北邮通信原理硬件实验报告.docx

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北邮通信原理硬件实验报告

信息与通信工程学院

通信原理硬件实验报告

姓名

班级

学号

班内序号

联系电话

指导教师:

实验日期：

2016年4月6日—5月25日

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信号波形以及振幅频谱特点,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信号的时域表达式为

频域表达式为

其波形和频谱如下图所示

DSB-SCAM信号的产生及相干解调原理框图如下图所示

将均值为零的模拟基带信号m（t）与正弦载波c（t）相乘得到DSB—SCAM信号，其频谱不包含离散的载波分量。

DSB—SCAM信号的解调只能采用相干解调。

为了能在接收端获取载波，一种方法是在发送端加导频，如上图所示。

收端可用锁相环来提取导频信号作为恢复载波。

此锁相环必须是窄带锁相，仅用来跟踪导频信号。

在锁相环锁定时，VCO输出信号与输入的导频信号的频率相同，但二者的相位差为，其中

很小。

锁相环中乘法器的两个输入信号分别为发来的信号s（t）（已调信号加导频）与锁相环中VCO的输出信号，二者相乘得到

在锁相环中的LPF带宽窄，能通过分量，滤除m（t）的频率分量及四倍频载频分量，因为

很小，所以

约等于

。

LPF的输出以负反馈的方式控制VCO,使其保持在锁相状态。

锁定后的VCO输出信号经90度移相后，以作为相干解调的恢复载波，它与输入的导频信号同频，几乎同相。

相干解调是将发来的信号s（t）与恢复载波相乘，再经过低通滤波后输出模拟基带信号

经过低通滤波可以滤除四倍载频分量，而是直流分量，可以通过隔直流电路滤除，于是输出为。

三、实验框图

1、根据原理图得到产生DSB-SCAM信号的实验连接框图如图所示

2、DSB-SCAM信号的相干解调及载波提取实验连接图

3、测量VCO的压控灵敏度

四、实验步骤

1、DSB—AC信号的产生

（1）将音频振荡器输出的模拟音频信号及住振荡器输出的100KHZ模拟载频信号分别用连线联结至乘法器的两个输入端。

（2）用示波器观看音频振荡器输出信号的信号波形的幅度和振荡频率，调整为10KHZ，作为均值为0的调制信号m（t）。

（3）用示波器观看主振荡器输出波形的幅度及振荡频率。

（4）用示波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调制信号波形的关系。

（5）测量已调信号的振幅频谱，注意其振幅频谱的特点。

（6）将已调信号和导频分量加到加法器的两个输入端，调整加法器上的参数G和g,使其与实际相符。

观看输出波形及其频谱。

具体调整方法如下:

a.首先调整增益G：

将加法器的B输入接地端接地，A输入端接已调信号，用示波器观看加法器A输入端的信号幅度与加法器输出信号幅度。

调节旋钮G，使得加法器输出幅度与输入一致，说明此时G=1

b.再调整增益g：

加法器A输入端仍接已调信号，B输入端接导频信号。

用频谱仪观看加法器输出信号的振幅频谱，调节增益g旋钮，使导频信号振幅频谱的幅度为已调信号的边带频谱幅度的0.8倍。

此导频信号功率约为已调信号功率的0.32倍。

2、DSB—AC信号的相干解调及其载波提取

（1）锁相环的调试：

VCO模块及其框图如上述实验框图所示。

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的输出波形及工作频率，然后旋转VCO模块前面板上的f0按钮，改变VCO中心频率，其频率范围约为70~130KHz。

然后将可变直流电压模块的DC输出端与VCO模块的VIN相连接，双踪示波器分别接于VCO输出端及DC输入端。

a.当直流电压为0时，调整VCO模块的f0按钮，使VCO的中心频率f0为100KHz。

b.从-2V至+2V改变直流电压，观察VCO的频率及其线性工作范围。

c.调节VCO的GAIN旋钮，使得在可变直流电压为V时的VCO频率频偏为KHz。

值得注意的是，不同GAIN值对应不同的VCO压控灵敏度。

（2）单独测量锁相环中的相乘、低通滤波器的工作是否正常

按下图所示的电路图进行试验，即锁相环处于开环状态。

锁相环中的LPF输出端不要接至VCO的输入端。

此时，下图中的乘法器相当于混频器。

在实验中，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、低通滤波的输出信号，它应该是输入信号与VCO输出信号的差拍信号。

