ZH7001通信原理综合实验系统实验指导书（正文）.doc

现代通信工程专业实验用书 ZH7001 现代通信原理综合实验系统现代通信原理综合实验系统 实验指导实验指导教程教程 南京哲华科技有限公司 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 II 页 目目 录录 第一章第一章实验系统概述实验系统概述 1 1 1概述 1 1 2电路组成概述 1 1 3用户操作界面使用说明书 6 1 4信号源的使用 8 1 5分布式硬件控制设计技术 9 第二章第二章语音编码技术语音编码技术 10 实验一 PAM 编译码实验 10 实验二 PCM 编译码实验 16 实验三 ADPCM 编译码实验 22 实验四 CVSD 连续可变斜率增量调制 编译码实验 28 第三章第三章锁相环实验锁相环实验 36 实验一 模拟锁相环模块实验 36 实验二 数字锁相环实验 40 第四章第四章数字调制与差错控制技术数字调制与差错控制技术 45 实验一 FSK 传输实验 45 实验二 BPSK 传输实验 62 实验三 DBPSK 传输实验 86 实验四 汉明码实验 97 实验五 加扰码实验 107 第五章第五章码型变换技术码型变换技术 111 实验一 AMI HDB3 码型变换实验 111 实验二 CMI 码型变换实验 119 第六章第六章数字复接技术数字复接技术 126 实验一 帧成形及其传输实验 126 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 III 页 实验二 帧同步提取系统实验 133 第七章第七章电话接口技术电话接口技术 137 实验一 用户环路接口实验 137 实验二 双音多频检测实验 143 第八章第八章数据接口技术数据接口技术 147 实验一 RS422 接口实验 147 实验二 RS232 接口实验 151 第九章第九章通信系统及综合测试通信系统及综合测试 154 实验一 电话交换呼叫处理通信系统综合实验 154 实验二 时分复用 TDM 通信系统综合实验 159 实验三 CMI 线路编码通信系统综合实验 163 实验四 HDB3 线路编码通信系统综合测试实验 166 实验五 汉明纠错编码通信系统综合测试实验 169 实验六 BPSK DBPSK 调制 汉明码系统测试实验 172 实验七 同步数据传输系统综合测试实验 一 176 实验八 通信网络同步数据传输系统综合测试实验 二 179 实验九 计算机数据传输通信系统综合测试实验 184 实验十 移动衰落信道通信系统综合测试实验 189 第十章第十章现代数字调制技术现代数字调制技术 194 实验一振幅调制传输系统实验 AM 194 实验二单边带调制实验 SSB 199 实验三双边带调制实验 DSB 204 实验四频率调制传输系统实验 FM 209 实验五QPSK 传输系统实验 211 实验六OQPSK 传输系统实验 217 实验七 4DQPSK 传输系统实验 222 实验八MSK 传输系统实验 229 实验九GMSK 传输系统实验 235 实验十16QAM 传输系统实验 242 实验十一64QAM 传输系统实验 247 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 IV 页 实验十二CDMA 传输系统实验 248 第十一章第十一章二次开发实验二次开发实验 252 实验一 可变分频器实验 253 实验二 M序列产生实验 253 实验三 噪声信号的产生实验 253 实验四 复接实验 253 实验五 帧同步实验 253 实验六 扰码实验 253 实验七 解扰实验 253 实验八 BPSK 相位调制实验 253 实验九 QPSK 相位调制实验 253 实验十 CMI 编码实验 253 实验十一 CMI 译码实验 253 实验十二 卷积编码器实验 253 实验十三 CMDA 扩频调制实验 253 实验十四 CDMA 扩频解调实验 253 实验十五 DSP 信号产生实验 253 实验十六 DSP 中断实验 253 实验十七 DSP 信号处理实验 253 附录一 实验箱跳线缺省误置图 255 附录二 实验箱测试孔示意图 256 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 1 页 第一章第一章实验系统概述实验系统概述 1 1 概述概述 通信原理综合实验系统中 涉及有数字调制解调技术 纠错编译码技术 语音编码 技术 数字复接技术 基带传输技术 电话接口技术 数字接口技术等 该系统将当今 的核心技术和新器件融入通信原理课程 其具有以下特点 1 先进性 数字信号处理 DSP 技术 FPGA 技术 2 全面性 通过这些测试接口 可以对每一种电路模块的功能和性能有一个 全面的了解 3 系统性 每个电路测试模块可以放入多个系统中进行综合实验 4 基础性 与当今通信原理课程和教学大纲结合紧密 5 实用性 便于老师对实验内容的组织和实施 1 2 电路组成电路组成概述概述 在通信原理综合实验系统中 主要由下列功能模块组成 1 显示控制模块 2 FPGA 初始化模块 3 信道接口模块 4 DSP FPGA 处理模块 5 D A 模块 6 中频调制模块 7 中频解调模块 8 A D 模块 9 测试模块 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 2 页 10 汉明编码模块 含加扰模块 11 汉明译码模块 含解扰模块 12 噪声模块 13 电话接口 1 2 