通信原理A实验指导书.docx

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通信原理A实验指导书

实验一码型变换实验

一、实验目的

1．了解几种常见的数字基带信号。

2．掌握常用数字基带传输码型的编码规则。

二、实验内容

1．观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码的波形。

2．观察全0码或全1码时各码型波形。

3．观察HDB3码、AMI码、BNRZ码正、负极性波形。

4．观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码经过码型反变换后的输出波形。

三、实验器材

1．信号源模块

2．码型变换模块

3．20M双踪示波器一台

4．频率计（可选）一台

5．连接线若干

四、实验原理

1．编码规则

①NRZ码

NRZ码的全称是单极性不归零码，在这种二元码中用高电平和低电平（这里为零电平）分别表示二进制信息“1”和“0”，在整个码元期间电平保持不变。

例如：

②RZ码

RZ码的全称是单极性归零码，与NRZ码不同的是，发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。

例如：

③BNRZ码

BNRZ码的全称是双极性不归零码，在这种二元码中用正电平和负电平分别表示“1”和“0”，与单极性不归零码相同的是整个码元期间电平保持不变，因而在这种码型中不存在零电平。

例如：

④BRZ码

BRZ码的全称是双极性归零码，与BNRZ码不同的是,发送“1”和“0”时，在整个码元期间高电平或低电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。

例如：

⑤AMI码

AMI码的全称是信号交替反转码，其编码规则如下：

信息码中的“0”仍变换为传输码的“0”：

信息码中的“1”交替变换为传输码的“＋1、－1、＋1、－1、…”。

例如：

代码：

10011000111…

AMI码：

+100-1+1000-1+1-1…

AMI码的主要特点是无直流成分，接收端收到的码元极性与发送端完全相反也能正确判断。

译码时只需把AMI码经过全波整流就可以变为单极性码。

由于其具有上述优点，因此得到了广泛应用。

但该码有一个重要缺点，即当用它获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。

⑥HDB3码

HDB3码的全称是三阶高密度双极性码，其编码规则如下：

将4个连“0”信息码用取代节“000V”或“B00V”代替，当两个相邻“V”码中间有奇数个信息“1”码时，取代节为“000V”码；有偶数个信息“1”码（包括0个）时，取代节为“B00V”，其它的信息“0”码仍为“0”码，这样，信息码的“1”码变为带有符号的“1”码，即“＋1”或“—1”。

例如：

代码：

100001000011000011

HDB3码：

-1000-V+1000+V-1+1-B00–V+1-1

HDB3码中“1”、“B”的符号符合交替反转原则，而“V”的符号破坏这种交替反转原则，但相邻“V”码的符号又是交替反转的。

HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0串减少到至多3个的优点，而不管信息源的统计特性如何。

这对于定时信号的恢复是十分有利的。

HDB3码是ITU-T推荐使用的码之一。

本实验电路只能对码长为24位的周期性NRZ码序列进行编码。

⑦BPH码

BPH码的全称是数字双相码，又叫分相码或曼彻斯特码，它是对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二进制新码去取代的码：

或者可以理解为用一个周期的方波表示“1”码，用该方波的反相来表示“0”码，其编码规则之一是：

0→01（零相位的一个周期的方波）；

1→10（π相位的一个周期的方波）。

例如：

代码：

1100101

双相码：

10100101100110

BPH码可以用单极性非归零码（NRZ）与位同步信号的模二和来产生。

双相码的特点是只使用两个电平，而不像前面两种码具有三个电平。

这种既能提取足够的定时分量，又无直流漂移，编码过程简单。

但这种码的带宽要宽些。

⑧CMI码

CMI码的全称是传号反转码，其编码规则如下：

信息码中的“1”码交替用“11”和“00”表示，“0”用“01”表示。

例如：

代码：

11010010

CMI码：

1100011101010001

这种码型有较多的电平跃变，因此，含有丰富的定时信息。

该码已被ITU-T推荐为PCM四次群的接口码型。

在光纤传输系统中有时也用CMI码作线路传输码型。

2．电路原理

将信号源产生的NRZ和位同步信号BS送入U900（EPM7128SLC84-15）进行变换，可以直接得到各种单极性码和各种双极性码的正、负极性编码信号（因为FPGA的I/O口不能直接接负电平，所以只能将分别代表正极性和负极性的两路编码信号分别输出，在通过外加电路合成双极性码），如HDB3的正、负极性编码信号送入U901（4501）的选通控制端，控制模拟开关轮流选通正、负电平，从而得到完整的HDB3码。

