通信原理实验指导手册

目 录实验一 数字基带信号及传输 2实验二 HDB3 编、译码实验 10实验三 时域均衡器实验 22实验四 2FSK 调制与解调 .37实验五 2PSK、2DPSK 调制与解调 .49实验六 P CM 基带通话系统设计 552实验一 数字基带信号及传输一、实验目的：1了解单极性码、双极性码、归零码、非归零码等基带信号的产生原理及其波形的特点。2掌握码、码、双相码的编码规则。3掌握插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。4学会设计简单的时分多路信号传输系统。二、实验内容：1用示波器观察单极性非归零码（） ，传号交替反转码（） ， 三阶高密度双极性码(HDB3)。2改变码序列，比较其单极性码，码，码波形，并验证是否符合其编码规则。3观察编码中的四连零检测、补、加补奇、单双极性变换的波形，并验证是否符合编码规则。4观察并比较单、双极性码（非归零、归零） 、时钟信号、时序信号及双相码的波形和相位特点。5分析电路，设计实验方案，产生 100占空比的 AMI 码，比较 100占空比AMI 码与 50占空比 AMI 码的功率谱。 （选作）6分析电路，设计实验方案，产生不同码速率的信息。 （选作）7尝试用信源电路的组合，产生其它码型。 （选作）三、预习要求：1复习教材中有关基带信号及时分复用的内容。2认真预习本实验指导书的工作原理和实验内容。3熟悉有关器件的功能及其应用方法以及两模块框图的信号流程和设计原理。4对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。四、实验仪器：1 、两路 3A 直流稳压电源 一台2、双踪示波器 一台3、频率计 一台4、数字信源模块 一块5、HDB3 编译码模块 一块6、频谱仪 一台（选做）U9 U3A T12 U3B T14 U5 P9 256kHZ U6 U11F U14 U7A 帧同步信号 U10A U10B U10C U10D U13 Q0 U7CQ1 U13 U11BD Q2 U7B外码 外码 外码 外码 Y3 U12A Y1Y2 U15 U16 U17 U18 Y0 双极性非归零码单极性非归零码 U14 256KHZ 时钟双极性归零码单极性归零码 U19ACU21 U22 U23 U24 双相码U25 U20 20 AMI 码图1-1数字信源原理框图4096K 振荡器 二分频 二分频 4 位二进制计数器 4 位二进计数器或门或门或门牌号反相模拟开关 1 模拟开关 2 模拟开关 3 模拟开关 48/1 数据选择器 8/1 数据选择器 8/1 数据选择器 8/1 数据选择器码 灯 指 示 1 码 灯 指 示 2 码 灯 指 示 3 码 灯 指 示 41/0 选择开关 1 1/0 选择开关 2 1/0 选择开关 3 1/0 选择开关 4二进制计数器2/4 译码器三 2 选 1 模拟开关U8双 4 选 1 模拟开关或门电路反相器D 触发器 双四选择开关4五、基本原理：本实验使用数字信源模块。原理框图如图所示。本模块产生的时钟频率为k Z。信码速率为kBit/S.帧结构如图所示。帧长为位，首位为任意码位。第位第帧同步码 数据 数据 数据x 1 1 1 0 0 1 0 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x图 1 帧结构位是帧同步码（位巴克码为） ，另外位为路数据码，每路为位。（）分频器 本模块由 为主的晶体振荡电路产生kH 方波信号，然后经 二分频后产生kH Z 方波信号。再经二分频后，得到期kH Z 方波信号（T14 ） 。再经 （位二进制计数器）产生kH Z 时钟信号（） 。（）八选一电路本模块中的 15、 16、 17、 17 由选数据选择器组成。其功能表如表所示。 （ 0 2）按二进制译码，从个数据（ 0 7）中选取个所需的数据。