课程设计---编码电路测试与PSK2电路设计.doc

专业综合课程设计报告 题 目： 编码电路测试与psk2电路设计 专业综合课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 编码电路测试与psk2电路设计 课程设计目的：1. 通过对thex-1型综合实验平台的使用，较深入了解通信电路的原理；2. 掌握通信电路的测试方法和设计实验的方法；3. 学习利用ewb仿真设计简单通信系统的方法；4. 练习利用protel绘制pcb电路的方法；5. 提高正确地撰写论文的基本能力。课程设计内容和要求1. 电路测试：测试cvsd1，cvsd2，hmc，con，cyc，jz实验电路板。要求详细分析实验电路的工作原理（说明每个元器件的作用和功能），写出测试项目，并对测试结果作出详细分析；如果电路板不能测出所需要的结果，要分析原因，找出电路板损坏的部位。1. 用ewb做出psk2的仿真电路，并测试各点的波形；要求详细分析电路原理（说明每个元器件的作用和功能），对测试结果作出详细分析。2. 用protel绘制fmdem1的pcb电路。3. 查阅不少于6篇参考文献。初始条件：1. thex-1型综合实验平台及实验指导书；2. 示波器，万用表。3. ewb和protel软件。时间安排：第18周，安排设计任务；第19周，完成实验测试和仿真电路的设计与测试；第20周，完成pcb电路绘制；撰写设计报告，答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目 录1. 编码电路测试41.1测试cvsd141.1.1实验结构框图41.1.2各测试点的波形5tp1：在j1输入端输入一个300hz3.4khz的正弦波信号，若幅度过大，则被限幅电路限幅成方波了，因此信号波形幅度尽量小一些，即改变外部信号源的幅度大小。51.1.3波形结果分析61.2测试cvsd271.2.1实验结构框图71.2.2各测量点的波形81.3测试hmc81.3.1实验结构框图81.3.2测量数据分析91.4测试con101.4.1实验测试框图101.4.2测量结果分析111.5测试cyc111.5.1实验电路框图111.5.2各测量点的波形121.5.3实验测试数据141.5.4 测量数据分析151.6测试jz151.6.1各点的测试波形152. psk2电路的仿真测试162.1实验原理162.2实验数据203 绘制fmdem1的pcb电路223.1实验原理223.2 实验数据223.2.1原理图223.2.2 pcb图234. 总结245. 参考文献251. 编码电路测试1.1测试cvsd11.1.1实验结构框图图1.1.1 增量调制编码器实验结构框图图1.1.2 增量调制编码器电原理框图增量调制的基本工作原理：众所周知，增量调制是由pcm发展而来的模拟信号数字化的一种编码方式，它是pcm的一种特例，关于pcm编码原理及其实验，已在以后实验中说明。增量调制编码基本原理是只用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量极性，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还在减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不表示信号的绝对值。所以cvsd亦称m。1.1.2各测试点的波形tp1：在j1输入端输入一个300hz3.4khz的正弦波信号，若幅度过大，则被限幅电路限幅成方波了，因此信号波形幅度尽量小一些，即改变外部信号源的幅度大小。 tp2：增量调制编码电路的本地译码信号输出波形。其输出波形与tp1相近似，但它的上升斜率和下降斜率不同。它是由一次积分电路输出波形tp5，再经过二次积分后输出波形到tp2中，因此测量点tp2的波形也称为二次积分波形。 tp3：增量调制编码电路的数字信号输出波形，工作频率为64khz或32khz或16khz，它由j4来决定。 