（3）测量锁相环的同步带及捕捉带

将载频提取的锁相环闭环连接，仍使用另一VCO作为输入于锁相环的信号源，如下图所示。

首先将信号源VCO的中心频率调到比100KHz小很多的频率，是锁相环处于失锁状态（示波器输出为交变波形）。

调节信号源VCO，使其频率由低往高缓慢变化。

当示波器呈现的信号波形由交变信号变为直流信号时，说明锁相环由失锁状态进入了锁定状态，记录输入信号的频率f2。

继续将信源的频率往高调节，环路电压跟着变化，直到从示波器见到的信号波形由直流突变为交流信号，说明锁相环失锁，记录此时的输入信号频率f4.

再从f4开始，将输入信号频率从高往低调，记录再次捕捉到同步时的频率f3.继续向低调节频率，直到再次失锁，记录频率f1。

上述过程可反复进行几次。

同步带

捕捉带

（4）恢复载波

a）将图中的锁相环按上述过程调好，在按照指导书图示实验连接，将加法器输出信号接至锁相环的输出端。

将移相器模块印刷电路板上的频率选择开关拨到HI位置。

b）用示波器观察锁相环的LPF输出信号是否是直流信号，以此判断载波提取PLL是否处于锁定状态。

若锁相环锁定，用双踪示波器可以观察发端导频信号与锁相环VCO输出的信号时候同步的，二者的相应相位差为，且很小。

若锁相环失锁，则锁相环LPF输出波形是交流信号，可缓慢调节锁相环VCO模块的旋钮，直至锁相环LPF输出为直流，即锁相环由失锁进入锁定，继续调接旋钮，使LPF输出的直流电压约为0电平。

c）在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VCO的输出经移相后的信号波形，调节移相器模块中的移相旋钮，达到移相，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。

d）用频谱仪观测恢复载波的振幅频谱，并加以分析。

（5）相干解调

a）在前述实验的基础上，将信号和恢复载波分别连接至相干解调的乘法器的输入端。

b）用示波器观察相干解调相乘、低通滤波后的输出波形。

c）改变发端音频信号的频率，观察输出波形的变化。

五．实验结果与分析

（1）dsb-scam信号的产生

1、音频振荡器输出调制信号波形，频率为10KHz

2、主振荡器输出信号波形，频率为100KHz

3、乘法器输出DSB-SC信号波形

乘法器输出信号包络为调制信号，音频信号零点位置存在相位翻转。

4、乘法器输出频谱

由图可看出，dsb-scam信号在100kHz处并无频谱分量，仅在左右各偏移10kHz处存在信号，与理论分析一致。

5、加法器输出波形与频谱

6、加法器输出频谱

从图可以看出，在100KHz位置为导频信号，两边为已调信号。

导频信号振幅频谱的幅度为已调信号频谱的边带频谱幅度的0.8倍，导频信号功率约为已调信号的0.8*0.8/2=0.32倍。

（2）DSB-SCAM信号的相干解调及载波提取

1、调整VCO中心频率为100kHz

2、测试同步带和捕捉带

直流电压为+-2v频率

可变直流电压为+-1v时，VOC频率偏移为+-10khz

测量得出f1=94.37Kf2=96.15Kf3=104.2Kf4=106.4K

同步带=12.03K

捕捉带=8.05K

3、锁相环相乘.