只有在选通端为低电平时才可选择数据。 中的“”或“”可由 、 、 、 四路八位选择开关人工置定。 数据分别由分频出 （kH z） 、 （kH Z） 、 （ kHZ）方波信号。表 选数据选择器功能表输 入 输 出 ST W（ 为选择输入端； 为数据输入端； 为选通输入端, 为反STW码数据输出端；为数据输出端。 ）（3）四路八位码的合路该合路器由 、 、 、 以及 1 组成。其中6 10AB 为可控模拟开关。 为译码器。 为位二进制计数器。由 6 分频出的kH Z 方波信号经 的二、四分频分别得到kH Z、kH Z 方波信号，送 1 的 译码器。其功能表如表所示。表 译码器功能表输 入 输 出 （脉宽为八位码的宽度，并称之为时序脉冲。 ）由、经倒相后，依次控制模拟开关 10A、 10B、 10C、 10D 使之依次开关。这样就依次选通第、路码，并合路成一路串行码。（4）帧同步信号本模块产生的合路信码流以位为帧,且为分路器能直接提供帧同步头。本模块帧同步信号产生方法如图所示。256kH Z 128kHZ 64kHZ 32kHZ 16kH Z 8kH Z=+帧同步信号图 3 帧同步信号波形的产生方法由kH Z 时钟信号经、分频后与kH Z 相或7后，即得到反相帧同步信号,再倒相后，得到正相帧同步信号。（5）单、双极性非归零码的产生该部分电路由 三路二选一模拟开关组成。其功能表如表所示。表 三选模拟开关功能表输入 输出 输入 输出 输入 输出 无 无 无其中，为kH Z 时钟信号；为合路信号； ， ； ， ； ， 。为时钟信号输出，为单极性非归零码信号输出，为双极性非归零码信号输出。产生的波形举例如图所示。AXB=C YZ 图 单、双极性非归零码波形的产生方法8（6）单、双极性归零码产生该部分电路由 U14 双选模拟开关组成。其功能表如表所示。表 双选模拟开关功能表输 入 导 通 通 道 ， ， ， ， 无该模块中选 0， -1， 0， +1 ； 0， +1； 0。为合路码，为kH Z 时钟信号。产生的波形举例如图所示。图 5 单、双极性归零码波形（7）双相码（Manchester 码）编码规则：它是对每个二进制代码分别利用两个具有个不同相位的二进制码去取代的码。编码规则如下： （零相位的一个周期的方波） （ 相位的一个周期的方波）例如：代码 双相码 该模块中的双相码产生电路由时钟信号和合路码信号经异或门电路来完成。（8）码编码规则：代码的“”仍变换为传输码的“” ，而把代码中的“”交替地变换为传输码，。例如：消息码： 码： 9产生电路由 的触发器与 的选模拟开关组成。 14的功能表类如表4所示，但表中 ， ， ， 。D 触发器的功能是输入端（：单极性归零码）每来一个“”脉冲，其输出状态（）发生一次翻转。该输出信号与信号按表功能表，控制 ，输出码信号。信号波形产生方法举例如图所示。 图 码波形产生方法六、基本实验参考实验步骤：1熟悉信源模块的工作原理。2调整直流电源输出分别为，。3用示波器观察数字信源模块上的各种波形。（1）接通电源用示波器观察两个通道探头分别接 的kH Z时钟和 的单极性归零码并观察其波形。（2）用 产生（为任意码，为位帧同步码） 、 、 、 产生任意信息代码，并观察本实验中集中插入帧同步码时分复用信号帧结构以及码的特点。（3）用示波器观察P P ，P ，P 各点的波形。（4）用示波器观察AMI码与单极性归零码的关系。（5）观察T 、T 、T 、T 四路时序信号的相位关系。（6）观察单极性非归零码与双相码的波形关系。七、实验报告要求：根据实验观察和记录各点波形（用座标纸绘） ，并分析波形与理论是否相符。比较不同信码中的码与码波形是否相同，为什么？什么是时序信号，比较各时序信号的相位关系，并分析时序信号在信号合路时的作用。10实验二 HDB3 编、译码实验一、 实验目的： 加深对 HDB3 编、译码的工作原理的理解。 了解 HDB3 编码与译码器的电路组成及工作过程。 