tp4：增量调制编码电路的工作时钟输入波形，工作频率为64khz或32khz或16khz，它由j4来决定。 tp5：一次积分信号输出波形，它再经过二次积分网络后输出二次积分波形到tp2中，因此测量点tp2的波形也称为二次积分波形。tp6：一致脉冲信号输出波形，它随输入信号波形的变化而变化。它也是三连1，三连0的输出波形。1.1.3测试波形1.1.3波形结果分析测量过程中波形失真较大，在实验指导书的指导下，可以看出大致符合结果要求。1.2测试cvsd21.2.1实验结构框图 图1.2.1 增量调制译码器实验框图 实验电路基本工作过程：由发端送来的编码数据信号通过同轴电缆加至本实验板的j1，把信号送到u1（mc34115）芯片的第13引脚，即接收数据输入端。本系统因为是译码电路，故送低电平至u1（mc34115）的第15引脚，使模拟输入运算放大器与移位寄存器断开，而数字输入运算放大器与移位寄存器接通，这样，接收数据信码经过数字输入运算放大器整形后送至移位寄存器，后面的工作过程与编码时相同，只是解调信号不再送回第2引脚（anf端），而是直接送入后面的积分网络中，再通过接收信道低通滤波电路滤去高频量化噪声，然后送出话音信号。虽然增量调制系统的话音质量不如脉冲编码调制pcm数字系统的音质，但是由于增量调制电路比较简单，能从较低的数码率进行编码，通常为1632kbit/s，在用于单路数字电话通信时，不需要收发端同步，故增量调制系统仍然广泛应用于数字话音通信系统中，如应用在传输数码率的军事，野外及保密数字电话方面，在军队系统中的数字卫星通信地面站设备中，其终端部分的话音的编码就是应用的这种大规模集成电路mc3417、mc3418的连续可变斜率增量调制方式。1.2.2各测量点的波形tp1：增量调制译码电路的数字信号输入波形，工作频率为64khz或32khz或16khz。tp2：增量调制译码电路的本地译码电路模拟信号输出波形，幅度可由r10调节。tp4：增量调制译码电路的工作时钟输入波形，工作效率为64khz或32khz或16khz。1.2.3实验测试波形1.3测试hmc1.3.1实验结构框图1.3.1汉明码译码电路原理框图下面我们通过（7，4）分组码的例子来说明如何具体构造这种线性码。对于码组长度为n、信息码元为k位、监督码元为rnk位的分组码，常记作（n，k）码，如果满足2r1n，则有可能构造出纠正一位或一位以上错误的线性码。设分组码（n，k）中，k=4，为能纠正一位误码，要求r3。现取r3，则nkr7。我们用a0ala2a3a4a5a6表示这7个码元，用s1、s2、s3表示由三个监督方程式计算得到的校正子，并假设三位s1、s2、s3校正子码组与误码位置的对应关系如表30-1所示。表30-1 （7，4）码校正子与误码位置s1s2s3误码位置s1s2s3误码位置001a0101a4010a1110a5100a2111a6011a3000无错由表可知，当误码位置在a2、a4、a5、a6时，校正子s11；否则s10。因此有s1a6a5a4a2，同理有s2a6a5a3a1和s3a6a4a3a0。在编码时a6、a5、a4、a3为信息码元，a2、a1、a0为监督码元。则监督码元可由以下监督方程唯一确定 即 （30-1）由上面方程可得到表30-2所示的16个许用码组。在接收端收到每个码组后，计算出s1、s2、s3，如果不全为0，则表示存在错误，可以由表1确定错误位置并予以纠正。1.3.2测量数据分析 汉明码编码试验中，当s1=1时，只有a1,a2，a6灯亮；当s2=1时，只有a1,a2，a5灯亮；汉明码传输实验中，s1=1时，只有b1，b2灯亮；当s2=1时，只有b1，b2，b5，b6灯亮；引入干扰s1=1时，只有b1b2b5b6灯亮，引入干扰s2=1时，只有a1a2a5灯亮。 经测试可知，一位误码可以无差错显示，当出现2个或者超过2个误码是，译码管指示灯与编码指示灯不一致。