信息传输原理与技术实验课实验手册文档格式.docx
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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:
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:
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”。
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。
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:
FIR滤波器输入口。
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。
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。
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。
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
五、可调参数说明
S1开关可切换自然抽样/平顶抽样。
6、8号模块基带传输编译码模块
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。
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。
7、9号模块数字调制解调模块
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。
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:
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:
(1ASK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。
(2FSK解调输出部分,观测点包括单稳相加输出和低通滤波输出。
(3BPSK/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。
1、S1:
通过S1拨码开关选择:
0000ASK/FSK/BPSK,0100DBPSK,1011QPSK,1111OQPSK。
2、W1:
通过W1调节门限判决的门限值。
9、21号模块PCM编译码及语音终端模块
在通信原理实验中,语音信号的编译码过程十分重要。
整个通话过程就是一个最基本的数字通信过程,在实际生活中具有广泛的应用。
该模块采用PCM编译码专用集成芯片W681512完成信源编译码功能,并提供了耳机和话筒的接口,同时融入了扬声器。
1、PCM编译码单元(W681512集成芯片
包含有PCM编码及译码功能,可通过开关切换A律或μ律编译码方式。
2、话筒接口单元
可将耳麦的话筒端接入话筒接口,用于将话音信号送入实验传输系统中。
3、耳机接口单元
可将耳麦的耳机端接至耳机接口,用于反馈实验传输系统中的话音信号。
4、扬声器单元
将模拟语音信号经功放,送入扬声器播放。
1、音量W1:
旋转音量旋钮调节功放的放大倍数,实现音频信号输出频率的大小调节。
10、17号模块信道模拟模块(选配
信道模拟是估计系统性能的一种具体方法。
模块主要模拟实际传输中可能产生的噪声因素,如低通或带通模拟信道、白噪声信道、快衰落信道和慢衰落信道,通过观测眼图的张开和闭合和传输数据的码元,观测处码间干扰和噪声的影响。
1、低通信道模拟
未加升余弦滤波的低通信道模拟
未加升余弦滤波的低通信道模拟原理框图
系统提供有多种低通信道模拟功能,可通过主控模块设置为6KHz低通信道、5.5KHz低通信道、5KHz低通信道、4.5KHz低通信道、成形滤波+6KHz低通信道、成形滤波+5.5KHz低通信道、成形滤波+5KHz低通信道和成形滤波+4.5KHz低通信道。
如图所示,实验中观
察PN序列经低通传输的眼图效果,可以手动调节低通信道中白噪声幅度大小。
2、带通信道模拟
PSK
调制
信号
加升余弦滤波的带通信道模拟
加升余弦滤波的带通信道模拟原理框图
系统提供有多种带通信道模拟功能,可通过主控模块设置为250KHz~262KHz带通信道、251KHz~261KHz带通信道、251.5KHz~260.5KHz带通信道、252KHz~260KHz带通信道。
如图所示,实验中观察以载频为256KHz调制信号经过带通信道的传输效果,可以手动调节带通信道中白噪声幅度大小。
3、白噪声信道模拟
将10.7MHz的调制信号作为输入信号,经白噪声信道进行传输。
4、快衰落信道模拟
将10.7MHz的调制信号作为输入信号,经快衰落信道进行传输。
5、慢衰落信道模拟
