通信原理实验报告.docx

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通信原理实验报告

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实验报告

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2017年6月1日

实验网络和实验板简介

现代通信包括传输、复用、交换、网络等技术。

通信原理课程主要介绍传输及复用技术。

本实验系统涵盖了数字信号传输的主要内容及时分复用技术,其设计思路是如图所示的两路时分复用PCM/2DPSK数字电话系统。

两路PCM/2DPSK数字电话通信系统

图中STA、STB分别为发端的两路模拟话音信号，BS为时钟信号，SLA、SLB为抽样信号，F为帧同步码，AK为绝对码，BK为相对码。

在收端，CP为位同步信号，FS为帧同步信号，F1、F2为两个路同步信号，SRA、SRB为两个PCM译码器输出的模拟话音信号。

下图为我们实验板子布局显示图

实验1数字基带信号与AMI/HDB3编译码

1.1实验目的

1、掌握单极性码、双极性码、归零码、非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同步时分复用信号的帧结构特点。

5、了解AMI/HDB3编译码集成电路CD22103。

1.2基本原理

1、数字信源模块

本模块有以下信号测试点及输出点：

·CLK晶振信号测试点

·BS-OUT信源位定时信号测试点/输出点

·FS信源帧定时信号测试点

·NRZ-OUT（AK）NRZ信号（绝对码AK）测试点/输出点

2.AMI/HDB3编译码模块

·NRZ译码器输出信号测试点

·BS-R锁相环输出的位同步信号测试点

·AMI-HDB3编码器输出信号测试点

·BPF带通滤波器输出信号测试点

·DET整流器输出信号测试点

3.AMI/HDB3编码原理

AMI（AlternativeMarkInversion）码的全称是传号交替反转码，其编码规则是将消息码的“1”交替的变换为“+1”和“-1”，而“0”保持不变。

AMI码的优点是，没有直流成分，且高低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处；HDB3全称是三阶高密度双极型码，它是AMI码的一种改进型，改进目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过三个，其编码规则如下：

（1）检查消息码中“0”的个数。

当连“0”数目小于等于3时，HDB3码与AMI码一样，+1和-1交替；

（2）当连“0”数目超过3个时，将每4个化作一小节，定义为B00V,称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，B称为调节脉冲；

（3）V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同，并且要求和相邻的V码之间极性必须交替

（4）B的取值可选0，+1，-1，以使V同时满足（3）中的两个要求；

（5）V码后面的传号码极性也要交替。

1.3实验步骤及实验结果

1、熟悉数字信源模块和AMI/HDB3编译码模块的工作原理，接好电源线，打开实验设备电源开关。

2、用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。

3、用示波器观察AMI/HDB3编译码模块的各种波形

（1）示波器的两个探头CH1和CH2分别接信源模块的测试点NRZ-OUT和AMI/HDB3模块的测试点AMI-HDB3，将信源模块的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码波形。

观察时应注意：

AMI码和HDB3码波形的占空比为0.5；编码输出信号AMI-HDB3比输入信号NRZ-OUT滞后了约4个码元。

1）全零AMI码

2）全零HDB3码

（2）将K1、K2、K3置于011100100000110000100000态，观察并记录对应的AMI码和HDB3码

3）AMI码

4）HDB3码

（3）将K1、K2、K3置于任意状态，CH1接信源模块的NRZ-OUT。

K4先置左方AMI端，CH2依次接AMI/HDB3模块的DET、BPF、BS-R和NRZ，观察这些信号波形；再将K4置右方HDB3端，再次观察DET、BPF、BS-R和NRZ等信号波形。

=========

5）AMI/DET信号

6）AMI/BPF信号

7）AMI/BS-R信号

8）AMI/NRZ信号

9）HDB3/BPF信号

10）HDB3/BS-R信号

11）HDB3/DET信号

12）HDB3/NRZ信号

1.4实验思考题

1．集中插入帧同步码同步时分复用信号的帧结构有何特点？

答：

集中式插入，也称为连贯式插入，要求帧同步特殊码组具有优良的自相关特性，它将标志码组开始位置的群同步码插入于一个码组的前面。

接收端一旦检测到这个特定的码组就知道了这组信息码元起始位置。

所以这种方法建立同步。

为了长时间地保持同步，就需要周期性的将这个特定的码组插入于每组信息码元之前，从而保证信息传输的同步性。

2.根据实验观察和纪录回答：

（1）非归零码和归零码的特点是什么？

答：

NRZ特点：

脉冲宽度τ等于码元宽度Ts

RZ特点：

τ＜Ts,有一定的占空比

（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。

因为信源代码中的“1”码对应的AMI码“+1”“-1”相间出现，而HDB3码中的“+1”，“-1”不但与信源代码中的“1”码有关，而且还与信源代码中的“0”码有关。

