中南数字通信原理实验报告.docx
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中南数字通信原理实验报告.docx
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中南数字通信原理实验报告
中南大学
《通信原理》实验报告
学生姓名IGOT7
指导教师方佳奕穆帅
学院信息科学与工程学院
专业班级不告诉你
完成时间
实验一数字基带信号
一.实验目的
1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。
2、掌握AMI、HDB3码的编码规则。
3、掌握从HDB3码信号中提取位同步信号的方法。
4、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。
5、了解HDB3(AMI)编译码集成电路CD22103。
二.实验内容
1、用示波器观察单极性非归零码(NRZ)、传号交替反转码(AMI)、三阶高密度双极性码(HDB3)、整流后的AMI码及整流后的HDB3码。
2、用示波器观察从HDB3码中和从AMI码中提取位同步信号的电路中有关波形。
3、用示波器观察HDB3、AMI译码输出波形。
三.基本原理
本实验使用数字信源模块和HDB3编译码模块。
1、数字信源
本模块是整个实验系统的发终端,模块内部只使用+5V电压,其原理方框图如图1-1所示。
本单元产生NRZ信号,信号码速率约为170.5KB,帧结构如图1-2所示。
帧长为24位,其中首位无定义,第2位到第8位是帧同步码(7位巴克码1110010),另外16位为2路数据信号,每路8位。
此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号,实验电路中数据码用红色发光二极管指示,帧同步码及无定义位用绿色发光二极管指示。
发光二极管亮状态表示1码,熄状态表示0码。
本模块有以下测试点及输入输出点:
CLK晶振信号测试点
BS-OUT信源位同步信号输出点/测试点(2个)
FS信源帧同步信号输出点/测试点
NRZ-OUT(AK)NRZ信号(绝对码)输出点/测试点(4个)
图1-1中各单元与电路板上元器件对应关系如下:
晶振CRY:
晶体;U1:
反相器7404
分频器U2:
计数器74161;U3:
计数器74193;U4:
计数器40160
并行码产生器K1、K2、K3:
8位手动开关,从左到右依次与帧同步码、数据1、数据2相对应;发光二极管:
左起分别与一帧中的24位代码相对应
八选一U5、U6、U7:
8位数据选择器4512
三选一U8:
8位数据选择器4512
倒相器U20:
非门74HC04
抽样U9:
D触发器74HC74
图1-1数字信源方框图
图1-2帧结构
2.HDB3编译码
原理框图如图1-3所示。
本模块内部使用+5V和-5V电压,其中-5V电压由-12V电源经三端稳压器7905变换得到。
本单元有以下信号测试点:
NRZ译码器输出信号
BS-R锁相环输出的位同步信号
(AMI)HDB3编码器输出信号
BPF带通滤波器输出信号
DET(AMI)HDB3整流输出信号
图1-3HDB3编译码方框图
下面简单介绍AMI、HDB3码编码规律。
AMI码的编码规律是:
信息代码1变为带有符号的1码即+1或-1,1的符号交替反转;信息代码0的为0码。
AMI码对应的波形是占空比为0.5的双极性归零码,即脉冲宽度τ与码元宽度(码元周期、码元间隔)TS的关系是τ=0.5TS。
HDB3码的编码规律是:
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,有偶数个信息1码(包括0个信息1码)时取代节为B00V,其它的信息0码仍为0码;信息码的1码变为带有符号的1码即+1或-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码是占空比为0.5的双极性归零码。
设信息码为00000110000100000,则NRZ码、AMI码,HDB3码如图1-4所示。
图1-4NRZ、AMI、HDB3关系图
可以用CD22103集成电路进行AMI或HDB3编译码。
当它的第3脚(HDB3/AMI)接+5V时为HDB3编译码器,接地时为AMI编译码器。
编码时,需输入NRZ码及位同步信号,它们来自数字信源单元,已在电路板上连好。
