通信实验思考题

1、通信原理实验指导书思考题答案实验一思考题P1-4：1、 位同步信号和帧同步信号在整个通信原理系统中起什么作用？答：位同步和帧同步是数字通信技术中的核心问题，在整个通信系统中，发送端按照确定的时间顺序，逐个传输数码脉冲序列中的每个码元，在接收端必须有准确的抽样判决时刻（位同步信号）才能正确判决所发送的码元。位同步的目的是确定数字通信中的各个码元的抽样时刻，即把每个码元加以区分，使接收端得到一连串的码元序列，这一连串的码元序列代表一定的信息。通常由若干个码元代表一个字母（符号、数字），而由若干个字母组成一个字，若干个字组成一个句。帧同步的任务是把字、句和码组区分出来。尤其在时分多路传输系统中，信号

2、是以帧的方式传送的。克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息，是通信的任务，因此，位同步信号和帧同步信号的稳定性直接影响到整个通信系统的工作性能。2、 自行设计一个码元可变的NRZ码产生电路并分析其工作过程。答：设计流程图如下。提示：若设计一个32位的NRZ码，即要求对位同步信号进行32分频，产生一路NRZ码的帧同步信号，码型调节模块对32位码进行设置，可得到可变的任何32位码型，通过帧同步倍锁存设置的NRZ码，通过NRZ码产生器模块把32位并行数据进行并串转换，用位同步信号进行一位一位输出，循环输出32位可变NRZ码即我们的设计完毕。实验二思考题P2-4：1、 实验时，串/并转换所需的帧同步信

3、号高电平持续时间必须小于一位码元的宽度，为什么？答：如果学生认真思考，可以提出没有必要一定小于一位码元的宽度。如24位的数据在串行移位时，当同步信号计数到第24位时，输出帧信号，通过帧信号的上升沿马上锁存这一帧24位数据，高电平没有必要作要求。主要检查学生是否认真考虑问题。2、 是否还有更好的方法实现串/并转换？请设计电路，并画出电路原理图及各点理论上的波形图。答：终端模块采用移位锁存的方法实现串/并转换，此方法目前是最好的方法了。实验四思考题P4-6：1、 在分析电路的基础上回答，为什么本实验HDB3编、解码电路只能在输入信号是码长为24位的周期性NRZ码时才能正常工作？答：因为该电路采用帧

4、同步控制信号，而1帧包含24位，所以当NRZ码输入电路到第24位时，帧同步信号给一个脉冲，使得电路复位。HDB3码再重新对NRZ码进行编译。且HDB3码电路对NRZ进行编译的第一位始终是固定的值。因此HDB3编译码电路只能在输入信号是码长为24位的周期性NRZ码才能正常工作。但是由于HDB3码很有特点，现在为了使学生更好的观察HDB3如何进行编译码，我们对电路进行了改正，去掉了帧同步控制信号，所以现在对任意位的NRZ码都可以进行编码。2、 自行设计一个HDB3码编码电路，画出电路原理图并分析其工作过程。答：根据HDB3的编码规则，CPLD电路实现四连“0”的检测电路，并根据检测出来的结果确定破

5、坏点“V”脉冲的加入，再根据取代节选择将“B”脉冲填补进去。原理框图如下：实验五思考题P5-6：1、 为什么普通双边带调幅的信息传输速率较低，应该采用什么样的方法加以避免？答：因为在普通调幅（AM）调幅中含有载波分量，但载波分量并不携带有用消息，却能耗散大量的功率，所以传输速率较低。为了提高信息的传输速率，可将不携带消息的载波分量抑制掉，而仅传输携带消息的两个边带，即采用抑制载波双边带调幅的方法。另外，双边带调制虽然调制频率高，但是它的传输带宽需要两倍基带信号带宽，所以信道利用率不高。因此可以采用单边带调制，即可以同时抑制载波并仅发送一个边带，故又节省功率。2、 普通调幅、抑制载波双边带调幅、