模块 14 DTMF 1 2 模块 15 PAM 模块 16 ADPCM 1 2 模块 17 CVSD 发模块 18 CVSD 收模块 19 帧传输复接模块 20 帧传输解复接模块 21 AMI HDB3 码模块 22 CMI 编码模块 23 CMI 译码模块 24 模拟锁相环模块 25 数字锁相环模块 26 计算机接口模块 27 同步数据接口模块 28 函数信号产生器模块 在该硬件平台中 模块化功能较强 其电路布局见图 1 2 1 所示 对于每一个模块 在 PCB 板上均由白色线条将其明显分割开来 每个测试模块都能单独开设实验 便于教 学与学习 在通信原理综合实验系统中 电源插座与电源开关在机箱的后面 电源模块在该实 验平台电路板的下面 它主要完成交流 220V 到 5V 12V 12V 的直流变换 给整个 硬件平台供电 在平台上具有友好的人机接口界面设计 学生可以通过键盘选择相应的工作模式与 设置有关参数 菜单可选择方式及设置参数见 1 3 一节 通信原理综合实验系统通过下面几个端口与外部进行连接 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 3 页 测试模块 DSP FPGA 模块 A D 模块 解扰与 汉明译 码模块 电话 2 模块 电源 液晶显示与键盘输入 噪声模块 D A 模块 调制模块 解调模块 终端 B 终端 A 扰码与汉明编码 同步接口 电话 1 模块 ADPCM 1 模块 CVSD 收模块 DTMF1 接续控制 DTMF2 CVSD 发模块 ADPCM 2 模块 解复接 模块 CMI 译码 模块 锁相环 模块 CMI 编码 模块 HDB3 编码 复接模块 图 1 2 1 通信原理综合实验系统布局图 数字锁相环 PAM 模块 信号源 模块 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 4 页 1 JH02 实验箱左端同步口模块内 同步数据接口方式 该接口电平特性 为 RS422 通过该端口接收外部来的发送数据 并送入调制器中 同时将 解调器解调之后的数据通过该端口送往外部设备 在该接口中 还包括调 制解调器提供的收发时钟信号 在使用 RS422 接口时需要通过菜单设置 选择调制器输入信号为 外部数据信号 2 K002 实验箱中上部左端的中频 Q9 连接器 为中频发送信号连接器 调制后的中频信号通过该口对外输出 一般通过中频同轴电缆送入信道仿 真平台 ZH8001 或自环送到接收端设备 3 JL02 实验箱中上部右端的中频 Q9 连接器 从信道中来的中频信号 如 加噪后的中频信号 无线衰落后的低中频信号 由该端口输入 送入解调 模块中进行解调 4 J007 数字测试信号输入 J005 模拟测试信号输入 J006 地 在实 验箱左端的信号输入接头 为测试信号输入湍 用于向通信原理综合实 验系统中送入各种测试信号 测试信号的输入能否加入测试模块还与测试 模块的跳线器设置有关 具体见测试步骤 5 JF01 JG01 标准异步数据端口 A JF01 和 B JG01 A 到 B 的异步传 输经过信道传输 B 到 A 为直通方式 通信原理综合实验系统接口布局见图 1 2 2 所示 JG01 JH02 通信原理实验系统 J007 J005 J006 K002 JL02 测试输入信号 终端数据 端口 B 中频输入中频输出 同步数据端口 图 1 2 2 通信原理综合实验系统接口布局示意图 终端数据端口 AJF01 PHONE2 PHONE1 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 5 页 在通信原理综合实验系统中 为便于学习和实验 各项实验内容是以模块进行划分 每个测试模块可以单独开设实验 各模块之间的系统连接见图 1 2 3 所示 由图可以看出 在系统中通信双方的传输信道是不对称的 从用户电话 1 向用户电话 2 的信号支路是以无线信道传输技术为主 信号流程为 用户电话接口 1 话音编码 1 汉明纠错编码 信道调制 加噪信道 信道解调 汉明译 码 话音解码 2 用户电话接口 2 从用户电话 2 向用户电话 1 的信号支路是以有线信道传输技术为主 信号流程为 用户电话接口 2 话音编码 2 信道复接 线路编码 HDB3 CMI 线路译码 信道解 复接 话音解码 1 用户电话接口 1 HDB3 CMI 交换处理模块 DTMF 检测 1 DTMF 检测 2 电 话 接 口 1 话 音 编 解 码 话 音 编 解 码 电 话 接 口 2 载波传输信道 基带传输信道 加 扰 汉 明 编 码 解 扰 汉 明 译 码 信 道 解 调 信 道 调 制 噪声 信 号 复 接 信 号 解 复 接 话音编码数据 地址码 m 序列 帧标志 话音译码数据 地址码显示 m 序列输出 帧标志同步 位同步 恢复 数据 终端 数据 终端 2 1 图 1 2 各电路测试模块间连接框图 线路码编码 线路码解码 FSK BPSK DBPSK SSB DSB FM AM QPSK 4DQ PSK OQPSK MSK GMSK 16QAM 64QAM PCM ADPCM CVSD 信 令 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 6 页 这样设计实验系统的目的是为了在不增加成本的条件下最大限度的增加系统实验内 容 加强学生的动手能力 便于将各测试模块放在不同系统中进行测试 比较 加强学 生对各模块在系统中的地位 作用 性能的掌握 使学生对通信系统有一个较全面的了 