CD22103编码输出两路并行信号+H-OUT和-H-OUT,它们都是半占空比的正脉冲信号,分别与AMI或HDB3码的正极性信号及负极性信号相对应。
这两路信号经单/双极性变换后得到AMI码或HDB3。
译码时,需将AMI或HDB3码变换成两路单极性信号分别送到CD22103的第11、第13脚,此任务由双/单变换电路来完成。
当信息代码连0个数太多时,从AMI码中较难于提取稳定的位同步信号,而HDB3中连0个数最多为3,这对提取高质量的位同信号是有利的。
这也是HDB3码优于AMI码之处。
HDB3码及经过随机化处理的AMI码常被用在PCM一、二、三次群的接口设备中。
四.实验步骤
本实验使用数字信源单元和HDB3编译码单元。
1、熟悉数字信源单元和HDB3编译码单元的工作原理。
接好电源线,打开电源开关。
2、用示波器观察数字信源单元上的各种信号波形。
用信源单元的FS作为示波器的外同步信号,示波器探头的地端接在实验板任何位置的GND点均可,进行下列观察:
(1)示波器的两个通道探头分别接信源单元的NRZ-OUT和BS-OUT,对照发光二极管的发光状态,判断数字信源单元是否已正常工作(1码对应的发光管亮,0码对应的发光管熄);
(2)用开关K1产生代码×1110010(×为任意代码,1110010为7位帧同步码),K2、K3产生任意信息代码,观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构,和NRZ码特点。
3、用示波器观察HDB3编译单元的各种波形。
仍用信源单元的FS信号作为示波器的外同步信号。
(1)示波器的两个探头CH1和CH2分别接信源单元的NRZ-OUT和HDB3单元的AMI-HDB3,将信源单元的K1、K2、K3每一位都置1,观察全1码对应的AMI码(开关K4置于左方AMI端)波形和HDB3码(开关K4置于右方HDB3端)波形。
再将K1、K2、K3置为全0,观察全0码对应的AMI码和HDB3码。
观察时应注意AMI、HDB3码的码元都是占空比为0.5的双极性归零矩形脉冲。
编码输出AMI-HDB3比信源输入NRZ-OUT延迟了4个码元。
(2)将K1、K2、K3置于011100100000110000100000态,观察并记录对应的AMI码和HDB3码。
(3)将K1、K2、K3置于任意状态,K4先置左方(AMI)端再置右方(HDB3)端,CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2依次接HDB3单元的DET、BPF、BS-R和NRZ,观察这些信号波形。
五.实验结果与分析
1.全1码对应的AMI码波形和HDB3码波形:
全零码对应的AMI码波形:
全零码对应的HDB3码波形:
2.NRZ码和AMI码波形:
状态为011100100000110000100000时,波形如下(上面为NRZ码,下面为AMI码):
3.NRZ码和HDB3码波形:
状态为011100100000110000100000时,波形如下(上面为NRZ码,下面为HDB3码):
4.CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2接AMI单元的BS-R:
CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2接HDB3单元的BS-R
5.CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2接AMI单元的BS-R:
CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2接HDB3单元的BS-R
6.CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2接AMI单元的NRZ
CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2接HDB3单元的NRZ:
六.实验报告要求
1.根据实验观察和纪录回答:
(1)不归零码和归零码的特点是什么?
答:
归零码:
脉冲宽度等于码元宽度。
在每一个信号经过后都会返回零状态。
比如前一个信号为1后一个信号也为1,波形会先回到零状态再跳变为1状态。
不归零码:
脉冲宽度小于码元宽度。
若前一个信号为1后一个信号也为1,波形则会一直保持1状态。
(2)与信源代码中的“1”码相对应的AMI码及HDB3码是否一定相同?
为什么?
