通原实验1-码型变换.ppt

武汉理工大学信息工程学院专业综合实验中心 通信原理实验一 HDB3 AMI码型变换与位同步提取 数字通信系统对信息的传输有两个基本的传输系统 1 数字基带传输系统 2 数字频带传输系统 用来传输数字基带信号的通信系统称为数字基带传输系统 方法是 将数字基带信号直接进行线路传输 为适应信道传输而将基带信号进行调制 即将基带信号的频谱搬移到某一高频处 变为频带信号进行传输 这种传输信号的方式称为数字频带传输系统 数字频带传输系统特点是 发送端必须使用调制器 接收端必须使用解调器 数字基带传输系统特点是 发送端不使用调制器 接收端不使用解调器 一 实验目的 4 通过给定的实验电路 熟悉并掌握本实验电路的组成和工作过程 学会分析电路方法 1 通过实验 了解几种常见的数字基带信号 掌握常用的数字基带信号的编码规则 2 掌握对二进制单极性码变换为AMI与HDB3码的编译码规则 工作原理和实现方法 进一步明确数字基带信号传输线路码型变换的目的 3 简单了解位同步提取的实现方法 二 实验内容 AMI编译码系统 HDB3编译码系统 1 AMI码编码规则验证 2 AMI码位同步信号观测 4 AMI码译码和时延测量 3 AMI码单双变换 双单变换定性观测 1 HDB3码变换规则验证 2 HDB3码位同步信号观测 3 HDB3码单双变换 双单变换定性观测 4 HDB3码译码和时延测量 数字基带信号的测量 三 实验应知知识 1 数字信号与数字基带信号 在数字通信系统中 一般把模拟信号经数字化处理后而形成的脉冲编码信号 或是来自数据终端设备 比如计算机 的原始数据信号 称为数字信号 数字信号的特点是 1 数字信号 信号的幅值取值是离散的 且幅值被限制在有限个数值之内 常见的二进制码就是一种数字信号 二进制码受噪声的影响小 易于由数字电路进行处理 所以得到了广泛的应用 三 实验应知知识 2 数字基带信号 数字基带信号 是消息代码的电波形的表示形式 即将信源发出的 未经调制或频谱变换 直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号 用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码 例 若将二进制码的一种数字信号变换为数字基带信号 数字基带信号的电波形表示的类型很多 常见的有矩形脉冲 三角波 高斯脉冲和升余弦脉冲等 最常用的是矩形脉冲 因为矩形脉冲易于形成和变换 三 实验应知知识 数字基带信号 以后简称基带信号 的类型有很多 如以矩形脉冲组成的数字基带信号 主要有以下几种 3 常用数字基带信号类型与编码规则 例如 三 实验应知知识 3 1NRZ 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分别表示二进制信息 1 和 0 其特征是1 0分别对应正电平和零电平 在表示码元时 电压不需要回到零 1 E 0 0 1 00 11 01 特点 发送能量大 有利于提高接收端的信噪比 在信道上占用的频带较窄 存在直流成份 将导致信号的失真 无法使用交流耦合的线路和设备 不能直接提取位同步信号 5 接收NRZ码的判决电平应取 1 码的一半 由于信道衰减或特性随各种因素变化时 接收端波形的振幅和宽度容易变化 因而判决门限不够稳定在最佳电平 使抗噪性能变坏 数字信号序列 E 0 10100110 NRZ码 单极性非归零码 NRZ 的功率谱 2 由离散谱仅含直流分量可知 单极性NRZ信号的功率谱不含可用于提取同步信息的fb分量 3 由连续分量可方便求出 单极性NRZ信号的功率谱的带宽近似为 Sa函数第一零点 时 上述结论依然成立 请读者自己考虑 单极性NRZ信号的功率谱如图所示 可以看出 1 单极性NRZ信号的功率谱只有连续谱和直流分量 单极性非归零码NRZ信号的功率谱 NRZ Ts 基带信号的带宽为BS 1 fs 三 实验应知知识 3 2RZ 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 即信号的脉冲宽度小于码元宽度 通常均使脉冲宽度等于码元宽度的一半 E 1 0 0电平 1 0 0 1 0 1 0 0 RZ码与NRZ码相比 除仍具有单极性码的一般特点外 主要优点是可以直接提取同步信号 但不意味可以作为线路传输码使用 它可以为其它码型提取同步信号时 