解 同时老师可以根据实验实际课时对实验项目进行组织和优化 在每一个模块中 都有测试点与测试插座对应信号点的定义 1 3 用户操作界面使用用户操作界面使用说明书说明书 在通信原理综合实验系统中 各模块的功能实现 需初始化不同的 FPGA 程序与数 字信号处理 DSP 程序 并对它们进行一定的管理 这些都是通过操作界面 让学生进行 选择 控制 在系统加电之后 系统按照上次关机前选择的模式进行初始化 在这期间 DSP FPGA 模块中的初始化灯 DV01 熄灭 当初始化完成之后 初始化灯亮 在这之 后大约经过 5 秒钟之后 完成相应模式参数的设置 在这过程中 液晶显示器一直显示以下内容 通信原理实验通信原理实验 完成初始化与参数设定后 液晶显示 调制方式选择调制方式选择 之后 将等待学生的输入 学生必须按下箭头键 除复位键外 其它键将不起作用 将进入前一次学生选择的界面 学生通过上 下箭头键进行下列菜单的选择 菜单 调制方式选择调制方式选择 该菜单上只有下箭头和右箭头起作用 在这过程中 液晶显示器一直显示以下内容 通信原理实验通信原理实验 完成初始化与参数设定后 液晶显示 调制方式选择调制方式选择 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 7 页 之后 将等待学生的输入 学生必须按下箭头键 除复位键外 其它键将不起作用 将进入前一次学生选择的界面 学生通过上 下箭头键进行下列菜单的选择 菜单 1 调制方式选择调制方式选择 该菜单上只有下箭头和右箭头起作用 菜单 2 FSK 传输系统传输系统 菜单 3 BPSK 传输系统传输系统 菜单 4 DBPSK 传输系统传输系统 菜单 5 调制器输入信号调制器输入信号 菜单 6 外部数据信号外部数据信号 菜单 7 全 码全 码 菜单 8 全 码全 码 菜单 9 码 码 菜单 10 特殊码序列特殊码序列 菜单 11 m 序列序列 菜单 12 工作方式选择工作方式选择 菜单 13 匹配滤波匹配滤波 菜单 14 PCM 菜单 15 ADPCM 菜单 16 增强调制选择增强调制选择 菜单 17 AM 菜单 18 FM 菜单 19 QPSK 菜单 20 OQPSK 菜单 21 PI4QPSK ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 8 页 菜单 22 MSK 菜单 23 GMSK 菜单 24 16QAM 菜单 25 64QAM 在该菜单上只有上箭头和左箭头起作用 通过上下箭头 学生可以在菜单 到菜单 24 之间移动 对已选择的模式或参数的菜 单打勾 否则显示小手 如要选择某一种模式 当移至该菜单时按确认键即可 如果对 已选择的模式打勾为阴影 则说明该实验箱不支持该种模式 如确需此功能 需进行功 能升级 当学生在菜单 2 到菜单 4 菜单 16 到菜单 23 任一菜单上进行确认时 系统对学生选 择的模式进行初始化 在这期间左边的初始化灯 DV01 熄灭 当初始化完成之后 初 始化灯亮 在这之后大约经过 5 秒钟 完成相应模式参数的设置 并且在该菜单上打勾 菜单 2 4 是调制方式选择 菜单 6 11 是输入数据选择 菜单 13 是一个复选菜单 第一次确认选择 第二次按确认则取消该参数的设置 菜单 14 15 是语音编码方式选择 菜单 17 25 是有关现代调制方式式的选择 1 4 信号源的使用信号源的使用 在 ZH7001 通信原理综合实验箱中 对于 PCM ADPCM CVSD 模拟锁相环 数 字锁相环模块进行实验时 一般需要外部信号源 为了实验上的方便 在实验箱上提供 了相应的信号源 主要信号源的种类有 1 同步信号源 产生的测试信号与系统的主时钟同步 便于一些实验现象的观察 2 函数信号发生器 是一普通的信号源 对相应模块进行完善测试 同步信号源同步信号源 将交换模块内测试信号选择开关 KO01 设置在内部测试信号 1 2 位置 左端 此时由该模块产生一个 3 2KHz 的正弦测试信号 从而送入各测试模块 使用 说明可参见各实验步骤 函数信号发生器函数信号发生器 该模块在线路板的左上端部分 提供 TTL 正弦波 三角波三种 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 9 页 波形输出 有两个手调旋钮调节信号的参数 左端旋钮调整信号的占空比 右端旋钮调 节信号的输出频率 举例说明 要给 PCM 从板上函数信号源加入测试信号 拔去跳线器 K501 通过短 路线连接 TPN08 与 TP502 则信号就可以加入到 PCM 模块中去了 1 5 分布式硬件控制设计技术分布式硬件控制设计技术 ZH7001 实验箱在实际中使用时 跳线器 KQ01 一般置于左端 使系统完全由 FPGA 与 DSP 模块控制 此时对于系统中的有线支路部分 从用户 2 到用户 1 的通信支路 其 地实验箱下半部 其控制与系统时钟来源于 FPGA 与 DSP 模块 因而只有在这两部分 工作正常时 系统上的有线支路部分工作才会正常 为了提高实验箱在实验环境下的可靠性 采用了分布式硬件控制设计技术可保证系 统脱离 FPGA 与 DSP 模块独立工作 方法 将 KQ01 置于右端 则系统的有线支路部分 脱离 FPGA 与 DSP 模块控制而独立工作 此时该支路的时钟频率受函数信号源控制 对 于其时钟频率可以通过 TPN06 测试出来 通过该项设置还可以改变系统中关键部位的时 钟频率 PCM 采样频率 CVSD 采样频率 PAM 采样频率 复接模块时钟频率 可以开 设出更多的实验项目 