通信原理实验电子讲义.docx

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通信原理实验电子讲义

实验一脉冲幅度调制（PAM）实验

【实验性质】：

验证性实验

一、实验目的

1、加深对取样定理的理解。

2、了解脉冲幅度调制PAM系统的工作过程

二、实验预习要求

主要预习通信系统原理教材中关于“脉冲模拟调制系统”这—章中的“低通信号的取样定理”、“脉冲幅度调制”等主要章节，其次预习一下PPM、PDM调制系统。

三、实验仪器仪表：

1、双踪示波器一台

2、低频信号源一台

3、电子和通信原理实验系统实验箱一台

四、实验原理

（1）、电路组成

脉冲幅度调制实验系统图见图1—1所示，主要由输入电路、调制电路、脉冲发生电路、解调滤波电路、功放输出电路等五部分组成。

图1—1脉冲振幅调制电原理框图

（2）、实验电路工作原理

这是一种简单的脉冲幅度调制实验，在设计上有一定的普遍性和代表性，比较清晰直观。

为了能使学生在实验时有一个感性认识和方便测试，没有采用大规模集成电路，而是采用分离元件和集成电路相结合的设计。

为了便于学生熟悉整体和部分、分离和集成以及实验中任意改变元件的数值，加强理论和实践相结合。

下面就将电路中五部分的工作原理介绍如下：

1、输入电路

该电路由低通滤波、陷幅电路等组成，其中低通滤波器主要用在发端的波形编码电路中，即所谓的发端通道电路中，见图1--2。

因此，该电路还用于PCM、增量调制编码电路中。

在其他实验中，遇到该电路将不再介绍。

特别注意后继电路中有二个陷幅二极管D1、D2组成双向陷幅电路，主要防止外加输入信号过大而损坏后面调制电路中的场效应管器件。

图1--2（PAM、PCM、增量调制）发送通道输入电路电原理图

2、调制电路

调制电路采用单管调，由场效应管3DJ6F来担任，利用其阻抗高的特点和控制灵敏的优越性，能很好的满足调制要求。

取样脉冲由该管的S极加入，D极输入音频信号，由于场效应管良好的开关特性，在TP602处便可以测到理想的脉冲幅度调制信号，该信号为双极性脉冲幅度信号，不含直流分量。

脉冲序列可表示为：

SN（t）=∑P（t-KTS），其傅氏变换FS（W）=∑CkF（w-kwK），由此可见，成周期性上、下边带频谱信号。

3DJ6f10G极为输出负载端，接有取样保持电路，由R601、C601以及R602等组成，由开关K601来控制，在做调制实验时，K601的2端和3端相连，以便更清楚地观察其取样定理的多种波形。

在做系统实验时，将K601的1端和2端相连，即和解调滤波电路连通。

3、脉冲发生电路

该部分电路主要由555及其附加元件组成，这是一个普通的单谐振荡器电路，产生极性、脉宽、频率可调的方波信号，可通过改变CA601的电容量来实现其输出脉冲频率的变化，以便用来验证取样定理。

可在TP606处很方便地观测到脉冲频率变化情况和输出的脉冲波形。

4、解调和滤波电路

根据调制信号的付氏级数展开式：

Fs（w）=∑CkF（w-kw）

可以看出它是由一系列上、下边带频谱所组成。

因此；在接收端通过低通滤波器后能将其中基带频谱提取出来。

本实验就是通过低通滤器来解调的，这部分电路详见图1--3所示。

图1--3（PAM、PCM、增量调制）接收通道输出电路电原理图

解调滤波电路由集成运放电路组成了一个二阶有源低通滤波器，其截止频率设计在3.4KHz左右，因为该滤波器负担着解调的作用，因此它的质量好坏直接影响着系统的工作状态。

