北邮通原硬件实验报告.docx

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北邮通原硬件实验报告

2013年通信原理硬件实验报告

学院：

信息与通信工程学院

班级：

2011211104

姓名：

学号：

班内序号：

组号：

同组人：

实验一双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）

一．实验目的

（1）了解DSB-SCAM信号的产生及相干解调的原理和实现方法。

（2）了解DSB-SCAM的信号波形及振幅频谱的特点，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测试方法。

二．实验器材

PC机一台、TIMS实验平台、示波器、导线等。

三．实验原理

1.双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）信号的产生和表达式

图1.1

2.双边带抑制载波调幅信号的解调

基本思路：

利用恢复的载波与信号相乘，将频谱搬移到基带，还原出原基带信号。

图1.2

3.DSB-SCAM信号的产生及相干解调原理框图

图1.3

四．实验内容及结果

1.DSB-SCAM信号的产生

（1）实验步骤：

图1.4

1.按照上图，将音频振荡器输出的模拟音频信号及主振荡器输出的100KHz模

拟载频信号分别用连接线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及振荡频率，调整音频信

号的输出频率为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信号的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，并注意已调信号的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.按照图1.3将DSB-SCAM信号及导频分别连到加法器的输入端，观看加法器的

输出波形及振幅频谱，分别调整加法器中的增益G和g。

（2）实验结果：

1.主震荡器输出100kHz载波信号：

图1.5

2.模拟10kHz音频信号输出，作为调制信号m（t）：

图1.6

3.乘法器输出DSB-SCAM信号：

图1.7

上图即为调制后的DSB-SCAM信号，可以看出该波形无法体现调制信号的包络特性，在每周期之间有可能会产生相位翻转，无法通过包络检波解调，但可以进行相干解调。

4.DSB-SCAM信号加导频后的频谱：

通过调整加法器的G和g，使得加入的导频信号振幅频谱为已调信号边带频谱的0.8倍。

此时导频信号功率约为信号功率的0.32倍。

图1.8

2.DSB-SCAM信号的相干解调及载波提取

1.锁相环的调试

（1）实验步骤

1.单独测量VCO的性能

将VCO前面板上的频率选择开关拨到HI载波频段的位置，VCO的

输入端不接信号。

调节

输出波形如下图所示：

图1.9

然后将可变直流电压模块的DC输出端与VCO模块的

端相连接，从双踪示波器分别接于VCO输出端及DC输出端，如图所示：

图1.10

调节使其当直流电压为零时，VCO的中心频率为100KHz，可变直流电压为

时的VCO频率偏移为

。

图1.11图1.12

2.单独测量锁相环中的相乘、低通滤波器的工作是否正常。

原理图：

图1.13

输入信号和VCO输出信号的差拍信号如图：

图1.14

3.测量锁相环的同步带及捕捉带

图1.15

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

图1.16

首先将信号源VCO的中心频率调到比100KHz小很多的频率，使锁相环处于失锁状态。

调节信号源VCO，使其频率由低往高缓慢变化。

当示波器的信号波形由交流信号变为直流信号时，说明锁相环由失锁状态进入锁定状态，记录输入信号的频率

。

继续将信源的频率往高调节，直到从示波器见到的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的频率

。

再从

开始，将输入信号的频率从高往低调，记录自首次捕捉到同步时的频率

，继续向低调节频率，直到再次失锁，记录频率

。

根据测量得到的

、

、

、

的值可以算出锁相环的同步带及捕捉带为：

同步带：

捕捉带：

（2）实验结果

1.根据实验结果可以看出VCO调整正确并正常工作。

2.实验测得：

同步带：

捕捉带：

2.恢复载波

（1）实验步骤

1.将加法器的输出信号接至锁相环的输入端，将移相器模块的频率选择开关拨到HI位置。

2.用示波器观察锁相环中的LPF输出信号是否是直流信号，一次判断PLL是否处于锁定状态。

3.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手段载波提取锁相环中VCO的输出经相移后的信号波形。

