2015通信原理实验(4次NEW).docVIP

武汉凌特电子技术有限公司 LTE-TX-02E型通信原理实验指导书目录实验一 信号源实验1第一部分： CPLD可编程数字信号发生器实验1第二部分 模拟信号源实验6实验二 码型变换实验12实验三 移相键控（PSK/DPSK）调制与解调实验18实验四 脉冲编码调制解调实验25实验一 信号源实验第一部分： CPLD可编程数字信号发生器实验一、 实验目的1、 熟悉各种时钟信号的特点及波形。2、 熟悉各种数字信号的特点及波形。二、 实验内容1、 熟悉CPLD可编程信号发生器各测量点波形。2、 测量并分析各测量点波形及数据。3、 学习CPLD可编程器件的编程操作。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 连接线 若干3、 20M双踪示波器 一台四、 实验原理CPLD可编程模块用来产生实验系统所需要的各种时钟信号和各种数字信号。它由CPLD可编程器件ALTERA公司的EPM240T100C5、下载接口电路和一块晶振组成。晶振JZ1用来产生系统内的32.768MHz主时钟。1、 CPLD数字信号发生器包含以下五部分：1) 时钟信号产生电路将晶振产生的32.768MHZ时钟送入CPLD内计数器进行分频，生成实验所需的时钟信号。通过拨码开关S4和S5来改变时钟频率。有两组时钟输出，输出点为“CLK1”和“CLK2”，S4控制“CLK1”输出时钟的频率，S5控制“CLK2”输出时钟的频率。2) 伪随机序列产生电路通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列，通常简称为m序列。以15位m序列为例，说明m序列产生原理。在图1-1中示出一个4级反馈移存器。若其初始状态为（）（1,1,1,1），则在移位一次时和模2相加产生新的输入，新的状态变为（）（0,1,1,1），这样移位15次后又回到初始状态（1,1,1,1）。不难看出，若初始状态为全“0”,即“0,0,0,0”，则移位后得到的仍然为全“0”状态。这就意味着在这种反馈寄存器中应避免出现全“0”状态，不然移位寄存器的状态将不会改变。因为4级移存器共有24=16种可能的不同状态。除全“0”状态外，剩下15种状态可用，即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15。图1-1 15位m序列产生信号源产生一个15位的m序列，由“PN”端口输出，可根据需要生成不同频率的伪随机码，码型为111100010011010，频率由S4控制，对应关系如表1-2所示。3) 帧同步信号产生电路信号源产生8K帧同步信号，用作脉冲编码调制的帧同步输入，由“FS”输出。4) NRZ码复用电路以及码选信号产生电路码选信号产生电路：主要用于8选1电路的码选信号；NRZ码复用电路：将三路八位串行信号送入CPLD，进行固定速率时分复用，复用输出一路24位NRZ码，输出端口为“NRZ”，码速率由拨码开关S5控制，对应关系见表1-2。5) 终端接收解复用电路将NRZ码（从“NRZIN”输入）、位同步时钟（从“BS”输入）和帧同步信号（从“FSIN”输入）送入CPLD，进行解复用，将串行码转换为并行码，输出到终端光条（U6和U4）显示。2、 24位NRZ码产生电路本单元产生NRZ信号，信号速率根据输入时钟不同自行选择，帧结构如图1-2所示。帧长为24位，其中首位无定义（本实验系统将首位固定为0），第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号。光条（U1、U2和U3）对应位亮状态表示信号1，灭状态表示信号0。图1-2 帧结构1) 并行码产生器由手动拨码开关S1、S2、S3控制产生帧同步码和16路数据位，每组发光二极管的前八位对应8个数据位。拨码开关拨上为1，拨下为0。2）八选一电路采用8路数据选择器74LS151，其管脚定义如图1-3所示。真值表如表1-1所示。表1-1 74LS151真值表CBASTRYLLLLD0LLHLD1LHLLD2LHHLD3HLLLD4HLHLD5HHLLD6HHHLD7HL图1-3 74LS151管脚定义74LS151为互补输出的8选1数据选择器，数据选择端（地址端）为C、B、A，按二进制译码，从8个输入数据D0D7中选择一个需要的数据。STR为选通端，低电平有效。本信号源采用三组8选1电路，U12，U13，U15的地址信号输入端A、B、C分别接CPLD输出的74151_A、74151_B、74151_C信号，它们的8个数据信号输入端D0D7分别与S1,S2,S3输出的8个并行信号相连。由表1-1可以分析出U12，U13，U15输出信号都是以8位为周期的串行信号。五、 测试点说明CLK1：第一组时钟信号输出端口，通过拨码开关S4选择频率。