同时 在 ZH7001 通信原理综合实验系统中 专门将 DSP FPGA 模块集成在相应小 区域中 这样设计有两个好处 1 抗损坏 当这些部位的器件出现故障时 可以换上专门的实验板 其替换原实 验箱上的 DSP FPGA 模块 这通过高密度连接器实验小板与主板的连接 2 适应新技术发展要求 可以根据学校的要求设计不同的 DSP 与 FPGA 处理模块 适应技术发展的需要 3 二次开发空间更大 可以大量在此实验箱上开设二次开发实验 而不再需担心 器件的损坏 因为通过这种连接模式 DSP 与 FPGA 更换次数是无限的 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 10 页 第二章第二章语音编码技语音编码技术术 实验一实验一 PAM 编译码编译码实验实验 一 实验目的一 实验目的 1 验证抽样定理 2 观察了解 PAM 信号形成的过程 3 了解混迭效应形成的原因 二 实验仪器二 实验仪器 1 ZH7001 通信原理综合实验系统一台 2 20MHz 双踪示波器一台 3 函数信号发生器一台 三 实验原理三 实验原理 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 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通信设备整个系统的性能指标 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 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 则可以唯一地由 频率等于或大于 2fh的样值序列所决定 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始信号 通常将语音信号通 过一个 3400 Hz 低通滤波器 或通过一个 300 3400Hz 的带通滤波器 限制语音信号的 最高频率为 3400Hz 这样可以用频率大于或等于 6800 Hz 的样值序列来表示 语音信号 的频谱和语音信号抽样频谱见图 2 1 1 和图 2 1 2 所示 从语音信号抽样频谱图可知 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 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 11 页 f m t fh 0 图 2 1 1 语音信号频谱 f m t fh 0 2fs fh fs fh fs 2fs 理想低通滤波器 图 3 1 2 fs 2fh时语音信号的抽样频谱 f M fh 0 2fs fh fs fh fs 2fs 实际低通滤波器 图 2 1 3 留出防卫带 fs 2fh 的语音信号的抽样频谱 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 12 页 f M fh 0 2fs fh fs fh fs 2fs 图 2 1 4 fs 2fh时语音信号的抽样频谱 实际上 设计实现的滤波器特性不可能是理想的 对限制最高频率为 3400Hz 的语音 信号 通常采用 8KHz 抽样频率 这样可以留出一定的防卫带 1200Hz 参见图 2 1 3 所示 当抽样频率 fs低于 2 倍语音信号的最高频率 fh 就会出现频谱混迭现象 产生混 迭噪声 影响恢复出的话音质量 原理参见图 2 1 4 所示 在抽样定理实验中 采用标准的 8KHz 抽样频率 并用函数信号发生器产生一个频 率为 fh的信号来代替实际语音信号 通过改变函数信号发生器的频率 fh 观察抽样序列 和低通滤波器的输出信号 检验抽样定理的正确性 抽样定理实验各点波形见图 2 1 5 所 示 低通 滤波器 抽样 脉冲 低通 滤波器 抽样 保持 8KHz 输入信号 图 2 1 5 抽样定理实验原理框图 图 2 1 6 是通信原理综合实验系统所设计的抽样定理实验电路组成框图 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 13 页 低通 滤波器 抽样 脉冲 低通 滤波器 抽样 保持 TP701 TP702 TP703 TP704 跳 线 器 电话 1 接口 KQ02 跳 线 器 开 关 K702 K701 图 2 1 6 抽样定理实验电路组成框图 U701A B U703 U702A C UQ01 交交换换模模块块内内 跳 线 器 KO01 N T F NF H NH K701 电路原理描述 输入信号首先经过信号选择跳线开关 K701 当 K701 设置在 N 位置时 左端 输 入信号来自电话接口 1 模块的发送话音信号 当 K701 设置在 T 位置时 右端 输入信 号来自测试信号 测试信号可以选择外部测试信号或内部测试信号 当设置在交换模块 内的跳线开关 KO01 设置在 1 2 位置 左端 时 选择内部 3 2KHz 测试信号 当设置在 2 3 位置 右端 时选择外部测试信号 测试信号从 J005 模拟测试端口输入 抽样定理 实验采用外部测试信号输入 运放 U701A U701B TL084 和周边阻容器件组成一个 3dB 带宽为 3400Hz 的低通 滤波器 用于限制最高的语音信号频率 信号经运放 U701C 缓冲输出 送到 U703 CD4066 模拟开关 模拟开关 U703 CD4066 通过抽样时钟完成对信号的抽样 形成抽样序列信号 信 号经运放 U702B