6、单边带和残留边带和这几种调制方式各有什么优点和缺点？请自行设计一个用MC1496实现的抑制载波双边带调制电路，并分析其工作原理。答：普通调幅的优点是实现调制方式简便,输出的已调信号的包络与输入调制信号成正比。解调时可采用包络检波很容易恢复原始调制信号。缺点是调幅中含有载波分量，但载波分量并不携带有用消息，却能耗散大量的功率，所以传输速率较低；抑制载波双边带调幅优点是可将不携带消息的载波分量抑制掉，而仅传输携带消息的两个边带，提高了信息的传输速率。缺点是双边带调制虽然调制频率高，但是它的传输带宽需要两倍基带信号带宽，所以信道利用率不高。并且采用相干解调是必须产生一个同频同相的载波，如果同频同相的

7、条件得不到保证，则会破坏原始信号的恢复；抑制载波单边带优点是传输时抑制载波并仅发送一个边带，故又节省功率。缺点是由于单边带调制中只传送双边带调制信号的一个边带。所以要让双边带信号通过一个单边带滤波器，而理想滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。因此实现分割上、下边带的滤波器就很难实现，一般采用多级调制的办法；残留边带调制的优点是避免了用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无限陡的理想滤波器的困难。缺点是由于在残留边带调制中除了传送一个边带之外，还保留另外一个边带的一部分，所以传输频带的带宽增宽了。3、 调节电位器“调制深度调节”时，调幅信号会发生怎样的变化，为什么？答：调

8、制深度是指调制信号与载波信号电压峰值的比例。设调制信号为 如果用它来对载波（）进行调幅，那么，在理想情况下，普通调幅信号为： 其中调幅深度为比例系数调节电位器改变调制信号于载波信号电压峰值的比例。它的作用是将移去，只加载波电压，调节电位器使输出载波电流。则调制信号为抑制载波双边带调幅。如果调节电位器使输出载波电流不为0，使输出信号 中有载波则为普通双边带调幅。实验七思考题P7-5：1、 描述抽样定理。一个频带限制在的连续时间信号，若用大于2的频率对其进行等间隔采样，则可以不失真地利用这些采样值恢复出原信号。2、 本实验采用的是什么抽样方式？为什么？答：实验采用的是自然抽样，自然抽样时，抽样过程

9、实际是相乘的过程。另外说一下平顶抽样，实际应用中，平顶抽样是采用抽样保持电路来实现的。3、 在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？答：应不包含直流分量，抽样过程实际是相乘的过程，得到的仍然是交流信号，经过调后仍不包含直流分量。4、 造成系统失真的原因有哪些？发送端的非理想抽样和接收端低通滤波的非理想所带来的误差。 5、 为什么采用低通滤波器就可以完成PAM解调？ 因为当抽样脉冲的频率高于输入信号的频率时，通过低通滤波器之后高频的延拓信号被滤掉了，同时高频的抽样时钟信 号也被滤除，因此，只需通过低通滤波器便能完成PAM解调，恢复出原信号。6、 改变抽样频率对“PAM输出信号”有何影响？

10、改变抽样频率脉冲占空比有何影响？分析比较。（1） 当抽样频率小于奈奎斯特频率时，“PAM输出信号”的频谱产生混叠；而当采样频率大于奈奎斯特频率时，该信号的频谱则呈现为被采样信号频谱的周期延拓，且随着抽样频率的升高，每个周期间的信号频谱的间隔逐渐增大，能被很好地区分开来。（2）随着抽样占空比的增大，采样信号频谱包络的第一个过零点逐渐减小，两个过零点之间包含的延拓信号的周期数也随之减小。实验八思考题P8-11：1、 为什么实验时观察到的PCM编码信号总是随时变化的？答：由于采样频率和输入信号的频率不是有规律的整数倍关系，所以抽样的信号点时刻不是一样的，编码输出的信号也即不一样，实时观察的信号就是随

