放LF347，调谐回路
滤波器BUM5：
运放LF347，调谐回路
码变换UM1：
双D触发器74LS74；UM3：
异或门74LS86
2ASK调制UM6：
三路二选一模拟开关4053
2FSK调制UM6：
三路二选一模拟开关4053
2DPSK（2PSK调制）UM6：
三路二选一模拟开关4053
放大器QM4：
三极管9013
射随器QM1：
三极管9013
将晶振信号进行2分频、滤波后，得到2ASK的载频2.2165MHZ。
放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是2PSK、2DPSK的两个载波，2FSK信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/2和1/4，也是通过分频和滤波得到的。
下面重点介绍2PSK、2DPSK。
2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图2-3所示。
图2-32PSK、2DPSK波形
图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。
2PSK信号的相位与信息代码的关系是：
前后码元相异时，2PSK信号相位变化180，相同时2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”。
2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：
码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180。
码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。
应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。
实际工程中，2PSK或2DPSK信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。
但不管是哪种关系，上述结论总是成立的。
本单元用码变换——2PSK调制方法产生2DPSK信号，原理框图及波形图如图2-4所示。
相对于绝对码AK、2PSK调制器的输出就是2DPSK信号，相对于相对码、2PSK调制器的输出是2PSK信号。
图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与AK、BK的关系当然也是符合上述规律的，即对于AK来说是“1变0不变”关系，对于BK来说是“异变同不变”关系，由AK到BK的变换也符合“1变0不变”规律。
图2-4中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK也可能具有相反的序列即“00100”，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。
2DPSK通信系统可以克服上述2PSK系统的相位模糊现象，故实际通信中采用2DPSK而不用2PSK（多进制下亦如此，采用多进制差分相位调制MDPSK），此问题将在数字解调实验中再详细介绍。
图2-42DPSK调制器
2PSK信号的时域表达式为
S（t）=m（t）Cosωct
式中m（t）为双极性不归零码BNRZ，当“0”、“1”等概时m（t）中无直流分量，S（t）中无载频分量，2DPSK信号的频谱与2PSK相同。
2ASK信号的时域表达式与2PSK相同，但m（t）为单极性不归零码NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信号中有载频分量。
2FSK信号（相位不连续2FSK）可看成是AK与AK调制不同载频信号形成的两个2ASK信号相加。
时域表达式为
式中m（t）为NRZ码。
图2-52ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信号功率谱
设码元宽度为Ts，fS=1／Ts在数值上等于码速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率谱密度如图2-5所示。
可见，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率谱是数字基带信号m（t）功率谱的线性搬移，故常称2ASK、2PSK（2DPSK）为线性调制信号。
多进制的MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。
本实验系统中m（t）是一个周期信号，故m（t）有离散谱，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有离散谱。
3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境）
通信系统实验箱一台，示波器一台
4．操作方法与实验步骤
1、熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。
2、连线：
数字调制单元的CLK－IN、BS－IN、NRZ－IN分别连至信源单元
CLK－OUT、BS－OUT、NRZ－OUT。
打开电源开关和模块电源开关。
3、用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步信号，示波波CH1接AK，CH2接BK，信源模块的KS1、KS2、KS3置于任意状态（非全0），观察AK、BK波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。
