实验二 信号源与码型变化实验.docx
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实验二信号源与码型变化实验
一、实验目的
1.熟练掌握数字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、实验器材
1.信号源模块
2.码型变换模块
3.20M双踪示波器一台
4.频率计(可选一台
5.PC机(可选一台
6.连接线若干
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到零电平。
例如:
10100110
+E
③BNRZ码
BNRZ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
-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
-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”;信息码中的“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。
由于其具有上述优点,因此得到了广泛应用。
但该码有一个重要缺点,即当用它来获取定时信息时,由于它可能出现长的连0串,因而会造成提取定时信号的困难。
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。
⑦BPH码
BPH码的全称是数字双相码(DigitalDiphase,又叫分相码(Biphase,Split-phase或曼彻斯特码(Manchester,它是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码;或者可以理解为用一个周期的方波表示“1”码,用该方波的反相来表示“0”码,其编码规则之一是:
001(零相位的一个周期的方波;
110(π相位的一个周期的方波。
例如:
代码:
1100101
双相码:
10100101100110
BPH码可以用单极性非归零码(NRZ与位同步信号的模二和来产生。
双相码的特点是只使用两个电平,而不像前面二种码具有三个电平。
这种码既能提取足够的定时分量,又无直流漂移,编码过程简单。
但这种码的带宽要宽些。
⑧CMI码
CMI码的全称是传号反转码,其编码规则如下:
信息码中的“1”码交替用“11”和“00”表示,“0”码用“01”表示。
例如:
代码:
11010010
CMI码:
1100011101010001
这种码型有较多的电平跃变,因此,含有丰富的定时信息。
该码已被ITU-T推荐为PCM四次群的接口码型。
在光纤传输系统中有时也用CMI码作线路传输码型。
2.电路原理
将信号源产生的NRZ码和位同步信号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”点输出的数字码型即为NRZ码,其产生过程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。
③RZ、BPH码
这两种码型的编、解码方法与BRZ、BNRZ是一样的,但因为是单极性的码型,所以编、解码过程可以直接在U900中完成,在这里不再赘述。
④AMI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信号相与后得到控制信号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BNRZ码一样,也需先经过双—单变换,再送入U900进行解码。
⑤HDB3码
HDB3码的编、解码框图分别如图4-1、4-2所示,其编、解码过程与AMI码相同,这里不再赘述。
图4-1HDB3编码原理框图
图4-2HDB3解码原理框图
⑥CMI码
由于是单极性波形,CMI码的编解码过程全部在U900中完成,
其编码电路原理框图如图4-3所示:
图4-3CMI编码原理框图
四、实验步骤
1.数字信号源部分:
①拨码开关SW101、SW102的作用是改变分频器的分频比(以4位为一个单元,对
应十进制数的1位,以BCD码分别表示分频比的千位、百位、十位和个位,得
到不同频率的位同步信号。
分频前的基频信号为2MHz,分频比变化范围是1~9999,所以位同步信号频率范围是200Hz~2MHz。
例如,若想信号输出点“BS”输出的信号频率为15.625KHz,则需将基频信号进行128分频,将拨码开关SW101、
SW102设置为0000000100101000,就可以得到15.625KHz的方波信号。
拨码开关
SW103、SW104、SW105的作用是改变NRZ码的码型。
1位拨码开关就对应着NRZ
码中的一个码元,当该位开关往上拨时,对应的码元为1,往下拨时,对应的码元
为0。
②将拨码开关SW101、SW102设置为0000000100000000,SW103、SW104、SW105
设置为011100100011001110101010,观察BS、2BS、FS、NRZ波形。
③改变各拨码开关的设置,重复观察以上各点波形。
④观察1024K、256K、64K、32K、8K、Z8K各点波形(由于时钟信号为晶振输出的
24MHz方波,所以整数倍分频后只能得到的1000K、250K、62.5K、31.25K、7.8125K
信号,电路板上的标识为近似值,这一点请注意。
⑤自行在PC机上编写FPGA程序,通过下载口J001下载至U004中,观察所设计电
路各点的波形。
(选做
2.码型变换部分:
(1将信号源模块、码型变换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。
(3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。
(4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其余各点波形。
(5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码为内触发源,用双踪示波器观察码型变换模块各点波形。
(6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,
观察码型变换模块各点波形。
(7按通信原理教材中阐述的编码原理自行设计其它码型变换电路,下载并观察各点波
形。
(选做
五、输入、输出点参考说明
1.输入点说明
FS:
帧同步信号输入点。
BS:
位同步信号输入点。
2BS:
2倍位同步频率方波信号输入点。
NRZ:
NRZ码输入点。
2.输出点说明(括号中的码元数为与信号源产生的NRZ相比延迟的码元数
RZ:
RZ编码输出点。
BPH:
BPH编码输出点。
CMI:
CMI编码输出点。
HDB3-1:
HDB3编码正极性信号输出点。
HDB3-2:
HDB3编码负极性信号输出点。
HDB3:
HDB3编码输出点。
(八个半个码元
BRZ-1;BRZ编码单极性输出点。
BRZ:
BRZ编码输出点。
BNRZ-1:
BNRZ编码正极性信号输出点。
(与NRZ反相)BNRZ-2:
BNRZ编码负极性信号输出点。
(与NRZ相同)BNRZ:
BNRZ编码输出点。
AMI-1:
AMI编码正极性信号输出点。
AMI-2:
AMI编码负极性信号输出点。
AMI:
AMI编码输出点。
ORZ:
RZ解码输出点。
(一个半码元)OBPH:
BPH解码输出点。
(一个码元)OCMI;CMI解码输出点。
(两个码元)OBRZ:
BRZ解码输出点。
(半个码元)OBNRZ;BNRZ解码输出点。
(半个码元)OAMI:
AMI解码输出点。
(延迟极小不足半个码元)OHDB3:
HDB3解码输出点。
(七个半个码元)3.数字输出:
Z8K:
7.8125KHz窄脉冲输出点。
8K:
7.8125KHz方波输出点。
32K:
31.25KHz方波输出点。
64K:
62.5KHz方波输出点。
256K:
250KHz方波输出点。
1024K:
1000KHz方波输出点。
BS:
位同步信号输出点。
(方波,频率可通过拨码开关SW101、SW102改变)2BS:
2倍位同步信号频率方波输出点。
FS:
帧同步信号输出点。
(窄脉冲,频率是位同步信号频率的二十四分之一)NRZ:
24位NRZ码输出点。
(码型可通过拨码开关SW103、SW104、SW105改变,码速率同位同步信号频率)7PN、15PN、31PN:
预留端口输出点。
六、实验报告要求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。
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