通信原理实验指导书26页讲诉.docx

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通信原理实验指导书26页讲诉

实验一HDB3码型变换实验

一、实验目的

1、了解二进制单极性码变换为HDB3码的编码规则，掌握它的工作原理和实现方法；

2、掌握HDB3码的位同步码的提取方法。

二、实验内容

1、观察HDB3编译码的各种波形；

2、观察全0码和全1码时的HDB3码的编码波形；

3、观察从HDB3编码信号中提取位同步信号的过程。

三、实验原理

AMI码编码原理：

信息代码1变为带有符号的1码即+1或-1，1的符号交替反转；信息代码0仍为0码。

因此，AMI码对应的波形是占空比为0.5的双极性归零码，即脉冲宽度τ与码元宽度（码元周期、码元间隔）Ts的关系是τ=0.5Ts。

AMI码的主要特点是无直流成分，接收端收到的码元极性与发送端完全相反也能正确判断。

译码时只需把AMI码经过全波整流就可以变为单极性码。

HDB3码的编码原理：

HDB3码主要解决AMI码在连0过多时同步提取困难的问题。

编码时，将4个连0信息码用取代节000V或B00V代替，当两个相邻V码中间有奇数个信息1码时取代节码000V；有偶数个信息1码（包括0个）时取代节为B00V，其它的信息0码仍为0码。

这样，信息码的1码变为带有符号的1码即+1或-1，HDB3码中1、B的符号符合交替反转原则，而V的符号破坏这种符号交替反转原则，但相邻V码的符号又是交替反转的。

因此，HDB3码是占空比为0.5的双极性归零码。

设信息码为0000011000010000，则NRZ码、AMI码、HDB3码如图2-1所示。

图1-1NRZ、AMI、HDB3关系图

分析表明，AMI码及HDB3码的功率谱如图1-2所示，它不含有离散谱fs成分（fs=1/T,等于位同步信号的频率）。

在通信的终端需将它们译码成为NRZ码才能送到数字终端机或数模转换电路。

因此，在做译码时必须提供位同步信号。

工程上，一般将AMI或HDB3码数字信号进行整流处理，得到占空比为0.5的单极性归零码（RZ|τ=0.5Ts）,该信号的功率谱如图1-2所示。

由于整流后的AMI、HDB3码中含有离散谱fs，故采用一个窄带滤波器可以得到频率为fs的正弦波，整形处理后即可得到位同步信号。

图1-2

频谱

HDB3码的编译码原理框图及其电路原理图分别如图1-3、图1-4所示。

本单元采用集成电路CD22103对HDB3进行编译码，其第3脚接+5V时为HDB3编译码器，接地时为AMI编译码器。

编码时，HDB3编码器的输入信号NRZ码及位同步信号BS来自数字信号源单元，通过HDB3编译码器输出两路并行信号+H-OUT和-H-OUT，它们都是半占空比的正脉冲信号，分别与HDB3码的正极性信号及负极性信号相对应，这两路信号经单/双极性变换后得到HDB3码。

图1-3HDB3编译码方框图

欲对HDB3信号译码得到NRZ信号，必须从HDB3信号中提取位同步。

由于HDB3信号本身不含有位同步频率成分，故不能从HDB3信号中提取位同步。

双/单极性变换器及相加器构成一个整流器，HDB3整流后得到的HDB3-D信号含有位同步信号频率离散谱。

由于位同步频率比较低，很难将有源带通滤波器的带宽做的很窄。

因此，带通1输出信号BF是一个幅度和周期都不恒定的正弦信号，此信号经过LM318限幅放大、整形后得到幅度稳定、周期变化的脉冲信号，但仍不能将此信号作为译码器的位同步信号，需经CD4046滤波后才能得到恒定的周期位同步信号，该信号即可作为HDB3译码器的时钟信号。

