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《通信原理》实验指导书
实验一信号源与码型变换实验
一、实验目的
1、掌握信号源模块的使用方法。
2、了解几种常见的数字基带信号。
3、掌握常用数字基带传输码型的编码规则。
4、掌握用FPGA实现码型变换的方法。
二、实验设备
1、信号源模块。
2、码型变换模块。
3、20M双踪示波器。
三、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:
10100110
+E
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零电平。
例如:
10100110
+E
③BRNZ码
BRNZ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:
10100110
+E
0
--E
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:
10100110
+E
0
+E
⑤AMI码
AMI码的全称是传号交替反转码,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"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。
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"的符号破坏这种符号交替反转原则,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。
2、电路原理
将信号源产生的NRZ码和和位同步信号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口不能直接连接负电平,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,再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(4051)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”点输出的数字码即为NRZ码,其产生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进行解码,恢复出原始的NRZ码。
③AMI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信号相遇后得到控制信号AMIB,该信号与NRZ码作为控制信号送入单八路模拟开关U905(4051)的控制端,U905的输出即为AMI码。
解码过程与BRNZ码一样,,也需先经过双一单变换,再送入U900进行解码。
④HDB3码
HDB3码的编、解码框图分别如图1-1、1-2所示,其编、解码过程与AMI码相同。
NRZ信码
四连"0"检测取代节
及补“1”电路选择
破坏点 单-双极性HDB3编码输出
形成电路变换电路
图1-1HDB3编码原理框图
HDB3码输入双-单极性判决电路破坏点取代节NRZ码输出
变换电路检测电路去除电路
位同步信号
图1-2HDB3解码原理框图
四、实验内容与步骤
1、将信号源模块、码型变换模块固定在机箱中,打开机箱右侧的交流开关,再分别按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。
2、将信号源模块的拨码开关SW101、SW102设置为0000010100000000,SW103、SW104、SW105设置为011100100011000000101010。
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。
3、分别将信号源模块与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HDB3、BRZ、BNRZ与AMI各点波形。
4、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码为触发信号源,观察码型变换模块上HDB3、BRZ、BNRZ与AMI各点波形。
5、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,观察码型变换模块上HDB3、BRZ、BNRZ与AMI各点波形。
五、预习要求
1、复习教材中有关内容。
2、熟悉本实验箱的工作原理。
3、掌握双踪示波器的使用。
六、实验报告与思考题
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试点的波形。
3、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位的同期性NRZ码时才能正常工作?
实验二普通双边带调幅与解调实验
一、实验目的
1、掌握普通双边带调幅与解调原理及实现方法。
2、掌握二极管包络检波原理。
3、掌握调幅信号的频谱特性。
4、了解普通双边带调幅与解调优缺点。
二、实验内容