4、示波器CH1接2DPSK-OUT，CH2分别接AK及BK，观察并总结2DPSK信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK信号相位变化与相对码的关系（此关系即是2PSK信号相位变化与信源代码的关系）。
注意：
2DPSK信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。
5、示波器CH1接AK、CH2依次接2FSK-OUT和2ASK-OUT；观察这两个信号与AK的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。
6、用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱（条件不具备时不进行此项观察）。
应该注明的是：
由于示波器的原因，实验中可能看不到很理想的2FSK、2DPSK波形。
5．实验内容及实验数据记录
1、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。
2、用示波器观察2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号波形。
3、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱。
（1）电路连接图
（2）AK,BK波形图
把AK/BK开关向左打，得到相对码波形如下：
（3）
把AK/BK开关向右打，得到绝对码波形分别如下：
（4）
（5）CH2接2FSK-OUT的电路连接以及波形。
（6）CH2接2ASK-OUT的波形。
6．实验数据处理与分析
由图二可以看出，AK的输出波形为输入为1则为高电平，输出为0则为低电平。
BK的输出波形虽有些不规则，但基本满足输入为1则为高电平，输出为0则为低电平。
1）设绝对码为全1、全0或10011010，求相对码。
答：
绝对码11111，00000，10011010
相对码10101，00000，11101100
或01010，11111，00010011
2）设相对码为全1、全0或10011010，求绝对码。
答：
相对码11111，00000，10011010
绝对码00000，00000，01010111
或10000，10000，11010111
3）设信息代码为10011010，载频分别为码元速率的1倍和1.5倍，画出2DPSK及2PSK信号波形。
①绝对码至相对码的变换规律:
“1”变“0”不变，即绝对码的“1”码时相对码发生变化，绝对码的“0”码时相对码不发生变化。
——此为信号差分码。
②相对码至绝对码的变换规律:
相对码的当前码元与前一码元相同时对应的当前绝对码为“0”码，相异时对应的当前绝对码为“1”码。
①2DPSK信号的相位变化与绝对码（信息代码）之间的关系是：
“1变0不变”，即“1”码对应的2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的末相变化180º，“0”码对应的2DPSK信号的初相与前一码元内2DPSK信号的末相相同。
②2PSK信号的相位变化与相对码（信息代码）之间的关系是：
“异变同不变”，即当前码元与前一码元相异时则当前码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相变化180º。
相同时则码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相无变化。
7．质疑、建议、问题讨论
这组实验的波形一直不是很满意。
比如BK的波形就不够规则，也不清楚是实验箱的问题，还是连接时出现了问题。
所以，在做实验前，应先测试好每一组的波形
福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告
系：
电子信息工程专业：
电子信息工程年级：
10
姓名：
学号：
实验课程：
数据通信原理
实验室号：
_____田405实验设备号：
8实验时间：
11.28
指导教师签字：
成绩：
三、2ASK、2FSK数字解调实验
1．实验目的和要求
1.掌握2ASK过零检测解调原理。
2.掌握2FSK过零检测解调原理。
2．实验原理
2FSK信号的解调方法有：
包络括检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。
图3-12FSK过零检测解调方框图
图3-22FSK数字解调电路图
本实验采用过零检测法解调2FSK信号。
图3-1、图3-2分别为解调器的方框图和电路原理图。
2FSK解调模块上有以下测试点及输入输出点：
2FSK-IN2FSK信号输入点/测试点
BS-IN位同步信号输入点
FD2FSK过零检测输出信号测试点
LPF低通滤波器输出点/测试点
NRZ（B）位同步提取输出测试点
NRZ－OUT解调输出信号的输出点/测试点
2FSK解调器方框图中各单元与电路图中元器件对应关系如下：
整形1UF1:
A：
反相器74HC04
单稳1、单稳2UF2：
单稳态触发器74LS123
相加器UF3：
或门74LS32
低通滤波器UF4：
运算放大器LM318；若干电阻、电容
整形2UF1:
B：
反相器74HC04
抽样器UF5:
A：
双D触发器74HC74
在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器用来滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰条件。
本实验系统中为简化实验设备，发端即数字调制的输出端没有带通滤波器、信道是理想的，故解调器输入端就没加带通滤波器。
2FSK解调器工作原理及有关问题说明如下：
图3-3为2FSK过零检测解调器各点波形示意图，图中设“1”码载频等于码速率的两倍，“0”码载频等于码速率。
图3-32FSK过零检测解调器各点波形示意图
整形1和整形2的功能与比较器类似，在其输入端将输入信号叠加在2.5V上。
