北邮通原硬件报告

1、 通信原理硬件实验报告信息与通信工程学院通信原理硬件实验报告姓名班级学号班内序号黄锦雨2011211109201121026320王安月2011211109201121025714指导教师:王萍实验日期：2013年 11月12月第33页实验一双边带抑制载波调幅(DSB-SC AM)(一). 实验目的1) 了解DSB-SC AM信号的产生及相干解调的原理和实现方法。2) 了解DSB-SC AM的信号波形及振幅频谱的特点，并掌握其测量方法。3) 了解在发送DSB-SC AM信号加导频分量的条件下，收端用锁相环提取载波的原理及实现方法。4) 掌握锁相环的同步带和捕捉带的测量方法，掌握锁相环提取载波调

2、试方法。(二). 实验原理DSB信号的时域表达式为频域表达式为其波形和频谱如图1.1所示。图1.1 DSB_SC信号时域波形和频谱图图1.2为DSB_SC AM信号产生及相干解调框图。图1.2 DSB_SC AM信号产生及相干解调框图DSB-SC AM信号由均值为零的模拟基带信号和正弦载波相乘得到，因而不包含离散载波分量。解调时只能采用相干解调。本实验中采用的是发端加导频信号，收端采用VCO提取导频作为恢复载波。(三). 实验内容1. DSB-SC AM 信号的产生A. 实验步骤1) 按照指导书图示，连接实验模块。2) 示波器观察音频振荡器输出调制信号，调整频率，均值 。3) 示波器观察主振荡

3、器输出信号波形和频率；观察乘法器输出，注意相位翻转。4) 调整加法器中的增益G和g。B. 结果分析图1.4 音频振荡器输出的模拟音频信号图1.5 主振荡器输出信号波形图1.7 调整增益的波形图1.6 乘法器输出的已调波形观察以上各波形可得，调制的波形以调制信号作为包络，载波信号在包络内进行更高频的振荡。当调制信号频率不一样时，调制后信号的波形差别很大。由图可看出，在调制信号的一周期内载波的振荡情况。 图1.6 乘法器输出的已调波形图1.8 乘法器输出的已调波形频谱由图1.8可知，将调制信号的频谱搬移至100kHz处，且按照要求，导频信号功率约为已调信号功率的0.32倍，即导频信号振幅频谱的幅度

4、为已调信号的边带频谱幅度的0.8倍。SC-DSB 信号为载波信号与调制信号相乘得到，其幅度为两信号幅度的乘积（由于乘法器输出为乘积的一半，故波形图中调制信号幅度仅为 500mV，而不是 1V），大包络的波形为载波信号波形，由调制信号为 10KHz 时的 SC-DSB 波形可看出 SC-DSB 信 号有可能存在相位翻转的问题。此外，SC-DSB 信号不能用包络检波来解调。2. DSB-SC AM 信号的相干解调及载波提取A. 实验步骤1) 调试锁相环a) 单独测试VCO的性能： 暂不接输入，调节旋钮，改变中心频率，频率范围约为。 接直流电压，调节中心频率，使直流电压在变化，观察VCO线性工作范围

5、；由GAIN调节VCO灵敏度，使直流电压变化时VCO频偏为。b) 单独测试相乘和低通滤波工作是否正常： 如图1.9所示，锁相环开环，LPF输出接示波器。 两VCO经过混频之后由LPF输出，输出信号为差拍信号。图1.10 锁相环闭环状态图1.9 锁相环开环状态c) 测试同步带和捕捉带： 如图1.10所示，锁相环闭环，输出接示波器，直流耦合。 将信号源VCO的频率调节到比小很多的频率，使锁相环失锁，输出为交变波形。 调节信号源VCO频率缓慢升高，当波形由交流变直流时说明VCO锁定，记录频率，继续升高频率，当直流突变为交流时再次失锁，记录频率。 缓慢降低输入VCO频率，记录同步时频率和再次失锁时频率

