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(实验四)移相键控PSK调制与解调实验参见实验四、五、六指导书;
(实验五)移频键控FSK调制与解调系统设计参见实验四、五、六指导书;
(实验六)数字通信系统综合实验参见实验七指导书。
其中设备分为两套,实验一、四、五使用实验室自己开发的实验电路模块,实验二、三、六使用实验室购置的JH5001型实验箱。
实验一码型变换——HDB3/AMI编译码与位同步提取
一、实验目的
1.了解二进制单极性码变换为HDB3/AMI码的编码规则,掌握其工作原理和实现方法。
2.掌握HDB3/AMI码的译码的原理及实现方法。
3.掌握HDB3码的位同步信号的提取方法。
4.根据测量和分析结果,画出电路关键节点的波形。
二、实验内容
1.用示波器观察单极性非归零码(NRZ码)、传号极性交替反转码(AMI码)、三阶高密度双极性码(HDB3码)以及HDB3码正、负极性波形。
2.用示波器观察从HDB3码中提取位同步信号的过程。
3.用示波器观察HDB3译码输出波形。
三、实验仪器
1.通原与高频信号实验箱一台
2.HDB3/AMI编译码与位同步提取单元模块一块
3.数字双踪示波器一台
4.频谱仪一台
5.连接线若干
四、实验原理
1.HDB3/AMI编译码规则
(1)AMI(AlternativeMarkInversion)码的全称是信号交替反转码,是通信编码中的一种,为极性交替翻转码,分别有一个高电平和低电平表示两个极性。
其编码规则为:
消息代码中的0为传输码中的0,消息代码中的1用传输码中的+1、-1交替表示。
例如:
消息代码:
1010100010111
AMI码:
+10-10+1000-10+1-1+1
而AMI码的解码规则很简单,从收到的符号序列中将所有的-1变换成+1后,就可以得到原消息代码。
(2)HDB3(HighDensityBipolarofOrder3)码的全称是三阶高密度双极性码,事AMI码的一种改进型。
其编码规则如下:
先将信码变换为AMI码,再检查连零情况,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”。
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”的符号破坏这种符号交替反转原则,但相邻“V”码的符号又是交替反转的。
因此,HDB3码是占空比为50%的双极性归零码。
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。
虽然HDB3码的编码规则比较复杂,但译码却比较简单。
从上述原理看出,每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B在内)。
这就是说,从收到的符号序列中可以容易的找到破坏点V,于是也断定V的符号及其前面的3个符号必是连0符号,从而恢复4个连0码,再将所有—1变成+1后便得到原消息代码。
设信息码为00000110000100000,则NRZ码HDB3码如图5-1所示。
图1-1NRZ、HDB3码型图
2.HDB3/AMI码编译码原理
该码型变换电路采用专用集成芯片CD22103对HDB3进行编译码,其第3脚接+5V时为HDB3编译码器,接地时为AMI编译码器。
(1)编码原理
HDB3/AMI码的编码原理框图如图1-2所示。
下面以HDB3为例阐述其编码原理。
图1-2HDB3/AMI编码方框图
编码时,输入NRZ码信号及编码时钟CTX,通过编码器输出两路并行信号TD+和TD-,它们都是半占空比的正脉冲信号,分别与HDB3码的正极性信号及负极性信号相对应。
由于TD+和TD-信号都是半占空比的正脉冲信号,要通过适当的单双变换电路转换,该系统中采用模拟开关74HC4052对这两路信号进行控制,将两路单极性信号作为控制信号轮流选通+5V和-5V,最后输出为双极性的HDB3码。
(2)译码原理及位同步提取
HDB3/AMI码的译码原理框图如图1-3所示。
仍以HDB3为例阐述其译码原理。
图1-3HDB3/AMI译码方框图
将HDB3码经过双单变换,可采用反相器电路,转换为译码所需的两路并行正脉冲信号RD+和RD-后送入译码器。
欲对HDB3信号译码得到NRZ信号,必须从HDB3信号中提取位同步信号作为译码时钟。
由于HDB3信号本身不含有位同步频率成分,故不能从HDB3信号中直接提取位同步。
双/单极性变换器及相加器构成一个整流器,HDB3经整流后得到的HDB3-D信号含有位同步信号频率离散谱。
经选频网络二次选频之后,可得到与发送时钟同频率的正弦波信号,再经限幅、整形放大后可得到译码所需的位同步信号BS。
在CD22103中,全波整流的过程已经集成在芯片内部,芯片的第10管脚输出便是HDB3-D信号,只需将此输出进行选频等后续处理即可提取出位同步信号BS。
译码时,将位同步信号BS(接收时钟CRX)、HDB3码变换成的两路单极性信号RD+和RD-分别送到CD22103的第5、第13、第11脚,即可得到译码输出NRZ信号。
3.芯片介绍
CD22103的引脚及内部框图如图1-4所示,详细说明如下:
图1-4CD22103的引脚及内部框图