根据它的HDB3码的编码规则可以很容以得到

3.设信源代码为全“1”码或全“0”码或011100100000110000100000，给出对应的AMI码及HDB3码的代码和波形。

答：

信息码011100100000110000100000

AMI01-1100-1000001-10000100000

HDB301-1100-1000-101-11001-1000-10

4.总结用滤波法从HDB3码中提取位同步信号的原理。

答：

HDB3中不含有离散谱fS成分。

先通过整流，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。

5.占空比为0.5的单极性归零码的功率谱密度公式为

式中fs=1/Ts，P为“1”码的概率，G（f）=0.5TsSa（0.5pf/fs）。

试用此公式说明：

为什么信息代码中的连“0”码越长，越难于从AMI码中提取位同步信号，而HDB3码则不存在此问题。

答：

因为信号经过编码变换为HDB3码后，连“0”码最多不超过3个，而AMI码则与信息码的连0个数相同，故HDB3码不存在提取位同步信号随着连“0”个数的增多而难度加大。

实验2数字调制

2.1实验目的

1、掌握绝对码（AK）、相对码（BK）的概念以及它们之间的关系。

2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号的方法。

3、掌握BK与2PSK信号波形之间的关系、AK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。

2.2实验原理

数字调制模块上有以下信号测试点：

·CAR2DPSK和2ASK的载波信号测试点

·BK相对码测试点

·2DPSK2DPSK信号测试点，VP-P>0.5V

·2FSK2FSK信号测试点，VP-P>0.5V

·2ASK2ASK信号测试点，VP-P>0.5V

2.3实验步骤及实验结果

1、熟悉数字调制模块的工作原理

2、将示波器置于外同步触发状态，用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。

示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT（AK），CH2接数字调制模块的BK，信源模块的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。

1）00010000AK信号

2）00010000BK信号

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

4、示波器CH2接AK、CH1依次接2FSK和2ASK；观察这两个信号与AK的关系（“1”码与“0”码对应的2FSK信号的幅度可能略有不同）。

3）2ASK信号

4）2FSK信号

5、用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱（条件不具备时可不进行此项观察）。

2.4实验思考题

1、设绝对码为全1、全0或10011010，求相对码。

答：

设相对码的初始值为0

绝对码11111，00000，10011010

相对码10101，00000，11101100

2、设相对码为全1、全0或10011010，求绝对码。

答：

设相对码的初始值为0

相对码11111，00000，10011010

绝对码10000，00000，11010111

3、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，设计一个由相对码至绝对码的变换电路。

答：

绝对码至相对码的变换规律：

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，为信号差分码。

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（即绝对码）之间的关系以及2DPSK信号的相位变化与相对码之间的关系。