6、。2) 恢复载波a) 将图中的锁相环按上述过程调好，在按照指导书图示实验连接，将加法器输出信号接至锁相环的输出端。将移相器模块印刷电路板上的频率选择开关拨到HI位置。b) 用示波器观察锁相环的LPF输出信号是否是直流信号，以此判断载波提取PLL是否处于锁定状态。若锁相环锁定，用双踪示波器可以观察发端导频信号与锁相环VCO输出的信号时候同步的，二者的相应相位差为，且很小。若锁相环失锁，则锁相环LPF输出波形是交流信号，可缓慢调节锁相环VCO模块的旋钮，直至锁相环LPF输出为直流，即锁相环由失锁进入锁定，继续调接旋钮，使LPF输出的直流电压约为0电平。c) 在确定锁相环提取载波成功后，利用双踪示波

7、器分别观察发端的导频信号及收端载波提取锁相环中VCO的输出经移相后的信号波形，调节移相器模块中的移相旋钮，达到移相，使输入于相干解调的恢复载波与发来的导频信号不仅同频，也基本同相。d) 用频谱仪观测恢复载波的振幅频谱，并加以分析。3) 相干解调a) 在前述实验的基础上，将信号和恢复载波分别连接至相干解调的乘法器的输入端。b) 用示波器观察相干解调相乘、低通滤波后的输出波形。c) 改变发端音频信号的频率，观察输出波形的变化。B. 结果分析直流电压在变化时，VCO处于全线性范围。由GAIN按钮调节VCO灵敏度，直流电压变化时频率分别为和，可知VCO频偏为。图1.12 相干解调输出信号波形图1.11

8、 锁相环开环差拍信号锁相环开环时输入信号和VCO输出信号的差拍信号如图1.11所示。当锁相环闭环时，进行同步带和捕捉带的测试，测得，故：同步带为 捕捉带为 对于该信号的解调，可以同过相干函数解调，即在接收端将信号与一个同频同相的载波信号相乘，再通过低通滤波器，得到调制信号的波形。输出波形如图1.12所示，改变发端音频信号，输出波形随之改变。在用VCO产生SC-DSB信号时一直出不了波形，后发现VCO频率不稳定，后来借用了其他的VCO才实现。(四). 思考问题1. 整理实验记录波形，说明DSB-SC AM信号波形特点。答：如图1.6所示。DSB-SC AM信号频率为载波频率10kHz，振幅包络受

9、到调制信号控制，但有相位翻转。2. 整理实验记录振幅频谱，画出已调信号加导频的振幅频谱图（标上频率值）。根据此振幅频谱，计算导频信号功率与已调信号功率之比。答：频谱图如下。中心频率为100KHz，带宽为20KHz。已调信号信号功率：，导频信号功率：，再带入实验中测的数据得：3. 实验中载波提取锁相环的LPF是否可用TIMS系统中的“TUNEABLE LPF”?请说明理由。答：不能。恢复载波要滤除高频分量，得到载波，载波频率 100kHz， TUNEABLE LPF的滤波范围为900Hz12kHz，带宽不足。4. 若本实验中的音频信号为1kHz，请问实验系统所提供的PLL能否用来提取载波。为什么

10、？答：不能。因为本实验中回复载波信号的锁相环中使用了截止频率为2.8kHz的RC LPF滤波器，音频信号如果是1KHz，锁相环就会跟踪到音频信息的波形变化，使得信号失真。5. 若发端不加导频，收端提取载波还有其他方法吗？请画出框图。答：不加导频就没有离散的频谱分量，不窄带滤波。可用平方环法或科斯塔斯环法提取载波。平方环法框图如下： 科斯塔斯环法框图如下：心得体会：虽然这是第一个实验，但是这个实验做起来的确不是那么的简单。首先是原理的困难。一开始我们并没有弄清楚原理，只是想尽快做完，直接照着书插线，结果并没有得到想要的结果，怎么调都调不到实验书上的要求，要么是过调，要么就是包络幅度没达到要求，要

11、么就是功率比不达标。弄了半天都不知道该怎么做。后来还是决定先把原理弄懂，才发现自己连最基本的增益调整都没有做好，当然只能瞎弄。根据书上的原理和步骤一步步来，最终便能得到想要的波形。其次就是锁相环的调整，在调整线性范围的时候比较困难，但是慢慢做还是能够得到想要的结果，这个实验的难点就是这个锁相环的理解上，要弄清锁相环的工作原理。实验二具有离散大载波的双边带调幅（AM）(五). 实验目的1) 了解AM信号的产生原理和实现方法。2) 了解AM信号波形和振幅频谱的特点，并掌握调幅系数的测量方法。3) 了解AM信号的非相干解调原理和实现方法。(六). 实验原理1. AM信号的产生对于单音频信号进行AM调