了解 HDB3 码信号中提取位同步信号（时钟）的方法。二、 实验内容： 观察 HDB3 编码器中的四连零检测、补 V、加 B 补奇、单双极性变换以及 HDB3 码的波形，并验证是否符合编码规则。 观察 HDB3 译码器中的双单极性变换、码检测及扣扣后的译码波形以及时钟提取电路输出的位同步信号波形。 手动加入误码时，观察解码输入和检错显示。 当输入信码为外加伪随机信码时，设计实验方案观察输入信码和 HDB3 码的功率频谱。 （选做） 设计实验方案，观察与比较 100占空比 HDB3 码与 50占空比 HDB3 码的功率谱。 （选做）三、 预习及预习报告要求： 预习本实验的工作原理和实验内容。 对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。四、实验仪器：1 、两路 3A 直流稳压电源 一台2、双踪示波器 一台3、频率计 一台4、数字调制模块 一块5、数字解调模块 一块6、频谱仪 一台（选做）1112HDB3 编码器电路原理框1314HDB3 参考电路图(信号源设置为1111-0000；1. 译码无输出观察T17，调整W25和W26电阻)(2. 加B 输出错误，可尝试更换U3 74LS04)五、实验原理：本实验使用数字信源模块和编、译码模块。 （关于信源模块，在前面的实验一中业已介绍，在此略述。 ）1编码11 编码规则（1） 首先检查信息码元中连0串情况。当出现个或个以上连串时，则以“码型取代节” “000V”或者“B00V ”去代替“0000” 。当相邻V脉冲间1码的个数为奇数时，则用 “000V”取代，当相邻 V脉冲间1码的个数为偶数时，则用“B00V”取代。（2） 符号1与符号B都用 、 符号交替表示，这时，我们可以看到：加B符号的作用就是使相邻符号之间有奇数个非符号（即 、符号） ，保证了相邻的V 码的极性交替变化，而且其它码（1码、B码）的极性也是交替变化的，这样就消除了直流成分；否则当有偶数个非符号时，则不能保证没有直流成分。而且取代码在整个码流中不符合极性交替原则，可以容易的进行识别。例如：代码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 加取代节后：1 0 0 0 V 1 0 0 0 V 1 0 0 0 V 1 1 B 0 0 V 1 HDB3 码： + 0 0 0 + - 0 0 0 - + 0 0 0 + - + - 0 0 0 - 1 12 编码的特点（1）相邻的V码的极性交替变化，而且其它码（ 1码、 B码）的极性也是交替变化的，这样就消除了直流成分。低频分量也较少，可以通过线路中的变压器等器件。（2）出现 4 个或 4 个以上连0串时，则以“码型取代节” “000V”或者15“B00V”去代替“0000” 。这样，码流中就不会出现四连0以上的现象，便于定时再生电路从码流中恢复定时。AMI 码则可能出现长连 0，时钟恢复就比较困难。（3）实验中采用了占空比 50的的 HDB3 码，这种码型的频谱在时钟频率点有离散的谱线，可以采用直接滤波法滤出时钟分量，经过放大，滤波，整形就可以恢复出时钟信号，经过锁相环路处理，可以得到更稳定的时钟信号；而占空比 100的 HDB3 码在时钟频率点无离散的谱线，需要经过非线性处理才能提取时钟分量。图 1 100占空比 HDB3 与 50HDB3 波形13 编码器电路（1）四连检测电路及补电路主要由 （四触发器） ， 、 （与非门） 、 （非门）组成。当串行码经 进行四位移位后，实现串并变换。若出现四个连时， 输出为“” ，使连串的第个变为“” ，完成补功能； 若无四连时， 输出与原码相同，即不补。经四连检测及补电路的码流，经 中的触发器，送给后续电路。16图 2 四连检测电路及补电路（2）加补奇电路该电路主要由 、 及 组成。补后的码流送入由 组成的计数器。 是相当于由与非门组成的开关， 当无补脉冲时， 不对码流产生影响。