4.观察恢复载波振幅频谱，并加以分析。

（2）实验结果

1.恢复载波波形：

图1.17

2.恢复载波频谱：

图1.18

可以看出，基本正确恢复载波。

3.相干解调

（1）实验步骤

1.将相干解调的相乘、低通滤波器模块连接上，并将发送来的信号与恢复载波分别连至相干解调的乘法器的两个输入端。

2.用示波器观察相干解调相乘、低通滤波后的输出波形。

3.改变发端音频振荡器的频率，解调输出信号也随之改变。

（2）实验结果

1.相干解调输出波形：

图1.19

2.改变发端音频信号的频率，输出解调信号随之改变：

（1）频率变大后解调输出幅度变小：

图1.20

（2）频率变小后解调输出失真：

图1.21

五．思考题

1.说明DSB-SCAM信号波形的特点。

正弦载波的幅度随模拟基带信号m（t）的变化规律成正比变化。

DSB-SCAM信号的频谱无离散的载波分量，带宽为调制信号的两倍，分为下上边带，并且上下边带携带相同的信息。

2.根据振幅频谱计算导频信号功率与已调信号功率之比。

根据实验中DSB-SCAM信号加导频的频谱，见图1.8，测得的振幅值，导频振幅174mv,信号边频216mv，计算导频功率与已调信号功率之比：

可见导频的功率约为信号的32%。

3.试验中载波提取锁相环的LPF是否可以用TIMS系统中“TUNEABLELPF”，请说明理由。

不可以。

由于“TUNEABLELPF”产生的低频的范围太小，不能够提取出载波。

4.若本实验中的音频信号为1KHz，请问试验系统所提供的PLL能否用来提取载波，为什么？

不可以。

因为实验所提供的PLL的灵敏度为

。

5.若发射端不加导频，收端提取载波还有其他方法吗？

请画出框图

有，如平方环法：

图1.22

六．问题及解决

1.测量加导频后的频谱时，起初我们始终无法调出正确的频谱，问了同学、老师都没有得到解决。

后来，我们发现，在观察频谱时也需要调整时域波形，只有当时域波形调整稳定和示意的时候，频谱才会呈现出正确的图像。

我们也由此得出了调整频谱的一般方法，使得后续做频谱测量时能够十分顺利。

2.开始由于我们不太了解VCO的工作原理，一直没能正确恢复载波，后来才发现是由于VCO的调整不到位，后来经过我们仔细的学习课本和认真的调整，恢复出了正确的载波信号，使得解调正确。

七．实验总结

这是通原硬件实验的第一个实验，由于这个实验内容比较多，而且我们第一次做通原硬件实验，还有些不熟练，于是，这次实验我们做了比较长的时间，中间也经历了很多坎坷，但是，经过我们两人的努力，我们不仅完成了这次实验，而且通过这一次实验积累了很多经验，使得我们在做后续实验时能够很快的知道问题出在什么地方，并很快的解决。

同时，这次实验也让我对DSB-SCAM的调整产生和解调过程有了更深刻的理解，并且对以前不是很清晰的锁相环的工作工程也有了进一步的了解，这一次实验可谓收获颇丰啊！

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信号的产生原理及实现方法。

2.了解AM的信号波形及振幅频谱特点，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．实验器材

PC机一台、TIMS实验平台、示波器等。

三．实验原理

AM调制原理

对于单音频信号

进行AM调制的结果为

其中调幅系数

，要求

以免过调引起包络失真。

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

图2.1

四．实验内容及结果

1.AM信号的产生

（1）实验步骤

1.按照下图2.1连接模块：

图2.2

2.音频振荡器的输出为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和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）实验结果