CD4046是一个电荷泵锁相环，当锁相环的自然谐振频率足够小时，对输入的电压信号可等效为窄带滤波器。

本单元中通过CD4046构成一个Q值约为35的窄带滤波器，从而输出一个符合译码器要求的位同步信号。

译码时，将位同步信号BS-R、HDB3码变换成的两路单极性信号分别送到CD22103的第5、11、13脚，即可得到译码输出信号NRZ。

当信息代码连0个数太多时，从AMI码中较难于提取稳定的位同步信号，而HDB3中连0个数最多为3，这是提取高质量的位同步信号是有利的。

这也是HDB3码优于AMI码之处。

因此，HDB3码及经过随机化处理的AMI码常被用在PCM一、二、三次群的接口设备中。

在实用的HDB3编译码电路中，发端的单/双极性变换器一般由变压器完成；收端的双/单极性变换电路一般由变压器、自动门限控制和整流电路完成。

本实验的目的是掌握HDB3编码的规则，及位同步提取方法，故对极性变换电路做了简化处理，不一定符合应用要求。

四、实验步骤

用TP012作为示波器的外同步信号，进行以下测量。

1、接通电源，按下开关K1、K2、K100，使电路工作；

2、拨动波码开关SW001、SW002、SW003，使数字信号源产生相应的NRZ码；

3、调节W101，使TP109处输出稳定的频率为170.5KHz的、占空比为50%的方波；

4、观察TP101-TP110各点的波形；

5、将SW001、SW002、SW003的每一位都置1，观察此时的HDB3编码波形；再将这三个拨码开关的每一位都置0，观察此时的HDB3编码的波形，记录下来。

五、实验仪器仪表

1、20M双踪示波器1台

2、现代通信原理实验系统实验箱1台

3、三用表1块

六、实验思考

1、编码输出组件输出什么极性的脉冲？

若为相反极性是否可以？

比较两者的优缺点。

2、用滤波法由信码中提取位定时信息，对于HDB3码要做哪些变换？

电路中如何实现？

七、实验报告要求

1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程；

2、拨码开关SW001、SW002、SW003的设置为10000000、11000000、11100000时，画出TP101-TP110各点的波形；

3、调测实验时，若遇到故障，请将故障现象及排除故障的过程详细说明；

4、详细分析HDB3编译码器CD22103的用法；

5、画出信源代码为全0、全1时的HDB3码信号波形。

6、写出本次实验的心得体会，以及对本次实验有何改进意见。

图1-4HDB3电原理图

实验二脉冲编码（PCM）及系统实验

一、实验目的

1．加深对PCM编码工作过程的理解；

2．掌握PCM编码、译码的时序关系；

3．熟悉PCM编、译码专用集成电路的使用方法及其要求；

4．了解PCM系统的工作过程。

二、实验内容

1．用示波器观察两路音频信号的编码结果，观察PCM基群信号；

2．改变音频信号的频率，观察和测试译码器输出信号幅度变化的情况。

三、实验原理

1．点到点PCM通信原理

脉冲调制通信就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中进行传输。

而脉冲编码调制就是对模拟信号先进行抽样后，再对样值的幅度进行量化、编码的过程。

抽样是对模拟信号进行周期性扫描，从而把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有的信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。

抽样速率的下限由抽样定理确定，在该实验中，抽样速率采用8Kbit/s。

量化是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最近的电平值来表示。

编码是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。

实际上，量化是在编码过程中同时完成的，故编码的过程也称为模/数变换，记作A/D。

目前，脉冲编码调制（PCM）技术与增量调制PCM（ΔM）技术已经在数字通信系统中得到广泛应用。

当信道噪声比较小时一般用PCM，否则一般用ΔM。

速率在155MB以下的准同步数字系列（PDH）中，国际上存在A律和

律两种PCM编译标准系列，在155MB以上的同步数字系列（SDH）中，将这两个系列统一起来，在同一个等级上两个系列的码速率相同。

点到点PCM通信原理如图2－1所示。

话音信号先经过低通滤波器后得到与人的声音频率相近的限带信号（300~3400Hz），进行脉冲抽样，变为频率为8KHz的抽样信号（即离散的脉冲幅度调制PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”的办法量化为有限个幅度取值的信号，再经过编码转化为二进制码。