CLK2：第二组时钟信号输出端口，通过拨码开关S5选择频率。FS：脉冲编码调制的帧同步信号输出端口。（窄脉冲，频率为8K）NRZ：24位NRZ信号输出端口，码型由拨码开关S1，S2，S3控制，码速率和第二组时钟速率相同，由S5控制。PN：伪随机序列输出，码型为111100010011010，码速率和第一组时钟速率相同，由S4控制。NRZIN：解码后NRZ码输入。BS：NRZ码解复用时的位同步信号输入。FSIN：NRZ码解复用时的帧同步信号输入。六、 实验步骤1、 打开信号源模块的电源开关POWER1，使信号源模块工作。2、 观测时钟信号输出波形。信号源输出两组时钟信号，对应输出点为“CLK1”和“CLK2”，拨码开关S4的作用是改变第一组时钟“CLK1”的输出频率，拨码开关S5的作用是改变第二组时钟“CLK2”的输出频率。拨码开关拨上为1，拨下为0，拨码开关和时钟的对应关系如下表所示表1-2拨码开关时钟拨码开关时钟000032.768M1000128K000116.384M100164K00108.192M101032K00114.096M101116K01002.048M11008K01011.024M11014K0110512K11102K0111256K11111K1) 根据表1-2改变S4，用示波器观测第一组时钟信号“CLK1”的输出波形；2) 根据表1-2改变S5，用示波器观测第二组时钟信号“CLK2”的输出波形。3、 用示波器观测帧同步信号输出波形信号源提供脉冲编码调制的帧同步信号，在点“FS”输出，一般时钟设置为2.048M、256K，在后面的实验中有用到。将拨码开关S4分别设置为“0100”、“0111”或别的数字，用示波器观测“FS”的输出波形。4、 用示波器观测伪随机信号输出波形伪随机信号码型为111100010011010，码速率和第一组时钟速率相同，由S4控制。根据表1-2改变S4，用示波器观测“PN”的输出波形。5、 观测NRZ码输出波形信号源提供24位NRZ码，码型由拨码开关S1，S2，S3控制，码速率和第二组时钟速率相同，由S5控制。1) 将拨码开关S1，S2，S3设置为“01110010 11001100 10101010”，S5设为“1010”，用示波器观测“NRZ”输出波形。2) 保持码型不变，改变码速率（改变S5设置值），用示波器观测“NRZ”输出波形。3) 保持码速率不变，改变码型（改变S1、S2、S3设置值），用示波器观测“NRZ”输出波形。七、 实验报告要求1、 分析各种时钟信号及数字信号产生的方法，叙述其功用。2、 画出各种时钟信号及数字信号的波形。3、 记录实验过程中遇到的问题并进行分析，提出改进建议。第 37 页 共37页第二部分 模拟信号源实验一、实验目的1、熟悉各种模拟信号的产生方法及其用途。2、观察分析各种模拟信号波形的特点。二、实验内容1、测量并分析各测量点波形及数据。2、熟悉几种模拟信号的产生方法，了解信号的来源、变换过程和使用方法。三、实验器材1、信号源模块 一块2、连接线 若干3、20M双踪示波器 一台四、实验原理 模拟信号源电路用来产生实验所需的各种低频信号：同步正弦波信号、非同步信号和音乐信号。（一）同步信号源（同步正弦波发生器）1、 功用同步信号源用来产生与编码数字信号同步的2KHz正弦波信号，可用在PAM抽样定理、增量调制、PCM编码实验，作为模拟输入信号。在没有数字存贮示波器的条件下，用它作为编码实验的输入信号，可在普通示波器上观察到稳定的编码数字信号波形。2、 电路原理图2-1为同步正弦信号发生器的电路图。它由2KHz方波信号产生器（图中省略了）、同相放大器和低通滤波器三部分组成。图2-1 同步正弦波产生电路2KHz的方波信号由CPLD可编程器件U8内的逻辑电路通过编程产生。“2K同步正弦波”为其测量点。U19A及周边的电阻组成一个的同相放大电路，起到隔离和放大作用，。U19C及周边的阻容网络组成一个截止频率为2K的二阶低通滤波器，滤除方波信号里的高次谐波和杂波，得到正弦波信号。调节W1改变同相放大器的放大增益，从而改变输出正弦波的幅度（05V）。（二）非同步信号源非同步信号源利用混合信号SoC型8位单片机C8051F330，采用DDS(直接数字频率合成)技术产生。通过波形选择器S6选择输出波形，对应发光二极管亮。它可产生频率为180Hz18KHz的正弦波、180Hz10KHz的三角波和250Hz250KHz的方波信号。按键S7、S8分别可对各波形频率进行增减调整。非同步信号输出幅度为04V，通过调节W4改变输出信号幅度。可利用它定性地观察通信话路的频率特性，同时用作增量调制、脉冲编码调制实验的模拟输入信号。图2-2 非同步信号发生器电路图（三）音乐信号产生电路1、功用音乐信号产生电路用来产生音乐信号，作模拟输入信号检查话音信道的开通情况及通话质量。2、工作原理图2-3 音乐信号产生电路音乐信号产生电路见图2-3。