解码时同样也需要先将双极性的HDB3码变换成分别代表正极性和负极性的两路信号，再送入FPGA进行解码，得到NRZ码。

其它双极性码的编、解码过程相同。

①NRZ码

从信号源“NRZ”点输出的数字码型即为NRZ码，其产生过程请参考信号源工作原理。

②BRZ、BNRZ码

将NRZ码和位同步信号BS分别送入双四路模拟开关U902（4052）的控制端作为控制信号，在同一时刻，NRZ码和BS信号电平高低的不同组合（00、01、10、11）将控制U902分别接通不同的通道，输出BRZ码和BNRZ码。

X通道的4个输入端X0、X1、X2、X3分别接-5V、GND、+5V、GND，在控制信号控制下输出BRZ码；Y通道的4个输入端Y0、Y1、Y2、Y3分别接-5V、-5V、+5V、+5V，在控制信号控制下输出BNRZ码。

解码时通过电压比较器U907（LM339）将双极性的BRZ和BNRZ码转换为两路单极性码，即双（极性）—单（极性）变换，再送入U900解码，恢复出原始的NRZ码。

③RZ、BPH码

这两种码型的编、解码方法与BRZ和BNRZ是一样的，但因为是单极性的码型，所以编、解码过程可以直接在U900中完成，在这里不再赘述。

④AMI编码

由于AMI码是双极性的码型，所以它的变换过程分成了两个部分。

首先，在U900中，将NRZ码经过一个时钟为BS的JK触发器后，再与NRZ信号相与后得到控制信号AMIB，该信号与NRZ码作为控制信号送入单八路模拟开关U905（4051）的控制器，U905的输出即为AMI码。

解码过程与BNRZ码一样，也需先经过双—单变换，再送入U900进行解码。

⑤HDB3码

HDB3码的编、解码框图分别如图3-1、3-2所示，其编、解码过程与AMI码相同，这里不再赘述。

图3-1HDB3编码原理框图

图3-2HDB3解码原理框图

⑥CMI码

由于是单极性波形，CMI码的编解码过程全部在U900中完成，其编码电路原理框图如图3-3所示：

图3-3CMI编码原理框图

五、实验步骤

1．将信号源模块、码型变换模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

2．插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别桉下两个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D900、D901发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。

3．将信号源模块的拨码开关SW101、SW102设置为0000010100000000，SW103、SW104、SW105设置为011100100011000000101010。

按实验一的介绍，此时分频比千位、十位、个位均为0，百位为5，因此分频比为500，此时位同步信号频率应为4KHz。

观察BS、FS、2BS、NRZ各点波形。

4．分别将信号源模块和码型变换模块上以下四组输入/输出接点用连接线连接：

BS与BS、FS与FS、2BS与2BS、NRZ与NRZ。

观察码型变换模块上其余各点波形。

5．任意改变信号源模块上的拨码开关SW103、SW104、SW105的设置，以信号源模块的NRZ码为内触发源，用双踪示波器观察码型变换模块各点波形。

6．将信号源模块上的拨码开关SW103、SW104、SW105全部拨为1或全部拨为0，观察码型变换模块各点波形。

六、输入、输出点参考说明

1．输入点说明

FS：

帧同步信号输入点。

BS：

位同步信号输入点。

2BS：

2倍位同步频率方波信号输入点。

NRZ：

NRZ码输入点。

2．输出点说明（括号中的码元数为与信号产生的NRZ相比延迟的码元数）

RZ：

RZ编码输出点（半个码元）。

BPH：

BPH编码输出点（半个码元）。

CM1：

CM1编码输出点（一个码元）。

HDB3-1：

HDB3编码正极性信号输出点。

HDB3-2：

HDB3编码负极性信号输出点。

HDB3：

HDB3编码输出点（八个半个码元）。

BRZ-1：

BRZ单极性输出点。

BRZ：

BRZ编码输出点。

BNRZ-1：

BNRZ编码正极性信号输出点（与NRZ反相）。

BNRZ-2：

BNRZ编码负极性信号输出点（与NRZ相同）。

BNRZ：

BNRZ编码输出点。

AMI-1：

AMI编码正极性信号输出点。

AMI-2：

AMI编码负极性信号输出点。

AMI：

AMI编码输出点。

ORZ：

RZ解码输出点（一个码元）。

OBPH：

BPH解码输出点（一个码元）。

OCMI：

CM1解码输出点（两个码元）。

OBRZ：

BRZ解码输出点（半个码元）。

OBNRZ：

BNRZ解码输出点（半个码元）。

OAMI：

AMI解码输出点（半个码元）。

OHDB3：

HDB3解码输出点（八个半个码元）。

七、实验思考题

1．在分析电路的基础上回答，为什么本实验HDB3编、解码电路只能在输入信号是码长为24位的周期性NRZ码时才能正常工作。

2．自行设计一个HDB3码编码电路，画出电路原理图并分析其工作过程。

八、实验报告要求

1．分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2．根据实验测试纪录，在坐标纸上画出各测量点的波形图。

