预习报告-通信原理-实验一

山东大学·通信原理实验·预习报告

预习报告

课程名称：通信原理实验

课题名称：实验一模拟锁相环

专业班级:14通信工程一班

实验成员:吕传磊

硬件实验

答复预习问题

通信原理实验系统由哪些局部组成？

显示控制模块、FPGA初始化模块、信道接口模块、DSP+FPGA处理模块、D/A模块、中频调制模块、中频解调模块、A/D模块、测试模块、汉明编码模块、汉明译码模块、噪声模块、接口〔1、2〕模块、双音多频DTMF〔1、2〕模块、PAM模块、ADPCM〔1、2〕模块、CVSD发模块、CVSD收模块、帧传输复接模块、帧传输解复接模块、AMI/HDB3码模块、CMI编码模块、CMI译码模块、模拟锁相环模块、数字锁相环模块、现代调制技术模块等。

本实验系统中，无线信道传输包括哪些模块？画出系统框图。各模块的主要功能是什么？

根据实验系统无线信道传输过程，信号流程为：用户接口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→用户接口2。

可知模块及框图如下：

1、2模块：分别是信源与信宿，提供信息，接收信息

PCM/ADPCM/CVSD模块：信源编码与解码模块，对语音信号，进行压缩/解压缩算法。

汉明编码、汉明译码模块：信道编码与信道译码，线性分组码，通过增加冗余，增强通信可靠性。

调制、解调模块：数字基带信号与数字频带信号的转换。调制是为了将基带信号转变为适合信道传输的带通信号，解调是为了将带通信号复原成基带信号，以获取信息。

噪声模块：产生高斯白噪声，以模拟AWGN信道。

本实验系统中，有线信道传输包括哪些模块？画出系统框图。各模块的主要功能是什么？

根据实验系统有线信道传输过程，信号流程为：用户接口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→用户接口1。

可知模块及框图如下：

1、2模块：分别是信源与信宿，提供信息，接收信息

ADPCM模块：信源编码与解码模块，自适应差分脉冲编码调制方式，主要针对语音

信号，提供压缩/解压缩算法。

线路码编码/解码模块：将码序列转换为适合基带信道传输的码序列，减少线路码频谱中高频信号，并便于从接收端提取符号同步信号。

信号复接/解复接模块：将多个数字低速信号合并为一路高速信号〔将一路信号分接为多路信号〕

查阅相关资料，解释软件无线电〔SDR〕的含义，并举例介绍其在现代通信系统中的应用。

软件定义的无线电(SoftwareDefinedRadio，SDR)是一种无线电播送通信技术，

它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。

TD－SCDMA是唯一明确将智能天线和高速数字调制技术设计在标准中，明确用软件无线电技术来实施的标准。

本实验系统中，语音编码包括哪些方式？简要介绍各种方式的实现过程和特点。

ADPCM，自适应差分脉冲编码调制。特性：综合了APCM的自适应特性和DPCM系

统的差分特性，是一种性能比拟好的波形编码。它的核心想法是：

利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶(step-size)去编码

小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值；

使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间

的差值总是最小。

优点：算法复杂度低，压缩比大〔CD音质>400kbps〕，编解码延时最短〔相对其它

技术〕

缺点：声音质量一般

PCM〔脉冲编码调制〕是PulseCodeModulation的缩写。脉冲编码调制是数字通

信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。

脉冲编码调制(PulseCodeModulation)是最常用、最简单的波形编码。它是一种直接、简单地把语音经抽样、A/D转换得到的数字均匀量化后进行编码的方法，是其他编码算法的根底。

PCM的优点就是音质好，缺点就是体积大。

CVSD，连续可变斜率增量调制，根本原理是采用自适应方法使量阶Δ的大小随输入信号的统计特性变化而跟踪变化。如量阶能随信号瞬时压扩，那么称为瞬时压扩ΔM，记作ADM。假设量阶Δ随音节时间间隔〔5一20ms〕中信号平均斜率变化，那么称为连续可变斜率增量调制，记作CVSD。由于这种方法中信号斜率是根据码流中连“1〞或连“0〞的个数来检测的，所以又称为数字检测、音节压扩的自适应增量调制，简称数字压扩增量调制。

CVSD的特性很适合语音数字编码。由于采用1bit量化，防止了复杂的帧结构。有很好的检测误码和纠错的性能。其他的语音编码方案那么需要有数字信号处理器和外部模数数模转换器来对模拟信号进行数字转换。整个CVSD编解码算法，包括了输入输出滤波器，可以继承在单硅片里。尽管结构简单，CVSD却有足够的复杂度用来在平安应用领域进行数字加密。最后，CVSD可以在很宽的速率范围内工作——CVSD已经被成功的应用于9.6kbps—64kbps。在9.6kbps音频质量不是特别的好，但是不影响理解。在24kbps到48kbps，语音质量已经很容易接受。高于48kbps时，性能到达了TollQuality的级别。