而作为一个过渡码形应用 例如 单极性归零码RZ信号的功率谱 RZ E 0 t 单极性归零码 RZ 的功率谱 数字信号序列 10100110 对于单极性RZ信号 有 2 由离散谱可知 单极性RZ信号的功率谱含可用于提取同步信息的fb分量 3 由连续谱可求出单极性RZ信号的功率谱的带宽近似为 较之单极性NRZ信号变宽 RZ Ts 2 基带信号的带宽为BS 1 2fs 三 实验应知知识 3 3BNRZ 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数字基带信号的 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 E 1 E 0 1 0 0 1 1 双极性不归零 NRZ 码特点 1 当 1 和 0 数目各占一半时无直流分量 但当 1 和 0 出现概率不相等时 仍有直流成份 2 连 0 或连 1 时仍不能直接提取位同步信息 3 对信道特性变化不敏感 4 可在电缆等无接地线上传输 例如 数字信号序列 10100110 双极性非归零码BNRZ信号的功率谱 E E 双极性不归零 BNRZ 码的功率谱 BNRZ 双极性BNRZ信号的功率谱如图所示 可以看出 1 双极性BNRZ信号的功率谱只有连续谱 不含任何离散分量 当然 也不含可用于提取同步信息的fb分量 2 双极性BNRZ信号的功率谱的带宽同于单极性NRZ信号 为 3 时 双极性BNRZ信号的功率谱将含有直流分量 其特点与单极性NRZ信号的功率谱相似 请读者自己考虑 NRZ Ts 基带信号的带宽为BS 1 fs 三 实验应知知识 3 4BRZ BRZ码的全称是双极性归零码 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 E 1 0电平 E 0 1 0 0 1 1 例如 10100110 数字信号序列 双极性BRZ信号的功率谱 E 0 E 双极性归零 BRZ 码的功率谱 BRZ 双极性BRZ信号的功率谱如图所示 可以看出 1 双极性BRZ信号的功率谱 只有连续谱 不含任何离散分量 当然 不含可用于提取同步信息的fb分量 2 双极性RZ信号的功率谱的带宽同于单极性RZ信号 为 3 时 双极性BRZ信号的功率谱将含有离散分量 其特点与单极性RZ信号的功率谱相似 请读者自己考虑 RZ Ts 2 基带信号的带宽为BS 1 2fs 结论 二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1 f 和G2 f 时间波形的占空比越小 占用频带越宽 若以谱的第1个零点计算 NRZ Ts 基带信号的带宽为BS 1 fs RZ Ts 2 基带信号的带宽为BS 1 2fs 其中fs 1 Ts 是位定时信号的频率 它在数值上与码元速率RB相等 单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比 单极性NRZ信号中没有定时分量 若想获取定时分量 要进行波形变换 单极性RZ信号中含有定时分量 可以直接提取 0 1 等概的双极性信号没有离散谱 也就是说没有直流分量和定时分量 三 实验应知知识 4 为什么要进行码型变换 通常由信源编码输出的数字信号多为经自然编码的电脉冲序列 高电平表示1 低电平表示0 或相反 这种经过自然编码的数字信号虽然是名符其实的数字信号 但却并不适合于在信道中直接传输 或者说 数字通信系统 数据通信系统 一般并不采用这样的数字信号进行基带传输 因为用这样的数字信号进行基带传输会出现很多问题 换句话说 就是它的码型不满足通信的要求 传输这种数字基带信号会遇到的问题 三 实验应知知识 5 对线路传输码型的基本要求 由于不同的码型具有不同的特性 因此在实际应用中 应合理设计或选择适合于在给定信道传输特性的码型 通常要考虑以下因素 或者说要遵循以下原则 1 能从其响应的基带信号中获取定时信息 2 相应的基带信号无直流成份和只有很小的低频成份 4 尽可能地提高传输码型的传输效率 5 具有内在的检错能力 能在线检测传输误码率 3 不受信息源统计特性的影响 即能适应于信息源的变化 即将数字基带信号变换成适合于线路传输的码型 此种码也称为传输码 线路码 三 实验应知知识 三 实验应知知识 AMI码传号极性交替反转码 HDB3码三阶高密度双极性码 CMI码传号反转码 