通过汉明码传输模块上的拔动开关，可以使码组产生1个误码，译码指示发光二极管应与编码指示发光二极管一致，则表示该码能纠正1个错误；通过汉明码传输模块上的拔动开关，可以使码组产生2个或2个以上的误码，译码指示发光二极管应与编码指示发光二极管不一致，则表示错误码元已超过该码的纠错能力，译码电路将产生乱纠现象；根据不同的码组和误码的个数将各种实验情况设计成表格，验证汉明码的编码规则、译码电路的纠错能力。1.4测试con1.4.1实验测试框图1.4.1卷积码编译码系统实验框图 卷积码，亦称连环码，它是一种非分组码，区别于前面的循环码线性分组码。分组码编码时，先将输入的信息序列分为长度为k个码元的段，然后按照一定的编码规则（由生成矩阵或监督矩阵所决定），给含k个信息元的段附加上r长的监督元，于是生成n长（n=k+r）的码组。在编码时，各n长码组是分别编码，各码组之间没有约束关系，因此在译码时各码组是分别独立地进行。卷积编码则不同于此。卷积码编码器把k比特信息段编成n比特的码组，但所编的n长码组不仅同当前的k比特信息段有关联，而且还同前面的（n-1）个（n1，整数）信息段有关联。人们常称这n个信息段中的码元数目nn为该卷积码的约束长度。称n为码的约束长度，不同的是nn是以比特为单位的约束长度，而后者是以码组个数为单位的长度。为方便起见本实验称谓的约束长度是指n。一般来说，对于卷积码，k和n是较小的整数。常把卷积码记作（n、k、n）卷积码，它的编码效率为rc= k/ n。（2，1，6）指的是1个码元的信息，2个码元的码组，6个码组的约束长度。1.4.2信息码监督码波形1.4.2测量结果分析经过测试电路，若信道加入1个或2个误码，译码显示电路与信码显示电路一致，表示该码能纠错2个以下的错误；若加入3个或3个以上的误码，译码器显示电路与信码显示电路不一致，表示错误码元已超过该码纠错能力，译码电路将产生乱纠现象；若信道先加入3个或3个以上误码，再将误码数减至2个错误时，按下clr复位信号，译码显示电路应与信码显示电路一致。1.5测试cyc1.5.1实验电路框图1.5.1循环码编译码系统实验框图循环码的编、译码系统由下列五部分组成：定时单元、信码发生器及显示部分、编码器、模拟信道部分（包括错码发生器及显示部分）、译码器。实验中以（15，6）循环码为例加以说明。 （1）定时单元本单元提供编码器及译码器所需的时序信号。其中时钟信号频率（cp）为4.096mhz。本单元还提供编译码器所需的帧信号sw、k1、k2、k3，触发器jk1、jk2、jk3、jk4及d5的输出分别为q1、q2、q3、q4、q5，帧信号为 ，k1信号为 ，k2信号为 ，k3信号为 。（2）信码发生器本单元给编码器提供一个信号源，拔动开关（板上信码输入框内）置于5v时，发光二极管亮，代表输出“1”码元，若开关置于“0”，代表输出“0”码元。根据二极管的状态可在面板上直接读出所需的信码。信码从“000000”“111111”共有2664种状态，代表64个码字。每一个码字均由拔动开关组成。在帧脉冲作用下，与门开启，手控信号并行输入移位寄存器（d触发器）的输入。当脉冲消失后，随着时钟cp的作用，cdin串行输出所需的码元。（3）循环器编码器原理编码器是本实验的主要部分。循环码完全由其码长及生成多项式g(x)所决定，g(x)是一个能除尽xn+1的n-k阶多项式。阶数低于n并能被g(x)除尽的一组多项式就构成一个（n,k）循环码。对于（15，6）循环码根据生成多项式g(x)=x9+x6+x5+x4+x+1，采用5个异或门和d触发器组成编码器。在k1信号的控制下，输入6位信息码元cdin，一方面串行输入信道（即至收端译码器中的6位移存器），另一方面通过与门送入除法电路进行计算。当第6位输入码元结束时，k1信号为零，在cp脉冲作用下，移位寄存器将计算的结果（cdout）送往信道，即在6位信息码元后附加了9位监督码元，使码长（nkr）为15（4）模拟信道部分严格来说，编码输出的基带信号发入信道，若信道为有线的，需加均衡设备；若为无线信道，需加调制设备。本实验的目的是观察编码输出波形及该波形经过信道后的纠错能力。