通信原理实验指导书.docx
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通信原理实验指导书
目录
实验一 抽样定理和脉冲调幅(PAM)实验……………………1
实验二 脉冲编码调制(PCM)实验…………………………9
实验三 增量调制(ΔM)编译码实验………………………18
实验四 移相键控(PSK)实验………………………………28
实验五 HDB3码型变换实验………………………………40
实验六FSK电力线载波通信实验…………………………48
实验七 数字基带信号处理实验…………………………60
实验八 通信系统原理课程设计数字信号的基带传输…88
实验一抽样定理和脉冲调幅(PAM)实验
一、实验目的
1、验证抽样定理;
2、观察了解PAM信号形成过程,平顶展宽解调过程;
3、了解时分多路系统中的路际串话现象。
二、实验原理和电路说明
1、概述
在通信技术中为了获取最大的经济效益,就必须充分利用信道的传输能力,扩大通信容量。
因此,采取多路化制式是极为重要的通信手段。
最常用的多路复用体制是频分多路复用(FDM)通信系统和时分多路复用(TDM)通信系统。
频分多路技术是利用不同频率的正弦载波对基带信号进行调制,把各路基带信号频谱搬移到不同的频段上,在同一信道上传输。
而时分多路系统中则是利用不同时序的脉冲对基带信号进行抽样,把抽样后的脉冲信号按时序排列起来,在同一信道中传输。
利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为“抽样”,抽样后的信号称为脉冲调幅(PAM)信号。
在满足抽样定理的条件下,抽样信号保留了原信号的全部信息。
并且,从抽样信号中可以无失真地恢复出原信号。
抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。
数字通信系统是以此定理作为理论基础的。
在工作设备中,抽样过程是模拟信号数字化的第一步。
抽样性能的优劣关系到整个系统的性能指标。
图1-1单路PCM系统示意图
作为例子,图1-1示意地画出了传输一路语音信号的PCM系统。
从图中可
以看出要实现对语音的PCM编码,首先就要对语音信号进行抽样,然后才能进行量化和编码。
因此,抽样过程是语音信号数字化的重要环节,也是一切模拟信号数字化的重要环节。
为了让实验者形象地观察抽样过程,加深对抽样定理的理解,本实验提供了一种典型的抽样电路。
除此,本实验还模拟了两路PAM通信系统,从而帮助实验者初步了解时分多路的通信方式。
2、抽样定理
抽样定理指出,一个频带受限信号m(t)如果它的最高频率为fH(即m(t)的频谱中没有fH以上的分量),可以唯一地由频率等于或大于2fH的样值序列所决定。
因此,对于一个最高频率为3400Hz的语音信号m(t),可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。
抽样频率fs和语音信号m(t)的频谱如图1-2和图1-3所示。
由频谱可知,用截止频率为fH的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m(t),这就说明了抽样定理的正确性。
实际上,考虑到低通滤波器特性不可能理想,对最高频率为3400Hz的语音信号,通常采用8KHz抽样频率,这样可以留出1200Hz的防卫带,见图1-4。
如果fs<2fH,就会出现频谱混迭的现象,如图1-5所示。
图1-2语音信号的频谱
图1-3语言信号的抽样频谱和抽样信号的频谱
在验证抽样定理的实验中,我们用单一频率fH的正弦波来代替实际的语音信号,采用标准抽样频率fs=8KHz,改变音频信号的频率fH,分别观察不同频率时,抽样序列和低通滤波器的输出信号,体会抽样定理的正确性。
图1-4留出防卫带的语音信号的抽样频谱
图1-5fs<2fH时语音信号的抽样频谱
验证抽样定理的实验方框如图1-6所示。
在图1-8中,连接(TP8)和(TP14),就构成了抽样定理实验电路。
抽样电路采用场效应晶体管开关电路。
抽样门在抽样脉冲的控制下以每秒八千次的速度开关。
T1为结型场效应晶体管,T2为驱动三极管。
当抽样脉冲没来时,驱动三极管处于截止状态,-5V电压加在场效应晶体管栅极G,只要G极电位负于源极S的电位,并且|UGS|>|UP|,则场效应晶体管处于夹断状态,输出信号为“0”。