11、时变化的。2、 分析满载和过载时的脉冲编码调制和解调波形。答：根据PCM的抽样量化编码过程可知，满载和过载时量化结果都是一样的，为最大量化值，8位为全1，解调输出为最大量化值对应的模拟量。实验十二思考题P12-5：1、 数字锁相环固有频差为f，允许同步信号相位抖动范围为码元宽度Ts的倍，求同步保持时间tc及允许输入的NRZ码的连“1”或连“0”个数的最大值。答：同步保持时间：tc1/f K，允许输入的NRZ码的连“1”或连“0”个数的最大值为。2、数字锁相环同步器的同步抖动范围随固有频差增大而增大，试解释此现象。 答：由公式tc1/f K，当固有频差增大时，同步保持时间减小，那么抖动范围就增大

12、。3、若将AMI码或HDB3码整流后作为数字锁相环位同步器的输入信号，能否提取出位同步信号？为什么？对这两种码的连“1”个数有无限制？对AMI码的信息代码中连“0”个数有无限制？对HDB3码的信息代码中连“0”个数有无限制？为什么？ 答：可以提取位同步信号，因为整流后的AMI码或HDB3码为NRZ码，自然可以提取。对这两种码连“1”个数有限制，对AMI码的信息代码中连“0”个数有限制，对HDB3码的信息代码中连“0”个数无限制，因为其连零个数不超过4个。实验十四思考题P14-4：1 简述科斯塔斯环法提取同步载波的工作过程。2. 提取同步载波的方法除了科斯塔斯环法外，还有什么方法？试设计该电路并

13、分析其工作过程。 答：还可采用平方环法，框图如下： 设调制信号为，中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为接收端将该信号进行平方变换，即经过一个平方律部件后就得到 中有直流分量，而表示式的第二项中包含有2c频率的分量。进行二分频后，提取出的载波存在180的相位模糊问题，用一移相器解决。最后用一窄带滤波器将c频率分量滤出，就获得所需的载波。 实验十五思考题P15-9：1、 分析2ASK、2FSK、2DPSK的调制原理。答：(1) 2ASK调制原理：在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使载波在二进制基带信号1或0的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“1”或“0”，这样就可

14、以得到2ASK信号，这种二进制振幅键控方式称为通断键控（OOK）。其时域数学表达式为： 式中，A为未调载波幅度，为载波角频率，为符合下列关系的二进制序列的第n个码元： 综合式前两式，令A1，则2ASK信号的一般时域表达式为： 式中，Ts为码元间隔，为持续时间 Ts/2，Ts/2 内任意波形形状的脉冲（分析时一般设为归一化矩形脉冲），而就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。2ASK信号的产生方法比较简单。首先，因2ASK信号的特征是对载波的“通断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通/断控制门，由二进制序列控制门的通断，1时开关导通；0时开关截止，这种调制方式称为通断键控法。其次，2ASK

15、信号可视为S(t)与载波的乘积，故用模拟乘法器实现2ASK调制也是很容易想到的另一种方式，称其为乘积法。在这里，我们采用的是通断键控法，2ASK调制的基带信号和载波信号分别从“ASK基带输入”和“ASK载波输入”输入，其原理框图和电路原理图分别如实验指导书图15-3、图15-4所示。（2）2FSK调制原理： 2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为时代表传0，载频为时代表传1。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以和为载频、以和为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。其一般时域数学表达式为式中，是的反码，即2FSK信号的产生

16、通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（或）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如下图所示： FSK调制原理框图由图可知，从“FSK基带输入”输入的基带信号分成两路，1路经U404（LM339）反相后接至U405B（40

17、66）的控制端，另1路直接接至U405A（4066）的控制端。从“FSK载波输入1”和“FSK载波输入2”输入的载波信号分别接至U405A和U405B的输入端。当基带信号为“1”时，模拟开关U405A打开，U405B关闭，输出第一路载波；当基带信号为“0”时，U405A关闭，U405B打开，此时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。（3）2DPSK调制原理。2PSK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。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： （1510）其中：则上式可变

18、为： 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”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基带输入”和“PSK载波输入”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS输入”点输入，其原理框图下图所示：2DPSK调制原理框图2、 比较2ASK、2FSK、2DPSK调制信号的频谱并作分析，进而分析三种调制方式各自的优缺点。答：2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两