12、制的结果为其中调幅系数，要求以免过调引起包络失真。由和分别表示AM信号波形包络最大值和最小值，则AM信号的调幅系数为如图2.1所示为AM调制的过程和频谱示意图。图2.1调幅过程的波形及频谱图2. AM信号的解调AM信号由于具有离散大载波，故可以采用载波提取相干解调的方法。其实现类似于实验一中的DSB-SC AM信号加导频的载波提取和相干解调的方法。AM的主要优点是可以利用包络检波器进行非相干解调，可以使得接收设备更加简单。(七). 实验内容1. AM信号的产生C. 原理框图图2.2 AM信号的产生框图如图2.2为调幅波的产生框图。D. 实验步骤1) 按照书中图示进行模块的连接。2) 分别调整增

13、益G和g均为1。3) 观察乘法器输出是否为AM波形。4) 测量AM信号的条幅系数a的值，并调整可变电压，使得，并测量振幅频谱。E. 结果分析图2.4 乘法器输出的AM波形图2.3 音频振荡器的输出波形如图2.3为音频振荡器输出，频率。图2.4为乘法器的输出波形，由图可以知道乘法器输出为AM波。图2.6 整流器的输出波形图2.5 AM调制信号和已调信号如图2.5为AM调制信号和已调信号的波形图。容易看出调幅波的包络即为信号波形。2. AM信号的非相干解调F. 实验步骤1) 用示波器观察整流器的输出波形，观察LPF的输出波形。2) 改变输入AM信号的调幅系数，观察包络检波器输出波形的变化。3) 改

14、变发端调制信号的频率，观察包络检波输出波形的变化。G. 结果分析图2.6为整流器的输出波形。AM的非相干解调是将AM信号检波，再经过一低通滤波器即可获取原始的模拟信号。AM的非相干解调不需要本地载波，此方法常用于民用通信设备中，可大大降低接收机的成本，提高整机通信的可靠性。图2.7 LPF输出波形图2.8 调制信号频率过小包络失真图2.7为低通滤波器的输出波形。和图2.5相比较，容易看出，解调后的AM信号与原信号的在幅度上有衰减，相位一致，可见解调未出现明显非线性失真。图2.8所示为调节发端调制信号频率，使其过小，导致检波失真。(八). 思考问题1 在什么情况下，会产生AM信号的过调现象？答：

15、当调制系数即|m(t)| 时，已调信号的包络不再是调制信号，信号波形失真，包络检波器无法从 中解调出正确信号。AM信号产生过调现象。2 对于的AM信号，请计算载频功率与边带功率之比。答： 故3 是否可用包络检波器对DSB-SC AM信号进行解调？请解释原因。答：不可以。因为DSB-SC AM信号的产生由调制信号与载波直接相乘，不具有离散大载波，它的包络无法表征调制信号，故只能用相干解调方式。 心得体会：这个实验困难的地方也是在调幅系数的确定和调整上，总的来说本次实验比较简单，按照书上的内容一步一步的走就能够得到实验结果，主要还是把握对原理知识的理解。不过在操作上，尤其是在示波器的调试上出现了很

16、多问题，由于是第一次使用，在查看频谱图的时候并没有那么顺利，对实验器材的熟悉使用还是有待提高，在老师的帮助下终于把频率调出来了。其实频率的查看时，应该注意窗口函数和频率分辨率之间的关系，想要有更好的频率分辨率看清频率谱，就应该增加更多的采样点，也就是在查看时间域图像时将采样时间调小。实验三调频(Frequency Modulation)(九). 实验目的1) 了解用VCO作调频器的原理及实验方法。2) 测量FM信号的波形及振幅频谱。3) 了解利用锁相环作FM解调的原理及实现方法。(十). 实验原理1. FM信号的产生单音频信号经FM调制后的表达式为其中调制指数。由卡松公式可知FM信号的带宽为F