抽样脉冲来时,驱动三极管导通,发射极+5V电压加到驱动二极管,使之反向偏置。
从截止到导通的跳变电压经跨接在二极管两端的电容加到场效应晶体管的G极。
使栅极、源极之间的电压迅速达到场效应晶体管导通的数值,并一直达到使源极电压等于漏极上的模拟电压。
这样,抽样脉冲期间模拟电压经场效应晶体管开关加到负载上。
由于抽样电路的负载是一个电阻,因此抽样的输出端能得到一串脉冲信号。
此脉冲信号的幅度与抽样时输入信号的瞬时值成正比例,脉冲的宽度与抽样脉冲的宽度相同。
这样,脉冲信号就是脉冲调幅信号。
当抽样脉冲宽度远小于抽样周期时,电路输出的结果接近于理想抽样序列。
由图1-6可知,用一低通滤波器即可实现模拟信号的恢复。
为便于观察,解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成,低通滤波器的截止频率为3400Hz。
图1-6抽样定理实验方框图
3、多路脉冲调幅(PAM信号的形成和解调)
多路脉冲调幅的实验框图如图1-7所示。
在图1-8电原理图中,连接(TP8)和(TP11)、(TP13)和(TP14)就构成了多路脉冲调幅实验电路。
分路抽样电路的作用是:
将在时间上连续的语音信号经脉冲抽样形成时间上离散的脉冲调幅信号。
n路抽样脉冲在时间上是互不交叉、顺序排列的。
各路的抽样信号在多路汇接的公共负载上相加便形成合路的脉冲调幅信号。
本实验设置了两路分路抽样电路。
图1-7多路脉冲调幅实验框图
多路脉冲调幅信号进入接收端后,由分路选通脉冲分离成n路,亦即还原出单路PAM信号。
发送端分路抽样与接收端分路选通是一一对应的,这是依靠它们所使用的定时脉冲的对应关系决定的。
为简化实验系统,本实验的分路选通脉冲直接利用该路的分路抽样脉冲经适当延迟获得。
接收端的选通电路也采用结型场效应晶体管作为开关元件,但输出负载不是电阻而是电容。
采用这种类似于平顶抽样的电路是为了解决PAM解调信号的幅度问题。
由于时分多路的需要,分路脉冲的宽度τS是很窄的。
当占空比为τS/TS的脉冲通过话路低通滤波器后,低通滤波器输出信号的幅度很小。
这样大的衰减带来的后果是严重的。
但是,在分路选通后加入保持电容,可使分路后的PAM信号展宽到100%的占空比,从而解决信号幅度衰减过大的问题。
但我们知道平顶抽样将引起固有的频率失真。
PAM信号在时间上是离散的,但在幅度上却是连续的。
而在PCM系统里,PAM信号只有在被量化和编码后才有传输的可能。
本实验仅提供一个PAM系统的简单模式。
4、多路脉冲调幅系统中的路际串话
路际串话是衡量多路系统的重要指标之一。
路际串话是指在同一时分多路系统中,某一路或某几路的通话信号串扰到其它话路上去,这样就产生了同一端机中的各路通话之间的串话。
串话分可懂串话和不可懂串话,前者造成失密或影响正常通话;后者等于噪声干扰。
对路际串话必须设法防止。
一个实用的通话系统必须满足对路际串话规定的指标。
在一个理想的传输系统中,各路PAM信号应是严格地限制在本路时隙中的矩形脉冲。
但如果传输PAM信号的通道频带是有限的,则PAM信号就会出现“拖尾”的现象,当“拖尾”严重,以至侵入邻路隙时,就产生了路际串话。
在考虑通道频带高频端时,可将整个通道简化为图1—9所示的低通网络,它的上截止频率为:
f1=1/(2πR1C1)
图1-9通道的低通等效网络
为了分析方便,设第一路有幅度为V的PAM脉冲,而其它路没有。
当矩形脉冲通过图1-9(a)所示的低通网络,输出波形如图1-9(b)所示。
脉冲终了时,波形按R1C1时间常数指数下降。
这样,就有了第一路脉冲在第二路时隙上的残存电压——串话电压ΔU,这种由于信道的高频响应不够引起的路际串话就叫做高频串话。
当考虑通道频带的低频端时,可将通道简化为图1—10所示的高通网络。
它的下截止频率为:
f2=1/(2πR2C2)
由于R2C2>>τ,所以,当脉冲通过图1-10(a)所示的高通网络后,输出波形如图1-10(b)所示。
长长的“拖尾”影响到相隔很远的时隙。
若计算某一话路上的串话电压,则需要计算前n路对这一路分别产生的串话电压,积累起来才是总的串话电压。
这种由于信道的低频响应不够而引起的路际串话就叫做低频串话。
解决低频串话是一项很困难的工作。
图1-10通道的高频等效网络
限于实验条件,本实验只模拟了高频串话的信道。
以上几部分电路所需要的定时脉冲均由图1-8中的定时电路提供。
三、实验仪器
双踪同步示波器SR8
四、实验内容与步骤
(一)抽样和分路脉冲的形成