音乐信号由U21音乐片厚膜集成电路产生。该片的1脚为电源端，2脚为控制端，3脚为输出端，4脚为公共地端。VCC经R34、D4向U21的1脚提供3.3V电源电压，当2脚通过K1输入控制电压+3.3V时，音乐片即有音乐信号从第3脚输出，经低通滤波器输出，输出端口为“音乐输出”（四）载波产生电路1、功用载波产生电路用来产生数字调制所需的正弦波信号，频率有64KHz和128KHz两种。2、工作原理64K载波产生电路如图2-4所示，128K载波产生电路如图2-5所示64KHz(128KHz)的方波信号由CPLD可编程器件U8内的逻辑电路通过编程产生。“64K同步正弦波”（“64K”同步正弦波）为其测量点。U17A(U18A)及周边的电阻组成一个的同相放大电路，起到隔离和放大作用。U17D(U18D)及周边的阻容网络组成一个截止频率为64K（128KHz）的二阶低通滤波器，滤除方波信号里的高次谐波和杂波，得到正弦波信号。调节W2(W3)改变同相放大器的放大增益，从而改变输出正弦波的幅度（05V）。图2-4 64K载波产生电路图2-5 128K载波产生电路五、测试点说明2K同步正弦波：2K的正弦波信号输出端口，幅度（05V）由W1调节。64K同步正弦波：64K的正弦波信号输出端口，幅度（05V）由W2调节。128K同步正弦波：128K的正弦波信号输出端口，幅度（05V）由W3调节。非同步信号源：普通正弦波、三角波和方波信号输出端口，波形由S6选择，频率由S7、S8调节，幅度(04V)由W4调节。音乐输出：音乐片输出端口。音频信号输入：音频功放输入端口（功放输出信号幅度由W6调节）。K1：音乐片信号选择开关。K2：扬声器输出选择开关。W6：调节扬声器音量。六、实验步骤1、 用示波器测量“2K同步正弦波”、“64K同步正弦波”、“128K同步正弦波”各点输出的正弦波波形，对应的电位器W1，W2，W3可分别改变各正弦波的幅度。2、 用示波器测量“非同步信号源”输出波形。1) 按键S6选择为“正弦波”，改变W4，调节信号幅度（调节范围为04V），用示波器观察输出波形。2) 保持信号幅度为3V，改变S7、S8，调节信号频率（调节范围为180Hz18KHz），用示波器观察输出波形。3) 将波形分别选择为三角波、方波，重复上面两个步骤。3、 将控制开关K1设为“ON”，令音乐片加上控制信号，产生音乐信号输出，用示波器在“音乐输出”端口观察音乐信号输出波形。七、实验报告要求1、画出各测量点波形，并进行分析。2、画出各模拟信号源的电路组成方框图，叙述其工作原理。3、记录实验过程中遇到的问题并进行分析，提出改进建议。实验二 码型变换实验一、 实验目的1、 了解几种常用的数字基带信号。2、 掌握常用数字基带传输码型的编码规则。3、 掌握常用CPLD实现码型变换的方法。二、 实验内容1、 观察NRZ码、RZ码、AMI码、HDB3码、CMI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码的正负极性波形。4、 观察RZ码、AMI码、HDB3码、CMI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，下载并观察波形。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 号模块 一块4、 20M双踪示波器 一台5、 连接线 若干四、 实验原理（一）基本原理在数字通信中，有些场合可以不经过载波调制和解调过程而让基带信号直接进行传输。例如，在市区内利用电传机直接进行电报通信，或者利用中继方式在长距离上直接传输PCM信号等。这种不使用载波调制装置而直接传送基带信号的系统，我们称它为基带传输系统，它的基本结构如图15-1所示。图15-1 基带传输系统的基本结构该结构由信道信号形成器、信道、接收滤波器以及抽样判决器组成。这里信道信号形成器用来产生适合于信道传输的基带信号，信道可以是允许基带信号通过的媒质（例如能够通过从直流至高频的有线线路等）；接收滤波器用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰；抽样判决器则是在噪声背景下用来判定与再生基带信号。若一个变换器把数字基带信号变换成适合于基带信号传输的基带信号，则称此变换器为数字基带调制器；相反，把信道基带信号变换成原始数字基带信号的变换器，称之为基带解调器。基带信号是代码的一种电表示形式。在实际的基带传输系统中，并不是所有的基带电波形都能在信道中传输。例如，含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变。单极性基带波形就是一个典型例子。再例如，一般基带传输系统都从接收到的基带信号流中提取定时信号，而收定时信号又依赖于代码的码型，如果代码出现长时间的连“0”符号，则基带信号可能会长时间出现0电位，而使收定时恢复系统难以保证收定时信号的准确性。