1、观察普通双调幅波形。
2、观察普通双边带调幅波形频谱。
3、观察普通双边带解调波形。
三、实验器材
1、信号源模块
2、PAM/AM模块
3、终端模块
4、频谱分析模块
5、20M双踪示波器
6、音频信号发生器(可选)
7、立体声单放机(可选)
8、立体声耳机
9、连接线若干
四、实验原理
1、普通双边调幅
所谓调制,就是在传送信号的一方(发送端)将所要传送的信号(它的频率一般是较低的)“附加”在高频振荡信号上。
所谓将信号“附加”在高频振荡上,就是利用信号来控制高频振荡的某一参数,使这个参数随信号而变化,这里,高频振荡波就是携带信号的“运载工具”,所以也叫载波。
在接收信号的一方(接收端)经过解调(反调制)的过程,把载波所携带的信号取出来,得到原有的信息,解调过程也检波。
调制与解调都是频谱变换的过程,必须用非线性元件才能完成。
调制的方式可分为连续波调制与脉冲波调制两大类,连续波调制是用信号来控制载波的振幅、频率或相应,因而分为调幅、高频和调相三种方式;脉冲波调制是先用信号来控制脉冲波的振幅、宽度、位置等,然后再用这已调脉冲对载波进行调制,脉冲调制有脉冲振幅、脉宽、脉位、脉冲编码调制等多种方式。
本实验模块所要进行的实验是连续波的振幅调制与解调,即普通双边带调幅与解调。
我们已经知道,调幅波的特点是载波的振幅受调制信号的控制作周期性的变化,这变化的周期与调制信号的周期相同,振幅变化与调制信号的振幅成正比。
为简化分析,假定调制信号是简谐振荡,即为单频信号,其表达式为:
uΩ(t)=UΩmcosΩt
如果用来对载波uc(t)=Ucmcosωct(ωc≥Ω)进行调幅,那么,在理想情况下,普通调幅信号为:
uAM(t)=(Ucm+kUΩmcosΩt)cosωct
=Ucm(1+MacosΩt)cosωct(2—1)
其中调幅指数Ma=kUΩm/Ucm,0<Ma≤1,k为比例系数。
图2-1给出了uΩ(t)、uc(t)和uAM(t)的波形图。
图2-1普通调幅波形
从图中并结合式(2-1)可以看出,普通调幅信号的振幅由直流分量Ucm和交流分量kUΩmCOSΩt叠加而成,其中交流分量与调制信号成正比,或者说,普通调幅信号的包络(信号振幅各峰值点的连线)完全反映了调制信号的变化。
另外还可得到调幅指数Ma的表达式:
显然,当Ma>1时,普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同,产生了失真,称为过调制失真。
如图2-2所示。
所以,普通调幅要求Ma必须不大于1。
图2-2过调制波形
式(2—1)又可以写成:
uAM(t)=Ucmcosωct+MaUcm[cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t]/2(2—2)
可见,uAM(t)的频谱包括了三个频率分量:
ωc(载波)、ωc+Ω(上边频)和ωc-Ω(下边频)。
原调制信号的频带宽度是Ω(或F=Ω/2π),而普通调幅信号的频带宽度是2Ω(或2F),是原调制信号的两倍。
普通调幅信号频谱搬移到了载频的左右两旁,如图2—3所示。
被传送的调制信息只存在于边频中而且是在载频中,携带信息的边频分量最多只占总功率的三分之一(因为Ma)。
在实际系统中,平均调幅指数很小,所以边频功率占的比例更小,功率利用率更低。
为了提高功率利用率,可以只发送两个边频分量而不发送载频分量,或者进一步仅发送其中一个边频分量,同样可以将调制信息包含在调制信号中。
这两种调制方式分别称为抑制载波的双边带调幅(简称双边带调幅)和抑制载波的单边带调幅(简称单边带调幅)。
本实验模块所进行的实验是双边带调制与解调。
图2-3普通调幅波的频谱
双边带调幅信号产生的具体电路原理图如图2-4所示。
图2-4双边带调幅信号产生电路原理图
图中MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。
MC1496可用于振幅调制、同步检波、鉴频。
本实验就是采用MC1496作为振幅调制器。
高频载波信号从“载波输入”点输入,经高频耦合电容C207输入至U202(MC1496)的10脚。
低频基带信号从“音频输入”的输入,经低频耦合电容E205输入至U202的1脚。
C208为高频旁路电容,E206为低频旁路电容。
调幅信号从MC1496的12脚输出。
实际上,从此脚输出的调幅信号还要经过滤波,这样才能保证调幅信号的质量。
滤波电路如图2-5所示。
图2-5双边带调幅信号的滤波
2、普通双边带解调
在解调电路中,采用二极管包络检波对调幅信号进行解调。
因为二极管D202的作用是实现高频包络检波,所以要求二极管的正向导通压降越小越好,在这里采用的是锗型二极管2AP9,其正向导通电压UF≤0.3V,可以很好的满足要求。
R225为负载电阻,C213为负载电容,它的值应该选取在高频时,其阻抗远小于R,可视为短路;而在调制频率(低频)时,其阻抗则远大于R,可视为开路。
利用二极管的单向导电性和检波负载RC的充放电过程,就可以还原出与调幅信号包络基本一致的信号。
具体电路如图2-6所示。
图2-6二极管包络检波解调电路
五、实验步骤