1.主振荡器100kHz波形：

图2.3

2.音频信号以及AM信号

图2.4

经过测量，AM信号的幅值A（max）=2.56VA（min）=240mV

由

知，a=0.851

3.a=0.8时的AM信号频谱

图2.5

由该图可以看出，AM信号的频谱中有很大的离散载频分量。

2.AM信号的非相干解调

（1）实验步骤

图2.6

1.输入的AM信号的条幅系数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，包络检波器输出波形是否随之变化。

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

（2）实验结果

1.整流器输出波形：

图2.7

2.低通滤波器输出波形：

图2.8

3.改变调制系数

过调制时会失真：

图2.9

4.改变信号频率

频率升高幅值减小（10kHz）：

频率降低幅值增大（2.5kHz）：

五．思考题

1.在什么情况下，会产生AM信号的过调现象？

在调制指数a〉1的情况下会产生AM信号的过调现象。

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。

边带功率：

Pb=（Aa/4）*（Aa/4）*4

载波功率：

Pc=（A/2）*（A/2）*2

比值=Pc/Pb=2/a*a=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

不可以，因为DSB-SC信号的包络不能显示原调制信号的包络特性。

六．实验问题及解决

本次实验比较简单，过程中为出现问题

七.实验总结

这次实验相较上一次实验简单很多，由于有了上一次实验的基础，我们很快便做出了这次实验。

但本次实验也让我对AM信号的调制和其包络检波的解调有了更深的理解和记忆，结合课上学习的基础知识，使得我对这一块的知识更加融汇贯通。

实验三：

调频（FM）

一．实验目的：

1.了解VCO作调频器的原理及实验方法。

2.测量FM信号的波形及振幅频谱。

3.了解利用锁相环作FM解调的原理及实现方法。

二．实验器材

PC机一台、TIMS实验平台、示波器等。

三．实验原理

单音频信号

经FM调制后的表达式为

其中

调制指数

。

由卡松公式可知FM信号的带宽为

四．实验内容及结果

1.FM信号的产生

（1）实验步骤

图3.1

1.单独调测VCO，原理图如图3.1

2.按照下图连接模块，并且将音频振荡器的频率调到2KHz，作为调制信号输入于VCO的

输入端。

图3.2

3.测量图3.2中各点信号波形

4.测量FM信号振幅频谱。

（2）实验结果

1.VCO的调测

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。

在-2V至+2V范围内改变直流电压，测量VCO的频率及线性工作范围，所得结果如下表1所示：

最终使VCO的中心频率为100KHz，如图3.4所示

图3.4

调整使得当直流电压在

范围内变化时，VCO的频率在

内变化，具体步骤同实验一，在此不赘述。

2.2kHz的音频信号

图3.5

3.FM信号波形：

图3.6

4.FM信号的振幅频谱：

图3.7

2.FM信号的锁相环解调

（1）实验步骤

1.单独测VCO，使VCO的中心频率为100KHz，并且当直流电压为

时，使

VCO的频率偏移为

，具体步骤同实验一，在此不赘述

2.将锁相环闭环连接，将另一VCO作为信源，接入于锁相环，测试锁相环的同步带和捕捉带,具体步骤同实验一，在此不赘述

3.将已调好的FM信号输入于锁相环，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。

实验图如下图3.8所示：

图3.8

4.改变发端的调制信号频率，观察FM解调的输出波形变化。

（2）实验结果

1.FM解调输出波形：

图3.9

2.改变频率解调输出变化：

当频率增大到一定程度时会出现失真现象，下图为4.5kHz时的解调输出波形，出现失真现象

图3.10

五．问题及解决

由于有了前两个实验的积累，本次实验也没有出现很大的问题。

六．思考题

1.本实验的FM信号的调制指数

是多少？

FM信号的带宽是多少？

β=AK/fm，其中A为音频信号的幅度，K为频率偏移常数，fm为音频信号的基带频率为2khz，A为2V，K为10khz/v，可知β为10

FM信号的带宽为：

B=2（β+1）fm=44khz