当有补脉冲时，若 的计数个数为偶数时， （与非门）因补脉冲与计数器输出脉冲的共同作用，使 输出状 态发生翻转，关闭 ，使之输出为“” ，即在原码中的四连中的第个“”处，使“” 变为“” 。若计数个数为奇数时， 因补脉冲与计数脉冲的共同作用， 使之不发生翻转而打开了 ，不影响原码流状态。以上过程可归纳为：两码之间为奇数个“”时，不加。两码之间为偶数个“” 时，加。17图 3 加补奇电路及码极性形成电路（3）码极性形成电路该功能电路由 （触发器）与 （与非门）组成。其功能是使加入的脉冲的极性与连码前最接近的“”码的极性相同。（4）双极性码形成电路由 、 、 、 、 、 组成。其中 为由触发器组成的计数器，并有正、反相输出，且与信码及时钟共同送入与门 和 ，变成两路和单极性信号，去控制 的双四选一模拟开关，使单极性码变为双极性的码。18图 4 双极性码形成电路及误码插入电路2、HDB3 译码器2.1 译码原理：根据编码规则，破坏点脉冲与前一个脉冲同极性。因而可从所接收的信码中19找到码。然后，根据加取代节的原则码和前面的三位代码必然为取代码，在译码时，须全部复原为四连。只要找到码，不管码前是二个“码”还是三个：“码” ，一律把整个取代节清零，完成了扣扣功能，进而得到原二元信码序列。（1）双单极性变换电路由正整流 、负整流 、及整形电路组成。正整流电路从码中取出正极性码（） ；负整流电路从码中取出负极性码（） ；整形电路使整流后的脉冲变得规整并为电平。（2）码检测电路由检测电路（ 、 、 ）和码检测电路（ 、 、 ）以及相加器（ 、 ）组成。码检测电路从码流中取出码（ ） ；码检测电路从码流中取出码（ ）相加器把和码相加后得到码（ ）（3）扣扣电路该功能电路由 的四触发器组成的移存器完成。相加器 、 把码与码合成码。码流送入扣扣电路。在时钟信号的作用下进行移位。码信号送入 2（称存器）的清零端。当出现码脉冲时，脉冲使四位移存器清零，亦即把移存器中前已进入的三位代码以及脉冲本身全部变为码，达到扣扣的目的。（4）误码检测电路和误码计数电路该电路只能对编码规则错误进行检测。电路由误码检测（ 5E、 13A、 18B）和误码检测（ 5F、 13B、 8C）和相加器（ 18D、 6AC）组成。据编码规则，码流中，相邻两码必须极性交替。误码检测电路检测码流中的两相邻码间是否对应有一个码（在码流中） ，若无码，则表示破坏了码极性交替规则。同样道理，误码检测电路检测码流中是否存在码极性错误情况。从两路信号（和）中检测的错误码相加后，送入误码计数器并加以显示。（误码计数器电路由 和 组成）（5）时钟（位同步）信号提取电路电路由 19、 20、 21、U 32、U 36、U 3 等组成，其中含有二阶有源带通滤波器和锁相电路（U 36）和延时电路 (U3 )。该电路提取的时钟信号的频率为k ，并送入 2（移存器）中。20图 5 HDB3 译码电路21六、基本实验参考实验步骤：1. 熟悉编、译模块的工作原理。2. 调整直流电源输出分别为、。3. 用示波器观察模块上的各种波形。3.1 使信源模块中 19（时钟）和 20（单极性信码）分别接入编、译码模块的(P 3) 2 和(P 2) 1 上。3.2 用示波器观察编码器波形a. 将信源的四路信码置全“0”码，观察补（ 10） 、加（ 23） 、（ 5） 、（ 7）和（ 1）波形， 2（单极性码入）波形。b. 将信源的四路码置全“”码，重复步骤 3.1。c. 将四路码置为，重复步骤步骤 3.1。3.3 用示波器观察译码器的波形a. 将 1（码出）接入 8（码入） 。信源的四路码维持不变，观察 20（） 、 6（） 、 12（+） 、 14（-） 13（） 、 11（）以及 4（时钟输出） 、 5（译码输出）的波形。b. 插入误码时观察误码显示情况。七、实验报告要求：根据实验观察和记录各点波形（用座标纸绘） ，要求绘出位码的完整波形，并分析波形与理论上的是否相符。 