通信原理实验指导书.docx

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通信原理实验指导书

I、模块介绍

本实验平台采用模块化设计。

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：

1、主控&信号源模块

2、2号模块数字终端&时分多址模块

3、3号模块信源编译码模块

4、6号模块信道编译码模块

5、7号模块时分复用&时分交换模块

6、8号模块基带传输编译码模块

7、9号模块数字调制解调模块

8、13号模块载波同步及位同步模块

9、21号模块PCM编译码及语音终端模块

1、主控&信号源模块

一、按键及接口说明

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。

d.7号时分复用&时分交换

功能一是设置时分复用的速率256Kbps/2048Kbps。

功能二是当复用速率为2048Kbps时，调整DIN4时隙。

e.8号基带编译码

设置该模块FPGA工作在“AMI”、“HDB3”、“CMI”、“BPH”编译码模式。

f.10号软件无线电调制

设置该模块的BPSK的具体参数。

具体参数有：

是否差分：

设置输入信号是否进行差分，即是BPSK还是DBPSK调制。

PSK调制方式选择：

设置BPSK调制是否经过成形滤波。

输出波形设置：

设置“I-Out”端口输出成形滤波后的波形或调制信号。

匹配滤波器设置：

设置成形滤波为升余弦滤波器或根升余弦滤波器。

基带速率选择：

设置基带速率为16Kbps、32Kbps、56Kbps。

g.11号软件无线电解调

设置该模块的两个参数，BPSK解调是否需要逆差分变换和解调速率。

5、系统升级

此选项用于模块内部程序升级时使用。

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。

2、2号模块数字终端&时分多址模块

一、模板框图

二、模块简介

时分复用（TDMA）适用于数字信号的传输。

由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率,因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。

每一时间片由复用的一个信号单独占用,在规定的时间内,多个数字信号都可按要求传输到达,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。