归纳起来，对传输用的基带信号的主要要求有两点：（1）对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；（2）对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道中传输。（二）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、 AMI码AMI码的全称是传号交替反转码。这是一种将信息代码0(空号)和1(传号)按如下方式进行编码的码：代码的0仍变换为传输码的0,而把代码中的1交替地变换为传输码的+1，-1，+1，-1，。例如：信息代码：1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1AMI码： +1 0 0-1+1 0 0 0-1+1-1由于AMI码的传号交替反转，故由于它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。除了上述特点以外，AMI码还有编译码电路简单以及便于观察误码情况等优点，它是以种基本的线路码，在高密度信息流得数据传输中，得到广泛采用。但是，AMI码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。4、 HDB3码HDB3码是对AMI码的一种改进码，它的全称是三阶高密度双极性码。其编码规则如下：先检查消息代码（二进制）的连0情况，当没有4个或4个以上连0串时，按照AMI码的编码规则对信息代码进行编码；当出现4个或4个以上连0串时，则将每4个连0小段的第4个0变换成与前一非0符号（+1或-1）同极性的符号，用V表示（即+1记为+V，-1记为-V），为使附加V符号后的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻V符号也应极性交替。当两个相邻V符号之间有奇数个非0符号时，用取代节“000V”取代4连0信息码；当两个相邻V符号间有偶数个非0符号时，用取代节“B00V”取代4连0信息码。例如：代码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 000 0 1 1AMI码： -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 000 0 -1 +1HDB3码：-1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B00 -V -1 +1HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0串减少到至多3个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于定时信号的恢复是十分有利的。HDB3码是CCITT推荐使用的码型之一。5、 CMI码CMI码是传号反转码的简称，其编码规则为：“1”码交替用“11”和“00”表示；“0”码用“01”表示。例如：代码： 1 1 0 1 0 0 1CMI码： 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0这种码型有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。该码已被CCITT推荐为PCM（脉冲编码调制）四次群的接口码型。在光缆传输系统中有时也用作线路传输码型。6、 BPH码BPH码的全称是数字双相码（Digital Biphase），又称Manchester码，即曼彻斯特码。它是对每个二进制码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码，编码规则之一是：001（零相位的一个周期的方波）110（相位的一个周期的方波）例如：代码：1 1 0 0 1 0 1双相码： 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0双相码的特点是只使用两个电平，这种码既能提供足够的定时分量，又无直流漂移，编码过程简单。但这种码的带宽要宽些。（三）电路原理将信号源产生的NRZ码和位同步信号BS送入U1（EPM3064）进行变换，可以直接得到各种单极性码和各种双极性码的正、负极性编码信号（因为CPLD的IO口不能直接接负电平，所以只能将分别代表正极性和负极性的两路编码信号分别输出，再通过外加电路合成双极性码），如HDB3码的正、负极性编码信号送入U2（CD4051）的选通控制端，控制模拟开关轮流选通正、负电平，从而得到完整的HDB3码。