TL084 缓冲输出 运放 U702A U702C TL084 和周边阻容器件组成一个 3dB 带宽为 3400Hz 的低通 滤波器 用来恢复原始信号 跳线开关 K702 用于选择输入滤波器 当 K702 设置在 F 位置时 左端 送入到抽 样电路的信号经过 3400Hz 的低通滤波器 当 K702 设置在 NF 位置时 右端 信号不经 过抗混迭滤波器直接送到抽样电路 其目的是为了观测混迭现象 设置在交换模块内的跳线开关 KQ02 为抽样脉冲选择开关 设置在 H 位置为平顶抽 样 左端 平顶抽样是通过采样保持电容来实现的 且 Ts 设置在 NH 为理想抽样 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 14 页 右端 为便于恢复出的信号观测 此抽样脉冲略宽 近似于自然抽样 平顶抽样有利 于解调后提高输出信号的电平 但却会引入信号频谱失真 为抽样脉冲宽 2 2 Sin 度 通常在实际设备里 收端必须采用频率响应为的滤波器来进行频谱校准 2 2 Sin 抵消失真 这种频谱失真称为孔径失真 该电路模块各测试点安排如下 1 TP701 输入模拟信号 2 TP702 经滤波器输出的模拟信号 3 TP703 抽样序列 4 TP704 恢复模拟信号 四 实验步骤四 实验步骤 准备工作 将交换模块内的抽样时钟模式开关 KQ02 设置在 NH 位置 右端 将测 试信号选择开关 KO01 设置在外部测试信号输入 2 3 位置 右端 1 近似理想抽样脉冲序列测量 1 首先将输入信号选择开关 K701 设置在 T 测试状态 位置 将低通滤波器选 择开关 K702 设置在 F 滤波位置 为便于观测 调整函数信号发生器正弦 波输出频率为 200 1000Hz 输出电平为 2Vp p 的测试信号送入信号测试端 口 J005 和 J006 地 2 用示波器同时观测正弦波输入信号 J005 和抽样脉冲序列信号 TP703 观测时以 TP703 做同步 调整示波器同步电平和微调调整函数信号发生器输 出频率 使抽样序列与输入测试信号基本同步 测量抽样脉冲序列信号与正 弦波输入信号的对应关系 2 理想抽样重建信号观测 TP704 为重建信号输出测试点 保持测试信号不变 用示波器同时观测重建信号输 出测试点和正弦波输入信号 观测时以 J005 输入信号做同步 3 平顶抽样脉冲序列测量 将交换模块内的抽样时钟模式开关 KQ02 设置在 H 位置 左端 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 15 页 方法同 1 测量 请同学自拟测量方案 记录测量波形 与理想抽样测量结果做比较 4 平顶抽样重建信号观测 将交换模块内的抽样时钟模式开关 KQ02 设置在 H 位置 左端 方法同 2 测量 请同学自拟测量方案 记录测量波形 与理想抽样测量结果对比分 析平顶抽样的测试结果 5 信号混迭观测 1 当输入信号频率高于 4KHz 1 2 抽样频率 时 重建信号将出现混迭效应 观测时 将跳线开关 K702 设置在 NF 无输入滤波器 位置 调整函数信号 发生器正弦波输出频率为 6KHz 7KHz 左右 电平为 2Vp p 的测试信号送入 信号测试端口 J005 和 J006 地 2 用示波器观测重建信号输出波形 缓慢变化测试信号输出频率 注意观察输 入信号与重建信号波形的变化是否对应一致 分析解释测量结果 五 实验报告五 实验报告 1 整理实验数据 画出测试波形 2 当 fs 2fh和 fs 2fh时 低通滤波器输出的波形是什么 总结一般规律 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 16 页 实验二实验二 PCM 编译码编译码实验实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解语音编码的工作原理 验证 PCM 编译码原理 2 熟悉 PCM 抽样时钟 编码数据和输入 输出时钟之间的关系 3 了解 PCM 专用大规模集成电路的工作原理和应用 4 熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法 二 实验仪器二 实验仪器 1 ZH7001 通信原理综合实验系统一台 2 20MHz 双踪示波器一台 3 函数信号发生器一台 4 音频信道传输损伤测试仪一台 三 实验原理三 实验原理 PCM 编译码模块将来自用户接口模块的模拟信号进行 PCM 编译码 该模块采用 MC145540 集成电路完成 PCM 编译码功能 该器件具有多种工作模式和功能 工作前通 过显示控制模块将其配置成直接 PCM 模式 直接将 PCM 码进行打包传输 使其具有以 下功能 1 对来自接口模块发支路的模拟信号进行 PCM 编码输出 2 将输入的 PCM 码字进行译码 即通话对方的 PCM 码字 并将译码之后的模拟 信号送入用户接口模块 在通信原理实验平台中 有二套完全一致的 PCM 编译码模块 这二个模块与相应的 电话用户接口模块相连 本教程仅以第一路 PCM 编译码原理进行说明 另一个模块原理与第一路模块相同 不再重述 PCM 编译码器模块电路与 ADPCM 编译码器模块电路完全一样 由语音编译码集成 电路 U502 MC145540 运放 U501 TL082 晶振 U503 20 48MHz 及相应的跳线 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 17 页 开关 电位器组成 