三、模块功能说明

1、时分复用。

通过拨码开关设置4组数字信号源（S1、S2、S3、S4）的数据，任选一组设置为帧同步码“01110010”，其它三组设置易于观察的数据。

四组数据分别经过并串变换后进入CPLD完成时分复用。

2、解时分复用。

将时分复用后的信号输入到解时分复用模块，同时加载一个帧同步信号就得到解复用的信号，通过3组LED行阵显示除帧同步码的数字信号。

四、端口说明

模块

端口名称

端口功能

时分复用

S1-S4

数字信号拨码输入

U1-U4

显示对应的数字输入信号

DoutA-DoutC

对应数字信号观测点

DoutD

对应数字信号观测点/8位数字信号输出

BS1

位同步时钟信号输入

DoutMUX

时分复用输出（DoutA、DoutB、DoutC、DoutD）

TDMA1

时分复用输出（01110010、00110011、DoutA、DoutB）

TDMA2

时分复用输出（01110010、01010101、DoutC、DoutD）

BSOUT

位同步信号输出

帧头指示

帧头指示信号（仅用于信道编码时的辅助观测）

解复用

DIN

时分复用信号输入

BSIN

位同步信号输入

FSOUT

帧同步信号观测点

U5-U7

显示解复用的信号

五、可调参数说明

拨码开关S1-S4。

每一组都有8位开关，1号开关对应数字信号的最高位。

拨码开关上拨表示数字信号“1”，下拨表示数字信号“0”。

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

端口名称

说明

S3

模块总开关。

被抽样信号

可输入信号源的正弦波信号。

抽样脉冲

输入信号源的方波信号。

S1

保持电路切换开关，实现自然抽样/平顶抽样。

抽样输出

输出抽样后信号。

LPF-IN

抗混叠低通滤波器输入。

LPF-OUT

抗混叠低通滤波器输出。

A/μ-In

A律或μ律输入。

A/μ-Out

μ律或A律输出。

时钟（编码）

待编码信号的时钟输入。

帧同步（编码）

待编码信号的帧同步信号输入。

编码输入

待编码信号输入。

编码输出

已编码信号输出。

时钟（译码）

待译码信号的时钟输入。

帧同步（译码）

待译码信号的帧同步信号输入。

译码输入

待译码信号输入。

译码输出

已译码信号输出。

PCM量化输出

PCM编码输出之后，G.711协议变换之前的信号输出。

本地译码

ΔM&CVSD编码当中的本地译码器输出。

一致脉冲

CVSD编码当中量阶调整时的一致脉冲输出。

量阶

ΔM&CVSD编码当中量阶调整时的量阶输出。

信源延时

ΔM&CVSD编码之前的信源延时输出，供辅助观测。

五、可调参数说明

S1开关可切换自然抽样/平顶抽样。

4、6号模块信道编译码模块

一、模块框图

二、模块简介

数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。

所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生，这就使得信道编译码过程显得尤为重要。

三、模块功能说明

1、汉明码。

汉明码利用了奇偶校验位的概念，通过在数据位后面增加一些比特，不仅可以验证数据是否有效，还能在数据出错的情况下指明错误位置。

2、循环码。

具有某种循环特性的线性分组码。

每位代码无固定权值，任何相邻的两个码组中，仅有一位代码不同。

3、BCH码。

BCH码解决了生成多项式与纠错能力的关系问题，可以再给定纠错能力要求的条件下寻找到码的生成多项式。

4、卷积码。

卷积码是一种非分组码，通常适用于前向纠错。

5、交织码。

交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，改善移动通信的传输特性。

四、端口说明

模块

端口名称

端口说明

编码

时钟

编码时钟输入

数据

数据输入

编码数据

编码数据输出

时钟

编码时钟输出

帧头指示

帧头指示信号观测点

延时输出1

延时输出信号观测点

帧同步

帧同步信号观测点

插错指示

插错指示观测点

译码

数据

数据输入

时钟

译码时钟输入

译码数据

译码数据输出

时钟

译码时钟输出

帧同步

帧同步信号输出

NRZD-IN

延时输入

延时输出2

延时输出信号观测点

误码指示

误码指示观测点

系统

系统复位

系统复位按键

码型选择

码型选择4位拨码开关

插错控制

插错控制4位拨码开关

五、可调参数说明

1、拨码开关S1，码型选择说明。

码型

汉明

循环

BCH

卷积编码

卷积译码

卷积编码+交织

卷积译码+解交织

编码

0001

0010

0011

0100

0101

1100

1101

2、拨码开关S2，插错控制说明。

在不同的码型下，S2的功能有所不同。

（1）汉明&循环

编码

0000

0001

0010

0011

0100

插错

无错

单个错

两个错

3个错模式1

3个错模式2

（2）BCH

编码

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

插错

无错

单个错

两个错

3个错

4个错

5个错

6个错

7个错模式1

7个错模式2

（3）卷积&交织

编码

0000

0001

0010

插错

无错

突发错

连续错

5、7号模块时分复用&时分交换模块

一、模块框图

二、模块简介

复用是通信系统中较为重要的一环节，复用目的是为了实现多路信号在同一信道上传输以达到减少对资源的占用。

应用于信道编码与基带传输编码中间，将一物理信道分为一个个的物理碎片，周期性的利用某一时隙，最后将其组合起来，形成以一完整的信号。

时分交换是在时分复用中的一个过程，而时分复用与时分交换模块也可应用于程控交换通信系统中。

三、模块功能说明

1、时分复用

当复用输出的为模式256K时，只用来观测3路帧同步（即时隙0、1、2，这三路信号就是对应的巴克码、DIN1和DIN2的接收数据），开关信号在3时隙。

由于256K模式复用只能提供4个时隙。

因此，DIN3和DIN4在256K复用模式下是无效的。

若模式为2048K时（速率为2M的E1传输），巴克码、DIN1、DIN2、DIN3、DIN4分别在0~4时隙。

开关信号默认在第5时隙，但其所在时隙可以由主控模块进行设置。

2、解时分复用

解时分复用与时分复用是相对应的一部分，用于基带传输编译码与先到译码模块之间，把配置在分立周期间间隔上的时分复用信号解开，在解复用输入与解复用时钟输入处接入信号，最后由Dout1-Dout4整理输出，与复用时的输入DIN1-DIN4始终相互对应的。