解码也同样需要将双极性的HDB3码变换成分别代表正极性和负极性的两路信号，再送入CPLD进行解码，得到NRZ码。其他双极性码的编、解码过程相同。各编码波形如图15-2所示图15-2 编码波形五、 输入、输出点参考说明1、 输入点说明NRZ：NRZ码输入点。BS：编码时钟输入点。BSR：解码时钟输入点。IN-A：正极性HDB3/AMI码编码输入点。IN-B：负极性HDB3/AMI码编码输入点。DIN1：正极性HDB3/AMI码解码输入点。DIN2：负极性HDB3/AMI码解码输入点。HDB3/AMI-IN：HDB3/AMI码编码输入点。2、 输出点说明DOUT1：编码输出，由拨码开关S1控制编码码型。选择AMI、HDB3码型时，为正极性编码输出。DOUT2：编码输出，由拨码开关S1控制编码码型。选择AMI、HDB3码型时，为负极性编码输出，选择其它码型时，无输出。OUT-A：正极性HDB3/AMI码解码输出点。OUT-B：负极性HDB3/AMI码解码输出点。HDB3/AMI-OUT：HDB3/AMI码编码输出点。NRZ-OUT：解码输出。六、 实验步骤1、 CMI，RZ，BPH码编解码电路观测1） 将信号源模块和模块6、7固定在主机箱上，将塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。2） 通过模块6上的拨码开关S1选择码型为CMI码，即“00100000”。3） 信号源模块上S4、S5都拨到“1100”，S1、S2、S3分别设为“01110010”“01010101”“00110011”。4） 对照下表完成实验连线源端口目的端口连线说明信号源：NRZ（8K）模块6：NRZIN8KNRZ码基带传输信号输入信号源：CLK2（8K）模块6：BS提供编译码位时钟模块6：DOUT1模块6：DIN1电平变换的编码输入A模块6：DOUT1模块7：DIN提取编码数据的位时钟。模块7：BS模块6：BSR提取的位时钟给译码模块* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源5） 将模块7的S2设置为“0111”6） 以 “NRZIN”为内触发源，用双踪示波器观测编码输出“DOUT1”波形。7） 以 “NRZIN”为内触发源，用双踪示波器对比观测解码输出“NRZ-OUT”波形，观察解码波形与初始信号是否一致。8） 拨码开关S1选择码型为RZ码（00010000）、BPH码（00001000）重复上述步骤。9） 实验结束关闭电源。2、 AMI，HDB3码编解码电路观测1) 通过模块6上的拨码开关S1选择码型为AMI码，即“01000000”。2) 将信号源S4、S5拨到“1100”，S1、S2、S3分别设为“01110010”“00011000”“01000011”。3) 对照下表完成实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：NRZ（8K）模块6：NRZIN8KNRZ码基带传输信号输入信号源：CLK2（8K）模块6：BS提供编译码位时钟模块6：HDB3/AMI-OUT 模块7：输入锁相环法同步提取输入模块7：位同步输出模块6：BSR提取的位同步输入模块6：DOUT1模块6：IN-A电平变换A路编码输入模块6：DOUT2模块6：IN-B电平变换B路编码输入模块6：HDB3/AMI-OUT模块6：HDB3/AMI-IN电平反变换输入模块6：OUT-A模块6：DIN1电平反变换A路编码输出模块6：OUT-B模块6：DIN2电平反变换B路编码输出* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源4) 模块7的S2设置为“1000”。5) 以 “NRZIN”为内触发源，分别用双踪示波器观测“DOUT1”，“DOUT2”，“HDB3/AMI-OUT”三点的波形。6) 以 “NRZIN”为内触发源，用双踪示波器观测“OUT-A”，“OUT-B”，“NRZ-OUT”三点的波形，观察解码波形与初始信号是否一致。7) 通过拨码开关S1选择码型为HDB3码（S1设置为“10000000”），重复上述步骤。3、 将信号源模块上的拨码开关S1，S2，S3全部拨为0或者全部拨为1，重复步骤1、2，观察各码型编解码输出。4、 按通信原理教材中阐述的编码原理自行设计其它码型变换电路，下载并观察各点波形。（选做）5、 实验结束关闭电源，拆除连线，整理实验数据及波形完成实验报告。七、 实验报告要求1、 分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。2、 根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。