对于电话，CCITT规定抽样取值速率8Hz，每个抽样值被编成8位码，即共有2n＝256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准码速为64Kb/s。

为了解决均匀量化时信号量化误差大、音质差的问题，实际中一般采用不均匀量化的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，在大信号时分层疏、量化间隔大。

2．PCM编译码原理

本实验采用PCM编译码专用大规模集成电路TP3057来完成PCM的编译码，实验原理框图及其电路原理图分别如图2－2、图2－3所示。

拨码开关SW201用来改变基带信号（正弦波）抽样信号的相位（PCM编码时隙，开关K203用来选择基带信号，接1、2脚时，使用内部信号源提供的正弦波信号，接2、3脚时，外加基带信号从TP206输入）。

信号发生器部分为两个PCM编译码器提供2.048MHz的时钟信号和8Kz时隙同步信号。

在实际通信系统中，译码器的时钟信（即位同步信号）和时隙同步信号（即帧同步信号）应从接收到的数据流中提取，本实验中将信号源产生的时钟信号及时隙信号直接送给译码器。

由于时钟频率为2.048MHz，抽样信号频率为8KHz，故PCM编码速率为2.048MHz

一帧中有32个时隙，其中29个时隙为空时隙，第0时隙为帧同步时隙，第二时隙为信号A的时隙，第1（或者5、或7--由拨码开关SW201控制）时隙为信号B的时隙。

图2-1点到点PCM通信原理

本实验产生的PCM信号类似于PCM基群信号，但第16个时隙没有信令信号，

第0时隙中的信号与PCM基群中的第0时隙的信号也不完全相同。

由于两个PCM编译码器使用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接（即

不需要进行码速调整）。

又由于两个编译码器输出数据处在不同的时隙，故可以对PCM-A和PCM-B进行线或。

本实验中用或门74LS32对PCM-A和PCM-B及帧同步信号进行复接。

本实验中是将复接前的PCM编码信号直接送入解码电路，故不需要对PCM进行分接处理。

图2-2PCM编译码框图

四、实验步骤

1．将开关K201、K202、K203接为1、2脚（实验完毕立即将三个开关接为2、3脚）；

2．接通电源，按下开关K1、K2、K200，使电路工作；

3．调节W001、W002、W003、W004，使TP206处在的正弦波频率在2KHz左右且无明显失真。

将拨码开关SW201的1（选中第一时隙）、3（选中第5时隙）、4（选中第7时隙）位中的任意一位拨上，观察TP201-TP211处的波形，记录下来；

4．将拨码开关SW201的第一位拔上，用双踪示波器观察TP203与TP205处的波形（注意示波器应设置为CH1同步），注意二者的相位关系。

将SW201的第3位、第4位分别拨上（特别注意同时只能拨上一位），在观察连个波形的相位关系，记录下来；

5．观察TP209处的波形，改变SW201的设置，波形有什么变化？

记录下来；

6．将K203接2、3脚，将低频信号源产生的1KHz的正弦波从TP206输入，示波器的两个通道分别接TP206和TP210，将输入信号幅度分别调到等于5VP-P和大于5VP-P，观察满载和过载时的译码输出波形。