本实验设计了一个15位错码发生器（板上误码输入框内），可在任意位置置“1”使该位发生错误，相应的发光二极管显示错码产生的位置。15位错码发生器的原理与前述信码发生器一样，不再详述。错误发生器产生的“1”码与编码器输出的信号cdout相加，产生的码即为错码，经过模拟信道部分。输出的信码为带有错误的码元。如编码器输出的信码为110011，经过该信道，信道输出错误码为000110，送入译码器去的信号即为110101。1.5.2各测量点的波形1.5.2.1以k1为准的时钟输入波形 1.5.2 k1k2输出波形 1.5.3 k1k3输出波形 1.5.4k1sw输出波形1.5.2.2 以k1为准的编码器输出波形 1.5.5以k1为准的编码器输出波形_101001 1.5.6以k1为准的编码输出波形_111000 1.5.7未加信道干扰的输出波形1.5.3实验测试数据 当信息码为111000时，监督码为101110111；当信息码为101000时，监督码为011010010；当输入一个误码时，信息码和监督码所显示的波形不一致。1.5.4 测量数据分析通过分析可知，信道加入1个或者2个错误，译码显示电路与信码显示电路一致，表示该码能纠正2个以下的错误；信道加入3个或者3个以上的错误时，译码显示电路与信码显示电路不一致，表示错误码元已经超过该码的纠错能力，译码电路产生乱纠现象。1.6测试jz1.6.1各点的测试波形码位交织与反交织的基本原理：在数字通信中，发端传送的串行码都是分成码组传送的，为减小误码率，在每个码组中插入一定数量的纠错码元。例如，卫星电视的数字伴音信号的一帧共有2048位，分成32个码组，每个码组包含64个码元，其中，信息位是56，纠错码是7，帧同步位或控制位为1。如果通信条件变坏或者受强噪声干扰，则有可能出现多个连续码元误码的情况，以致超过纠错码的纠错能力，为减小误码率，在数字通信中常采用码位交织与反交织处理技术。所谓码位交织与反交织处理是指在发送端将一个码组的码位通过交织电路分开传送，而在接收端再通过反交织电路将码位复原，经过交织与反交织处理后，码组传送过程中的连续误码将分散，每个码组中最多只有一个误码出现，因此误码率大大降低。tp12（din）为信码输入端，tp10（pn1）、tp11（pn2）为信码输出端pn1、pn2：两路反相的16位串行码组；c为读/写控制信号；out：交织输出的16位串行码组。连接tp12（din）和tp10（pn1000011110101100）下图为pn码和控制信号c的波形：1.6.1 pn码和控制信号c的波形则用双踪示波器观测dout（1011010101100100）和控制信号c的波形：1.6.2 dout输出波形和c控制信号2. psk2电路的仿真测试2.1实验原理二相psk（dpsk）解调器的总电路方框图如图2-1所示。二相psk（dpsk）的载波为1.024mhz，数字基带信号的码元速率为32bit/s。图2-1 解调器总方框图从图2-1可见，该解调器由三部分组成：载波提取电路、位定时恢复电路与信码再生整形电路。载波恢复和位定时提取，是数字载波传输系统必不可少的重要组成部分。载波恢复的具体实现方案是和发送端的调制方式有关，以相位键控为例，有：n次方环、科斯塔斯环(constas)、逆调制环和判决反馈环等。近几年来由于数字电路技术和集成电路的迅速发展，又出现了基带数字处理载波跟踪环，并且已在实际应用领域得到了广泛的使用。但是，为了加强学生基础知识的学习及对基本理论的理解，我们从实际出发，选择同相正交环解调电路作为基本实验。图2-2是电原理框图，图2-3是电原理图。图2-2 同相正交环提取载波电原理方框图图2-3 psk移相键控解调实验电原理图（一）二相（psk、dpsk）信号输入电路电路见图42-4所示，由bg1（9013）组成射随器电路，对发送端送来的二相（psk、dpsk）信号进行前后级隔离，由u1（lm311）组成模拟信号放大电路，进一步对输入小信号前二相（psk、dpsk）信号进行放大后送外鉴相器与鉴相器分别进行鉴相。