答:
不一定相同,因为在HDB3码中,AMI码没有的波坏脉冲V和补偿脉冲B也表示“1”码。
举例:
信源代码1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1
AMI 1 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 1
HDB31 0 0 01 -1 1 -1 0 0 -1 1 0 0 0 1 0 -1
2.设代码为全1,全0及011100100000110000100000,给出AMI及HDB3码的代码和波形。
解:
全1:
111111111111
AMI:
+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1
HDB3:
+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1
全零:
000000000000
AMI:
000000000000
HDB3:
000+1-100-1+100+1
原代码:
011100100000110000100000
AMI:
0+1-1+100-100000+1-10000+100000
HDB3:
0+1-1+100-1000-10+1-1+100+1-1000-10
3.总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。
解:
简化为流程图则是:
HDB3->整流->带通滤波器->整形移向->位同步信号
HDB3中不含有离散谱fS(fS在数值上等于码速率)成分。
整流后变为一个占空比等于0.5的单极性归零码,其连0个数不超过3,频谱中含有较强的离散谱fS成分,故可 通过窄带带通滤波器得到一个相位抖动较小的正弦信号,再经过整形、移相后即可得到合乎要求的位同步信号。
实验二数字调制
一.实验目的
1、掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。
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。
4、了解2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。
二.实验内容
1、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。
2、用示波器观察2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号波形。
3、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱。
三.基本原理
本实验用到数字信源模块和数字调制模块。
信源模块向调制模块提供数字基带信号(NRZ码)和位同步信号BS(已在实验电路板上连通,不必手工接线)。
调制模块将输入的绝对码AK(NRZ码)变为相对码BK、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。
调制模块内部只用+5V电压。
数字调制单元的原理方框图如图2-1所示,电原理图如图2-2所示(见附录)。
图2-1数字调制方框图
将晶振信号进行2分频、滤波后,得到2ASK的载频2.2165MHZ。
放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号,这两个信号就是2PSK、2DPSK的两个载波,2FSK信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/2和1/4,也是通过分频和滤波得到的。
下面重点介绍2PSK、2DPSK。
2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图2-3所示。
图2-32PSK、2DPSK波形
图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。
2PSK信号的相位与信息代码的关系是:
前后码元相异时,2PSK信号相位变化180,相同时2PSK信号相位不变,可简称为“异变同不变”。
2DPSK信号的相位与信息代码的关系是:
码元为“1”时,2DPSK信号的相位变化180。
码元为“0”时,2DPSK信号的相位不变,可简称为“1变0不变”。
应该说明的是,此处所说的相位变或不变,是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较,而不是将相邻码元信号的初相进行比较。
实际工程中,2PSK或2DPSK信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。
但不管是那种关系,上述结论总是成立的。
本单元用码变换——2PSK调制方法产生2DPSK信号,原理框图及波形图如图2-4所示。
相对于绝对码AK、2PSK调制器的输出就是2DPSK信号,相对于相对码、2PSK调制器的输出是2PSK信号。
图中设码元宽度等于载波周期,已调信号的相位变化与AK、BK的关系当然也是符合上述规律的,即对于AK来说是“1变0不变”关系,对于BK来说是“异变同不变”关系,由AK到BK的变换也符合“1变0不变”规律。
图2-4中调制后的信号波形也可能具有相反的相位,BK也可能具有相反的序列即00100,这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。
2DPSK通信系统可以克服上述2PSK系统的相位模糊现象,故实际通信中采用2DPSK而不用2PSK(多进制下亦如此,采用多进制差分相位调制MDPSK),此问题将在数字解调实验中再详细介绍。
图2-42DPSK调制器
2PSK信号的时域表达式为
S(t)=m(t)Cosωct
式中m(t)为双极性不归零码BNRZ,当“0”、“1”等概时m(t)中无直流分量,S(t)中无载频分量,2DPSK信号的频谱与2PSK相同。
2ASK信号的时域表达式与2PSK相同,但m(t)为单极性不归零码NRZ,NRZ中有直流分量,故2ASK信号中有载频分量。