PIN1:
NRZ-IN编码器NRZ信号输入端;
PIN2:
CTX编码时钟输入端;
PIN3:
AMI/HDB3码型选择端:
接TTL高电平时选择HDB3码;
接TTL低电平时选择AMI码;
PIN4:
NRZ-OUTHDB3译码后信码输出端;
PIN5:
CRX译码时钟(位同步信号)输入端;
PIN6:
RAIS告警指示信号(AIS)检测电路复位端,负脉冲有效;
PIN7:
AISAIS信号输出端,有AIS信号为高电平,无AIS信号为低电平;
PIN8:
VSS接地端;
PIN9:
ERR不符合HDB3/AMI码编码规则的误码脉冲输出端;
PIN10:
CKRHDB3码的汇总输出端;
PIN11:
-HDB3-INHDB3译码器负码输入端;
PIN12:
LTFHDB3译码内部环回控制端,接高电平时为环回,接低电平时为正常;
PIN13:
+HDB3-INHDB3译码器正码输入端;
PIN14:
-HDB3-OUTHDB3编码器负码输出端;
PIN15:
+HDB3-OUTHDB3编码器正码输出端;
PIN16:
VDD接电源端(+5V)
CD22103主要由发送编码和接收译码两部分组成,工作速率为50Kbps~10Mbps。
两部分功能简述如下。
发送部分:
当AMI/HDB3端接高电平时,编码电路在编码时钟CTX上升沿的作用下,将NRZ码编成HDB3码(+HDB3-OUT、-HDB3-OUT两路输出);
接低电平时,编成AMI码。
接收部分:
(1)在译码时钟CRX的上升沿作用下,将HDB3码(或AMI码)译成NRZ码。
(2)HDB3码经逻辑组合后从CKR端输出,供时钟提取等外部电路使用。
(3)可在不断业务的情况下进行误码检测,检测出的误码脉冲从ERR端输出,其脉宽等于收时钟的一个周期,可用此进行误码计算。
(4)可检测出所接收的AIS码,检测周期由外部RAIS决定。
据CCITT规定,在RAIS信号的一个周期(500)内,若接收信号中“0”码个数少于3,则AIS端输出高电平,使系统告警电路输出相应的告警信号,若接收信号中“0”码个数不少于3,AIS端输出低电平,表示接收信号正常。
(5)具有环回功能。
4.信号源单元
本单元实验中需要用到时钟信号与NRZ码信号。
(1)考虑CD22103的工作速率,选用时钟信号为256KHz方波,电路原理框图如图1-5所示。
图1-5时钟信号方框图
选用十四位二进制异步计数器74HC4060实现,由其内部的与非门与4.096MHz晶体组成方波振荡器。
同时74HC4060内部可以进行十四位二分频,最多可以对信号频率进行除以(214=16384)的处理。
将振荡器产生的4.096MHz方波信号进行16分频后就可得到需要的256KHz的时钟信号。
(2)NRZ码为7/15位m序列。
其原理框图如图1-6所示。
图1-6NRZ码原理方框图
由开关选择m序列的周期长度,若取本原多项式f(x)=1+x+x4,则长度为15位,代码为111101*********;
若取本原多项式f(x)=1+x+x3,则长度为7位,代码为1110100。
实际电路由串入并出移位寄存器74HC164和异或门74HC86实现,而其所需时钟信号则由前面图1-5中的256KHz信号提供。
五、实验步骤
本实验使用HDB3/AMI编译码与位同步提取单元模块和通原与高频信号实验箱。
模块由虚线划分为左右两块,左边单元为HDB3/AMI编译码与位同步提取实验电路单元(以下简称HDB3电路),右边为信号源电路单元,包括时钟信号产生电路与NRZ码产生电路。
1.模块单元插于实验箱中,接好电源线,打开实验箱电源开关,对应的红、绿发光二极管发光,实验模块开始正常工作。
2.实验中的编码时钟信号与NRZ码由模块右边的信号源单元产生,其码速率为256KHz。
用连接线将时钟信号产生电路中的“SQ256KHz”点与NRZ码产生电路中的“CLK-IN”点相连,用示波器分别观察“CLK-IN”点与“NRZ-OUT”点的波形,以时钟信号为基准读取NRZ码的码元,若无输出可按一下按键“S1”施加一个初始状态的高电平激发从而获得正常的m序列信号,通过改变开关“J3”的短接状态可改变m序列的长度。
3.信号源单元中的“SQ256KHz”点与实验单元的“CTX”点相连,信号源单元中的“NRZ-OUT”点与实验单元的“NRZ-IN”点相连。
4.用示波器和频谱仪观察HDB3/AMI编译码与位同步提取单元中各点的波形。
改变开关“J1”的短接状态可改变编译码类型,短接左边为HDB3编译码,短接右边为AMI编译码。
1)示波器的两个探头CH1和CH2分别接“CTX”、“NRZ-IN”点,分别观察两点的时域波形,改变开关“J3”的短接状态,读出时钟速率及不同长度的NRZ码型;
用频谱仪测出NRZ码的频谱及带宽。
2)示波器的两个探头CH1和CH2分别接“TD+”、“TD-”点,观察HDB3/AMI编码的两路极性信号输出(编码正极性信号和负极性信号)。
熟悉CD22103芯片内部的编码工作原理。
3)示波器的探头CH1和CH2分别接“NRZ-IN”、“HDB3/AMI”点,观察HDB3/AMI编码的汇总输出信号(汇总输出信号是
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