答：

2DPSK信号的相位变化与信息代码（即绝对码）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。

2DPSK信号的相位变化与相对码之间的关系：

“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3模拟锁相环与载波同步

3.1实验目的

1.掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。

2.掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环环路滤波器的设计方法。

3.了解2DPSK相干载波相位模糊现象产生的原因。

3.2实验原理

·MU平方器输出信号测试点，VP-P＞1V

·VCOVCO输出信号测试点，VP-P＞0.2V

·Ud鉴相器输出信号测试点，变化范围不小于4V

·CAR-OUT相干载波信号测试点/输出点，VP-P＞0.4V

3.3实验步骤及实验结果

1.熟悉载波同步模块的工作原理

2.检查数字信源模块和数字调制模块是否工作正常

3.用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带

（1）观察锁定状态与失锁状态

（2）测量同步带与捕捉带

1）CARCAROut环路锁定信号

2）CARCAROut环路失锁信号

4.观察环路的捕捉过程

先使环路处于失锁定状态，慢慢调节C34，使环路刚刚进入锁定状态后，断开电源，然后再接通电源，用示波器观察Ud，可以发现Ud由差拍信号变为直流的变化瞬态过程。

Ud的这种变化表示了环路的捕捉过程：

当|Dwo|

3）Ud1

4）Ud2

5）Ud3

6）失锁Ud信号

5.观察相干载波相位模糊现象

使环路锁定，用示波器同时观察调制模块的CAR和载波同步模块的CAR-OUT信号，反复断开、接通电源可以发现这两个信号有时同相、有时反相。

3.4实验思考题

1.总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。

答：

锁定状态的特点：

输入信号频率与反馈信号频率相等，鉴相器输出电压为直流。

失锁状态的特点：

鉴相器输出电压为不对称的差拍电压。

2.设K0=18Hz/V，根据实验结果计算环路同步带DfH及捕捉带DfP。

答：

根据ΔfH=ΔV1K0/2，ΔfP=ΔV2K0/2得，

ΔV1=12V，则ΔfH=18×6=108Hz

ΔV2=8V，则ΔfP=18×4=72Hz

3.总结用平方环提取相干载波的原理及相位模糊现象产生的原因

答：

平方运算输出信号中含有2fC离散谱，模拟环输出信号频率等于2fC，二分频，滤波后得到相干载波；2分频电路有两个初始状态，导致提取的相干载波有两种相反的相位状态。

实验4数字解调与眼图

4.1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

4.2实验原理

·MU相乘器输出信号测试点

·LPF低通、运放输出信号测试点

·VC比较器比较电压测试点

·CM比较器输出信号测试点/输出点

·BK解调输出相对码测试点

·AK-OUT解调输出绝对码测试点/输出点

·BS-IN位同步信号输入点2FSK解调模块上有以下信号测试点及输入输出点：

·FD2FSK过零检测器输出信号测试点

·LPF低通滤波器输出信号测试点

·CM比较器输出信号测试点/输出点

·BS-IN位同步信号输入点

·AK-OUT解调输出信号的测试点/输出点

4.3实验步骤及实验结果

1.复习前面实验的内容并熟悉2DPSK解调模块及2FSK解调模块的工作原理，接通实验箱电源。

将数字调制模块单刀双掷开关K7置于左方NRZ端。

2.检查数字信源、数字调制及载波同步模块是否工作正常，载波同步模块的锁相环应处于锁定状态。

3.2DPSK解调实验

（1）将数字信源模块的BS-OUT用信号连线连接到2DPSK解调模块的BS-IN处。

将示波器置于外同步触发状态，以信源模块的FS信号作为示波器外同步触发信号。

将示波器的CH1接数字调制模块的BK，CH2（建议使用示波器探头的x10衰减档）接2DPSK解调模块的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解调模块的LPF，可看到LPF与MU同相。

当一帧内BK中“1”码和“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，使VC为LPF的中值电平（当BK中“1”与“0”等概时LPF的中值即为0电平）。

（4）观察数字调制模块的BK与2DPSK解调模块的MU、LPF、BK之间的关系，再观察数字信源模块中AK信号与2DPSK解调模块的MU、LPF、BK、AK-OUT信号之间的关系。

1）BK/LPF信号

2）BK/MU信号

（5）断开、接通电源若干次，改变数字调制模块的CAR信号与载波同步模块的CAR-OUT信号的相位关系，重新进行步骤（4）中的观察。

（6）将数字调制模块单刀双掷开关K7置于右方M序列端，此时数字调制器输入的基带信号是m序列。

用示波器观察2DPSK解调模块中的LPF信号，即可看到无噪声时的眼图。

3）眼图

4.2FSK解调实验

将数字调制模块单刀双掷开关K7还原置于左方NRZ端。

将数字信源模块的BS-OUT用信号连线换接到2FSK解调模块的BS-IN处，示波器探头CH1接数字信源模块中的AK，CH2分别接2FSK解调模块中的FD、LPF、CM及AK-OUT，观察2FSK过零检测解调器的解调过程（注意：

低通滤波器及整形电路2都有倒相作用）。

LPF的波形应接近图4.4所示的理论波形。

4）AK/FD信号

5）AK/LPF信号

4.4实验思考题

1.设绝对码为1001101，根据实验观察得到的规律，画出当相干载波频率等于码速率的1.5倍，CAR-OUT与CAR同相或反相时，2DPSK相干解调器中MU、LPF、BS、BK、AK等信号的波形示意图，总结2DPSK克服相位模糊现象的机理。

答：

当相干载波为-cosωCt时，MU、LPF及BK与载波为cosωCt时的状态反相，但AK仍不变（第一位与BK的起始电平有关）。

2DPSK系统之所能克服相位模糊现象，是因为在发端将绝对码变为了相对码，在收端又将相对码变为绝对码，载波相位模糊可使解调出来的相对码有两种相反的状态，但它们对应的绝对码是相同的