1、将信号源模块、PAMAM模块、终端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POWER1、POWER2,对应的发光二极管LED001、LED002、D200、L1、L2、LED600发光,按一下信号源模块的复位键,四个模块均开始工作。
3、使信号源模块的信号输出点“模拟输出”的输出为频率2KHz、峰-峰值为0.5V左右的正弦波,旋转“64K幅度调节”电位器使“64K正弦波”处信号的峰-峰值为1V。
4、用连接线连接信号源模块的信号输出点“模拟输出”和PAMAM模块的信号输入点“AM音频输入”,以及信号源模块的信号输出点“64K”正弦波和PAMAM模块的信号输入点“AM载波输入”,调节PAMAM模块的电位器“调制深度调节”,同时用示波器观察点“调幅输出”处的波形,可以观察到普通双边带调幅波形和抑制载波的双边带调幅波形。
5、观察“AM载波输入”、“AM音频输入”、“调幅输出”、“滤波输出”、“解调幅输出”各点波形。
6、改变“AM音频输入”的频率及幅度,重复观察各点波形。
7、改变“AM载波输入”的频率及幅度,重复观察各点波形。
8、将收音机输出的音频信号引入信号源的信号输入点“IN”,再将信号源模块的信号输出点“OUT”与PAMAM模块的信号输入点“AM音频输入”连接起来,以及信号源模块的信号输出点“64K”正弦波和PAMAM模块的信号输入点“AM载波输入”,重复上述实验并观察各点波形。
9、用连接线连接PAMAM模块的信号输出点“解调幅输出”与终端模块的信号输入点“S-IN”,在耳机插孔SI中插上耳机,听还原出来的波形。
六、预习要求
1、复习教材中有关内容。
2、熟悉本实验箱的工作原理。
3、了解输入点、输出参考说明。
①输入点参考说明
AM音频输入:
模拟信号输入点,输入的信号即为基带信号。
AM载波输入:
载波信号输入点,频率应远高于基带信号。
②输出点参考说明
调幅输出:
调幅信号输出点。
解调幅输出:
解调幅信号解调输出点。
七、实验报告与思考题
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、为什么普通双边带调幅的信息传输速率较低,应该采用什么样式方法加以避免?
4、单边带、双边带、残留边带和抑制载波双边带调幅这几种调制方式各有什么优点和缺点?
5、调节电位器“调制深度调节”时,调幅信号会发生怎样的变化,为什么?
实验三 ASK、FSK、PSK调制实验
一、实验目的
1、掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。
2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号的方法。
3、掌握相对码波形与2PSK信号波形之间的关系,绝对码波形与2DPSK信号波形之间的关系。
二、实验设备
1、信号源模块
2、数字调制模块
3、20M双踪示波器
4、频率计(选用)
三、实验原理
调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数字调制。
由于被调载波有幅度、频率、相位三个独立的可控参量,当用二进制信号分别调制这三种参量时,就形式了二进制振幅键控(2ASK)、二进制移频键控(2FSK)、二进制移相键控(2PSK)三种最基本的数字频带调制信号,而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。
1、2ASK调制原理
在振幅键控中载波幅度是随着基带信号而变化的。
将载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断,即用载波幅度的有无来代表信号中的"1"或者是"0",这样就可以得到2ASK信号,这种二进制振幅度键控方式称为通——断键控(OOK)。
2ASK信号典型的时域波形如图3-1所示,其时域数学表达式为:
S2ASK=αn•Acosωct(3-1)
式中,A为未调载波幅度,ωc为载波角频率,αn为符合下列关系的二进制序列的第n个码元:
0出现概率为P
αn=(3-2)
1出现概率为1–P
综合式6-1和6-2,令A=1,则2ASK信号的一般时域表达式为:
S2ASK(t)=[Σαng(t–nTS)]cosωct
=S(t)cosωct(3-3)
式中,Ts为码元间隔,g(t)为持续时间[-Ts/2,Ts/2]内任意波形形状的脉冲(分析时一般设为归一化矩形脉冲),而S(t)就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。
图3-1 2ASK信号的典型时域波形
为了更深入掌握2ASK信号的性质,除时域分析外,还应进行频域分析。
由于二进制序列一般为随机序列,其频域分析的对象应为信号功率谱密度。
设g(t)为归一化矩形脉冲,若g(t)的傅氏变换为G(f),S(t)则为二进制随机单极性矩形脉冲序列,且任意码元为0的概率为P,则S(t)的功率谱密度表达式为:
Ps(f)=fsP(1-P)|G(f)|2+f2s(1-p)2|G(0)|2ζ(f)(3-4)
式中,G(f)=Ts[sinπρTS/πfTS],fs=1/TsHZ,并与二进制序列的码元速率Rs在数值上相等。
可以看出,单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。