17、M信号的产生框图如图1.1所示。图3.1 利用VCO产生FM信号的框图VCO的输入为，当输入电压为0时，VCO输入频率为；当输入模拟基带信号的电压变化时，VCO的振荡频率作相应的变化。2. 锁相环解调FM信号锁相环解调的原理框图如图3.2所示。图3.2 利用锁相环解调FM信号框图VCO的压控电压同基带信号成正比，所以就是FM解调的输出信号。锁相环解调FM信号有两个关键点，一是开环增益足够大，二是环路滤波器的带宽要与基带信号带宽相同。(十一). 实验内容1. FM信号的产生H. 实验步骤1) 单独调测VCO，方法同实验一类似。接直流电压，当直流电压为零时，调节中心频率；在直流内观察VCO线性工作

18、范围；由GAIN调节VCO灵敏度，使直流电压变化 时VCO频偏为 。2) 将音频振荡器的频率调为，作为调制信号输入VCO的端。3) 测量音频信号和FM输出波形，测量FM信号的振幅频谱。I. 结果分析图3.3 音频信号波形VCO的调节和前述实验完全一致，在此不再赘述。FM信号的波形如图3.4上部所示，其形状为等幅疏密波。其振幅频谱如图3.4下部所示。角度调制是非线性调制，很难用数学精确描述。可观察实际频谱加以研究。图3.4 FM输出波形和频谱调节频偏为，且，故，由卡松公式：。2. FM信号的锁相环解调J. 实验步骤1) 单独调测VCO，此处同实验一中的调测完全一致，由于仪器相同，记录的捕捉带和同

19、步带也应近似相同。2) 将已经调测好的FM信号输入锁相环，用示波器观察解调信号。3) 改变发端的调制信号频率，观察FM解调的输出波形变化。K. 结果分析图3.7 音频信号频率分别为500Hz和2kHz时的解调波形由图3.7看出，调制信号频率小于3kHz时解调无非线性失真。图3.8 音频信号频率为3kHz时解调波形失真由图3.8容易观察，当频率约为3kHz时出现了解调失真，其原因是实验中使用的LPF截频为2.8kHz，故超过此值后将出现失真。(十二). 思考问题1、 实验中FM信号调制指数是多少？FM信号的带宽是多少？答：由于调节VCO灵敏度为时频偏为，且，故可知。2、 用VCO产生FM信号的优

20、点是可以产生答频偏的FM信号，缺点是VCO中心频率稳定度差。为了解决FM信号大频偏及中心频率稳定度之间的矛盾，可以采用什么方案产生FM信号？答：可以采用晶振稳幅，使中心频率稳定。3、 对于本实验具体所用的锁相环及相关模块，若发端调制信号频率为10kHz，请问实验三中的锁相环能否解调出原信号？为什么？答：不能。本实验中使用的RC LPF截止频率是2.8KHz，如果发端频率为10KHz的信号，超出锁相环工作频率段，不能跟踪到此频率。4、 用于调频解调的锁相环与用于载波提取的锁相环有何不同之处？答：调频解调的锁相环的输出是LPF的输出，其频率和相位与调频信号相同；恢复载波的锁相环的输出是VCO的输出

21、，其频率与调频信号相同，但有900的相差。心得体会：调频信号可能原理上比幅度调制稍微难一点，但是做起来还是比较简单的，难点也是在锁相环的调制上，这一点和实验一基本是一致的。实验四 线路编码与解码(十三). 实验目的1) 了解各种常用线路线路码的信号波形及其功率谱。2) 了解线路码的解码。(十四). 实验原理常用线路码型波形如图4.1所示。图4.1 常用线路码波形图示(十五). 实验内容1. 实验步骤1) 按照书中图连接各模块。使用的模块为：主振荡器、序列发生器、 线性编码器、线性解码器。2) 主振荡器 8.33kHz 信号（TTL电平）输入到线路编码器 M.CLK 端，其内部电路四分频，由 B