3．对实验思考题加以分析，并画出原理图与工作波形图。

实验二移频键控实验

一、实验目的

1.掌握用键控法产生2FSK信号的原理及实现方法。

2.掌握2FSK过零检测解调的原理。

二、实验内容

1．观察2FSK信号波形。

2．观察2FSK过零检测解调器各点信号波形。

3．观察2FSK解调信号波形。

三、实验器材

1．信号源模块

2．数字调制模块

3．数字解调模块

4．同步信号提取模块

5．20M双踪示波器一台

6．频率计（可选）一台

四、实验原理

1．2FSK调制原理。

2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态。

被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为f0时代表传0，载频为f1时代表传1。

显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以f0和f1为载频的两种2ASK信号的合成，其一般时域数学表达式为

（5—1）

式中，

2FSK信号的典型时域波形如图5-1所示，

因为2FSK属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为

（5—2）

显然，h与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对己调波带宽有很大影响。

2FSK信号与2ASK信号的相似之处是含有载频离散谱分量，也就是说，二者均可以采用非相干方式进行解调。

可以看出，当h<1时，2FSK信号的功率谱与2ASK的极为相似，呈单峰状：

当h>>1时，2FSK信号功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似为

（Hz）（5—3）

图5-12FSK信号的典型时域波形

2FSK信号的产生通常有两种方式：

（1）频率选择法；

（2）载波调频法。

由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（0—>1或1—>0）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。

载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。

在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图5-2所示：

图5-22FSK调制原理框图

由图可知，从“FSK基带输入”输入的基带信号分成两路，当基带信号为“1”时，输出第一路载波：

当基带信号为“0”时，输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。

2．2FSK解调原理

2FSK有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等，相应的接收系统的框图如图5-3所示。

图5-32FSK解调原理框图

这里采用的是过零检测法对2FSK调制信号进行解调。

大家知道，2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。

用过零检测法对2FSK信号进行解调的原理框图如图5-3（c）所示。

其中整形1和整形2的功能类似于比较器，可在其输入端将输入信号叠加在2．5V上。

2FSK调制信号从“FSK-IN”输入。

判决电压设置在2．5V，可把输入信号进行硬限幅处理。

这样，整形1将2FSK信号变为TTL电平：

整形2和抽样电路共同构成抽样判决器，其判决电压可通过标号为“2FSK判决电压调节”的电位器进行调节。

单稳1和单稳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。

抽样判决器的时钟信号就是2FSK基带信号的位同步信号，该信号应从“FSK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。

五、实验步骤

1．将信号源模块、数字调制模块、数字解调模块、同步信号提取模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

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POWERl、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D400、D401、DA00、DA01、D500、D501发光，按一下信号源模块的复位键，四个模块均开始工作。

3．将信号源模块产生的码速率为15．625KHz的NRZ码和32KHz正弦波（幅度为3V左右）、64KHz的正弦波（幅度为3V左右）分别送入数字调制模块的信号输入点“FSK基带输入”、“FSK载波输入1”和“FSK载波输入2”。

以信号输入点“FSK基带输入”的信号为内触发源，用双踪示波器同时观察点"FSK基带输入”和点“FSK调制输出”的波形。

4．将“FSK调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点“FSK-IN”，观察信号输出点“FSK-OUT”处的波形，并调节标号为“FSK判决电压调节”的电位器，直到在该点观察到稳定的NRZ码。

将该点波形送入同步信号提取模块的信号输入点“NRZ-IN",再将同步信号提取模块的信号输出点“位同步输出”输出的波形送入数字解调模块的信号输入点“FSK-BS”，观察信号输出点“单稳输出1”、“单稳输出2”、“过零检测”、“FSK解调输出”处的波形，并与信号源产生的NRZ码进行比较。

5．改变信号源产生的NRZ码的设置，重复上述观察。

六、输入、输出点参考说明

1．输入点参考说明

FSK基带输入：

FSK基带信号输入点。

FSK载波输入1：

FSK第一路载波信号输入点。

FSK载波输入2：

FSK第二路载波信号输入点。

FSK-IN：

FSK调制信号输入点。

FSK-BS：

FSK解调位同步信号输入点。

2．输出点参考说明

FSK调制输出：

FSK调制信号输出点。

单稳输出1：

FSK调制信号经单稳（UA04A74HCl23）的信号输出点。

单稳输出2：

FSK调制信号经单稳（UA04B74HCl23）的信号输出点。

过零检测：

FSK解调信号经过零检测后的信号输出点。

FSK-OUT：

FSK解调信号经电压比较器后的信号输出点（未经抽样判决）。

FSK解调输出：

FSK解调信号输出点。

七、实验思考题

1．分析2FSK的调制和解调原理。

2．改变74HC123的哪些外围元件参数对FSK解调正确输出有影响?

3．用过零检测法进行FSK解调时，其输出信号序列与发送信号序列相比是否产生了延迟?