2.用VCO产生的FM信号的优点是可以产生大频偏的FM信号，缺点是VCO的中心频率稳定度差。

为了解决FM大频偏及中心频率稳定度之间的矛盾，可采用什么方法产生FM信号？

可以利用下图解决方案：

图3.11

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，请问锁相环还能否解调出原调制信号？

为什么？

不能解调出原调制信号。

因为锁相环都有与之对应的同步带和捕捉带，当调制信号频率变化，可能会跳出捕捉带之外，造成信号不能被锁相环搜定。

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？

两者的频偏不一样，而且调频解调的锁相环使为了跟踪FM信号的频率，而载波提取的锁相环是用来跟踪载波的频率。

七．实验总结

这次实验，不仅我们了解了FM信号的调制过程以及解调过程，并且在对FM信号进行解调的过程中再次运用到锁相环。

基带信号通过VCO振荡器后即成为FM信号，然后利用VCO构成的锁相环可以对FM信号进行解调。

实验中需准确地调整好锁相环的中心频率，并且测量出锁相环的同步带与捕捉带，当捕捉带较宽时才能够更好地保证解调出FM信号。

使得我们对FM信号有了更加深刻的理解，对于通信原理的学习有着莫大的帮助，而且再一次加深了我们对锁相环功能的理解和运用。

实验六：

眼图

一．实验目的：

了解数字基带传输系统中“眼图”的观察方法及其作用。

、

二．实验器材

PC机一台、TIMS实验平台、示波器等。

三．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。

眼图分析中常用结论：

1）最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；

2）眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；

3）在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；

4）在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；

5）阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。

四．实验内容及结果：

（1）实验步骤:

1.将可调低通滤波器模块前面板上的开关置于NORM位置。

2.将主信号发生器的8.33kHzTTL电平的方波输入于线路码编码器的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节低通滤波器的输出波形及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，已得到合适的限带基带信号。

观察眼图。

实验连接电路如图6.1所示：

图6.1

（2）实验结果：

1.8.3kHz的TTL：

图6.2

2.经过线路吗编码器后的输出：

图6.3

3.眼图：

图6.4

五．问题及解决

这次实验开始我们遇到了比较大的困难就是：

始终难以调出眼图。

为此，我们两人一直纠结很久，逐点检查了波形，结果发现都是正常的，所以一直不知道是错在了那里。

后来，我们请教了调出来的同学，经过他的指点，我们发现原来是由于我们的线路码没有调整稳定，只有在线路码调整稳定时，才会出现正确的眼图。

六．思考题：

无

七．实验总结：

本次实验使我们不仅加深了对眼图形成过程的理解，同时我们又掌握了调整示波器出现正确眼图的方法。

我们体会到在学习过程中总会遇到各种困难，有的时候自己也很难解决，但是，我们要学会求助于别人，请教同学和老师来解决问题。

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．实验器材

PC机一台、TIMS实验平台、示波器等

三．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门限进行比较做出判决、输出数据。

四．实验内容及结果：

（1）实验步骤

1.设计恢复时钟的实验方案。

2.按实验图7.1，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，SW2开关拨到“内部”位置。

3.用双踪示波器观察眼图及采样脉冲。

调节判决模块前面板上的判决点旋钮，

使得在眼图睁开最大处进行采样、判决。

对于NRZ-L码的最佳判决电平是零，判决输出的是TTL电平的数字信号。

图7.1

（2）实验结果:

