通原实验1-码型变换

1、.,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,

2、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、

3、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

4、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,3.1 nrz,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,0,0,1,0 0,1 1,0 1,特点：,发送能

5、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,0,1 0 1 0 0 1 1 0,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

6、，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,3.2 rz,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

7、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：,1 0 1 0 0 1 1 0,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,3.3 bnrz,bnrz码的全称是双极性不归零码，在这种二

8、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：,1 0 1 0 0 1 1 0,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

9、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,3.4 brz,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。,+

10、e,1,0 电平,-e,0,1,0,0,1,1,例如：,1 0 1 0 0 1 1 0,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

11、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

12、、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

13、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,1 ami,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“

14、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 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1,0 0,+1,-1,0,+1,0 0 0,-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,

15、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,2 hdb3 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

16、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

17、 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jc1jc4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

18、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,3 cmi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,0 1,11,00,当二进码序列为: 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1,0 1,0 1,11,0 1,0 1,0 1,00,11,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

19、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amihdb3 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

20、收译码两部分组成，工作速率为50kb/s10mb/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,j3 m序列长度选择,s1 m序列初始状态触发,74hc164、74hc86 m序列产生电路,74hc4060、1g04 256khz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

21、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

22、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，ctxsq256khz,nrz-innrz-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

23、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

24、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-ingnd。, 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

25、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,ctxsq256khz,nrz-innrz-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,ctxsq256khz,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,ctxsq256khz,nrz-ing