再将信号幅度分别衰减到10dB、20dB、30dB、40dB，观察译码输出的波形（当衰减较大时，解调输出信号波形上叠加有明显的噪声）。

图2-3PCM电路原理图

五、实验仪器仪表

1、20M双踪示波器1台

2、现代通信原理试验系统实验箱1台

3、三用表1块

六、实验思考

1、TP3057PCM编码器输出的PCM数据的速率是多少？

在本次实验系统中，为什要给TP3057提供2.048MHz的时钟；

2、认真分析TP3057主时钟与8KHz分帧收、发同步时钟的相位关系。

七、实验报告要求

1、画出实验电路的实验方框图，并叙述其工作过程；

2、画出实验过程中各测量的波形图，注意对应相位关系。

3、设PCM通信系统传输两路话音，每帧三个时隙，每路话音各占一个时隙，另一个时隙为帧同步时隙，使用TP3057编译码器。

求：

（1）编码器的抽样信号频率及时钟信号频率，以及两个抽样信号之间的相位关系。

（2）时分复用信号码速率、帧结构。

（3）采用PCM基带传输，线路码为HDB3码，设计此通信系统的详细方框图以及PCM编译码电路。

（4）采用PCM/2DPSK频带传输，设计此通信系统的详细方框图。

4、写出本次实验的心得体会，以及对本次实验有何改进意见。

实验三增量调制编译码系统实验

一、实验目的

1．掌握增量调制编码的基本原理，并理解实验电路的工作过程；

2．了解不同速率的编码，以及低速率编码时的输出波形；

3．理解连续可变斜率增量调制系统的电路组成与基本工作原理；

4．熟悉对增量调制编译码电路工作过程的检测和测试方法；

5．熟悉增量调制系统在不同工作频率、不同信号频率和不同信号幅度下跟踪输入信号的情况；

6．掌握测量系统的过载特性、编码动态范围二大指标的测试方法。

二、实验内容

1．观察增量调制编码各点波形并记录下来；

2．观察增量调制译码各点波形并记录下来；

3．测量系统的过载特性，并绘制系统的过载特性曲线；

4．测量系统的编码动态范围。

三、实验原理

增量调制是由PCM发展起来的模拟信号数字化的一种编码形式，它是PCM的一种特例。

增量调制编码只用一位，该位码不是表示抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，即采用一位二进制数码“1”和“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一抽样时刻值的大小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码；输入的“1”和“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的绝对值。

增量调制编码器实验方框图、电路原理分别如图3-1、图3-2所示。

本实验电路采用三连“0”、三连“1”压扩检测算法的连续可变斜率增量调制器，其核心部分是MC34115大规模集成电路。

图3-1增量调制编码器实验框图

1．调制电路工作原理

音频模拟信号由TPA01进入，经发送通道输出到电解电容E501，经过耦合至MC34115的模拟信号输入端1脚。

U501（MC34115）的第15脚接高电平，使其工作方式在编码方式。

此时芯片内的模拟输入运算放大器与移位寄存器接通，从1脚（ANI）输入的音频模拟信号与2脚（ANF）输入的本地解码信号相减并放大得到误差信号，然后根据该信号的极性编成数字信码，从第9脚（DOT）输出。

该信码在芯片内经过三级或四级移位寄存器及检测电路，检测过去的3位或4位信码中是否出现连续的“1”或连续的“0”。

一旦当移位寄存器各级输出为全“1”码或全“0”码时，表明积分运算放大器增益过小，检测逻辑电路从第11脚（COIN）输出负极性一致脉冲，经过外接平滑滤波器后得到量阶控制电压加到3脚（SYL端）。

由内部电路决定，GC端电压与SYL端相同，这就相当于量阶控制电压加到GC端，该端外接调节电位器W502，调节W502即可改变GC端的控制电流，以此控制积分量阶的大小，从而改变环路增益，展宽动态范围。