电路工作原理如下 PCM 编译码模块中 由收 发两个支路组成 在发送支路上发送信号经 U501A 运放 后放大后 送入 U502 的 2 脚进行 PCM 编码 编码输入时钟为 BCLK 256KHz 编码 数据从 U502 的 20 脚输出 DT ADPCM1 FSX 为编码抽样时钟 8KHz 编码之后的 数据结果送入后续数据复接模块进行处理 或直接送到对方 PCM 译码单元 在接收支路 中 收数据是来自解数据复接模块的信号 DT ADPCM MUX 或是直接来自对方 PCM 编码单元信号 DT ADPCM2 在接收帧同步时钟 FSX 8KHz 与接收输入时钟 BCLK 256KHz 的共同作用下 将接收数据送入 U502 中进行 PCM 译码 译码之后的 模拟信号经运放 U501B 放大缓冲输出 送到用户接口模块中 PCM 编译码模块中的各跳线功能如下 测试点与 ADPCM 编译码模块相同 1 跳线开关 K501 是用于选择输入信号 当 K501 置于 N 正常 位置时 选择来 自用户接口单元的话音信号 当 K501 置于 T 测试 位置时选择测试信号 测 试信号主要用于测试 PCM 的编译码特性 测试信号可以选择外部测试信号或内 部测试信号 当设置在交换模块内的跳线开关 KO01 设置在 1 2 位置 左端 时 选择内部 3 2KHz 测试信号 当设置在 2 3 位置 右端 时选择外部测试信号 测试信号从 J005 模拟测试端口输入 2 跳线器 K502 用于设置发送通道的增益选择 当 K502 置于 N 正常 位置时 选择系统平台缺省的增益设置 当 K502 置于 T 测试 位置时可将通过调整电 位器 W501 设置发通道的增益 3 跳线器 K504 用于设置 PCM 译码器的输入数据信号选择 当 K504 置于 MUX 左 时处于正常状态 解码数据是来自解复接模块的信号 当 K504 置于 ADPCM2 中 时处于正常状态 解码数据直接来自对方 PCM 编码单元信号 当 K504 置于 LOOP 右 时 PCM 单元将处于自环状态 4 跳线器 K503 用于设置接收通道增益选择 当 K503 置于 N 正常 时 选择系 统平台缺省的增益设置 当 K503 置于 T 测试 时将通过调整电位器 W502 设 置收通道的增益 该单元的电路框图见图 2 2 1 二个模块电路完全相同 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 18 页 在该模块中 各测试点的定义如下 1 TP501 发送模拟信号测试点 2 TP502 PCM 发送码字 3 TP503 PCM 编码器输入 输出时钟 4 TP504 PCM 编码抽样时钟 5 TP505 PCM 接收码字 6 TP506 接收模拟信号测试点 收 PCM 码字 U502 PCM 编译 码器 发 PCM 码字 自用户接口 8KHz 同步 256KHz 时钟 图 2 2 1 PCM 模块电路组成框图 跳 线 器 K501 测试信号 至用户接口 TP504 TP505 TP506 TP502 TP501 TP503 跳 线 器 LOOP ADPCM2 MUX K504 K502 T N K503 T N N T 四 实验步骤四 实验步骤 加电后 通过菜单选择 PCM 编码方式 此时 系统将 U502 设置为 PCM 模式 一 PCM 编码器 1 输出时钟和帧同步时隙信号观测 用示波器同时观测抽样时钟信号 TP504 和输出时钟信号 TP503 观测时以 TP504 做同步 分析和掌握 PCM 编码抽样时钟信号与输出时钟的对应关系 同步沿 脉冲宽度等 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 19 页 2 抽样时钟信号与 PCM 编码数据测量 方法一 将跳线开关 K501 设置在 T 位置 KO01 置于右端 外部信号输入 用函数 信号发生器产生一个频率为 1000Hz 电平为 2Vp p 的正弦波测试信号送入信号测试 端口 J005 和 J006 地 用示波器同时观测抽样时钟信号 TP504 和编码输出数据信号端口 TP502 观测 时以 TP504 做同步 分析和掌握 PCM 编码输出数据与抽样时钟信号 同步沿 脉冲 宽度 及输出时钟的对应关系 方法二 将输入信号选择开关 K501 设置在 T 位置 将交换模块内测试信号选择开关 KO01 设置在内部测试信号 1 2 位置 左端 此时由该模块产生一个 3 2KHz 的测试 信号 送入 PCM 编码器 1 用示波器同时观测抽样时钟信号 TP504 和编码输出数据信号端口 TP502 观测时以 TP504 做同步 分析和掌握 PCM 编码输出数据与帧同步时隙信号 发送时钟的对应关系 2 将发通道增益选择开关 K502 设置在 T 位置 右端 通过调整电位器 W501 改变发通道的信号电平 用示波器观测编码输出数据信号 TP502 随输入信 号电平变化的关系 二 PCM 译码器 将跳线开关 K501 设置在 T 右端 K502 设置在 N K504 设置在 LOOP 位置 右 端 此时将 PCM 输出编码数据直接送入本地译码器 构成自环 用函数信号发生器产 生一个频率为 1004Hz 电平为 2Vp p 的正弦波测试信号送入信号测试端口 J005 和 J006 地 1 PCM 译码器输出模拟信号观测 1 用示波器同时观测解码器输出信号端口 TP506 和编码器输入信号端口 TP501 观测信号时以 TP501 做同步 定性的观测解码恢复出的模拟信号 质量 