22、.CLK输出2.083kHz的TTL电平时钟信号。3) 用序列码产生器产生一伪随机序列数字信号输入于线路编码器。分别产生：双极性不归零码（NRZ-L），双极性不归零相对码（NRZ-M），单极性归零码（UNT-RZ），双极性归零码（BIP-RZ），归零AMI码（RZ-AMI）和分相码（Machester ）等各种码型的线路码。4) 用示波器观察各线路码的信号波形及其功率谱。5) 用线路码解码器分别对各线路码进行解码。2. 结果分析本实验较为简单，操作方法无太多变化。如下给出各种码型的波形和其解码输出波形。图4.2a BIO-L码波形和解码输出 图4.3a BIP-RZ码波形和解码输出 图4.3b

23、 BIP-RZ码的频谱图 图4.4a NRZ-L码波形和解码输出图4.4b NRZ-L码的频谱图图4.5a NRZ-M码波形和解码输出 图4.5b NRZ-M码的频谱图图4.6 RZ-AMI码波形和解码输出 图4.6b RZ-AMI码的频谱图图4.6a UNI-RZ码波形和解码输出图4.6b UNI-RZ码的频谱图实验得出的结果和原理分析中给出的理论结果一致。心得体会：本次实验比较简单，而且在操作上均有重复，就是比较繁琐，只要第一步做好了，后面就基本能得到结果，不过这个实验比较考验耐心，做起来也没有那么顺利。主要还是把握好各种编码方法的原理和异同点，做好系统的总结。实验五 时钟恢复(十六).

24、实验目的1) 了解从线路码中提取始终的原理。2) 了解从RZ-AMI码中提取时钟的实现方法。3) 请学生自主完成从BIP-RZ或UNI-RZ码恢复时钟的实验。(十七). 实验原理数字通信信通中，为了能从接收信号中恢复出原始数据信号，必须有一个与收到的数字基带信号符号速率相同步的始终信号，提取时钟这一过程成为符号同步或者始终恢复。1. BIP-RZ时钟恢复只须使用全波整流或者平方，得到单极性归零码，即为时钟信号。2. UNI-RZ时钟恢复单极性归零码功率谱中包含了离散直流分量、连续谱、离散时钟分量及其奇次谐波分量，可以利用窄带滤波器或者锁相环从单极性归零码中提取出时钟分量。3. 零均值限带PAM

25、时钟恢复可用方法很多，例如取平方后整形移相得到需要的时钟，也可以通过超前滞后门同步器或者其他环路方式恢复时钟。(十八). 实验内容1. 从RZ-AMI码恢复时钟L. 实验步骤1) 按照书中示意图连接模块。2) 用示波器观察各点波形。3) 调节缓冲放大器的K旋钮，使得放大器输出波形足够大，经移相其的相移后，比较器输出TTL电平的恢复时钟。4) 将恢复时钟与发送时钟分别送至双踪示波器，调节相移，使得恢复时钟与发送时钟的相位一致。5) 将恢复时钟送至线路解码器的时钟输入端，线路译码器输出原发送的伪随机序列。M. 结果分析图5.1 产生的RZ-AMI码图5.2 恢复时钟TTL电平2.33kHz图5.1

26、给出了产生的RZ-AMI码波形。图5.2是恢复时钟波形。图5.3和5.4是恢复时钟与发送时钟的比较图，前者有相差，后者通过调节相移使得无相差。图5.4 恢复时钟与发送时钟-同相图图5.3 恢复时钟与发送时钟-有相差图5.5 编码与解码序列比较图(上编码下解码)图5.5是编码和解码比较图，可以看到，解出的波形存在一定的时延。2. 从BIP-RZ和UNI-RZ码提取时钟N. 实验步骤1) 自主设计时钟提取实验框图，完成时钟提取任务。2) 由线路解码器解出原伪随机序列。O. 结果分析图5.6 BIP-RZ码发送时钟与恢复时钟比较-左图有相差，右图同相图5.6给出的是BIP-RZ码发生时钟与恢复时钟的