2FSK信号(相位不连续2FSK)可看成是AK与
调制不同载频信号形成的两个2ASK信号相加。
时域表达式为
式中m(t)为NRZ码。
图2-52ASK、2PSK(2DPSK)、2FSK信号功率谱
设码元宽度为TS,fS=1/TS在数值上等于码速率,2ASK、2PSK(2DPSK)、2FSK的功率谱密度如图2-5所示。
可见,2ASK、2PSK(2DPSK)的功率谱是数字基带信号m(t)功率谱的线性搬移,故常称2ASK、2PSK(2DPSK)为线性调制信号。
多进制的MASK、MPSK(MDPSK)、MFSK信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。
本实验系统中m(t)是一个周期信号,故m(t)有离散谱,因而2ASK、2PSK(2DPSK)、2FSK也具有离散谱。
四.实验步骤
本实验使用数字信源单元及数字调制单元。
1、熟悉数字调制单元的工作原理。
接通电源,打开实验箱电源开关。
将数字调制单元单刀双掷开关K7置于左方N(NRZ)端。
2、用数字信源单元的FS信号作为示波器的外同步信号,示波器CH1接信源单元的(NRZ-OUT)AK(即调制器的输入),CH2接数字调制单元的BK,信源单元的K1、K2、K3置于任意状态(非全0),观察AK、BK波形,总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。
3、示波器CH1接2DPSK,CH2分别接AK及BK,观察并总结2DPSK信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK信号相位变化与相对码的关系(此关系即是2PSK信号相位变化与信源代码的关系)。
注意:
2DPSK信号的幅度比较小,要调节示波器的幅度旋钮,而且信号本身幅度可能不一致,但这并不影响信息的正确传输。
4、示波器CH1接AK、CH2依次接2FSK和2ASK;观察这两个信号与AK的关系(注意“1”码与“0”码对应的2FSK信号幅度可能不相等,这对传输信息是没有影响的)。
5、用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱(条件不具备时不进行此项观察)。
五.实验结果分析
2.
总结:
绝对码变相对码:
bn=(an⊕bn-1);
相对码变绝对码:
an=(bn⊕bn-1);
3.
总结:
2DPSK信号相位变化与相对码的关系:
0则初始相位为0,1则初始相位为π
2DPSK信号相位变化与绝对码的关系:
先编为相对码,后来同上。
4.
2FSK:
2PSK:
六.实验报告要求
1.设绝对码为全1、全0或10011010,求相对码。
答:
绝对码111110000010011010
相对码101010000011101100(默认参考电平为0)
2.设相对码为全1、全0或10011010,求绝对码。
答:
相对码111110000010011010(默认参考电平为0)
绝对码100001000011010111
3.设信息代码为10011010,载频分别为码元速率的1倍和1.5倍,画出2DPSK及2PSK信号波形。
4.总结绝对码至相对码的变换规律、相对码至绝对码的变换规律并设计一个由相对码至绝对码的变换电路。
答:
①绝对码至相对码的变换规律
“1”变“0”不变,即绝对码的“1”码时相对码发生变化,绝对码的“0”码时相对码不发生变化。
——此为信号差分码。
②相对码至绝对码的变换规律
相对码的当前码元与前一码元相同时对应的当前绝对码为“0”码,相异时对应的当前绝对码为“1”码。
5.总结2DPSK信号的相位变化与信息代码之间的关系以及2PSK信号的相位变化与信息代码之间的关系。
答:
2DPSK信号的相位变化与绝对码(信息代码)之间的关系是:
“1变0不变”,即“1”码对应的2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的末相变化180º,“0”码对应的2DPSK信号的初相与前一码元内2DPSK信号的末相相同。
2PSK信号的相位变化与相对码(信息代码)之间的关系是:
“异变同不变”,即当前码元与前一码元相异时则当前码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相变化180º。
相同时则码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相无变化。
实验四数字解调与眼图
一.实验目的
1.掌握2DPSK相干解调原理。
2.掌握2FSK过零检测解调原理。
二.实验内容
1.用示波器观察2DPSK相干解调器各点波形。
2.用示波器观察2FSK过零检测解调器各点波形。
3.用示波器观察眼图。
三.基本原理
本实验采用相干解调法解调2DPSK信号、采用过零检测法解调2FSK信号。
2DPSK模块内部使用+5V、+12V和-12V电压,2FSK模块内部仅使用+5V电压。
2DPSK解调模块上有以下测试点及输入输出点:
DPSK相干解调器模块各点波形示意图如图4-3所示。
图4-32DPSK相干解调波形示意图
图4-4为2FSK过零检测解调器各点波形示意图,图中设“1”码载频等于码速率的两倍,“0”码载频等于码速率。
图4-42FSK过零检测解调器各点波形示意图
四.实验步骤
本实验使用数字信源单元、数字调制单元、载波同步单元、2DPSK解调单元及2FSK解调单元,它们之间的信号连结方式如图4-5所示,其中实线是指已在电路板上布好的,虚线是实验中要手工连接的。
实际通信系统中,解调器需要的位同步信号来自位同步提取单元。
本实验中尚未用位同步提取单元,所以位同步信号直接来自数字信源。
在做2DPSK解调实验时,位同步信号送给2DPSK解调单元,做2FSK解调实验时则送到2FSK解调单元。
图4-5数字解调实验连接图
1.复习前面实验的内容并熟悉2DPSK解调单元及2FSK解调单元的工作原理,接通实验箱电源。
将数字调制单元单刀双掷开关K7置于左方NRZ端。
2.检查要用到的数字信源、数字调制及载波同步单元是否工作正常,保证载波同步单元处于同步态!