八、实验报告要求

1．分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2．根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图。

3．对实验思考题加以分析，并作图说明。

实验三脉冲编码调制与解调实验

一、实验目的

1.掌握脉冲编码调制与解调的原理。

2.掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义和测量方法。

3.了解脉冲编码调制信号的频谱特性。

4.了解大规模集成电路TP3067的使用方法。

二、实验内容

1.观察脉冲编码调制与解调的结果，观察调制信号与基带信号的关系。

2.改变基带信号的幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况。

3.改变基带信号的频率，观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况。

三、实验器材

1.信号源模块

2.模拟信号数字化模块

3.终端模块

4.20M双踪示波器一台

5.立体声耳机一副

6.连接线若干

四、实验原理

模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，当这些连续变化的抽样值通过有噪声的信道传输时，接收端就不能对所发送的抽样值进行准确地估值。

如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能对所发送的抽样准确地估值，从而有可能消除随机噪声的影响。

脉冲编码调制（PCM）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。

脉码调制的过程如图4-1所示。

PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。

抽样是将时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。

国际标准化的PCM码组（电话语音）是八位码组代表一个抽样值。

编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。

预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300—3400HZ左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。

在整个PCM系统中，重建信号的失真主要来源于量化及信道传输误码，通常，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N来表示，国际电报电话咨询委员会（ITU-T）详细规定了它的指标，还规定比特率为64Kb/s，使用A律或µ律编码律。

下面将详细介绍PCM编码的整个过程。

图4-1PCM调制原理框图

1．抽样

抽样定理表明：

一个频带限制在（0，fH）内的连续信号m（t），如果以

秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m（t）将被所得到的抽样值完全确定。

假定将信号m（t）和周期为T的冲击函数δT（t）相乘，乘积便是均匀间隔为T秒的冲击序列，这些冲击序列的强度等于相应瞬时上m（t）的值，它表示对函数m（t）的抽样。

若用ms（t）表示此抽样函数，则有：

假设m（t）、δT（t）和ms（t）的频谱分别为M（w）、δT（w）和Ms（w），按照频率卷积定理，m（t）δT（t）的傅立叶变换如下：

因为

所以

该式表明，已抽样信号ms（t）的频谱Ms（w）是无穷多个间隔为ws的M（w）相叠加而成。

这就意味着Ms（w）中包含M（w）的全部信息。

需要注意，若抽样间隔T变得大于

，则Ms（w）在相邻的周期内存在混叠，因此不能由Ms（w）恢复M（w）。

可见，

是抽样的最大间隔，它被称为奈奎斯特间隔。

2．量化

从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。

如图4-2所示，量化器Q输出L个量化值yk，k=1,2,3,…,L。

yk常称为重建电平或量化电平。

当量化器输入信号幅度X落在xk与xk+1之间时，量化器输出电平为yk。

这个量化过程可以表达为：

y=Q（x）=Q{xk

这里xk称为分层电平或判决阈值。

通常△K=xk+1-xk称为量化间隔。

图4-2模拟信号的量化

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，我们先讨论均匀量化。

把输入模拟信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。

在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图4-3所示。

其量化间隔（量化台阶）△V取决于输入信号的变化范围和量化电平数。

当输入信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。

例如，输入信号的最小值和最大值分用a和b表示，量化电平数为M，那么，均匀量化的量化间隔为：

图4-3均匀量化过程示意图

量化器输出mq为：

mq=qi，当mi-1＜m≤mi

式中mi为第i个量化区间的终点，可写成

mi=a+i△V

qi为第i个量化区间的量化电平，可表示为

i=1、2、…M

上述均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变，因此，当信号m（t）较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。

通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。

为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。

非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。

对于信号取值较小的区间，其量化间隔△V也小；反之，量化间隔就大。

它与均匀量化相比，有两个突出的优点。

首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根基本上与信号抽样值成比例。

因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。

实际中，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。

通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。

广泛采用的是两种对数压缩律是µ压缩律和A压缩律。

美国采用的是µ压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，本实验模块采用的PCM编码方式也是A压缩律。

所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：

A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。

实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。

这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本实验模块中所用到的PCM编码芯片TP3067正是采用这种压扩特性来进行编码的。

图4-4示出了这种压扩特性。

表4-1列出了I3折线时的x值与计算x值的比较。

表中第二行的x值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。

可见，13折线各段落的分界点与A=87.6曲线十分逼近，同时x按2的幂次分割有利于数字化。

3．编码

所谓编码就是把量化后的信号变成代码，其相反的过程称为译码。

当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。

在现有的编码方法中，按编码的速度来分，大致可分为两类：

低速编码和高速编码。

在通信中一般都采用第二类。

编码器的种类大体上可以归结为三类：

逐次比较型、折叠级联型、混合型。

本实验模块中的编码芯片TP306