1、通信实验讲义资料实验一 信号源实验一、实验目的1 了解频率连续变化的各种波形的产生方法。2 理解帧同步信号与位同步信号在整个通信系统中的作用。3 熟练掌握信号源模块的使用方法。二、实验内容1 观察频率连续可变信号发生器输出的各种波形及7段数码管的显示。2 观察点频方波信号的输出。3 观察点频正弦波信号的输出。4 拨动拨码开关，观察码型可变NRZ码的输出。5 观察位同步信号和帧同步信号的输出。三、实验仪器1 信号源模块2 20M双踪示波器 一台3 连接线 若干四、实验原理信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分，分别产生模拟信号和数字信号。1. 模拟信号源部分图1-1 模拟信号源部分原理框图模拟
2、信号源部分可以输出频率和幅度可任意改变的正弦波（频率变化范围100Hz10KHz）、三角波（频率变化范围100Hz1KHz）、方波（频率变化范围100Hz10KHz）、锯齿波（频率变化范围100Hz1KHz）以及32KHz、64KHz、1MHz的点频正弦波（幅度可以调节），各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。该部分电路原理框图如图1-1所示。在实验前，我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U05并存放在固定的地址中。当单片机U06检测到波形选择开关和频率调节开关送入的信息后，一方面通过预置分频器调整U04中分频器的分频比(分频后的信号频率由数码管M01M04显示)；另一方
3、面根据分频器输出的频率和所选波形的种类，通过地址选择器选中数据存储器U05中对应地址的区间，输出相应的数字信号。该数字信号经过D/A转换器U07和开关电容滤波器U08后得到所需模拟信号。2 信号源部分数字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码（可通过拨码开关SW103、SW104、SW105改变码型）以及位同步信号和帧同步信号。绝大部分电路功能由U04来完成，通过拨码开关SW101、SW102可改变整个数字信号源位同步信号和帧同步信号的速率，该部分电路原理框图如图1-2所示。晶振出来的方波信号经3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器分频，前一分频器分频后可得到1024KHz、25
4、6KHz、64KHz、8KHz的方波以及8KHz的窄脉冲信号。可预置分频器的分频比可通过拨码开关SW101、SW102来改变，分频比范围是19999。分频后的信号即为整个系统的位同步信号（从信号输出点“BS”输出）。数字信号源部分还包括一个NRZ码产生电路，通过该电路可产生以24位为一帧的周期性NRZ码序列，该序列的码型可通过拨码开关SW103、SW104、SW105来改变。在后继的码型变换、时分复用、CDMA等实验中，NRZ码将起到十分重要的作用。图1-2 数字信号源部分原理框图五、实验步骤1 将信号源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，再按
5、下开关POWER1、POWER2，发光二极管LED01、LED02发光，按一下复位键，信号源模块开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3 模拟信号源部分 按下“复位”按键使U06复位，波形指示灯“正弦波”亮，波形指示灯“三角波”、“锯齿波”、“方波”以及发光二极管LED07灭，数码管M01M04显示“2000”。 按一下“波形选择”按键，波形指示灯“三角波”亮（其它仍熄灭），此时信号输出点“模拟输出”的输出波形为三角波。逐次按下“波形选择”按键，四个波形指示灯轮流发亮，此时“模拟输出”点轮流输出正弦波、三角波、锯齿波和方波。在实验报告中
6、记录波形。3 观察“32K正弦波”、“64K正弦波”、“1M正弦波”各点输出的正弦波波形，对应的电位器“32K幅度调节”、“64K幅度调节”、“1M幅度调节”可分别改变各正弦波的幅度。在实验报告中记录波形。4 数字信号源部分拨码开关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19999，所以位同步信号频率范围是200Hz2MHz。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
7、关SW101、SW102设置为00000001 00101000，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。 将拨码开关SW101、SW102设置为00000001 00101000，拨码开关SW103、SW104、SW105设置为11000000 11100000 11110000，观察BS、2BS、FS、NRZ各点输出波形的特点并在实验报告中记录波形。 将拨码开关SW101、SW102设置为00000001 001010
8、00，改变各拨码开关的设置， SW103、SW104、SW105设置为01110010 00110011 10101010，重复观察BS、2BS、FS、NRZ各点输出波形的特点并在实验报告中记录波形。3 将拨码开关SW101、SW102设置为00000001 00000000，SW103、SW104、SW105设置为01110010 00110011 10101010，观察BS、2BS、FS、NRZ波形。在实验报告中记录波形（选做）。5 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.