2 将测试信号频率固定在 1004Hz 改变测试信号电平 定性的观测解码恢复出 的模拟信号质量 观测信噪比随输入信号电平变化的相对关系 3 将测试信号电平固定在 2Vp p 调整测试信号频率 定性的观测解码恢复出 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 20 页 的模拟信号质量 观测信噪比与输入信号频率变化的相对关系 三 系统性能指标测量 注 如无音频损伤测试仪时 可以用示波器定性的观察模拟信号受量化噪声及电路 噪声的影响 1 PCM 编译码系统动态范围测量 S N dB 20 30 10 50 40 30 20 10 0 dBmo 图 2 2 2PCM 编译码系统动态范围样板图 动态范围是指在满足一定信噪比的条件下 允许输入信号电平变化的范围 通常规 定测试信号的频率为 1004Hz 动态范围应满足 CCITT 建议的框架 样板值 如图 2 2 2 所示 测试时将跳线开关 K501 设置在 T 位置 K504 设置在 LOOP 位置 此时使 PCM 编 码器和译码器构成自环 动态范围的测试连接见图 2 2 3 该项测量内容视配备的教学仪表来定 测量时 输 入信号由小至大调节 测量不同电平时的 S N 值 记录测量数据 为确保器件安全 不 要求学生对输入信号的临界过载信号进行验证 取输入信号的最大幅度为 5Vp p 2 PCM 编译码系统信噪比测量 跳线开关设置同上 测试连接见图 2 2 3 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 21 页 测量时 选择一最佳编码电平 通常为 10dBr 在此电平下测试不同频率下的 S N 值 频率选择在 300Hz 500Hz 800Hz 1004Hz 2010Hz 3000Hz 3400Hz 直接从 音频损伤测试仪上读取数据 记录测量数据 该项测量视配备的教学仪表来定 3 频率特性测量 跳线开关设置同上 用函数信号发生器产生一个频率为 1004Hz 电平为 2Vp p 的正 弦波测试信号送入信号测试端口 J005 和 J006 地 用示波器 或电平表 测量输出信 号端口 TP506 的电平 测量频率范围 250Hz 4000Hz 4 信道自环增益测量 跳线开关设置同上 用函数信号发生器产生一个频率为 1004Hz 电平为 2Vp p 的正 弦波测试信号送入信号测试端口 J005 和 J006 用示波器 或电平表 测量输出信号端口 TP506 的电平 将收发电平的倍数 增益 换算为 dB 表示 5 PCM 编译码系统信道空闲噪声测量 跳线开关设置同上 测试连接见图 2 2 3 空闲噪声指标从音频损伤测试仪上直接读取 该项测量视配备的教学仪表来定 五 实验报告五 实验报告 1 整理实验数据 画出相应的曲线和波形 2 对 PCM 和 M 系统的系统性能进行比较 总结它们各自的特点 3 在通信系统中 PCM 接收端应如何获得接收输入时钟和接收帧同步时钟信号 音频传输 损伤测试仪 编码器 译码器 自 环 发送 接收 TP506 J005 图 2 2 3 动态范围测试连接图 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 22 页 实验三 ADPCM 编译码编译码实验实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解语音编译码器的工作原理 验证 ADPCM 编译码原理 2 熟悉 ADPCM 时钟信号信号 编码数据和输出时钟之间的关系 3 了解 ADPCM 专用大规模集成电路的工作原理和应用 4 熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法 二 实验仪器二 实验仪器 1 ZH7001 通信原理综合实验系统一台 2 20MHz 双踪示波器一台 3 函数信号发生器一台 4 音频信道传输损伤测试仪一台 三 实验原理三 实验原理 ADPCM 编译码模块将来自用户接口模块的模拟信号进行 ADPCM 编译码 该模块采 用 MC145540 集成电路完成 ADPCM 编译码功能 该器件具有多种工作模式和功能 开 机时通过显示控制模块将其配置成 ADPCM 模式 直接将 ADPCM 码进行打包传输 使 其具有以下功能 1 对接口模块送来的发支路模拟信号进行 ADPCM 编码输出 2 将输入的 ADPCM 码字进行译码 即通话对方的 ADPCM 码字 并将译码之后 的模拟信号送入用户接口模块 在通信原理实验平台中 有二套完全一致的 ADPCM 编译码模块 这二个模块与相 应的电话用户接口模块相连 本教程仅以第一路 ADPCM 编译码原理进行说明 另个模 块原理与第一路模块相同 不再重述 ADPCM 编译码模块使用 PCM 编译码模块相同电路 ADPCM 编译码器收 发两支 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 23 页 路组成由编码集成电路 U502 MC145540 运放 U501 TL082 晶振 U503 20 48MHz 及相应的跳线器 电位器组成 发送支路的发送信号经 U501A 放大 后 送入 U502 的 2 脚进行 ADPCM 编码 编码的输出时钟为 BCLK 256KHz 编码数 据从 U502 的 20 脚输出 DT ADPCM1 FSX 为编码抽样时钟信号 8KHz 编码之后 的数据结果送入后续数据复接模块进行处理 或直接送到对方 ADPCM 