该电路还可以用在接收通道电路中，即PCM译码、增量调制译码电路中，可在TP605处观测滤波器解调后的信号波形。

5、功放输出电路

功放电路主要用来放大输出信号，提高解调后的音频信号的电平或者说提高输出功率。

该电路选用了常见的小功率运放LM386为核心芯片，配以少量的外围元件来完成。

放大后的音频信号由喇叭作为负载输出。

五、实验内容

1、脉冲幅度调制实验

本实验主要完成三个方面的内容：

a观察被调制信号正弦波形、取样脉冲波形和已调信号波形的相互之间的关系及特点，特别是音频带内各频率点的情况。

（测5个测量点）

b观察取样保持前后的两种波形的异同点，并加以理论分析。

c观察验证取样定理，并加以理论分析和必要的说明。

2、PAM通信系统实验

本实验主要完成三个方面的内容：

a观察整个系统收发各点信号的特点并测量其参数，0～6K音频段至少测六个频率点。

b在输出端再次验证取样定理的正确性，并分析这两种方法验证取样定理的差别。

c观察本实验系统对语音信号的传输能力及系统参数的测量。

六、实验步骤

1、脉冲幅度调制实验步骤

在S201处，用外加信号源送0—4KHZ音频带内的某—频率信号fsr，然后用示波器在TP601处观察测量，以该点信号输出幅度不失真时较大为好，如有削顶失真则减小外加信号源的输出幅度，达到上述要求。

TP606处观察其方波取样脉冲信号。

在TP602处观察并用示波器测量该点波形。

并做详细记录、绘图。

改变外加信号源的频率fsr，使之分别为300Hz、800HZ、1.6KHz、2.4KHz、4KHz，在TP601和TP602两点用示波器观测其波形，做详细记录并绘图。

2、脉冲幅度调制实验注意事项

a、+5V工作

b、按下按键开关：

K2、K3、K100、K600

c、按一下“开始”和“PAM”功能键，显示代码“8”

d、跳线开关设置：

A、K6011-2，做PAM调制、解调实验

B、K6012-3，做PAM取样保持实验

e、外加300Hz--3400Hz信号从S201进入

f、音频带内五点波形调测好后，最好连续变化输入信号频率，使之在0—4KHZ话音频带内调制均能达到要求

g、验证取样定理时，有时会产生不同步现象，在示波器中观察不到稳定的信号。

此时可适当调整外加信号频率，使之同步，有时需要反复耐心地调整才能观察到。

特别当观察fc≤2fsr时，注意判断区别临界状态时的波形及频率，并记下奈氏（Nyquist）速率。

3、PAM通信系统实验步骤

a、在s20l处，分别送fsr=0.3KHz、0.8KHz、1.6KHz、2.4KHz、4KHz、6KHZ信号。

将K601的1端和2端相连，分别用示波器观测TP601-TP606各点波形，并做详细记录、绘图。

b、将输入信号固定在fsr=3KHz，然后改变脉冲发生器电路中CA601，使>2fsr：

fc=2fsr.fc<2fsr、在TP605处用示波器观测系统输出波形，以判断和验证取样定理在系统中的正确性，同时做详细记录和绘图，并记下在系统通信状态下的奈奎斯特速率．并分析比较其所测结果。

c、在s201处送话音信号，TP605处用示波器观察话音输出波形，通过喇叭听话音，感性判断该系统对话音信号的传输质量。

4、PAM通信系统实验注意事项

a、基本注意事项同“脉冲幅度调制实验”。

b、话音通信实验时，注意声音小些，以免互相影响。

七、讨论思考题

1、简述取样定理。

2、本实验的取样形式同理想取样有何区别?

理论和实验相结合加以分析。

3、PAM系统解调为什么采用低通滤波器就可以完成?