本实验系统中，调制解调包括哪些方式？简要介绍各种方式的实现过程和特点。

FSK〔Frequency-shiftkeying，频移键控〕是信息传输中使用得较早的一种调制

方式,它的主要优点是:实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。

MSK，最小频移键控(MinimumShiftKeying)是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)。其最大频移为比特速率的1/4，即MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK。其特点是：一是信号能量的99.5%被限制在数据传输速率的1.5倍的带宽内。谱密度随频率〔远离信号带宽中心〕倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。因此，MSK信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的珍贵特点。二是信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。

BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)二进制相移键控，是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。

具有倒π现象，虽抗噪声较强但传送效率差。

DBPSK〔差分二进制移相键控〕方式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。即用前后两个码元之间相差来表示码元的值“0〞和“1〞。例如，假设相差值“π〞表示符号“1〞，相差为“0〞表示符号“0。可以看出2DPSK的波形与BPSK的不同，他们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差才表示信息符号。这说明，解调2DPSK信号是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，那么只要鉴别这个相差关系就可正确恢复数字信息，这就防止了BPSK中的倒π现象发生。

GMSK，高斯最小频移键控〔GaussianFilteredMinimumShiftKeying〕，这是GSM系统采用的调制方式。数字调制解调技术是数字蜂窝移动通信系统空中接口的重要组成局部。GMSK调制是在MSK〔最小频移键控〕调制器之前插入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。GMSK提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。

QAM是QuadratureAmplitudeModulation的缩写，中文译名为“正交振幅调制〞，其幅度和相位同时变化，属于非恒包络二维调制。QAM是正交载波调制技术与多电平振幅键控的结合。与其它调制技术相比,QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。

本实验系统中，线路编码包括哪些方式？简要介绍各种方式的实现过程和特点。

AMI码，极性交替翻转码，将二元码变换为三元码，并引入相关性，用以改变信号

波形的功率谱结构，但容易使时钟提取困难。

HDB3码，三阶高密度双极性码〔HighDensityBipolarofOrder3〕是一种适用于基带传输的编码方式，它是为了克服AMI码的缺点而出现的，具有能量分散，抗破坏性强等特点。HDB3码将4个连续的“0〞位元取代成“000V〞或“B00V〞。

CMI〔CodedMarkInversion〕码是传号反转码的简称，与双相码类似，它也是一种双极性二电平码。其编码规那么是“1〞码交替用“11〞和“00〞两位码表示；“0〞码固定地用“01〞表示。CMI码易于实现，含有丰富的定时信息。此外，由于10为禁用码组，不会出现三个以上的连码，这个规律可以用来宏观检错。

在通信系统中，锁相环的作用是什么？

同步在电信网中是一个十分重要的概念。同步的种类很多，有时钟同步、比特同步

等等，其最终目的使本地时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，那么将以统一步调进行工作。同步的技术根底是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。

9、解释以下英文缩写的含义，给出英文全称：

FPGA：Field－ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列

DTMF：DualToneMultiFrequency，双音多频，由高频群和低频群组成，上下频群各包含4个频率。

PCM：脉冲编码调制(PulseCodeModulation)

ADPCM:AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation,自适应差分脉冲编码调制

CVSD:ContinuousVariableSlopeDeltaModulation(CVSD)连续可变斜率增量调制语音编码

PAM：脉冲振幅调制〔PulseAmplitudeModulation〕

DSP：DigitalSignalProcessing，数字信号处理

A/D：模数转换，AnalogtoDigital

D/A：数模转换，DigitaltoAnalog

HDB3:三阶高密度双极性码〔HighDensityBipolarofOrder3〕是一种适用于基带传输的编码方式

CMI:CodedMarkInversion码是传号反转码的简称，与双相码类似，它也是一种双极性二电平码。

BPSK:BinaryPhaseShiftKeying---二进制相移键控

FSK:Frequency-shiftkeying，频移键控

DBPSK：Differentialbinaryphaseshiftkeying差分二进制移相键控

TDM：TimeDivisionMultiplexing，时分复用模式。时分复用是指一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术

FDM：FrequencyDivisionMultiplexing，频分多路复用，就是指用不同频率传送各路消息，以实现多路通信

CDMA：CodeDivisionMultipleAccess，又称码分多址，CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

一、实验仪器

ZH5001通信原理综合实验系统

双踪示波器

函数信号发生器〔带频率计功能〕

二、实验目的

掌握模拟锁相环的根本工作原理；

掌握锁相环的电路组成；

掌握模拟字锁相环的根本参数及设计。

三、答复预习问题

1、画出模拟锁相环的组成框图，说明各模块的功能作用。

1.鉴相器〔PD〕

PD是一个相位比拟装置，用来检测输出信号V0(t)与输入信号Vi(t)之间的相位差θe(t)，并把θe(t)转化为电压Vd(t)输出，Vd(t)称为误差电压，通常Vd(t)作为一直流分量或一低频交流量。

2.环路滤波器〔LF〕

LF作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD的非线性而在Vd(t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映θe(t)大小的控制信号Ve(t)。