第4脚（GC）的输入电流经电压/电流变换运算放大器，再经量阶极性控制开关送到积分运算放大器电路，极性开关由信码控制。

外接积分网络与芯片内部积分运算放大器相连，在二次积分网络上得到本地解码信号送回ANF端与输入信号再进行比较，从而完成整个编码过程。

在没有音频模拟信号输入时，话路是空闲状态，则编码器应能输出稳定的“0”，“1”交替码。

这需要一最小积分电流来实现，该电流可通过增大调节电位器来获得。

由于极性开关的失配，积分运算放大器与模拟运算放大器的电压失调，此电流不能太小，否则无法得到稳定的“0”、“1”交替码。

该芯片总环路失调电压约为1.5mV，（注：

IGC=12.0uA,Vcc=12V,TA=25℃），所以量阶可选择为3mV。

当本地积分时间常数为1mS时，则最小积分电流取10μA，就可得到稳定的“1”、“0”交替码。

如果输出不要求有稳定的“1”、“0”交替码，量阶可减小到0.1mV，但环路仍可正常工作。

2．解调电路工作原理

增量调制系统译码器电路方框图、电路原理图分别如图3-3图、3-4图所示。

图中，由发送端送来的编码数字信号送到U502（MC34115）芯片的第13脚，即接收数据输入端。

因为该芯片工作在译码状态，故第15脚为低电平，使模拟输入运算放大器与移位寄存器断开，而数字输入运算放大器与移位寄存器接通，这样，接收数据信码经过数字输入运算放大器整形后送到移位寄存器，后面的工作过程与编码时是相同的，只是解调信号不再送回第2脚（ANF），而是直接送回后面的积分网络中，在通过接收通道的带通滤波器滤去高频量化噪声，最后得到解调信号。

图3-3增量调制系统译码器电路组成方框图

图3-2增量调制编码电路原理图

图3-4增量调制译码电路原理图

四、实验步骤

1、增量调制编译码实验

①接好电源，按下列按钮开关K1、K2、K500。

②跳线开关设置：

KA1接1、2脚，KA2接1、2脚，K501接1、2脚。

调节WA01、

WA02，使TP501处频率为2KHz，峰值为1V左右的正弦波。

观测TP505的波形并调节W501、W502使TP505的波形比较稳定，用双踪示波器测量TP501—TP509及OUT各点的波形。

③信号保持频率2KHz不变，而改变信号幅度再反复观测TP501—TP509及OUT各

点波形。

④输入时钟的速率由K501控制：

K501（1-2）=64KHz；K501（2-3）=32KHz

K501（4-5）=16KHz；K501（5-6）=8KHz

改变输入时钟的速率，分别逐点测量TP501—TP509及OUT各点处的波形，并分析测试结果。

2．测量过载特性

1断开KA01，将频率为800HZ的外加正弦信号从TP501处输入，用示波器测量

译码器的输出波形，即测量点OUT。

调节外加正弦信号使输入信号的幅度由小到大，记录下使译码器输出波形失真时的临界过载电压Amax。

2断KA01，将外加正弦信号从TP501处输入，改变输入信号的频率f，分别取

f=400Hz、800Hz、1200Hz、1600Hz、2000Hz、2400Hz、2800Hz、3000Hz、3400Hz，列表记下相应的临界过载电平Amax。

见表3-1。

表3-1

3绘制过载特性曲线时，先要测出输入信号某一频率的起始编码电平Ak，然后再

测出临界过载电平Amo，将临界过载电平Amo与起始编码电平Ak之比取分贝数来表示。

如取音频输入信号频率f=800Hz，时钟速率为32KHz，调节音频输入信号的电压

幅度Am从零逐渐增大，用示波器观察增量调制系统编码器输出信码P（t）波形，即测量点TP203点波形，记录下刚开始编码时的Am值。

然后再逐渐增大输入信号的幅度，记录下增量调制系统译码器测量点TP804处的输出波形，即刚开始失真时的临界过载电压Amo，将Amo/Ak的比值取分贝数表示，即可绘制出过载特性曲线中的一个点。

见表3-2，再作出过载特性曲线。

表3-2

3.测量编码动态范围

断开KA01，将800Hz外加正弦波信号从TP501处输入，将时钟频率分别选择为16KHz、32KHz、64KHz，记录各时钟下信号临界过载电压Amax值，和起始编码电压Ak，然后计算取分贝来表示：