若把对应的码送入译码中会出现什么现象？并说明道理。 本实验的误码检测电路只能检测哪类误码差错，为什么？ 对本实验有何体会，有何改进意见？22实验三 时域均衡器实验一、实验目的1、 理解时域均衡系统的工作原理、特点及其主要作用。2、 学会按给定的准则调整和观测均衡器的方法。3、 了解码元信号再生与同步时钟提取的原理与方法。二、实验内容1. 在数字基带信号为 10101010101010101010101010101010 条件下，按“迫零调整准则” ，手动调整各变系数抽头增益获得最佳均衡效果。2. 在数字基带信号为任意信码时，按“眼图最大准则” ，手动调整各抽头增益，获得最佳均衡效果。3. 改变仿真信道特性（波形畸变）后，重复以上内容。 （选做）4. 设计实验方案，观察在不同信道特性（波形畸变）程度的码间窜扰情况，组合出抽头数量不同的横向滤波器进行信道均衡。 （选做）5. 设计实验方案，模拟预置式均衡器的调整过程。 （选做）6. 观测码元再生和同步提取电路的中间信号和输出结果。 （选做）三、预习要求1、复习教材中有关均衡器原理内容2、认真预习本实验指导书的工作原理和实验内容,3、熟悉有关器件的功能及其用法,熟悉该实验模块框图,信号流程和设计原理.4、对于选作实验，自行设计实验方案及测试步骤。四 、实验仪器与设备1. 双路稳压电源 一台2. 双踪示波器 一台3. 时域均衡器模块 一块4. 数字信源模块 一块5. HDB3 编译码器模块 一块232425五、实验原理。1. 基本原理数字基带信号在传输过程中，由于信道特性的变化，在接收端抽样时刻总存在一定的码间干扰，从而导致系统性能下降。均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。在基带系统中插入一种手调滤波器能减小码间干扰的影响，这种具有补偿作用的滤波器称为均衡器。图 1 横向滤波器横向滤波器的信号响应，以及对畸变信号调整的作用，采用了下面的波形来说明：图 2 三抽头横向滤波器均衡入TS TS TS TS TS TS均衡出26图 3 三个抽头输出的延时波形图 4 三个信号通过相加器叠加后得到的码间串扰减少的波形2. 时域均衡器的电路构成横向滤波器的构成分为时延抽头电路、可变系数电路、相加电路、系数判决控制电路。（1）时延电路： 无源全通网络延时线图 5 无源时延网络图 5 示出一种时延线电路。用两节无源二阶全通网络实现一个码元时间的延迟。 时延线特性允许有一定偏差，因为时延线在可变系数电路之前，它27引起的某些畸变也可通过均衡来补偿。但是时延偏差也不宜太大，一般应小于 1。 有源网络延时线有源网络构成的延时线类型比较多，有莫斯丘兹(Moschytz)延时电路，戴利扬尼斯(Deliyannis)延时电路，模拟计算机式二阶延时电路，等等。图 6 戴利扬尼斯延时电路图 7 模拟计算机式二阶延时电路电荷转移器延时线电荷转移器（Charge Transfer Devices） ，简称 CTD，可以实现模拟信号的离散取样数据的存储、长短可控的时延，延时时间可以做的较长，而且延时时间可控。CTD 器件主要有两种类型，一种是斗链器件 BBD（Bucret Bagade Device） ，另一种是电荷耦合器件 CCD（Charge Coupled Device） 。BBD 的工作原理如图：图 8 原理图28图 9 电路等效图 数字均衡器使用存储器延时图 10 数字均衡器构成经过 A/D 变换成数字信号，则时延线可用移位寄存器实现，可变系数电路用数字乘法器实现。（2）可变系数电路 采用场效应管作变阻元件，用运算放大器组成的模拟积分器。积分器输出电压去控制场效应管栅极电压，效应管漏极与源极间的等效电阻由场效应管栅极电压控制，实现可变系数电路。图 11 用场效应管作可变系数电路 采用计数器控制的衰减器。可逆计数器起着数字累积作用，用可逆计数器29控制电子开关，计数器在中间状态时，系数为 0。退 2m-1