9、5K、31.25K、7.8125K信号，电路板上的标识为近似值，这一点请注意）。在实验报告中记录波形。六、输入、输出点参考说明1 输入点说明 IN：模拟信号放大器输入点。2 输出点说明 模拟输出：波形种类、幅度、频率均可调节。各种波形的频率变化范围如下：正弦波：100Hz10KHz三角波：100Hz1KHz锯齿波：100Hz1KHz方 波：100Hz10KHz32KHz正弦波： 31.25KHz正弦波输出点。（幅度最大可达4V以上）64KHz正弦波： 62.5KHz正弦波输出点。（幅度最大可达4V以上）1MHz正弦波： 1MHz正弦波输出点。（幅度最大可达4V以上）OUT： 模拟信号放大器输出
10、点。（放大倍数最大为2倍）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，码速率和位同步信号频率相同）PN15、PN31、P
11、N511：伪随机序列输出点。七、实验报告要求根据实验测试记录，在实验报告中画出各测量点的波形图。实验二 码型变换实验一、实验目的1 了解几种常见的数字基带信号。2 掌握常用数字基带传输码型的编码规则。3 掌握用FPGA实现码型变换的方法。二、实验内容1 观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码的波形。2 观察全0码或全1码时各码型的波形。3 观察HDB3码、AMI码、BNRZ码的正、负极性波形。4 观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码经过码型反变换后的输出波形。5 自行设计码型变换电路，观察输出波形。三
12、、实验仪器1 信号源模块2 码型变换模块3 20M双踪示波器 四、实验原理编码规则1 NRZ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：2 RZ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：3 BNRZ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：4 BRZ码BRZ码的全称
13、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：5 AMI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：6 HDB3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”；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
14、码的“1”码变为带有符号的“1”码即“+1”或“1”。例如：7 BPH码BPH码的全称是数字双相码（Digital Diphase），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两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：0 01（零相位的一个周期的方波）；1 10（相位的一个周期的方波）。例如：8 CMI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：五
15、、实验步骤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。（在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3 将信号源模块的拨码开关SW101、SW102设置为00000101 00000000，SW103、SW104、SW105设置为1100 0000 1110 0000 11110000。按实验一的介绍，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。4
16、 分别将信号源模块与码型变换模块上以下四组输入/输出点用连接线连接：BS与BS、FS与FS、2BS与2BS、NRZ与NRZ。观察信号源模块上BS、FS、2BS、NRZ各点波形。观察码型变换模块各点输出波形NRZ，RZ，BNRZ，BRZ，AMI，HDB3，BPH等。在实验报告中记录观察到的这一组波形。5. 改变拨码开关的设置，重复上述实验。将SW103、SW104、SW105设置为01110010 00110000 00101010，用双踪示波器观察码型变换模块各点输出的波形NRZ，RZ，BNRZ，BRZ，AMI，HDB3，BPH等。在实验报告中记录观察到的这一组波形。6. 将SW103、SW1
17、04、SW105设置为10000 10000 11000011 011100，用双踪示波器观察码型变换模块各点输出的波形NRZ，RZ，BNRZ，BRZ，AMI，HDB3，BPH等。在实验报告中记录观察到的这一组波形。（选做）六、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
18、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。七、实验报告要求根据实验测试记录，在实验报告中画出各测量点的波形图，并分析实验现象。实验三 振幅键控、移频键控、移相键控调制实验一、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
19、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以及绝对码波形与2DPSK信号波形之间的关系。二、实验内容1 综合运用信号源模块、数字调制模块、数字解调模块、同步信号提取模块做调制实验。2 观察绝对码和相对码的波形。3 观察2ASK、2FSK、2DPSK信号波形。三、实验仪器1 信号源模块2 数字调制模块3 20M双踪示波器 四、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，就形成了二进制振幅键控(2ASK)、二进制移频键控（
20、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的变化而变化的。使载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0”，这样就可以得到2ASK信号，这种二进制振幅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。图3-1 2ASK信号的典型时域波形图3-2 2ASK调制原理框图2ASK信号的产生，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，由二进制序列控制门的通断，1
21、时开关导通；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，故用模拟乘法器实现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。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，即载频为时代表传0，载频为时代表传1。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以和为载频、以和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3-3所示。图3-3 2FSK