3.压控振荡器〔VCO〕

VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压，故称为压控振荡器，是一个电压－频率变换器。

2、什么是锁相环的同步带和捕捉带，二者关系如何？

同步带:指从PLL锁定开始，改变输入信号的频率fi〔向高或向低两个方向变化〕，直到PLL失锁〔由锁定到失锁〕，这段频率范围称为同步带。

捕捉带:环路原本是失锁的，但失锁能够通过自身的调节由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程；能够由失锁进入锁定所允许的最大输入固有角频差∆ωi称为捕捉带。

一般情况下，捕捉带不等于同步带，且前者小于后者。捕获带是评价锁相环捕获性能的指标,当固有频差在捕获带范围之内时,锁相环可以通过捕获过程最终锁定。同步带是评价锁相环跟踪性能的指标,当固有频差在同步带范围之内时,锁相环可以保持锁定状态。假设固有频差大于捕获带,小于同步带,锁相环可能运行在锁定状态,但是,一旦失锁,将不能再次自动锁定。

3、什么是VCO的自由振荡频率？什么是VCO的压控灵敏度？

在线性范围内，压控振荡器的控制特性为ωot=ωr+A0υc(t)；式中，A0称为压控灵敏度或是VCO的增益系数，ωr即为控制电压为0时的输出频率值，称为压控振荡器的自由振荡频率。

分析实验电路的组成，说明主要元器件的作用。

该模块主要由模拟锁相环UP01〔MC4046〕、数字分频器UP02〔74LS161〕、D触发器UP04〔74LS74〕、环路滤波器和由运放UP03〔TEL2702〕及阻容器件构成的输入带通滤波器〔中心频率：256KHz〕组成。在UP01内部有一个振荡器与一个高速鉴相器组成。该模拟锁相环模块的框图见上图。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz时钟分量，经UP03B构成中心频率为256KHz有源带通滤波器后，滤出256KHz时钟信号，该信号再通过UP03A放大，然后经UP04A和UP04B两个除二分频器〔共四分频〕变为64KHz信号，进入UP01鉴相输入A脚；VCO输出的512KHz输出信号经UP02进行八分频变为64KHz信号，送入UP01的鉴相输入B脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO锁定在外来的256KHz频率上。

查阅资料，说明集成电路MM4046、74LS74、TLE2702、74LS161的管脚分布和功能，分析这些芯片在实验电路中的作用。

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽〔3V~18V〕，输入阻抗高〔约为100M〕，动态功耗小。CD4046的内部结构图如下列图所示。主要由相位比拟器、相位比拟器、压控振荡器、源跟随器等局部构成。

其管脚分布如下：1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低

电平。2脚相位比拟器Ⅰ的输出端。3脚比拟信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比拟器Ⅱ的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

74ls74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路。在电路中，两个74相连，进行4分频。

TLE2702，FamilyofNanopowerOpAmps，运算放大器，与其它阻容元件构成带通滤波器及作隔离运放。

74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，在电路中用作8分频器使用。

分析电路中所有跳线开关和电位器的功能和作用。

跳线开关KP01：用于选择UP01的鉴相输出。当KP01设置于1_2时〔左端〕，

选择异或门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01设置于2_3时〔右端〕，选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差，详情请参见4046器件性能资料。调整电位器WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。

跳线开关KP021：用于选择输入锁相信号：当KP021置于1_2时〔HDB3：左端〕，输入信号来自HDB3编码模块的HDB3码信号；当KP021置于2_3时〔TEST：右端〕选择外部的测试信号〔J007输入〕，此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。

电位器WP01：可以改变模拟锁相环的环路参数。

电位器WP02：构成低通滤波器，滤除高频噪声。

分析电路中各个测试点信号的含义，及有关信号之间的关系。

在该模块中，各测试点如下：

TP01：256KHz带通滤波器输出

TP02：隔离放大器输出

TP03：鉴相器A输入信号〔64KHz〕

TP04：VCO输出信号〔512KHz〕

TP05：鉴相器B输入信号〔64KHz〕

TP06：环路滤波器输出

TP07：锁定指示检测〔锁定时为高电平〕

如果通信系统的载波同步由锁相环实现，那么载波同步的性能指标有哪些？

同步效率，载波频率，同步建立时间，同步保持时长，同步精度等

四、实验内容

深刻理解电路组成和实验原理，完成以下实验内容，记录实验数据、实验现象和实验信号波形〔标明频率、幅度、脉冲宽度〕。

准备工作：将输入信号选择开关KP02设置在TEST位置，鉴相输出开关KP01

设置在2_3位置。

测量VCO自由振荡频率。写出实验过程。

将测试信号输入端口TestClk接地，把函数信号发生器方式设置为记数〔频率计功能〕或使用示波器观测，测量TP04监测点的VCO输出振荡频率f0。

测量此锁相环的同步带。

用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口

Test。用示波器同时测量Test、TP04相位关系，正常时环路锁