27、比较图，也是通过调节相移消除相差。图5.7 BIP-RZ编码与解码序列比较图(上编码下解码)如图5.7，同RZ-AMI码解码恢复一样，BIP-RZ码恢复波形亦存在时延。图5.8和5.9则是UNI-RZ码发送时钟与恢复时钟的比较以及解码输出波形图与原码比较图。亦正确解码，但存在时延。图5.9 UNI-RZ编解码比较(上编下解)图5.8 UNI-RZ发送时钟与恢复时钟(十九). 思考问题1. 如何从分相码中提取时钟？答：利用符号“01”和“10”的中间跳变提取定时，然后分频得到时钟。2. 对于双极性不归零码，如果发送数据中“1”出现的概率为90%，请问如何从这样的信号中提取时钟？答：可利用呈现的频

28、谱中的离散分量提取时钟信号。3. 从限带基带信号中提取时钟的原理是什么？答：将限带基带信号平方，然后通过锁相环进行提取。其原理框图如下：限带滤波器 平方 锁相环s(t)限带信号时钟提取输出同步时钟实验六眼图(Eye Pattern)(二十). 实验目的了解数字基带传输系统中“眼图”的观察方法及其作用。(二十一). 实验原理实际通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统产生畸变，总是在不同程度上存在码间干扰的，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。而眼图可以直观地估价系统码间干扰和噪声的影响，是常用的测试手段。从眼图的张开程度，可以观察码间干扰和加性噪声对接收基带信号波形的影响，从而

29、对系统性能作出定性的判断。(二十二). 实验内容1. 实验步骤1. 将可调低通滤波器模块开关置于NORM位置。2. 将主信号发生器的8.33kHz TTL电平的方波输入与线路编码器的M.CLK端，经四分频后，由B.CLK端输出2.083kHz的时钟信号。3. 将序列发生器模块的印刷电路板上的双列直插开关选择“10”，产生长为256的序列码。4. 用双踪示波器同时观察可调低通滤波器的输出波形和2.083kHz的时钟信号。并调节可调低通滤波器的TUNE旋钮及GAIN旋钮，以得到合适的限带基带信号波形，观察眼图。2. 结果分析图6.2四分频后的2.083kHz方波图6.1 频率8.33kHz的TTL

30、方波图6.1为频率8.33kHz的TTL方波波形。图6.2为该TTL方波进行四分频后得到的2.083kHz方波波形。图6.3 示波器上眼图的照片 图6.3为产生的眼图照片。最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻。图中“眼睛”闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感。在取样时刻上，图中噪声容限约为1V。实验七 采样，判决一、 实验目的1） 了解采样、判决在数字通信系统中的作用及其实现方法；2） 自主设计从限带基带信号中提取时钟，并对限带信号进行采样、判决、恢复数据的实验方案，完成实验任务。二、 实验原理 在数字通信系统中的接收端，设法从接受滤波器输出

31、的基带信号中提取时钟，用以对接收滤波器输出的基带信号在眼图睁开最大处进行周期性的瞬时采样，然后将各采样值分别与最佳判决门限进行比较判决、输出数据。三、 实验内容1.实验步骤 1.请自主设计提取时钟的实验方案，完成恢复时钟（TTL电平）的试验任务2.将恢复时钟输入于判决模块的B.CLK时钟输入端（TTL电平）。将可调低通滤波器输出的基带信号输入于判决模块，并将判决模块印制电路板上的波形选择开关SW1拨到NRZ-L位置（双极性不归零），SW2开关拨到“内部”位置。3.用双踪示波器同时观察眼图及采样脉冲。调节判决模块前面板上的判决点旋钮，使得在眼图睁开最大处进行采样、判决。对于NRZ-L码的最佳判决电平是零，判决输出的是TTL电平的数字信号。2.结果分析图7.1 示波器上最佳采样点 图7.1所示在眼图中眼睛睁开最大时刻进行判决的采样，该点为最佳采样点。图7.2 采样时钟的对比 图7.2所示采样时钟应与发送时钟相一致，这样才能进行准确的采样判决。图7.3 NRZ-L编码解码 图7.3所示NRZ-L编码后通过采样判决得到的解码与编码相一致。附录：实验心得体会黄锦雨的实验总结实验心得体会这一次通原硬件的实验算的上是我第一次做和专业最相关的硬件实验，前面做过不少的软件实验，但是这次做通原硬件实验发现软件实验和硬件实验有很大的区别。软件实验基本上是基于理论研究的仿真，而感觉硬件实验和实际应用更