译码单元 在接 收支路中 收数据是来自解数据复接模块的信号 DT ADPCM MUX 或是直接来自对 方 ADPCM 编码单元信号 DT ADPCM2 在接收帧同步时钟 FSX 与接收输入时钟 BCLK 256KHz 的共同作用下 将接收数据送入 U502 中进行 ADPCM 译码 译码之后 的模拟信号经运放 U501B 放大缓冲输出 送到用户接口模块中 ADPCM 编译码模块中的各跳线功能如下 测试点与 PCM 编译码模块相同 1 跳线开关 K501 是用于选择输入信号 当 K501 置于 N 正常 位置时 选择来 自用户接口单元的话音信号 当 K501 置于 T 测试 位置时选择测试信号 测 试信号主要用于测试 ADPCM 的编译码特性 测试信号可以选择外部测试信号或 内部测试信号 当设置在交换模块内的跳线开关 KO01 设置在 1 2 位置 左端 时 选择内部 3 2KHz 测试信号 当设置在 2 3 位置 右端 时选择外部测试信 号 测试信号从 J005 模拟测试端口输入 2 跳线器 K502 用于设置发送通道的增益选择 当 K502 置于 N 正常 位置时 选择系统平台缺省的增益设置 当 K502 置于 T 测试 位置时可将通过调整电 位器 W501 设置发通道的增益 3 跳线器 K504 用于设置 PCM 译码器的输入数据信号 当 K504 置于 MUX 左 时处于正常状态 解码数据来自解数据复接模块的信号 当 K504 置于 ADPCM2 中 时处于正常状态 解码数据直接来自对方 PCM 编码单元信号 当 K504 置于 LOOP 右 时 ADPCM 单元将处于自环状态 4 跳线器 K503 用于设置接收通道增益选择 当 K503 置于 N 正常 时 选择系 统平台缺省的增益设置 当 K503 置于 T 测试 时将通过调整电位器 W502 设 置收通道的增益 该单元的电路框图见图 2 3 1 二个模块电路完全相同 在该模块中 各测试点的定义如下 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 24 页 1 TP501 发送模拟信号测试点 2 TP502 ADPCM 发送码字 3 TP503 ADPCM 编码器输入 输出时钟 4 TP504 ADPCM 抽样时钟 5 TP505 ADPCM 接收码字 6 TP506 接收模拟信号测试点 收 ADPCM 码字 U502 ADPCM 编译 码器 发 ADPCM 码字 至用户接口 8KHz 同步 256KHz 时钟 图 2 3 1 ADPCM 模块电路组成框图 跳 线 器 K501 测试信号 至用户接口 TP504 TP505 TP506 TP502 TP501 TP503 跳 线 器 LOOP ADPCM2 MUX K504 K502 T N K503 T N N T 四 实验步骤四 实验步骤 加电后 通过菜单工作方式选择 ADPCM 编码方式 此时 系统将集成电路 U502 的工作参数设置为 ADPCM 模式 一 一 ADPCMADPCM 编码器编码器 1 输出时钟和抽样时钟信号观测 用示波器同时观测帧同步时隙信号 TP504 和输出时钟信号 TP503 观测时以 TP504 做同步 分析和掌握 ADPCM 编码抽样时钟信号与输出时钟的对应关系 2 抽样时钟信号与 ADPCM 编码数据测量 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 25 页 1 用示波器同时观测帧同步时隙信号 TP504 和编码输出数据信号端口 TP502 观测时以 TP504 做同步 分析和掌握 ADPCM 编码输出数据与抽 样时钟信号 输出时钟的对应关系 2 将输入信号选择开关 K501 设置在 T 位置 将交换模块内测试信号选择开关 K001 设置在内部测试信号 1 2 位置 左端 此时由该模块产生一个 3 2KHz 的测试信号 送入 ADPCM 编码器 将发通道增益选择开关 K502 设置在 T 位置 右端 通过调整电位器 W501 改变发通道的信号电平 用示波器观测 编码输出数据信号 TP502 随输入信号电平变化的关系 思考 与 PCM 码字观测结果比较 为什么在 ADPCM 编码方式下 观测不到随电平 变化有一个比较稳定的码字 二 二 ADPCMADPCM 译码器译码器 1 将跳线开关 K501 设置在 T 位置 右端 K504 设置在 LOOP 位置 右端 此时将 ADPCM 输出编码数据直接送入本地译码器 构成自环 用函数信号发生器产生一个 频率为 1004Hz 电平为 2Vp p 的正弦波测试信号送入信号测试端口 J005 和 J006 地 2 ADPCM 译码器输出模拟信号观测 1 用示波器同时观测 ADPCM 译码器输出信号端口 TP506 和编码器输入信号 端口 TP501 信号观测时以 TP501 做同步 定性的观测译码恢复出的模拟 信号质量 2 将测试信号频率固定在 1004Hz 改变测试信号电平 定性的观测译码恢复出 的模拟信号质量 观测信噪比随输入信号电平变化的相对关系 3 将测试信号电平固定在 2Vp p 调整测试信号频率 定性的观测译码恢复出的 模拟信号质量 观测信噪比随输入信号频率变化的相对关系 三 系统性能指标测量 三 系统性能指标测量 注 当无音频损伤测试器时 测量与信噪比 噪声有关的指标可以用示波器直观定 性的观测 1 ADPCM 编译码系统动态范围测量 ZH7001 型现代通信原理综合实验系统 哲华科技 第 26 页 动态范围是指在满足一定信噪比的条件下 允许输入信号电