3、 写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进建议。实验三 移相键控（PSK/DPSK）调制与解调实验一、 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方法。2、 掌握用键控法产生PSK/DPSK信号的方法。3、 掌握PSK/DPSK相干解调的原理。4、 掌握绝对码波形与DPSK信号波形之间的关系。二、 实验内容1、 观察绝对码和相对码的波形和转换关系。2、 观察PSK/DPSK调制信号波形。3、 观察PSK/DPSK解调信号波形。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 号模块 一块4、 号模块 一块5、 20M双踪示波器 一台6、 连接线 若干四、 实验原理1、 2PSK/2DPSK调制原理PSK调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，它的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK移幅键控和FSK移频键控。因此，PSK技术在中、高速数据传输中得到了十分广泛的应用。PSK信号是用载波相位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11-1所示。设二进制单极性码为an，其对应的双极性二进制码为bn，则2PSK信号的一般时域数学表达式为： （11-1）其中：则（11-1）式可变为： （11-2）图11-1 2PSK信号的典型时域波形由（11-1）式可见，2PSK信号是一种双边带信号我们知道，2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在这种绝对移相的方式中，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为2PSK的“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”则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息：00111001012DPSK信号相位：000000或： 0 0 0 0 0图11-2 2PSK与2DPSK波形对比图11-2为对同一组二进制信号调制后的2PSK与2DPSK波形。从图中可以看出，2DPSK信号波形与2PSK的不同。2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调2DPSK信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值。只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。同时我们也可以看到，单纯从波形上看，2PSK与2DPSK信号是无法分辨的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看成是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。为了便于说明概念，我们可以把每个码元用一个如图11-3所示的矢量图来表示。图中，虚线矢量位置称为基准相位。在绝对移相中，它是未调制载波的相位；在相对移相中，它是前一码元载波的相位。如果假设每个码元中包含有整数个载波周期，那么，两相邻码元载波的相位差既表示调制引起的相位变化，也是两码元交界点载波相位的瞬时跳变量。根据ITU-T的建议，图11-3（a）所示的移相方式，称为A方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取0、。因此，在相对移相后，若后一码元的载波相位相对于基准相位为0，则前后两码元载波的相位就是连续的；否则，载波相位在两码元之间要发生跳变。图11-3（b）所示的移相方式，称为B方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取/2。因而，在相对移相时，相邻码元之间必然发生载波相位的跳变。这样，在接收端接收该信号时，如果利用检测此相位变化以确定每个码元的起止时刻，即可提供码元定时信息，这正是B方式被广泛采用的原因之一。图11-3 二相调制移相信号矢量图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，其调制的基带信号和载波信号分别从“PSK-NRZ”和“PSK载波”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS”点输入，其原理框图如图11-4所示：图11- 2DPSK调制原理框图差分变换在数据传输系统中，由于相对移相键控调制具有抗干扰噪声能力强，在相同的信噪比条件下，可获得比其他调制方式（例如：ASK、FSK）更低的误码率，因而这种方式广泛应用在实际通信系统中。