图2-4 二相（psk、dpsk）信号输入电路（二）同相正交环锁相环提取载波电路从图2-2电原理方框图中可知，在这种环路里，误码信号是由两个鉴相器提供的。vco压控振荡器给出两路互相正交的载波信号分别送至两鉴相器，输入的二相（psk、dpsk）信号经过两个鉴相器分别鉴相后，由低通滤波器滤除载波频率以上的高频分量，分别送入两判决器后得到基带信号ud1与ud2，其中ud1中包含着码元信息，但无法对vco压控振荡器进行控制。只有将ud1、ud2 经过基带模拟相乘器相乘后，就可以去掉码元信息，得到反映vco输出信号与输入载波间的相位差的误码控制电压，从而实验现了对vco压控振荡器的控制。它们的实际电路见图2-3所示。包括鉴相器1，鉴相器2，低通滤波器1，低通滤波器2，比较判决器1，比较判决器2，相乘器，环路滤波器，vco压控振荡器，数字分频移相器等电路组成。具体工作过程如下：由u1（lm311）模拟运放放大后的信号分两路输出至两鉴相器的输入端，鉴相1与鉴相器2的控制信号输入端的控制信号分别为0相载波信号与/2相载波信号。这样经过两鉴相器输出的鉴相信号再通过有源低通滤波器滤掉其高频分量，再由两比较判决器完成判决解调出数字基带信码，由u6a构成的相乘器电路，去掉数字基带信号中的数字信息。得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压ud，ud经过环路低通滤波器r18、r19、c12滤波后输出了一个平滑的误差控制电压，去控制vco压控振荡器74ls124。它的中心振荡输出频率范围从1hz到60mhz，工作环境温度在070。c，当电源电压工作在+5v、频率控制电压与范围控制电压都为+2v时，74ls124的输出频率表达为：f0=110-4/cext，在实验电路中，调节精密电位器rw2（100k）的阻值，使频率控制输入电压（74ls124的2脚）与范围控制输入电压（74ls124的3脚）基本相等，此时，当电源为+5v时，才符合：f0=510-4/cext，再改变电容ca701，使74ls124的7脚输出为4.096mhz方波信号。74ls124的6脚为使能端，低电平有效，它开启压控振荡器工作；当74ls124的7脚输出的中心频率偏离4.096mhz时，此时可调节rw1和rw2，用频率计监视测量点tp4上的频率值，使其准确而稳定地输出4.096mhz的载波信号。该4.094mhz的载波信号经过分频(4)电路：u9b与u10a（74ls74）两次分频变成1.024mhz载波信号，并完成/2相移相。由u10b的9脚输出/2相去鉴相器2的控制信号输入端u2b（4066）的12脚，由u10a的5脚输出0相载波信号去鉴相器1的控制信号输入端u2a（4066）的第13脚。这样就完成了载波恢复的功能。图2-5是同相载波与正交载波波形。图2-5是同相正交解调环各点波形图图2-6 同相正交解调环各点波形图从图中可以看出该解调环路优点是：该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可全部采用模拟和数字集成电路实现。但该解调环中缺点是：存在相位模糊。当解调环路中解调的数字信息与发端的数字信息相位反相时，即相干信号相位和载波相位反相，则按一下按键开关sw1，强迫使它的置“1”端送入高电平，使电路q端输出为“1”，q端输出为“0”，迫使相干信号的相位与载波信号相位同频同相，以消除相位误差。然而，在实际应用中，一般不用绝对移相，而应用相对移相，而用相位比较法克服相位模糊。tp1：psk解调信号输入波形tp2：psk解调信号输入波形（经过射极跟随器）tp3：对psk解调信号进行放大tp4：压控振荡器输出4.096mhz的载波信号，用频率计监视测量点tp4上的频率值有偏差时，此时，可调节w1和w2，使其准确而稳定地输出4.096mhz的载波信号。tp5：频率为1.024mhz的0相载波输出信号tp6：频率为1.024mhz的相载波输出信号tp7：psk解调输出信号，即数字基带信码2.2实验数据图2-7 tpi和tp2点的波形图