Dc（db）=20lgAmax=201gAk

取输入信号的频率f=800Hz，见表3-3。

表3-3

五、实验仪器仪表

1．200MHz双踪示波器一台

2．现代通信原理实验系统实验箱一台

3．三用表一块

六、实验报告要求

1．画出实验电路的实验方框图，并作简要叙述。

2．画出实验内容2中的各点波形图，注意对应时间相位关系。

3．结合理论分析说明在测量各点时，所发生的各种现象。

4．写出本次实验的心得体会，以及对本实验有何改进意见。

实验四移频键控调制与解调实验

一、实验目的：

1、理解FSK调制工作原理及电路组成；

2、理解利用锁相环解调FSK的原理和实验方法。

二、实验内容：

1、测试FSK调制电路TP901-TP907各测量点波形，并作详细分析；

2、测试FSK解调电路TP908-TP910各测量点波形，并作详细分析。

三、实验原理：

数字调频即频移键控FSK，它利用载频频率的变化来传递数字信息。

数字调频信号分为相位连续和相位离散两种情况。

若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，则它们之间相位互不相关，称为相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡源提供，只是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。

本实验中，信号发生器模块提供的载频频率经分频而得到两个不同频率的载频信号，因此为相位连续的调频信号。

1、FSK调制电路工作原理

FSK调制原理框图、电路原理图分别如图4-1及图4-2所示。

图4-1FSK调制电路原理框图

电路中的两路载频（f1、f2）由时钟信号发生器产生，经过开关K901、K902送入。

两路载频分别经射随、选频滤波、射随后送至模拟开关U901：

A与U902：

B（4066）。

基带信号由信号发生部分伪随机信号发生器产生，经过开关K904转接后分两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经倒相控制f2=16KHz。

当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关1关闭，模拟开关2开通，此时输出f2=16KHz，于是在输出端可得到已调的FSK信号。

FSK信号波形见图4-3。

2、FSK解调电路工作原理

本实验选用集成锁相环CD4046进行FSK解调，其解调电路原理框图、电路原理图分别由图4-4及图4-5所示。

在设计锁相环时，使其锁定在FSK的一个载频f1上，则对应输出为高电平，而对另一载频f2失锁，其对应输出为低电平，那么在锁相环滤波器输出端即可得到解调的基带信号序列。

MC14046集成电路内部包含两个数字式鉴相器（PDI、PDII）、一个压控振荡器（VCD）和输入放大电路等，环路低通滤波器接在集成电路外部。

压控振荡器的中心频率在32kHz。

从要求环路能快速捕捉、迅速锁定来看，低通滤波器的通带要宽些；从提高环路的跟踪特性来看，低通滤波器的通带又要窄些。

因此电路设计应在满足捕捉时间前提下，尽量减小环路滤波器的带宽。

图4-2FSK调制电路原理图

图4-3FSK调制原理波形图

由图4-5可知，当锁相环锁定时，环路对输入FSK信号中的32KHz载波处于跟踪状态，32KHz载波（正弦波）经输入整形电路后变成矩形载波。

此时鉴相器PDII输出端（引脚13）为低电平，锁定指示输出（引脚1）为高电平，鉴相器PDI输出（引脚2）为低电平，PDI输出和锁定指示输出经或非门U903：

A（74LS32）和U904：

B（74LS04）后输出为低电平，再经积分电路和非门U904：

C（74LS04）输出为高电平，最后经过U904：

D（74LS04）整形电路反相后输出。

当输入信号为16KHz时，环路失锁。

此时环路对16KHz载频的跟踪破坏，鉴相器输入端的两个比较信号存在频差，经鉴相器PDI后输出一串无规则矩形脉冲，而锁定指示（第1引脚）输出为低电平，PDI输出和锁定指示输出经或非门U903：

A与U904：

B后，输出仍为无规则矩形脉冲，这些矩形脉冲经积分器和非门U