74HC04的状态转换电平约为2.5V，可把输入信号进行硬限幅处理。
整形1将正弦2FSK信号变为TTL电平的2FSK信号。
整形2和抽样电路共同构成一个判决电平为2.5V的抽样判决器。
单稳1、单稳2分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，它们与相加器一起共同对TTL电平的2FSK信号进行微分、整流处理。
LPF不是TTL电平信号且不是标准的非归零码，必须进行抽样判决处理。
UF1对抽样判决输出信号进行整形。
必须说明一点，2FSK解调的信号码不能为全0或全1，否则抽样判决器不能正常工作。
3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境）
实验箱一台，示波器一台
4．操作方法与实验步骤
本实验使用数字信源模块、数字调制模块、载波同步模块、2DPSK解调模块及2FSK解调模块，它们之间的信号连结方式如图3-4所示。
实际通信系统中，解调器的位同步信号来自位同步提取单元，本实验中这个信号直接来自数字信源。
图3-4数字解调实验连接图
1、按图5-4将五个模块的信号输出、输入点连在一起。
打开交流电源开关和各使用模块的电源开关。
2、检查数字信源模块、数字调制模块及载波同步模块是否已在工作正常。
3、2FSK解调实验
示波器探头CH1接数字调制单元中的AK，CH2分别2FSK解调单元中的FD、LPF、NRZ（B）及NRZ-OUT，观察2FSK过零检测解调器的解调过程（注意：
低通及整形2都有倒相作用）。
LPF的波形应接近图3-3所示的理论波形。
4、2ASK解调实验实验方式与2FSK一样
5．实验内容及实验数据记录
1.用示波器观察2ASK过零检测解调器各点波形。
2.用示波器观察2FSK过零检测解调器各点波形。
（1）电路连接图
（2）
（3）FSK的FD波形
（4）FSK的LPF波形
（5）ASK的FD波形
（6）ASK的LPF波形
6．实验数据处理与分析
由图3、4可知，FD和LPF的波形均与实验指导书上的理想波形接近。
图5.6为ASK的FD和LPF波形。
虽然实验指导书中没有理想的波形，但是通过分析我们还是可以得到实验所得波形接近于理想波形。
设信息代码为1001101，2FSK的两个载频分别为码速率的四倍和两倍，根据实验观察得到的规律，画出2FSK过零检测解调器输入的2FSK波形及FD、LPF、AK波形（设低通滤波器及整形2都无倒相作用）。
2FSK过零检测解调器各点波形示意图：
7．质疑、建议、问题讨论
实验过程中，在相应的实验模块中找不到NRZ（B）和NRZ-OUT的接口，因此无法得到确切的波形图。
可见由于实验箱型号不同，可得到的实验结果也不尽相同。
且由于每个实验箱的配件都会存在系统误差，因此不同实验箱经过示波器得到的波形图也不全然相同，甚至相差甚大。
福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告
系：
电子信息工程专业：
电子信息工程年级：
10
姓名：
学号：
实验课程：
数据通信原理
实验室号：
_____田405实验设备号：
8实验时间：
11.29
指导教师签字：
成绩：
四、2DPSK数字解调实验
1．实验目的和要求
掌握2DPSK相干解调原理。
2．实验原理
可用相干解调或差分相干解调法（相位比较法）解调2DPSK信号。
在相位比较法中，要求载波频率为码速率的整数倍，当此关系不能满足时只能用相干解调法。
本实验系统中，2DPSK载波频率等码速率的13倍，两种解调方法都可用。
实际工程中相干解调法用得最多。
图4-12DPSK相干解调方框图
图4-22DPSK数字解调电路图
本实验采用相干解调法解调2DPSK信号、采用过零检测法解调2FSK信号。
图4-1、图4-2分别为解调器的方框图和电原理图。
2DPSK解调模块上有以下测试点及输入输出点：
2DPSK-IN2DPSK信号输入点/测试点
BS-IN位同步信号输入点
CAR-IN相干载波输入点
MU相乘器输出信号测试点
LPF低通、运放输出信号测试点
NRZ（B）整形输出信号的输出点/测试点
BK解调输出相对码测试点
NRZ-OUT解调输出绝对码的输出点/测试点
2DPSK解调器方框图中各单元与电路图中元器件的对应关系如下：
相乘器UP1：
模拟乘法器MC1496
低通滤波器RP11，CP1
整形UP5A、B：
74HC04
抽样器UP3:
A：
双D触发器7474
码反变换器UP3:
B：
双D触发器7474；UP4:
A：
异或门7486
在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器用来滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰条件。
本实验系统中为简化实验设备，发端即数字调制的输出端没有带通滤波器、信道是理想的，故解调器输入端就没加带通滤波器。
3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境）
实验箱一台，示波器一台
4．操作方法与实验步骤
本实验使用数字信源模块、数字调制模块、载波同步模块、2DPSK解调模块，它们之间的信号连结方式如图4-4示。
实际通信系统中，解调器的位同步信号来自位同步提取单元。
本实验中这个信号直接来自数字信源。
图4-4数字解调实验连接图
1、按图5-5将五个模块的信号输出、输入点连在一起。
打开交流电源开关和各使用模块的电源开关。
2、信源模块、数字调制模块及载波同步模块是否已在工作正常，使载波同步模块提取的相干载波CAR-OUT与2DPSK信号的载波CAR同相（或反相）。
2DPSK解调实验
用数字信源的FS信号作为示波器外同步信号，将示波器的CH1接数字调制单元
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