19、个部分组成。其中，连续谱取决于矩形波形经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定；另外，二进制2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍；2FSK调制是数字通信中用得较广的一种方式。它的频谱可看作是两个振幅键控信号相叠加的方法。2FSK信号的功率谱同样由连续谱和离散谱组成。连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上。另外，如果两个载频之差较小，则连续谱出现单峰，如果载频之差逐步增大，即两个频率的距离增加，则连续谱出现双峰；2DPSK的频谱与2PSK的频谱是完全相同的。且其功率谱密度同样由连续谱与离散谱两部分组成。且当双极性基带信号以相等的概率出现时，将不存在离散谱部分。而且

20、2DPSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同，仅仅相差一个常数因子，所以其带宽也与2ASK信号的相同。比较：（1）频带宽度：当码元宽度为 时，2ASK系统和2PSK系统的频带宽度近似为，而2FSK系统的带宽近似大于其他两种，所以从频带宽度或频带利用率上，2FSK系统最不可取。（2）误码率：在相同误码率条件下，在信噪比要求上2PSK比2FSK小。所以在抗加性高斯白噪声方面，2PSK相干性能最好，然后是2FSK。（3）对信道特性变化的敏感性：由于2FSK不需要人为的设置判决门限。2PSK判决器的最佳判决门限为零，所以它们不随信道特性的变化而变化。而2ASK当信道特性发生变化时，判决器的最佳

21、判决门限也将随之而变。所以2ASK的性能最差。（4）设备的复杂程度：一般相干解调的设备要比非相干解调时复杂，而同为非相反解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，2ASK最简单。目前用得最多的数字调制方式时相干2DPSK和非相干2FSK。相干2DPSK主要用以高速数据传输，而非相干2FSK则用于中、低速数据传输中，特别是在衰落信道中传送数据时，有着广泛的应用。实验十六思考题P16-6：1、 用过零检测法进行FSK解调时，其输出信号序列与发送信号序列相比是否产生了延迟？答：实际上是产生了延迟。2、 PSK解调器系统由哪几大部分组成？简述各部分的作用。答：PSK解调器包括带通滤波器、相乘器、低

22、通滤波器和抽样判决器。其中带通滤波器主要是滤去其他频段无用信号，以免对解调造成干扰。PSK解调一般采用相干解调，所以相乘器主要用于与载波相乘。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，再依次抽样判决器得到基带信号。实验十七思考题P17-5：1、认真阅读教材中的相关内容，回答时分复用的概念。答：时分复用的主要特点是利用不同时隙来传送各路不同信号。每路码时间上互不重叠，每一路的抽样频率必须符合抽样定理的要求，但其占用时间间隔宽度Tc没有具体限制。显然，Tc越小，则能传输的路数就越多。TDM在时域上是各路信号分割开来，但在频域上是各路信号混叠在一起。2、分析本实验中时分复用信号的产生

23、原理，再自行设计一个时分复用信号产生电路，画出电路图并分析电路工作原理。答：本实验中，时分复用是通过时钟信号对移位寄存器构成的并/串转换电路的输出信号轮流进行选通而实现的，时分复用输出信号的位同步信号的频率为BS的四倍，帧同步信号的频率为位同步信号的三十二分之一。时分复用输出信号每一帧由32位组成，拨码开关SW701可设置帧同步码的码型。产生电路如下：PCM1用户1信息 TS1 复用信息PCM2用户2信息 TS2两路PCM信号由开关TS1 ,TS2 控制输出，两开关分别控制不同的时隙，TS1 时刻输出PCM1, TS2时刻输出PCM2 ，这样可将两路信号进行复用传输。实验十八思考题P18-7：