八、实验报告要求

1、结合学过的理论知识简述对本实验系统电路及实验方法的理解。

2、绘出所做实验的电路、仪表连接调测图。

并列出所测各点的波形、频率、电压（电平）等有关数据，对所测数据做简要分析说明。

必要时借助于计算公式及推导。

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注明。

实验二脉冲编码调制（PCM）实验

【实验性质】：

验证性实验

一、实验目的

1、加深对PCM编码工作过程的理解。

2、掌握PCM编、译码的时序关系。

3、熟悉PCM编、译码专用集成芯片的使用方法及其要求。

二、实验预习要求

首先预习《通信原理》教材中关于脉冲编码调制PCM原理的有关章节，然后，再阅读本实验内容。

三、实验所用仪表

1、二踪示波器一台

2、电子和通信原理实验箱一台

3、低频信号源一台

四、实验原理

（一）、PCM基本工作原理

众所周知，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。

所谓抽样，就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信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。

它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。

在该实验中，抽样速率采用8kbit／s。

所谓量化，就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，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。

一个模拟信号，经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。

所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。

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

由此可见，脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式。

图2—1PCM的原理框图

PCM的原理如图2—1所示。

话音信号先经防混叠低通滤波器，得到限带信号（300~3400Hz），再进行脉冲抽样，变成8KHZ重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，最后经编码，转换成二进制码信号。

对于电话，CCITT（原国际电报电话咨询委员会，即现在的ITU-T，国际电信联盟）规定的抽样率为8KHZ，每个抽样值编8位码，即共有2^8=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64Kb/s．为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大。

在实际中广泛使用的是两种对数形式的压缩特性：

A律和μ律。

如图2—2（a）和（b）所示。

图2—2A律和μ律的压缩特性

对于压缩器而言,其输入输出归一化特性表示式为：

A律

Vo=AV/（1+lnA）（0≤Vi≤1/A）

或：

Vo=（1+lnAV）/（1+lnA）（1/A＜Vi≤1）

μ律

Vo=（1+ln（1+μVi））/ln（1+μ）（0≤Vi≤1）

A律PCM主要用于欧洲，μ律主要用于北美和日本，我国采用欧洲体制。

国内外有代表性的PCM编解码集成电路有很多，在本实验中，我们选择了TP3067芯片作为PCM编解码电路来作实验，因此，先对TP3067芯片作—介绍。

（二）、PCM编译码电路TP3067芯片介绍

1、编译码器的简单介绍

模拟信号经过编译码器时。

在编码电路中，它要经过取样、量化、编码，如图2--3（a）所示。

到底在什么时候被取样，在什么时序输出PCM码则由A-->D控制来决定，同样PCM码被接收到译码电路后经过译码低通、放大，最后输出模拟信号到话机，把这两部分集成在一个芯片上就是一个单路编译码器，它只能为一个用户服务，即在同一时刻只能为一个用户进行A\D及D\A变换。

编码器把模拟信号变换成数字信号的规律一般有二种，一种是μ律十五折线变换法，它一般用在PCM24路系统中，另一种是A律十三折线非线性交换法，它一般使用于PCM30\32路系统中，这是一种比较常用的变换法。

模拟信号经取样后就进行A律十三折线变换，最后变成8位PCM码，在单路编译码器中，经变换后的PCM码是在—个时隙中被发送出去，这个时序号是由A—>D控制电路来决定的，而在其它时隙时编码器是没有输出的，即对—个单路编译码器来说，它在一个PCM帧里只在一个由它自己的A—>D控制电路决定的时隙里输出8位PCM码，同样在一个PCM帧里，它的译码电路也只能在一个由它自己的D-->A控制电路决定的时序里，从外部接收8位PCM码。

其实单路编译码器的发送时序和接收时序还是可由外部电路来控制的，编译码器的发送时序由A-->D控制电路来控制，而A—>D控制电路还是受外部控制电路的控制，同样在译码电路中D—>A控制电路也受外部控制电路的控制，这样，我们只要向A-->D控制电路或D->A控制电路发某种命令即可控制单路编译码器的发送时序和接收时序号，从而也可以达到总线交换的目的。