DPSK调制是采用码型变换法加绝对调相来实现，既把数据信息源（如伪随机码序列、增量调制编码器输出的数字信号或脉冲编码调制PCM编码器输出的数字信号）作为绝对码序列an，通过差分编码器变成相对码序列bn，然后再用相对码序列bn，进行绝对移相键控，此时该调制的输出就是DPSK已调信号。 绝对码是以宽带信号码元的电平直接表示数字信息的，如规定高电平代表“1”，低电平代表“0”。 图11-6（a） 差分编码器电路 图11-6（b） 工作波形相对码（差分码）是用基带信号码元的电平与前一码元的电平有无变化来表示数字信息的，如规定：相对码中有跳变表示1，无跳变表示0。 图11-6（a）是差分编码器电路，可用模二加法器延时器（延时一个码元宽度Tb)来实现这两种码的互相转换。设输入的相对码an为1110010码，则经过差分编码器后输出的相对码bn为1011100，即bn= an bn1。 图11-6（b）是它的工作波形图。相乘器实现输入载波信号和基带信号的相乘变换，输出相应调制信号。2、 2DPSK解调原理（a）极性比较法（b）相位比较法图10-3 2DPSK解调原理框图2DPSK解调最常用的方法是极性比较法和相位比较法，这里采用的是极性比较法对2DPSK信号进行解调，原理框图如图10-3（a）所示。2PSK调制信号从“PSKIN”输入，位同步信号从“PSK-BS”输入，同步载波从“载波输入”点输入。调制信号经过U11（MC1496）与载波信号相乘后，去掉了调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，对此信号进行抽样判决（抽样判决器由U15（74LS74）构成，其时钟为基带信号的位同步信号），将K1的2、3脚相连，即可得到基带信号，对于2DPSK信号，将K1的1、2脚相连，即将PSK解调信号再经过逆差分变换电路（由U15（74LS74）、U13（74LS86）组成），就可以得到基带信号了。五、 测试点说明1、 信号输入点参考说明PSK调制模块：PSK-NRZ：PSK基带信号输入点。PSK载波：PSK载波信号输入点。PSK-BS：PSK差分编码时钟输入点。PSK解调模块：PSKIN：PSK调制信号输入（观测点）。PSK-BS：PSK解调位同步时钟输入点。载波输入：PSK解调同步载波信号输入点。2、 信号输出点参考说明PSK-OUT：PSK/DPSK调制信号输出点。PSK-DOUT：PSK解调信号经电压比较器后的信号输出点（未经同步判决）。OUT3：PSK/DPSK解调信号输出点（K1的1、2脚相连，输出DPSK解调信号，2、3脚相连，输出PSK解调信号）。六、 实验步骤（一）PSK/DPSK调制实验1、 将信号源模块和模块3、4、7固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。2、 按照下表进行实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：PN（32K）模块3：PSK-NRZS4拨为“1010”，PN是32K伪随机码信号源：128K同步正弦波模块3：PSK载波提供PSK调制载波，幅度为4Vl 检查连线是否正确，检查无误后打开电源3、 将开关K3拨到“PSK”端，以信号输入点“PSK-NRZ”的信号为内触发源，用双踪示波器同时观察点“PSK-NRZ”与“PSK-OUT”输出的波形。4、 不改变PSK调制实验连线。将开关K3拨到“DPSK”端，增加连线：源端口目的端口连线说明信号源：CLK1（32K）模块3：PSK-BSDPSK位同步时钟输入以信号输入点“PSK-NRZ”的信号为内触发源，用双踪示波器同时观察点“PSK-NRZ”与“PSK-OUT”输出的波形。5、 通过信号源模块上的拨码开关S4改变PN码频率后送出，重复上述实验。6、 实验结束关闭电源。（二）PSK/DPSK解调实验1、 恢复PSK调制实验的连线，K3拨到“PSK”端，然后增加以下连线：源端口目的端口连线说明模块3：PSK-OUT模块4：PSKINPSK解调输入模块3：PSK-OUT模块7：PSKIN载波同步提取输入模块7：载波输出模块4：载波输入提供同步解调载波模块4：PSK-DOUT模块7：DIN锁相环法位同步提取信号输入模块7：BS模块3：PSK-BS提取的位同步信号* 检查连线是否正确，检查无误后再次打开电源2、 将模块7上的拨码开关S2拨为“0110”，观察模块4上信号输出点“PSK-DOUT”处的波形。并调节模块4上的电位器W4（逆时针拧到最大），直到在该点观察到稳定的PN码。