3、计算机串口二

与计算机连接的一接口，为RS232串口，当电平为1时，将输入±15v的电压转换为TTL电平，电平为0时，将-15v的电压转换为0v）。

四、端口说明

模块

端口名称

端口说明

时分复用

开关信号输入

输入电平信号

巴克码

内部自己给的，复用时放在0时隙（01110010）

误码插入

在做帧同步实验时进行误码的插入

DIN1

复用时放于第一时隙

DIN2

复用时放于第二时隙

DIN3

复用时放于第三时隙

DIN4

复用时放于第四时隙

FSIN

固定信号源，FS端口；与PCM编码数据对齐

复用输出

输出复用后信号

复用输出时钟

输出复用后时钟信号

FS0

第0时隙帧同步信号

解时分复用

解复用输入

输入复用信号

解复用时钟

输入复用时钟信号

FSOUT

为解复用模块提取帧同步，主要用于PCM译码

Dout1

解复用时调整输出第一时隙

Dout2

解复用时调整输出第二时隙

Dout3

解复用时调整输出第三时隙

Dout4

解复用时调整输出第四时隙

BSOUT

为解复用模块提取位同步

开关信号显示

将开关信号显示于光条上

计算机串口二

接收

电压接入

发送

电压输出

五、可调参数说明

1、开关信号输入是由一组八键二电平的拨码开关构成的，相应电平的选择即为相应模式。

2、开关信号显示是一组由八个发光二极管构成，其中灯亮为高电平1，灯灭为低电平0。

3、误码插入，在做帧同步实验时进行误码的插入，其中有两种出入方式，一是“短按”，即插入单次误码；二是“长按”,即插入多次误码。

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

模块

端口名称

端口说明

基带传输编码

数据

数据信号输入

时钟

时钟信号输入

编码输出

编码信号输出

误码插入

误码数据插入观测点，指示编码端错误

AMI-A1

AMI-A1信号编码后波形观测点

AMI-B1

AMI-B1信号编码后波形观测点

AMI输出

AMI信号编码后输出

HDB3-A1

HDB3-A1信号编码后波形观测点

HDB3-B1

HDB3-B1信号编码后波形观测点

HDB3输出

HDB3信号编码后输出

基带传输译码

HDB3输入

HDB3编码后的信号输入

HDB3-A2

HDB3-A2电平变换后波形观测点

HDB3-B2

HDB3-B2电平变换后波形观测点

单极性码

单极性码输出

AMI输入

AMI编码后的信号输入

AMI-A2

AMI-A2电平变换后波形观测点

AMI-B2

AMI-B2电平变换后波形观测点

译码输入

译码信号输入

译码时钟输入

译码时钟信号输入

误码检测

检测插入的误码

时钟

译码后时钟信号输出

数据

译码后数据信号输出

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：

载波1

载波2

ASK

128KHz

无

FSK

256KHz

128KHz

其他

256KHz

256KHz

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：

（1）ASK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。

（2）FSK解调输出部分，观测点包括单稳相加输出和低通滤波输出。

（3）BPSK/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

端口名称

说明

总开关

S2

模块总开关。

调制输入输出部分

基带信号

输入待调制的信号源。

差分编码时钟

输入差分编码时钟。

载波1

输入1号载波。

载波2

输入2号载波。

调制输出

调制信号输出端口。

调制中间观测点

NRZ_I

调制过程NRZ_I分量输出。

NRZ_Q

调制过程NRZ_Q分量输出。

I

NRZ_I与载波1相乘所得I信号观测点。

Q

NRZ_Q与载波2相乘所得Q信号观测点。

解调输入部分

解调输入

输入调制信号

相干载波

输入相干载波信号

ASK解调

整流输出

半波整流后的输出观测点。

LPF-ASK

低通滤波后的输出观测点。

ASK解调输出

ASK解调输出端口。

判决门限调节

调节门限判决的门限值。

FSK解调

单稳相加输出

单稳触发上下沿相加所得输出。

LPF-FSK

低通滤波后的输出观测点。

FSK解调输出

FSK解调输出端口。

BPSK/DBPSK解调

LPF-BPSK

低通滤波后的输出观测点。

BPSK解调输出

BPSK解调输出端口。

差分译码时钟

输入差分译码时钟信号。

DBPSK解调输出

DBPSK解调输出端口。

五、可调参数说明

1、S1：

通过S1拨码开关选择：

0000ASK/FSK/BPSK，0100DBPSK，1011QPSK，1111OQPSK。