4、解调输出波形

解调输出的波形与输入波形基本同频同相，仅在幅度上有偏差。

5.恢复载波

用锁相环提取载波

提取载波的频谱图

六、思考题

1、说明DSB-SCAM信号波形的特点

答：

DSB-SC为双边带调幅，是只传输两个边带的调制方式。

双边带调制是实现频谱搬移，其波形振幅随着调制信号变化，但与普通调幅波不同，它的包络不再反映调制信号的波形，而是在零值上下变化，并且在调制信号等于0的瞬间，书岸边带调幅波的高频振荡相位可能出现180度的相位突变。

经幅度调制后，基带信号的频谱被搬移到了载频fc处。

若模拟基带信号带宽为W，则调幅信号带宽为2W，因为在频域中输出此调幅信号s（t）的信道带宽B=2W。

2、画出已调信号加导频的振幅频谱，算出导频信号功率与已调信号功率之比。

答：

由图可知，导频信号功率与已调信号功率的百分比为31.2%，接近理论值32%。

3、实验中载波提取的锁相环中的LPF能不能用TIMS系统中的“TUNEABLELPF”？

答：

不能，TUNEABLELPF中WIDE一项中带宽的滤波范围是2kHz-12kHz，输出信号频率可能大于范围被滤掉导致结果错误，所以不能使用。

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？

为什么？

答：

不能，因为锁相环的截止频率为2.8kHz，如果音频信号为1kHz则锁相环会跟踪音频信号，造成信号失真。

5、若发端不加导频，收端提取载波还有其他方法吗？

请画出框图

答：

使用平方环法或科斯塔斯环法提取。

平方环法框图：

科斯塔斯环法框图：

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信号的产生原理和实现方法。

2、了解AM信号波形和振幅频谱的特点，并掌握调幅系数的测量方法。

3、了解AM信号的非相干解调原理和实现方法。

二、实验原理

1、AM信号的产生

对于单音频信号

进行AM调制的结果为

其中调幅系数

。

AM信号的包络与调制信号m（t）成正比，为避免产生过调制（过调会引起包络失真）要求

。

AM信号的振幅频谱具有离散的大载波，这是与DSB-SCAM信号的振幅频谱的不同之处。

由

和

分别表示AM信号波形包络最大值和最小值，则AM信号的调幅系数为

如图所示为AM调制的过程和频谱示意图。

产生AM信号的方法有两种，分别如下图所示。

第二种方法与实验一DSB-SCAM信号加导频的产生方法类似,只是AM信号的离散载波要足够大，以避免产生过调制。

本实验采用第一种方法产生AM信号。

2、AM信号的解调

AM信号由于具有离散大载波，故可以采用载波提取相干解调的方法。

其实现类似于实验一中的DSB-SCAM信号加导频的载波提取和相干解调的方法。

AM的主要优点是可以利用包络检波器进行非相干解调，可以使得接收设备更加简单。

本实验采用包络检波方案。

三、实验框图

1、AM信号的产生

2、AM信号的非相干解调

四、实验步骤

1、AM信号的产生

（1）按图进行各模块之间的连接。

（2）音频振荡器输出为5KHz，主振荡器输出为100KHz，乘法器输入耦合开关置于DC状态。

（3）分别调整加法器的增益G以g均为1。

（4）逐步增大可变直流电压，使得加法器输出波形是正的。

（5）观察乘法器输出波形是否为AM波形。

（6）测量AM信号的调幅系数a值，调整可变直流电压，使a=0.8。

（7）测量a=0.8的AM信号振幅频谱。

2、AM信号的非相干解调

（1）输入的AM信号的调幅系数a=0.8。

（2）用示波器观察整流器的输出波形。

（3）用示波器观察低通滤波器的输出波形。

（4）改变输入AM信号的调幅系数，观察包络检波器输出波形是否随之改变。

（5）改变发端调制信号的频率，观察包络检波输出波形的变化。

五、实验结果与分析

AM信号的产生

1、音频振荡输出信号

由图可看出，调制信号频率约为5kHz。

2、调整a=0.8后AM信号振幅及频谱

由上图可看出a=0.8。

在频谱图中，在100kHz处有明显的载频分量，在左右5kHz处有搬移后的边频分量。