3、 用示波器双踪分别观察模块3上的“PSK-NRZ”和模块4上的“OUT3”处的波形，比较二者波形。4、 通过信号源模块上的拨码开关S4改变PN码频率后送出，重复上述实验。5、 DPSK解调与PSK解调基本相同，它多了一个逆差分变换过程，注意通过开关K1选择DPSK方式解调，学生可以在老师的指导下自己完成连线观察解调波形。6、 实验结束关闭电源，拆除连线，整理实验数据及波形完成实验报告。七、 实验报告要求1、 分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。2、 根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。3、 写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进建议。实验四 脉冲编码调制解调实验一、 实验目的1、 掌握脉冲编码调制与解调的原理。2、 掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。3、 了解脉冲编码调制信号的频谱特性。4、 了解大规模集成电路W681512的使用方法。二、 实验内容1、 观察脉冲编码调制与解调的结果，分析调制信号与基带信号之间的关系。2、 改变基带信号的幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况。3、 改变基带信号的频率，观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况。4、 改变位同步时钟，观测脉冲编码调制波形。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 20M双踪示波器 一台4、 立体声耳机 一副5、 连接线 若干四、 实验原理（一）基本原理模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，当这些连续变化的抽样值通过有噪声的信道传输时，接收端就不能对所发送的抽样准确地估值。如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能对所发送的抽样准确地估值，从而有可能消除随机噪声的影响。脉冲编码调制（PCM）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。脉码调制的过程如图5-1所示。PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。国际标准化的PCM码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300Hz3400Hz左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。在整个PCM系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码。通常，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N来表示。国际电报电话咨询委员会（ITU-T）详细规定了它的指标，还规定比特率为64kbps，使用A律或律编码律。下面将详细介绍PCM编码的整个过程，由于抽样原理已在前面实验中详细讨论过，故在此只讲述量化及编码的原理。图5-1 PCM 调制原理框图1、 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图5-2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为：这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。模拟入量化器量化值图5-2 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，我们先讨论均匀量化。把输入模拟信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图5-3所示。其量化间隔（量化台阶）取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当输入信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。例如，输入信号的最小值和最大值分用a和b表示，量化电平数为M，那么，均匀量化的量化间隔为：量化器输出为： 当式中为第个量化区间的终点，可写成 为第个量化区间的量化电平，可表示为 上述均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因