适合线路传输码型 三 实验应知知识 1AMI AMI码的全称是传号极性交替反转码 其编码规则是 信息码中的 0 码 仍变换为传输码的 0 信息码中的 1 码 极性交替变换为传输码的 1 1 1 1 数字基带信号的 0 码仍为0 例如 当二进码序列为00110100011 00 1 1 0 1 000 1 1 数字基带信号的 1 码 则极性交替反转 AMI码的特点 1 无直流成分 且零频附近低频分量小 对信源有透明性 2 码型具有一定检错能力 若接收端收到的码元极性与发送端完全相反 也能正确判决 3 用归零码就便于提取定时分量 但当信码出现连 0 串时 提取定时信号困难 AMI简易编码电路 三 实验应知知识 0 0 1 1 1 0 0 VT1截止 VY2截止 输出0 1 1 0 0 1 1 0 VT1导通 VY2截止 输出 1 1 1 0 1 0 0 1 VT1截止 VY2导通 输出 1 图AMI码的频谱示意图 这种码型交替出现正 负极脉冲 所以没直流分量 低频分量也很少 它的频谱如图所示 AMI码的能量集中于f0 2处 f0为码速率 这种码的反变换也很容易 在再生信码时 只要将信号整流 即可将 1 翻转为 1 恢复成单极性码 这种码未能解决信码中经常出现的长连 0 的问题 三 实验应知知识 2HDB3码 改进的AMI码 规则 代码 1 传号 传输码交替为 1 1 0 空号 传输码 0 出现四连 0 时 用破坏点V码替代 V码可为 1 或 1 破坏点V的规则 1 每4个连 0 小段的第4位是破坏点V V的极性与前一个非0符号的极性相同 2 V V交替出现 3 当相邻V符号之间有偶数个非0符号时 必须将后面连 0 小段的第一位换成B B符号的极性与相邻前一非0符号的极性相反 V的极性同B V后面的非0符号极性从V开始调整 HDB3码的全称是三阶高密度双极性码 其编码规则如下 三 实验应知知识 例 AMI波形 代码波形 HDB3波形 特点 1 每一个破坏点V的极性总是与前一个非0符号的极性相同 B也视为非0符号 2 只要找到破坏点V 就可判断其前面必为3个连0符号 3 利于提取定时时钟 HDB3码编码电路组成与原理 HDB3编码电路组成方框图 该电路主要由4个部分组成 连零检测 破坏点产生 取代节判决和单双极性变换 HDB3编码器各单元电路原理 连零检测电路 当4个0依次存入四级移位寄存器JC1 JC4时 JC11输出低电平控制信号 取代节判决电路 当JC11输出控制信号时判断此时JC6的输出 如果JC6为高电平则判别由B00V来取代四连 0 码 否则由000V取代 破坏点产生电路 由JC5 JC7和JC13组成 当遇到B00V时 JC13为0 当取代节为000V时 JC13为1 单双变换电路的作用是 将单极性不归零码变换成双极性不归零码 它由JCl6 JCl7 JCl5 JCl8 BGl BG2及脉冲变压器组成 四连零检测 破坏点产生 取代节判断 单双极性变换 3CMI码 CMI码的全称是传号反转码 是一种二电平非归零码 其编码规则如下 信息码中的 0 码固定用负正电平 01 表示 信息码中的 1 码交替用正电平 11 和负电平 00 表示 三 实验应知知识 01 11 00 当二进码序列为 00110100011 01 01 11 01 01 01 00 11 CMI码的优点是没有直流分量 且低频分量较小 信息码流中有频繁出现电平 波形 跳变 含有丰富的定时信息 且便于提取时钟分量 具有一定的误码监测与检错能力 CMI码的特点 编 译码电路简单 容易实现 因此 ITU T推荐在高次群PCM终端设备中广泛用作接口码型 在速率低于8448kb s的光纤数字传输系统中也被建议作为线路传输码型 实验电路板 信号源 实验电路 电源 1 实验电路说明 本实验采用了CD22103专用芯片 实现AMI HDB3的编译码 内部电路如图所示 1脚 NRZ IN 2脚 编码时钟 3脚 编码类型 5脚 译码时钟 14 15脚 编码输出 11 13脚 译码器输入 CD22103为双列直插16引脚芯片 4脚 译码输出 10脚 汇总输出 CD22103主要由发送编码和接收译码两部分组成 工作速率为50kb s 10Mb s AMI HDB3码型变换电路原理图 J1编译码类型选择 74HC4052单 双变换器 J2位同步提取极性选择 LC选频 三极管放大 反相限幅整形位同步提取 CD22103编 