3、当a=0.8时，整流器输出波形

4、当a=0.8时，解调输出波形

5、当a=1时，信号过零点。

所以，当a>1时，信号必将出现失真。

6、当调制信号频率改变时，信号解调出现失真。

六、思考题

1、在什么情况下，会产生AM信号的过调现象？

答：

当调制系数大于1时，会产生过调现象，此时幅度最小值不是实际最小值，实际最小值应为负值。

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：

AM信号公式为

则可得其边带功率为：

载波功率为：

所以比值为3.125

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：

不可以。

因为已调信号的包络与m（t）不同，并不代表调制信号，有负值部分，且在与t轴的交点处有相位翻转。

而包络应该为正幅度。

实验三：

调频（FM）

一、实验目的

1、了解用VCO作调频器的原理及实验方法。

2、测量FM信号的波形图及振幅频率。

3、了解利用锁相环作FM解调的原理及实现方法。

二、实验原理

1、FM信号的产生

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（Hz/V），

是调制指数。

由卡松公式可知FM信号的带宽为

产生FM信号的方法之一是利用VCO，如下图所示。

VCO的输入为

，当输入电压为0时，VCO输入频率为

；当输入模拟基带信号的电压变化时，VCO的振荡频率作相应的变化。

2、锁相环解调FM信号

锁相环解调的原理框图如下图所示。

锁相环锁定时，VCO输出的FM信号与接收到的输入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述。

假设锁相环输入是FM信号s（t），则

对于VCO来说，它的控制电压是环路滤波器的输出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。

鉴频器输出为

其中为相位差。

锁相环处于锁定状态时，相位差很小，使得

此时，可将锁相环等效表示为下图所示的线性模型。

图中的g（t）是环路滤波器的冲激相应，其傅里叶变换为G（f）。

根据这一模型，相位差可表示为

等效于

或

对上式进行傅里叶变换，得到

其中的、分别是和的傅里叶变化。

整理上式得：

合理设计及，使它满足以下条件：

等效于

这个结果表明，VCO的控制电压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）的带宽应与系带信号的带宽相同，这样环路滤波器输出的噪声将被限带于W。

VCO的输出是宽带调频信号，它的瞬时频率跟随接受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（即锁相环开环的增益）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、实验框图

1、FM信号的产生

2、FM信号的锁相环解调

四、实验步骤

1、FM信号的产生

（1）单步调试VCO

a.将VCO模块的印刷电路板上的拨动开关置于VCO模式。

将VCO板块前面板上的频率选择开关置于“HI”状态。

然后，将VCO模块插入系统机架的插槽内。

b.将可变直流电压模块的输出端与VCO模块的Vin端相连接，示波器接于VCO输出端：

•直流电压为零时，调节VCO模块的f0旋钮，使VCO的中心频率为100

赫兹。

•在-2V至于+2范围内改变直流电压，测量VCO的频率及线性工作范围。

•调节VCO模块的GAIN旋钮，使得直流电压在+/-2V范围内变化时，VCO的频率在+/-5HZ内变化。

（2）将音频振荡器的频率调到2Hz，作为调制信号输入于VCO的Vin输入端。

（3）测量图2.4.4中各点信号波形。

（4）测量FM信号的振幅频谱。

2、FM信号的解调

（1）单步调试VCO

a.将VCO模块置于“VCO”,前面板上的频率选择开关置于“HI”状态.