24、1、 本实验中的噪声为加性噪声，试说明实际信道中的加性噪声有哪些，各有什么特点？答：实际信道中的加性噪声主要是随机噪声。可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声三类。（1）单频噪声是一种连续波的干扰，它的主要特点是占有极窄的频带，但在频率轴上的位置可以实测，所以单频噪声并不是在所有通信系统中都存在；（2）脉冲噪声是在时间上无规则地突发的短促噪声，其主要特点是其突发的脉冲幅度大，但持续时间短，且相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段；（3）起伏噪声是以热噪声、散弹噪声及宇宙噪声为代表的噪声。其特点是无论在时域内还是在频域内它们总是普遍存在和不可避免的。2、 本实验中使用的纠错码为汉明码，举出其他常用的纠

25、错码并比较它们的优缺点。答：其他常用的纠错码有循环码、BCH码、卷积码等。其中（1）汉明码是一种高效的能纠错单个错误的线性分组码。因为在纠单个错误时，汉明码所用的监督码元最少，与码长相同的能纠单个错误的其它码相比，编码效率最高循环码。但是它只能纠正单个随机错误的码。（2）循环码的编码和解码设备都不太复杂，且检错和纠错能力较强。循环码除了具有线性码的一般性质外，还具有循环性。（3）BCH码是一种特别重要的循环码，它解决了生成多项式与纠错能力的关系问题，可以方便地得到纠正多个随机错误的码。（4）卷积码是一种非分组码，码的构造也比较简单，在性能上也相当优越。但是它的数学理论并不像循环码那样完整严密。

26、3、 实验（二）步骤3和步骤4的结果是否不同？如果不同，试说明原因。答：结果不同。因为本实验中使用的纠错码为汉明码。汉明码只能纠正一个错码，所以当出现两位错码的时候，汉明码无法判断哪一位出现错误，导致解码出错。4、 为什么利用眼图能大致估算接收系统性能的好坏程度？答：因为评价基带传输系统性能的一种定性而方便的方法是用示波器观察接收端的基带信号波形，用来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响。而通过眼图的观察能直观地了解到码间串扰和噪声的一个影响。当无码间串扰和噪声干扰时，示波器显示的迹线细而清晰，“眼睛”张开。当有干扰时各个码元波形不能完全重合，扫描迹线粗而不清晰，“眼睛”闭合。眼图中央的垂直线表

27、示了最佳的抽样时刻。眼图中央的横轴位置即是最佳判决的门限电平。当基带传输系统存在码间串扰时，眼图将部分闭合，故眼图的“眼”睁的大小将反映码间串扰的强弱。实验十九思考题P19-4：1、 分析QPSK的调制与解调原理。2、 分析多进制数字相位调制系统的抗噪声性能。答：在M相数字调制中，我们可以认为这M各信号矢量把相位平面划分为M等分，每一等分的相位间隔代表一个传输信号。在没有噪声时，每一信号相位都有相应的确定值。在有噪声叠加时，则信号和噪声的合成波形的相位按一定的统计规律随机变化。这时，若发送信号的基准相位为零相位，M=8,则合成波形相位在 范围内变化时，就不会产生错误判决；如果在这个范围之外，将

28、造成判决错误。实验二十思考题P20-12：1、 比较m序列和Gold序列的区别，分析为何用Gold序列作为扩频码而不用m序列。答：Gold序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列地址数，结构简单，易于实现。2、 比较实验12和实验13的效果，分析扩频码定时偏移对解扩的影响。答：当输入信号与本地参考信号同步之前或者不完全同步的时候（即发生码定时偏移时），有用信号的一部分与本地伪码卷积而被展宽为伪噪声输出。输出的噪声总量取决同步程度。当完全不同步时（即差一个码元以上时），相关器输出全部为噪声。因此扩展频谱系统的相关处理过程，对于码位同步提出十分严格的要求。3、 比较实验12和实验14的效果，分析窄带干扰信号对解扩的影响。答：窄带干扰输入到相关器与本地扩频信号相乘，根据频域内卷积原理，干扰信号功率被本地参考信号扩展成为等于本地参考信号的宽带信号，经中频滤波器滤除带外干扰频谱，只有少量的干扰功率从中频带通滤波器输出。实验二十一思考题P21-21：1、 分析MSK、GMSK调制、解调原理及它们之间的异同。答：GMSK和MSK的调制、解调