用示波器和频率计观察并核对各脉冲信号的频率、波形及脉冲宽度,并记录相应的波形。
1、在(TP1)观察主振脉冲信号。
2、在(TP2)观察分路抽样脉冲;在(TP3)观察分路抽样脉冲。
3、在(TP2′)观察分路抽样脉冲;在(TP3′)观察分路抽样脉冲。
4、用双踪示波器比较(TP2)—(TP2′),(TP3)—(TP3′)的时序。
(二)验证抽样定理
1、正弦信号从(TP4)输入,fH=1KHz,幅度2VP-P。
2、连接(TP2)—(TP6)。
3、以(TP4)作双踪同步示波器的比较信号,观察(TP8)抽样后形成的PAM信号。
调整示波器触发同步,使PAM信号在示波器上现示稳定,计算在一个信号周期内的抽样次数。
核对信号频率与抽样频率的关系。
4、连接(TP8)—(TP14),在(TP15)观察经低通滤波器和放大器的解调信号。
测量其频率,确定和输入信号的关系,验证抽样定理。
5、改变fH,令fH=6KHz,重复2、3、4项内容,验证抽样定理。
(三)PAM信号的形成和解调
连接(TP8)—(TP11)、(TP13)—(TP14)、(TP3)—(TP12),观察并画出以下各点的波形。
1、在(TP4)输入正弦信号,fH=1KHz,幅度2Vp-p。
2、以(TP4)作为双踪同步示波器的比较信号,在(TP8)观察单路PAM信号。
3、在(TP13)观察选通后的单路解调展宽信号,用示波器读出τ的宽度(用μS作单位)。
4、在(TP15)观察经低通滤波器放大后的音频信号。
5、改变输入正弦信号的频率(fmax≤3.4KHz可取500、1K、2K、3K),在(TP15)测量整个系统的频率特性,测试数据填入下表。
f(Hz)
500
1000
2000
3000
TP15(V)
(四)多路PAM系统中的路际串话现象
连接(TP2′)—(TP12),接入分路选通脉冲。
1、在(TP4)输入正弦信号,fH<1KHz。
2、在(TP15)观察第一路串入第二路的信号,用示波器观察并测量其频率和幅度。
3、连接(TP8)—(TP9)、(TP10)—(TP11),将开关K向下置于电容C11处,重复1、2项的内容,并与之比较。
4、将开关K向上置于电容C12处,重复1、2项的内容,并与2、3项的结果比较。
五、实验报告
1、整理实验数据,画出相应的曲线和波形。
2、本实验在(TP8)和(TP13)得到的是哪一类抽样的波形?
从理论上对理想抽样、自然抽样和平顶抽样进行对比和说明。
3、对实验内容
(二)进行讨论。
当fs>2fH和fs<2fH时,低通滤波器输出的波形是什么?
试总结一般规律。
4、实验内容(四)中的2、3、4项内容有什么区别?
分析影响串话的主要原因。
根据本实验电路的元件数据计算信道上的截止频率。
5、对改进实验内容和电路有什么建议?
实验二脉冲编码调制(PCM)实验
一、实验目的
1、了解语音信号编译码的工作原理;
2、验证PCM编码原理;
3、初步了解PCM专用大规模集成电路的工作原理和应用;
4、了解语音信号数字化技术的主要指标及测试方法。
二、实验原理和电路说明
1、概述
脉冲编码(PCM)技术已经在数字通信系统中得到了广泛的应用。
十多年来,由于超大规模集成技术的发展,PCM通信设备在缩小体积、减轻重量、降低功耗、简化调试以及方便维护等方面都有了显著的改进。
目前,数字电话终端机的关键部件,如编译码器(Codec)和话路滤波器等都实现了集成化。
本实验是以这些产品编排的PCM编译码系统实验,以期让实验者了解通信专用大规模集成电路在通信系统中应用的新技术。
PCM数字电话终端机的构成原理如图2-1所示。
实验只包括虚线框内的部分,故名PCM编译码实验。
图2-1PCM数字电话终端机的结构示意图
2、实验原理和电路
PCM编译码系统由定时部分和PCM编译码器构成,电路原理图如图2-2所示。
1、PCM编译码原理
为适应语音信号的动态范围,实用的PCM编译码必须是非线性的。
目前,国际上采用的均是折线近似的对数压扩特性。
CCITT的建议规定以13段折线近似的A律(A=87.56)和15段折线近似的μ律(μ=255)作为国际标准。
A律和μ律的量化特性初始段如图2-3(a)和图2-3(b)所示。
A律和μ律的编译码表分别列于表2-1和表2-2。
这种折线近似压扩特性的特点是:
各段落间量阶关系都是2的倍数,在段落内为均匀分层量化,即等间隔16个分层。
这些对于用数字电路实现非线性编码与译码是极为方便的。
2、PCM编译码器简介