1.采样脉冲和眼图：

图7.2

可以看出，在眼图睁开最大处采样

2.判决输出结果和原始序列码：

图7.3

上面为原始序列码，下面是采样判决输出

五．问题及解决：

首先，我们的问题出在时钟恢复上。

我们开始一直并不知道该如何恢复时钟，后来实验书上前面AMI码的时钟恢复，得以恢复出正确的时钟。

如图所示：

图7.4

其次，我们开始没有注意将采样脉冲在眼图睁开最大处，所以一直无法恢复出正常的信号，后来我们将眼图和采样脉冲同时观察时才发现这个问题，经过调整后采样出正确的信号。

六.思考题

对于滚降系数为a=1升余弦滚降的眼图，请示意画出眼图，标出最佳取样时刻和最佳判决门限。

最佳判决门限为0。

眼图如图7.5所示

图7.5

七．实验总结：

通过这次实验，我们了解了采样、判决在数字通信系统中的作用及其实现方法，成功完成了实验任务。

在数字通信系统中，时钟的提取、并且在沿途睁开最大处进行周期性的瞬间采样、通过最佳判决门限进行比较判决时十分重要的工作部分。

在后来的实验中，很多也利用了这个实验中的采样、判决系统。

实验八：

二进制通断键控（OOK）

一．实验目的

1.了解OOK信号的产生及其实现方法。

2.了解OOK信号波形和功率谱的特点及其测量方法。

3.了解OOK信号的解调及其实验方法。

二．实验器材

PC机一台、TIMS实验平台、示波器等

三．实验原理

二进制通断键控（OOK）方式使以单极性不归零码序列来控制正弦载波的导通与关闭，如图所示：

图8.1

对OOK信号的解调有相干解调和非相干解调两种：

图8.2相干解调

图8.3非相干解调

四．实验内容及结果：

1.OOK信号的产生：

（1）实验步骤：

1.按照实验框图8.1连接各个实验功能板。

2.用示波器观察各连接点的信号波形。

3.用频谱仪测量各点的功率谱（请将序列发生器模块印刷电路板上的双列直插开关拨到“11”，使码长为2048）。

图8.4OOK的产生

（2）实验结果：

1.各点信号波形：

（1）8.3kHz序列：

（2）2.083kHz序列：

（3）单极性不归零码序列：

（4）OOK信号：

2.OOK信号的非相干解调

（1）实验步骤

1.按照实验框图8.5连接各个实验功能板。

2.用示波器观察各连接点波形。

3.请学生自主完成时钟提取、采样、判决的实验任务（需要注意的是，恢复时钟的相位要与发来信号的时钟相位一致）。

图8.5OOK信号的非相干解调

（2）实验结果

1.OOK信号经过第一级矩形滤波输出：

2.经过第二级可调LPF输出波形：

3.采样点标记：

4.最终解调输出：

五.问题及解决

由于有了上一个实验关于时钟提取的经验，使得我们在说这个实验过程中比较顺利，没有发生比较大的问题。

六．思考题

对OOK信号的相干解调，如何进行载波提取？

请画出原理框图及实验框图。

如果对OOK信号进行想干解调，就必须对载波进行提取，载波提取原理框图如下：

由于OOK信号中含有载频分量，所以在接收端可以使用VCO锁相环提取载波。

原理框图为下图8.6所示：

图8.6

七.实验总结

通过这次实验，我对OOK信号的产生和解调过程有了更加深刻的认识。

解调的过程中使用时钟提取，与实验七相同。

这次实验的内容是OOK信号的产生及解调。

OOK是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的导通与关闭，产生原理较为简单。

OOK信号的解调方式有相干及非相干两种。

本实验采用的是非相干解调方式，较为简便。

实验十一:

信号星座（选作）

一．实验目的：

1.了解MPSK及MQAM的矢量表示式及其信号星座图。

2.掌握MPSK及MQAM信号星座的测试方法。

二．实验器材

PC机一台、TIMS实验平台、示波器等

三．实验原理

信号星座：

N维信号空间中的M个点的集合，可用几何图形表示——星座图，信号点矢量长度的平方=信号的能量，两点之间的距离：

欧氏距离.

以MPSK信号为例：

四．实验内容及结果：

（1）实验步骤：

1.按照实验图11.1进行连接。

2.将序列发生器模块印刷电路板上的双列直插开关拨到“11”位置，产生长为2048的序列码。

3.将多电平编码器输出的I之路多电平信号及Q支路多电平信号分别接到示波器的X轴及Y轴上，调节示波器旋钮，可看到M=4、8、16的MPSK或M