3.2DPSK解调实验
(1)将数字信源单元的BS-OUT用信号连线连接到2DPSK解调单元的BS-IN点,以信源单元的FS信号作为示波器外同步信号,将示波器的CH1接数字调制单元的BK,CH2(建议使用示波器探头的x10衰减档)接2DPSK解调单元的MU。
MU与BK同相或反相,其波形应接近图4-3所示的理论波形。
(2)示波器的CH2接2DPSK解调单元的LPF,可看到LPF与MU同相。
当一帧内BK中“1”码“0”码个数相同时,LPF的正、负极性信号电平与0电平对称,否则不对称。
(3)示波器的CH1接VC,调节电位器R39,保证VC处在0电平(当BK中“1”与“0”等概时LPF的中值即为0电平),此即为抽样判决器的最佳门限。
(4)观察数字调制单元的BK与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK之间的关系,再观察数字信源单元中AK信号与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK、AK-OUT信号之间的关系。
(5)断开、接通电源若干次,使发端CAR信号与载波同步CAR-OUT信号的相位关系出现跳变,重新进行步骤(4)中的观察。
(6)将数字调制单元单刀双掷开关K7置于右方(M序列)端,此时数字调制器输入的基带信号是伪随机序列(本系统中是M序列)信号。
用示波器观察2DPSK解调单元LPF点,即可看到无噪声状态下的眼图。
4.2FSK解调实验
将数字调制单元单刀双掷开关K7还原置于左方NRZ端。
将数字信源单元的BS-OUT用信号连线换接到2FSK解调单元的BS-IN点,示波器探头CH1接数字调制单元中的AK,CH2分别接2FSK解调单元中的FD、LPF、CM及AK-OUT,观察2FSK过零检测解调器的解调过程(注意:
低通及整形2都有倒相作用)。
LPF的波形应接近图4-4所示的理论波形。
五.实验结果与分析(包括输入、输出信号波形及说明)
3.
(1)
(2)
信号反相
信号同相
输出相位关系发生了跳变
眼图
4.
AK与FD
LPF
六.实验报告要求
1.设绝对码为1001101,根据实验观察得到的规律,画出如果相干载波频率等于码速率的1.5倍,在CAR-OUT与CAR同相、反相时2DPSK相干解调MU、LPF、BS、BK、AK波形示意图,总结2DPSK克服相位模糊现象的机理。
XX:
先对2DPSK信号进行相干解调,恢复出相对码,再通过码反变换器变换为绝对码,从而恢复出发送的二进制数字信息。
在解调过程中,相干载波产生180相位模糊,解调出的相对码将产生倒置现象,但是经过码反变换后,输出的绝对码不会发生任何倒置现象,从而解决了载波相位模糊的问题。
书上:
与绝对调相不同的是,DPSK系统中只与前后码元的相对相位有关系,而与绝对相位无关,故解调使不存在反相(相位模糊)的问题。
2.设信息代码为1001101,2FSK的两个载频分别为码速率的四倍和两倍,根据实验观察得到的规律,画出2FSK过零检测解调器输入的2FSK波形及FD、LPF、BS、AK波形(设低通滤波器及整形2都无倒相作用)。
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