b.将可变直流电压模块的输出端与VCO模块的Vin端相连接。

当直流电压为零时，调节VCO的f0旋钮，使VCO的中心频率为100kHz。

当可变直流电压为+/-1V时，调节VCO的GAIN旋钮，使VCO的频率偏移为+/-10kHz。

（2）将锁相环闭环连接，将另一个VCO作信源，接入于锁相环，测试锁相环的同步带及捕捉带。

（3）将已调好的FM信号输入与锁相环，用示波器观察解调信号。

若锁相环已锁定，则在锁相环低通滤波器的输出信号应是直流分量叠加模拟基带信号。

（4）改变发端的调制信号频率，观察FM解调的输出波形变化。

五、实验结果与分析

1．音频信号与输出FM信号

红：

原始信号蓝：

vco输出信号

2.FM输出信号频谱

3.FM信号的锁相环解调

红：

原始信号蓝：

解调信号

六、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：

2、用VCO产生FM信号的优点是可以产生大频偏的FM信号，缺点是VCO中心频率稳定程度差。

为了解决FM大频偏以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：

为了使中心频率稳定，可以使用锁相环形成反馈，使得它仅用确保VCO中心频率的稳定性及准确度与晶振一致。

3、对于本实验具体所用的锁相环及相关模块，若发端调制信号频率为10kHz，请问实验三中的锁相环能否解调出原调制信号？

为什么？

答：

不能，因为10KHz不在锁相环的同步带内，此时用锁相环解调会使锁相环进入失锁状态，无法正确解调出原信号。

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：

在调频解调中使用的滤波器为低通滤波器，滤波器输出接至示波器和VCO，即锁相环调后的显示信号为低通滤波器的输出信号；在时钟提取中使用的滤波器为环路滤波器，滤波器输出仅接至VCO中，而锁相环输出信号应为VCO的输出信号而不是低通滤波器的输出信号。

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）自主完成从BIP-RZ或UNI-RZ码恢复时钟的实验。

二、实验原理：

在数字通信中，接收端为了能从接受信号中恢复出原始的数据信号，必须要有一个与收到的数字基带信号符号速率相同步的时钟信号。

通常，从接收信号中提取时钟这一过程称为符号同步或时钟同步。

1.BIP-RZ时钟恢复

假设数据独立等概，该码的功率谱密度无离散的时钟分量，仅含连续谱，如图所示。

只须使用全波整流或者平方运算，对于占空比为50%的双极性归零码，得到整流或平方后的波形，可以看成是数据全为1的单极性归零码，即为时钟信号。

2.UNI-RZ时钟恢复

单极性归零码功率谱中包含了离散直流分量、连续谱、离散时钟分量及奇次谐波分量，密度如下图所示，可以利用窄带滤波器或者锁相环从单极性归零码中提取时钟分量。

如果滤波器足够窄，则窄带滤波器的输出功率谱密度中，连续谱部分形成的干扰可以忽略。

此时输出的时域信号为

V（t）=2A11/2cos（2Rbt+ψ）

其中ψ是固定相移，可通过移相器校正，再通过整形电路可得到方波时钟。

3.零均值限带PAM时钟恢复

可用方法很多，很多情况下取绝对值或者取平方可以得到时钟的离散分量，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

（1）按书中示意图连接模块，将移相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。

说明本实验从RZ-AMI码恢复时钟的原理。

（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、实验框图

五、实验结果与分析：

从RZ-AMI码恢复时钟

RZ-AMI码输出：

乘法器输出：

低通滤波器输出：

缓冲放大器输出：

移相器输出：

恢复时钟：

解码输出：

从BIP-RZ码提取时钟

六、思考题

（1）如何从分相码中提取时钟？

答：

利用01和10的中间跳变提取定时，分频得到时钟。

（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：

可利用呈现的频谱中的离散分量提取时钟信号。

（3）从限带基带信号中提取时钟的原理是什么？

答：

将限带基带信号平方，然后通过锁相环提取。

原理框图如下：

s（t）

实验六：

眼图

一、实验目的

了解数字传输系统中“眼图”的观察方法及其作用。

二、实验原理

实际通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统产生畸变，总是在不同程度上存在码间干扰的，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。

而眼图可以直观地估价系统码间干扰和噪声的影响，是常用的测试手段。

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，从而对系统性能作出定性的判断。

三、实验框图

四、实验步骤

1、将可调低通滤波器模块开关置于NORM位置。

2、将主信号发生器的8.33kHzTTL电平的方波输入与线路编码器的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的序列码。

4、用双踪示波器同时观察可调低通滤波器的输出波形和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。

五、实验结果与分析：

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，设法从接受滤波器输出的基带信号中提取时钟，用以对接受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与最佳判决门限进行比较做出判决、输出数据。

三、实验框图

1、采样、判决系统框图

2、时钟提取电路

四、实验步骤

1、请自主设计图2.8.1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。

请注意：

调节恢复时钟的相移，使恢复时钟的相位与发来的数字基带信号的时钟相位一致（请将移相器模块印刷电路板上的拨动开关拨到“LO”位置）。

2、按照图2.8.1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