将10.7MHz的调制信号作为输入信号,经慢衰落信道进行传输。
1、电位器W1噪声幅度调节旋钮,可以调节低通或噪声信道中白噪声的幅度调节旋钮。
II、实验基本操作说明
本说明适用于创新实训平台,阐述了实验前期模块准备、参数设置、波形观测等一系列基本操作,为实验者提供了一定的操作参考方法。
1、实验前先检查所需模块是否固定好,供电是否良好。
在未连线的情况下打开实验箱总电源开关及各模块电源开关,模块左边电源指示灯应全亮;
若不亮,请关电后拧紧模块四角的螺丝再检查。
2、准备工作做完后,请在断电情况下根据实验指导书步骤进行连线。
3、打开电源开关后需要先进行菜单设置再进行实验。
开电后,首先弹出的是公司LOGO界面,然后自动进入到主菜单界面,旋转控制旋钮选择所需实验课程,按下旋钮进入实验课程,再在实验课程中选择所需实验。
选择所需实验时会弹出响应的实验信息提示,按下确定键,提示框即消失,进入所选实验界面。
4、实验观测前,需要调节信号源输出信号相关参数。
用示波器探头夹夹住导线的金属头,将导线另一头连接待测信号源输出端口,再调节相应旋钮和按键开关。
5、观测实验波形时,有三种基本测试方法。
(1对于测试勾,可直接用示波器探头夹夹住测试后并确定夹紧即可;
(2或将示波器探头夹取下来,直接用探头夹接触测试点,观察波形时需要注意固定好示波器探头;
(3对于台阶插座,可用导线连接台阶座与示波器探头夹子,连接方法与实验基础操作说明第四点中的叙述相同。
6、本实验指导书中实验步骤基本分为四点:
(1连线;
(2实验初始状态设置,此设置中包含菜单设置,实验前模块拨码开关设置以及信号源输出设置等;
(3实验初始状态说明,统一说明了实验中各信号源初始状态及实验环境;
(4观测,针对各实验项目要求,用示波器等辅助仪器观测并记录实验结果。
第一章信源编码技术
实验一抽样定理实验
一、实验目的
1、了解抽样定理在通信系统中的重要性。
2、掌握自然抽样及平顶抽样的实现方法。
3、理解低通采样定理的原理。
4、理解实际的抽样系统。
5、理解低通滤波器的幅频特性对抽样信号恢复的影响。
6、理解低通滤波器的相频特性对抽样信号恢复的影响。
7、理解带通采样定理的原理。
二、实验器材
信号源、3号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、连接线若干
三、实验原理
1、实验原理框图
图1-1抽样定理实验框图
2、实验框图说明
抽样信号由抽样电路产生。
将输入的被抽样信号与抽样脉冲相乘就可以得到自然抽样信号,自然抽样的信号经过保持电路得到平顶抽样信号。
平顶抽样和自然抽样信号是通过开关S1切换输出的。
抽样信号的恢复是将抽样信号经过低通滤波器,即可得到恢复的信号。
这里滤波器可以选用抗混叠滤波器(8阶3.4kHz的巴特沃斯低通滤波器或FPGA数字滤波器(有FIR、IIR两种。
反sinc滤波器不是用来恢复抽样信号的,而是用来应对孔径失真现象。
要注意,这里的数字滤波器是借用的信源编译码部分的端口。
在做本实验时与信源编译码的内容没有联系。
四、实验步骤
实验项目一抽样信号观测及抽样定理验证
概述:
通过不同频率的抽样时钟,从时域和频域两方面观测自然抽样和平顶抽样的输出波形,以及信号恢复的混叠情况,从而了解不同抽样方式的输出差异和联系,验证抽样定理。
1、关电,按表格所示进行连线。
2、开电,设置主控菜单,选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
调节主控模块的W1使A-out输出峰峰值为3V。
3、此时实验系统初始状态为:
被抽样信号MUSIC为幅度4V、频率3K+1K正弦合成波。
抽样脉冲A-OUT为幅度3V、频率9KHz、占空比20%的方波。
4、实验操作及波形观测。
(1观测并记录自然抽样前后的信号波形:
设置开关S13#为“自然抽样”档位,用示波器分别观测MUSIC主控&
信号源和抽样输出3#。
(2观测并记录平顶抽样前后的信号波形:
设置开关S13#为“平顶抽样”档位,用示波器分别观测MUSIC主控&
(3观测并对比抽样恢复后信号与被抽样信号的波形:
设置开关S13#为“自然抽样”档位,用示波器观测MUSIC主控&
信号源和LPF-OUT3#,以100Hz的步进减小A-OUT主控&
信号源的频率,比较观测并思考在抽样脉冲频率多小的情况下恢复信号有失真。
(4用频谱的角度验证抽样定理(选做:
用示波器频谱功能观测并记录被抽样信号MUSIC和抽样输出频谱。
以100Hz的步进减小抽样脉冲的频率,观测抽样输出以及恢复信号的频谱。
(注意:
示波器需要用250kSa/s采样率(即每秒采样点为250K,FFT缩放调节为×
10。
通过观测频谱可以看到当抽样脉冲小于2倍被抽样信号频率时,信号会产生混叠。
实验项目二滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响