实验5数字锁相环与位同步

5.1实验目的

1.掌握数字锁相环工作原理。

2.掌握用数字环提取位同步信号的原理及对其输入的信息代码的要求。

3.掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号相位抖动等基本概念。

5.2实验原理

·S-IN基带信号测试点/输入点

·BS-OUT位同步信号测试点/输出点

5.3实验步骤及实验结果

1、熟悉位同步模块工作原理。

2、观察数字环的锁定状态和失锁状态。

1）环路锁定

2）环路失锁

3、观察位同步信号抖动范围与位同步器输入信号连“1”或连“0”个数的关系

3）全0抖动情况

4）全1抖动情况

4、观察位同步器的快速捕捉现象、位同步信号相位抖动大小及同步保持时间与收发两端的时钟频差的关系

5.4实验思考题

1、数字环位同步器输入NRZ码的连“1”或连“0”个数增加时，提取的位同步信号相位抖动增大，试定性解释此现象。

答：

输入NRZ码连“1”或连“0”个数增加时，鉴相器输出脉冲的平均周期增大，数字环路滤波器输出的控制信号平均周期增大，即需经过更长的时间才对DCO的相位调整一次。

而DCO输出的位同步信号重复频率与环路输入的NRZ码的码速率之间有一定的误差，当对DCO不进行相位调整时，其输出信号的上升沿与码元中心之间的偏差将不断增大，相位调节时间间隔越长这种偏差越大，即位同步信号相位抖动越大。

2、若数字锁相环位同步器输入信号为RZ码，试分析连“1”码和连“0”码的长度与位同步信号相位抖动范围的关系。

答：

当为RZ码，即归零码时，信号功率谱存在定时分量，当连“1”码和连“0”码的长度较短时，容易提取定时分量，达到同步，但当连“1”码和连“0”码的长度较长时，始终是相同的电平，难以分辨出码元的起止时刻，相位仍会发生抖动。

3、数字环位同步器的同步抖动范围随发端和收端的时钟稳定度降低而增大，试定性解释此现象。

答：

时钟稳定度越低，固有频差越大，DCO输出位同步信号与环路输入信号之间的相位误差增大得越快，而环路对DCO的相位调节时间间隔，平均值是不变的（当输入信号一定时），故当固有频差增大时，位同步信号的同步抖动范围增大。

4、若将AMI码或HDB3码整流后作为数字环位同步器的输入信号，能否提取出位同步信号？

为什么？

对这两种码的信息代码中连“1”个数有无限制？

对AMI码的信息代码中连“0”个数有无限制？

对HDB3码的信息代码中连“0”个数有无限制？

为什么？

答：

能。

因为将AMI码或HDB3码整流后得到的是一个单极性归零码，其上升沿收使鉴相器输出高电平，从而使位同步正常工作。

对这种码的信息代码连“1”个数无限制，对AMI码的信息代码中连“0”个数有限制，对HDB3码的信息代码中连“0”个数无限制

5、试定性解释本实验使用的数字锁相环快速捕捉机理，并与超前滞后型数字环进行比较。

答：

本实验中可对DCO的分频比任意调节，一次调节就可使环路锁定，而在超前滞后型数字环中每次调节只能使DCO的分频比增大1或减1，需多次调节才能使环路锁定。

实验6帧同步

6.1实验目的

1.掌握集中插入式帧同步码识别器工作原理。

2.掌握同步保护原理。

3.掌握假同步、漏同步、捕捉态（失步态）、维持态（同步态）等概念

6.2实验原理

·S-IN数字基带信号输入点

·BS-IN位同步信号输入点

·GAL巴克码识别器输出信号测试点

·÷2424分频器输出信号测试点

·TH判决门限电平测试点

·FS帧同步信号测试点

6.3实验步骤及实验结果

1、熟悉帧同步模块的工作原理，将信源模块的NRZ-OUT、BS-OUT用信号连线分别与帧同步模块的S-IN、BS-IN相连，接通实验箱电源。

2、观察同步器的维持态（同步态）

将数字信源模块的K1（左边的8位微动开关）置于×1110010状态（1110010为帧同步码，×是无定义位，可任意置“1”或置“0”）。

为了避免信息码中出现和帧同步码相近的码元序列，将K2置为10000000状态、K3置为全0状态。

将示波器置于外同步触发状态，用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步触发信号。

示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT，CH2分别接帧同步模块的GAL、÷24、TH及FS，观察并纪录上述信号波形以及与NRZ-OUT的相位关系（注意：

此时TH应为0电平，帧同步模块的P3指示灯熄，P1、P2亮，表示识别门限为6）。

使信源的帧同步码（注意是K1的第2位到第8位）中错一位，重新观察上述信号，此时GAL、÷24、TH、FS应不变。

使信源帧同步码再错一位重作上述观察（此时同步器应转入捕捉态，仅÷24波形不变，请根据原理框图分析思考此过程）。

1）AK/24

2）AK/GAL信号

3）AKTH信号

3、观察同步器的捕捉态（失步态）

在实验步骤2中电路已经由同步态变为捕捉态，示波器CH1接信源模块的NRZ-OUT。

用CH2观察÷24信号，将电源断开，然后再接通电源，可看到÷24波形的下降沿已不再对准NRZ-OUT的第一个