译码 74HC04双 单变换器 信号源电路原理图 J3M序列长度选择 S1M序列初始状态触发 74HC164 74HC86M序列产生电路 74HC4060 1G04256KHz方波时钟信号产生电路 电路板输入输出点 实验开始 实验应知知识介绍完毕 a 注意安全操作规程 确保人身安全 注意人身安全和仪器设备的安全 为了防止器件损坏 在切断实验电路板上的电源后才能改接电路 调换仪器时应切断实验仪器的电源 逐步养成用右手进行单手操作的习惯 b 爱护仪器设备 仪器在使用过程中 不必经常开关电源 切忌无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮 仪器设备出现问题 请向老师寻求帮助 请勿随便调换配件 实验现场的操作规程 1 数字基带信号的测量 实验准备 实验电路模块插接于实验箱中 如图连接 接通并打开电源 7 15位M序列数字基带信号测量 NRZ 测试数据观察与记录 测量并记录7位和15位M序列NRZ信码的频谱 通过比较后标明本实验系统中NRZ的带宽 体会并掌握在数字通信系统 如何通过测量系统时钟信号来测出信号的码元 探头 探头 示波器同时观测并记录CLK IN与NRZ OUT波形 分析观测NRZ码与编码时钟的关系 分别画出7和15位M序列周期的波形 并分别读出7和15位M序列的数字序列 0 111 1 00 重复 7位周期M序列NRZ输入数据测量 码元 7位周期M序列NRZ信号频谱 带宽 频谱的第一过零点 NRZ CLK 2 AMI与HDB3码编码规则验证 实验准备 保持实验步骤1中连接 CTX SQ256KHz NRZ IN NRZ OUT 7 15位M序列编码验证 测试数据观察与记录 设J1选择编码方式 J3选择NRZ位数 分析结果是否满足AMI HDB3编码关系 画出一个M序列周期的测试波形 简述TD TD 合成编码波形的实现方法 观测并记录NRZ IN与AMI或HDB3编码输出HDB3 AMI的对比波形 观测并记录HDB3 AMI的频谱 并说明其编码信号的带宽 探头1 探头2 观察HDB3 AMI与TD TD 的波形 并说明其相互之间的关系 探头1 探头1 7位周期M序列AMI与HDB3编码输出数据延时测量 约四个码元周期 实验准备 前一实验步骤中 改变NRZ IN 5V 全 1 码序列编码验证 测试数据观察与记录 观测并记录HDB3 AMI波形 分析观测输入数据与输出数据关系是否满足AMI HDB3编码关系 画出测试波形 2 AMI与HDB3码编码规则验证 探头1 探头2 探头2 观察HDB3 AMI与TD TD 的波形 并说明其相互之间的关系 观测并记录HDB3 AMI的频谱 并说明其编码信号的带宽 设J1选择编码方式 实验准备 前一实验步骤中 改变NRZ IN GND 全 0 码序列编码验证 2 AMI与HDB3码编码规则验证 测试数据观察与记录 观测并记录HDB3 AMI波形 分析观测输入数据与输出数据关系是否满足AMI HDB3编码关系 画出测试波形 并比较两种编码方式的特点 探头1 探头2 探头2 观察HDB3 AMI与TD TD 的波形 并说明其相互之间的关系 观测并记录HDB3 AMI的频谱 并说明其编码有效时编码信号的带宽 设J1选择编码方式 3 编码信号中位同步信号定性观测 实验准备 保持信号源中连接 CTX SQ256KHz NRZ IN NRZ OUT NRZ的HDB3 AMI码位同步提取信号观测 测试数据观察与记录 观测并记录CTX与BS OUT的波形 设J1选择编码方式 J3选择NRZ位数 J2选择双极性的HDB3 AMI信号还是单极性的HDB3 AMI D信号 探头1 探头2 分析位同步信号提取需要哪些条件 NRZ的长度对结果有影响吗 NRZ码时提取位同步 3 编码信号中位同步信号定性观测 实验准备 保持信号源中连接 CTX SQ256KHz NRZ IN 5V 全 1 的HDB3 AMI码位同步提取信号观测 测试数据观察与记录 观测并记录CTX与BS OUT的波形 设J1选择编码方式 J2选择双极性的HDB3 AMI信号还是单极性的HDB3 AMI D信号 探头1 探头2 分析位同步信号提取需要哪些条件 单双极性对结果会有影响吗 全 1 码时提取位同步 3 编码信号中位同步信号定性观测 实验准备 保持信号源中连接 CTX SQ256KHz NRZ IN GND 全 0