22、信号的典型时域波形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（或）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，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图3-4所示：图3-4 2FSK调制原理框图3 2PSK和2DPSK调制原理。2PSK信号是用载波相位
23、的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和相位载波分别代表传1和传0，其时域波形示意图如图3-5所示。图3-5 2PSK信号的典型时域波形2PSK调制通常会产生 “倒”现象，因此，实际中一般不采用2PSK方式，而采用差分移相（2DPSK）方式。2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移x表示（x定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设”图3-6为对同一组二进制信号调制后的2PSK与2DPSK波形。2DPSK的调制原理与2FSK的调制原理类似，也是用二进制基带信号作为模拟开关的控制信号轮流选通不同相位的载波，完成2DPSK调制，
24、其调制的基带信号和载波信号分别从“PSK基带输入”和“PSK载波输入”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS输入”点输入，其原理框图如图3-7所示：图3-7 2DPSK调制原理框图图3-6 2PSK与2DPSK波形对比五、实验步骤 1 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、D400、D401、L1、L2发光。（在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）2 ASK调制实验信号源模块产生的码速率为15.625KHz（BS点的输出频率），NRZ作为数字基带信号，64KHz的正弦波作为载波（幅
25、度为3V左右），NRZ与数字调制模块的信号输入点“ASK基带输入”相连接， 64KHz的正弦波与 “ASK载波输入”相连接。 1 拨码开关SW103、SW104、SW105设置为11000000 11100000 11110000，用双踪示波器同时观察点“ASK基带输入”和点“ASK调制输出”输出的波形。在实验报告中记录这组波形（基带输入、载波、调制输出）。2 改变送入的基带信号，将拨码开关SW103、SW104、SW105设置为01110010 00110011 10101010，重复上述实验，观察相应点的波形。在实验报告中记录这组波形（基带输入、载波、调制输出）。3 FSK调制实验1 将N
26、RZ码作为数字基带信号，32KHz正弦波（幅度为3V左右）和64KHz的正弦波（幅度为3V左右）作为载波，NRZ与数字调制模块的信号输入点“FSK基带输入”相连接，32KHz正弦波接“FSK载波输入1”， 64KHz的正弦波接“FSK载波输入2”。 拨码开关SW103、SW104、SW105设置为11000000 11100000 11110000，用双踪示波器同时观察点“FSK基带输入”和点“FSK调制输出”输出的波形，在实验报告中记录这组波形（基带输入、载波1、载波2、调制输出）2 改变送入的基带信号和载波信号，将拨码开关SW103、SW104、SW105设置为01110010 00110
27、011 10101010，重复上述实验，观察相应点的波形。在实验报告中记录这组波形（基带输入、载波1、载波2、调制输出）4 PSK调制实验1 将信号源模块的信号输出点“BS”与数字调制模块的信号输入点“PSK-BS输入”相连接，将NRZ码作为数字基带信号， 64KHz的正弦波作为载波（幅度为3V左右），NRZ与数字调制模块的信号输入点“PSK基带输入”相连接，64KHz正弦波和“PSK载波输入”。拨码开关SW103、SW104、SW105设置为11000000 11100000 11110000，用双踪示波器同时观察点“PSK基带输入”与“差分编码输出”和“PSK调制输出”的波形。在实验报告中
28、记录这组波形（基带输入、载波、差分编码输出、调制输出）2 改变送入的基带信号和载波信号，将拨码开关SW103、SW104、SW105设置为01110010 00110011 10101010，重复上述实验，观察相应点的波形。在实验报告中记录这组波形（基带输入、载波、差分编码输出、调制输出）六、输入、输出点参考说明1 信号输入点参考说明ASK基带输入： ASK基带信号输入点。ASK载波输入： ASK载波信号输入点。FSK基带输入： FSK基带信号输入点。FSK载波输入1： FSK第一路载波信号输入点。FSK载波输入2： FSK第二路载波信号输入点。PSK基带输入： PSK基带信号输入点。PSK载
29、波输入： PSK载波信号输入点。PSK-BS输入： PSK差分编码时钟输入点。2 信号输出点参考说明ASK调制输出： ASK调制信号输出点。FSK调制输出： FSK调制信号输出点。PSK调制输出： PSK调制信号输出点。 差分编码输出： PSK基带信号经差分编码后的信号输出点。七、实验报告要求根据实验测试记录，在实验报告中画出各测量点的波形图，并分析实验现象。实验四 振幅键控、移频键控、移相键控解调实验一、实验目的1 掌握2ASK相干解调的原理。2 掌握2FSK过零检测解调的原理。3 掌握2DPSK相干解调的原理。二、实验内容1 综合运用信号源模块、数字调制模块、数字解调模块、同步信号提取模块
30、做解调实验。2 观察2ASK、2FSK、2DPSK解调信号波形、2FSK过零检测解调器各点波形、2DPSK相干解调器各点波形。三、实验仪器1 信号源模块2 数字调制模块3 数字解调模块4 同步信号提取模块5 20M双踪示波器四、实验原理1 2ASK解调原理。2ASK解调有非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）两种方法，相应的接收系统原理框图如图4-1所示：（a）非相干方式（b）相干方式图4-1 2ASK解调原理框图我们采用的是包络检波法。2ASK调制信号从“ASK-IN”输入，经CA03和RA02组成的耦合电路至半波整流器（由DA02、DA03组成），半波整流后的信号经电压比较器UA
31、01（LM339）与参考电位比较后送入抽样判决器进行抽样判决，最后得到解调输出的二进制信号。标号为“ASK判决电压调节”的电位器用来调节电压比较器UA01的判决电压。判决电压过高，将会导致正确的解调结果的丢失；判决电压过低，将会导致解调结果中含有大量错码，因此，只有合理选择判决电压，才能得到正确的解调结果。抽样判决用的时钟信号就是2ASK基带信号的位同步信号，该信号从“ASK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。在实际应用的通信系统中，解调器的输入端都有一个带通滤波器来滤除带外的信道白噪声并确保系统的频率特性符合无码间串扰的条件。本实验中为了简化实验设备，在调制部分的输出端没有加带通滤波器，并且假设信道是理想的，所以在解调部分的输入端也没有加带通滤波器。2 2FSK解调原理图4-2 2FSK解调原理框