2ASK信号的双边功率谱密度表达式为:
P2ASK(f)=¼fsP(1-P)[|G(f+fc)|2+[|G(f-fc)2|]+
¼f2s(1-P)2|G(0)|2[ζ(f+fc)+ζ(f-fc)] (3-5)
式(6-5)表明,2ASK信号的功率谱密度由两个部分组成:
(1)由g经线性幅度调制所形成的双边带连续谱;
(2)由被调载波分量确定的载频离散谱。
图6-2为2ASK信号的单边功率谱示意图。
图3-2 2ASK信号的单边功率谱密度示意图
对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽。
在不同应用场合,信号带宽有多种度量定义,但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的"谱零点带宽",这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含信号大部分功率的信号。
显然,2ASK信号的谱零点带宽为:
B2ASK=(fc+Rs)-(fc-Rs)=2RS=2/TS (HZ) (3-6)
式中,Rs为二进制序列的码元速率,它与二进制序列的信息率(比特率)Rb(bit/s)在数值上相等。
2ASK信号
载波开关电路
基带信号
图6-32ASK调制原理框图
图3-4 2ASK调制电路原理图
2ASK信号的产生方法比较简单。
首先,因2ASK信号的特征是对载波的"通——断键控",用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门,由二进制序列S(t)控制门的通断,S(t)=1时开关导通;S(t)=0时开关截止,这种调制方式称为通——断键控法。
其次,2ASK信号可视为S(t)与载波的乘积,故用模拟乘法实现2ASK调制也是很容易想到的另一种方式,称其为乘积法。
在这里,我们采用的是通——断键控法,2ASK调制的基带信号和载波信号分别从"ASK基带输入"和"ASK载波输入"输入,其原理框图和电路原理分别如图6-3、图6-4所示。
2、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的,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,以an和an为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。
2FSK信号的典型时域波形如图6-5所示,其一般时域数学表达式为:
S2FSK(t)=[Σαng(t-nTS)]cosω0t+[Σαng(t-nTS)]cosω1t(3-7)
式中ω0=2πf0,ω1=2πf1,αn是αn的反码,即:
0 概率为P
αn =
1 概率为1-P
1 概率为P
αn =
0 概率为1-P
图3-5 2FSK信号的典型时域波形
因为2FSK属于频率调制,通常可定义其移频键控指数为:
h=|f1-f0|TS=|f1-f0|/RS(3-8)
显然,h与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的,其大小对已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:
B2FSK=|f1-f0|+2RS(HZ)(3-9)
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。
在这里,我们采用的是频率选择法,其调制原理框图如图3-6所示:
载波1开关1
基带信号倒相器2FSK信号
相加器
载波2开关2
图3-62FSK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,1路经U404(LM339)反相后接至U405B(4066)的控制端,另1路直接接至U405A(4066)的控制端。
从"FSK载波输入1"和"FSK载波输入2"输入的载波信号分别接至U405A和U405B的输入端。
当基带信号为"1"时,模拟开关U405B打开,U405B关闭,输出第一路载波;当基带信号为"0"时,U405A关闭,U405B打开,此时输出第二路载波,再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。
3、2DPSK调制原理
2PSK信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的,通常规定0相位载波和π相位载波分别代表传1和传0,其时域波形示意图如图6-7所示。
设二进制单极性码为an,其对应的双极性二进制码为bn,则2PSK信号的一般时域数学表达式为:
S2PSK(t)=[∑bng(t-nTs)]cosωct(3—10)
其中:
-1当an=0时,概率为P
bn=
+1当an=1时,概率为1-P
则(6-10)式可变为:
[∑g(t-nTs)]cos(ωct+π)当an=0
S2PSK(t)=(3—11)
[∑g(t-nTs)]cos(ωct+0)当an
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