该项目是通过改变不同抽样时钟频率,分别观测和绘制抗混叠低通滤波和fir数字滤波的幅频特性曲线,并比较抽样信号经这两种滤波器后的恢复效果,从而了解和探讨不同滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响。
1、测试抗混叠低通滤波器的幅频特性曲线。
(1关电,按表格所示进行连线。
(2开电,设置主控模块,选择【信号源】→【输出波形】和【输出频率】,通过调节相应旋钮,使A-OUT主控&
信号源输出频率5KHz、峰峰值为3V的正弦波。
(3此时实验系统初始状态为:
抗混叠低通滤波器的输入信号为频率5KHz、幅度3V的正弦波。
(4实验操作及波形观测。
用示波器观测LPF-OUT3#。
以100Hz步进减小A-OUT主控&
信号源输出频率,观测并记录LPF-OUT3#的频谱。
记入如下表格:
由上述表格数据,画出模拟低通滤波器幅频特性曲线。
思考:
对于3.4KHz低通滤波器,为了更好的画出幅频特性曲线,我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小?
2、测试fir数字滤波器的幅频特性曲线。
(2开电,设置主控菜单:
选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
调节【信号源】,使A-out输出频率5KHz、峰峰值为3V的正弦波。
fir滤波器的输入信号为频率5KHz、幅度3V的正弦波。
用示波器观测译码输出3#,以100Hz的步进减小A-OUT主控&
信号源的频率。
观测并记录译码输出3#的频谱。
由上述表格数据,画出fir低通滤波器幅频特性曲线。
对于3KHz低通滤波器,为了更好的画出幅频特性曲线,我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小?
3、分别利用上述两个滤波器对被抽样信号进行恢复,比较被抽样信号恢复效果。
(1关电,按表格所示进行连线:
(2开电,设置主控菜单,选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR
滤波器】。
调节W1主控&
信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。
待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波,抽样时钟信号A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。
对比观测不同滤波器的信号恢复效果:
用示波器分别观测LPF-OUT3#和译码输出3#,以100Hz步进减小抽样时钟A-OUT的输出频率,对比观测模拟滤波器和FIR数字滤波器在不同抽样频率下信号恢复的效果。
(频率步进可以根据实验需求自行设置。
不同滤波器的幅频特性对抽样恢复有何影响?
实验项目三滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。
该项目是通过改变不同抽样时钟频率,从时域和频域两方面分别观测抽样信号经fir滤波和iir滤波后的恢复失真情况,从而了解和探讨不同滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。
1、观察被抽样信号经过fir低通滤波器与iir低通滤波器后,所恢复信号的频谱。
(2开电,设置主控菜单,选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
a、观测信号经fir滤波后波形恢复效果:
设置主控模块菜单,选择【抽样定理】→【FIR滤波器】;
设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为7.5KHz;
用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形和频谱。
b、观测信号经iir滤波后波形恢复效果:
设置主控模块菜单,选择【抽样定理】→【IIR滤波器】;
c、探讨被抽样信号经不同滤波器恢复的频谱和时域波形:
被抽样信号与经过滤波器后恢复的信号之间的频谱是否一致?
如果一致,是否就是说原始信号能够不失真的恢复出来?
用示波器分别观测fir滤波恢复和iir滤波恢复情况下,译码输出3#的时域波形是否完全一致,如果波形不一致,是失真呢?
还是有相位的平移呢?
如果相位有平移,观测并计算相位移动时间。
实际系统中,失真的现象不一定是错误的,实际系统中有这样的应用。
2、观测相频特性
(2开电,设置主控菜单,选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
(3此时系统初始实验状态为:
A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。
对比观测信号经fir滤波后的相频特性:
设
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