本实验PCM编译码器采用了TP3067专用大规模集成电路,它是CMOS工艺制造的单片PCMA/μ律编译码器,并且片内带有输入输出话路滤波器。
TP3067的管脚如图2-4所示,内部组成框图如图2-5所示。
图2-3量化特性
表2-1A=8756编译码表
输入幅度
范围
量阶
△
段落码
S
电平码
|
量化
电平
译码
幅度
0-1
…
15-16
1
000
0000
…
1111
0
…
15
0.5
…
15.5
16-17
…
31-32
1
001
0000
…
1111
16
…
31
16.5
…
31.5
32-34
…
62-64
2
010
0000
…
1111
32
…
47
32
…
63
64-68
…
124-128
4
011
0000
…
1111
48
…
63
66
…
126
128-136
…
248-256
8
100
0000
…
1111
64
…
79
132
…
252
256-272
…
496-512
16
101
0000
…
1111
80
…
95
264
…
504
512-544
…
992-1024
32
110
0000
…
1111
96
…
111
528
…
1008
1024-1088
…
1984-2048
64
111
0000
…
1111
112
…
127
1056
…
2016
TP3067的管脚定义简述如下:
(1)VPO+接收功放的同向输出。
(2)GNDA模拟地。
所有信号以这个引脚为参考点。
(3)VPO-接收功放的反向输出。
(4)VPI将输入转换到接收功放。
(5)VFRO接收滤波器的模拟输出。
(6)VCC正电源引脚。
VCC=+5V±5%
(7)FSR接收部分的8KHZ帧同步时隙信号。
(8)DRPCM码流解码输入。
(9)BCLKR/CLKSET接收数据(DR)时钟,在固定速率工作模式下为2048K。
FSR的上升沿,可以从64KHZ变化到2.048MHZ。
逻辑输入可以交替地选择在同步模式下提供给主时钟的1.536MHZ/1.554MHZ或2.048MHZ,BCLKX用于传输和接收。
表2-2μ=255编译码表
输入幅度
范围
量阶
△
段落码
S
电平码
|
量化
电平
译码
幅度
0-0.5
…
14.5-15.5
1
000
0000
…
1111
0
…
15
0
…
15
15.5-17.5
…
45.5-47.5
2
001
0000
…
1111
16
…
31
16.5
…
46.5
47.5-51.5
…
107.5-111.5
4
010
0000
…
1111
32
…
47
49.5
…
109.5
111.5-119.5
…
231.5-239.5
8
011
0000
…
1111
48
…
63
115.5
…
235.5
239.5-255.5
…
479.5-495.5
16
100
0000
…
1111
64
…
79
247.5
…
487.5
495.5-527.5
…
975.5-1007.5
32
101
0000
…
1111
80
…
95
511.5
…
991.5
1007.5-1071.5
…
1967.5-2031.5
64
110
0000
…
1111
96
…
111
1039.5
…
1999.5
2031.5-2159.5
…
3951.5-4079.5
128
111
0000
…
1111
112
…
127
2095.5
…
4015.5
(10)MCLKR/PDN接收主时钟。
1.544MHZ或2.048MHZ。
可以与MCLKX同步,但最好是在最佳性能时与MCLKX同步。
在MCLKR持续低时,全部内部定时选择MCLKX。
在MCLKR持续高时,器件处于低功耗状态。
(11)MCLKX传输主时钟必须是1.536MHZ、1.544MHZ或2.048MHZ。
可以与MCLKR同步。
(12)BCLKX传输数据(DX)位时钟,固定速率工作模式下为2048K。
可以从64KHZ变化到2.048MHZ,但必须与MCLKX同步。
(13)DX编码数据输出,通过FSX使能。
(14)FSX发送部分的8KHZ帧同步时隙信号。
(15)TSX编码时的消耗输出。
(16)ANLB控制输入的模拟回路。
操作时必须置逻辑“0”。
(17)GSX传输输入放大器的模拟输出,用于内部设置增益。
(18)VFXI-传输输入放大器的反向输入。
(19)VFXI+传输输入放大器的同向输入。
(20)VBB负电源引脚。
VBB=-5V±5%。
3、定时部分
TP3067编译码器所需的定时脉冲均由定时部分提供。
这里只需要主时钟2048KHz和帧定时8KHz信号。
图2-4TP3067管脚图
为了简化实验内容,本实验系统的编译码部分公用一个定时源以确保发收时隙的同步。
在实际的PCM数字电话设备中,确有一个同步系统来保证发收同步的。
三、实验仪器
双踪同步示波器SR8
*杂音计ND5
*失真度测量仪BS1
四、实验内容与步骤
(一)时钟部分
主振频率为4096KHz,经分频后得到2048KHz的位定时和128KHz的定时,再经分频分相后得到8KHz的主同步时钟和路时钟。
用示波器在(TP1)观察主振波形,用频率计测量其频率。
同样在(TP2)、(TP3)和(TP4)观察并测量其它时钟信号,并记录各点波形的频率和幅度。
(二)PCM编译码器
音频信号(fH=1KHZ,幅度2VP-P)从(TP5)输入,则在(TP6)可观察到PCM编码输出的码流。
连接(TP6)—(TP7),则在(TP8)可观察到经译码和接收低通滤波器恢复出的同向输出音频信号和反向输出音频信号(TP8′),记录各测试点的波形参数。
图2-5TP3067的内部结构框图
(三)系统性能测试
系统性能测试有三项指标,即动态范围、信噪比特性和频率特性。
1、动态范围
在满足一定信噪比(S/N)条件下,编译码系统所对应的音频信号的幅度范围定义为动态范围。
通常规定音频信号的频率为800Hz(或1000Hz)。
动态范围应大于CCITT(国际电报、电话咨询委员会)建议的框架(样板值),如图2-6所示。
动态范围的测试框图如图2-7所示。
图2-6PCM编译码系统动态范围样板值
图2-7动态范围测试框图
在原理部分已经提到,PCM编译码器允许输入信号的最大幅度为4.36V。
为了确保器件的安全使用,本实验在进行动态范围这一指标测试时,不再对输入信号的临界过载进行验证。
取输入信号的最大幅度为5VP-P(注意:
信号要由小至大调节),测出此时的S/N值。
设临界过载幅度为Vmax,这是正弦输入信号编码不过载的最大幅度。
当输入信号大于临界过载幅度之后,输出信号的S/N急剧下降。
首先找出临界过载点,然后以10dB一个点衰减输入信号,将测试数据填入下表。
-10dB
-20dB
-30dB
-40dB
-50dB
Vin(mv)p-p
5000
1500
500
150
50
15
S/N(dB)
2、信噪比特性
在上一项测试中选择出最佳编码电平(S/N最高),在此电平下测试不同频率下的信噪比值。
频率选择在500Hz/1KHZ/2KHz/3KHz。
信噪比特性的测试框图如图2-8所示。
图2-8信噪比特性测试框图
信噪比特性测试数据记录于下表。
信噪比特性(Vin=2VP-P)
f(Hz)
500
1000
2000
3000
S/N(dB)
3、频率特性
选一合适的输入电平(Vin=2VP-P),改变输入信号的频率,在(TP8)逐频率点测出译码输出信号的电压值,频率特性测试数据记录于下表。
f(Hz)
500
1000
2000
3000
TP8(V)
五、实验报告
1、整理实验记录,画出相应的曲线和波形。
2、PCM编译码系统由哪些部分构成?
各部分的作用是什么?
3、对PCM和△M系统的系统性能进行比较,总结它们各自的特点。
4、在实际的通信系统中收端(译码)部分的定时信号是怎样获取的?
5、对改进实验有什么建议?
实验三增量调制(ΔM)编译码实验
一、实验目的
1、了解语音信号的ΔM编码过程;
2、验证ΔM的编译码原理;
3、粗略了解ΔM编译码专用集成电路的基本工作原理、外部电路设计原则和一般使用方法;
4、了解语音信号数字化技术的主要指标,学习指标的测试方法。
二、单片ΔM编码系统组成和电路原理
1、概述
随着中、大规模集成电路技术的进步,各种通信专用集成电路迅速发展。
ΔM编译码器、开关电容滤波器以及用户接口电路的集成化,为全集成化ΔM数字电话终端设备提供了物质条件。
目前,由三块中规模集成电路加少量外接元件设计的新型集成化ΔM数字电话终端机已投入批量生产。
图3-1就是这种设备的一个话路的方框图。
图3-1集成化ΔM数字电话框图
与通用的分立元件及小规模集成电路的编译码器相比,集成化系统在缩小体积、降低功耗等方面有明显的效益,对减少量化噪声、
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