但各种单路编译码器对其发送时序和接收时序的控制方式都有所不同，象有些编译码器就有二种方式，一种是编程法，即给它内部的控制电路输进一个控制字，令其在某某时隙干什么工作，另—种是直接控制，这时它有两个控制端，我们定义为FSx和PSr，要求FSx和FSr是周期性的，并且它的周期和PCM的周期要相同，都为125uS，这样，每来—个FSx，其codec就输出一个PCM码，每来一个FSr，其codec就从外部输入一个PCM码。

图2--3（b）是PCM的译码电路方框图，它的工作过程同图2--3（a）的工作过程完全相反，因此这里就不再讨论了。

图2—3A/D及D/A电路框图

2、本实验系统编译码器电路的设计

我们所使用的编译码器是把codec和Filter集成在—个芯片上，它的内部结构方框图见图2--4所示，它的外部接口可分两部分：

—部分是模拟接口电路，它和编译码器中的Filter发生联系，这一部分可控制模拟信号的放大倍数，另一部分是和处理系统和交换网络的数字接口。

它和编译码器中的Codec发生联系，我们对Codec的控制主要通过这些数字接口线来达到目的的。

该器件为美国国家半导体公司的TP3067。

有一点希望特别引起注意的是，编译码器是本实验中最易受损器件，稍有不慎就有烧坏的可能，所以我们在实验中要求特别细致，我们要求做到以下几点：

（a）在使用中要注意编译码器芯片说明中的要求。

（b）在实验中要细心，接线正确，在通电前对各电源都要求采取去耦措施，去耦可以用一大电容（>10uF）和一个0.1uF的电容—起并联到电源上。

以便滤去电源的高低频频率和由于开关所接收到的大电流尖峰信号。

（c）芯片应该远离继电器，因为继电器的动作及振铃电压的出现，中继和环路电流浪涌都会产生巨大的暂态现象，连接的导线之间以及因芯片和这些电路在同一电路板上相隔较近将可能产生感应耦台而影响芯片的工作。

（d）使用时，在关电源之前应该做好如下几项工作：

第一将所有外来的输入信号（如时钟，同步脉冲等）去除，即先关掉其他几部分的电源，最后关编译码器的电源，以免在关电后仍有信号输入。

第二将示波器去掉，以免关电后因示波器引起的静电对芯片产生影响。

（e）测试设备必须接地。

（f）芯片应存放在有屏蔽的地方，以防止静电积累。

图2—4TP3067内部结构方框图

3、PCM编译码电路的工作时钟

由上述电路分析可知，PCM编译码器所需的工作时钟为2.048MHZ，FSr、FSx的帧同步信号为8KHz窄脉冲，因此内部要进行多次分频。

五、实验内容

（一）PCM编码调制实验

1、在不加信号的情况下，用二踪示波器测量TP501—TP505各测量点处的波形，仔细观查。

2、从外加信号发生器中输入一正弦信号（1000Hz）至S201中，测量TP501—TP505各测量点处的波形，画出波形并分析其相位关系。

（二）PCM编解码系统实验

3、在上述“1”、“2”的基础上，继续测量TP506—TP508各点处的波形，并画出波形，作详细分析。

4、用小话筒进行通话，即小话筒接入S201信号插座中，用二踪示波器观察输入、输出波形。

接上喇叭，仔细鉴别话音传输质量和效果。

六、实验步骤及注意事项

（1）+5V、-5V工作。

（2）动手进行实验时，先看清楚本实验内容所在实验箱中的电路板中的位置。

（3）按下按键开关：

K2、K3、K100、K500。

（4）按一下“开始”和“PCM”功能键，显示代码“2”。

这样就给PCM系统中送上三组信号，即：

a．2048KHz主时钟信号。

b．8KHz收发分帧同步信号。

C．使能信号，此为低电平有效。

（5）跳线开关放置：

KlOll_2、K5011-2。

（6）外加300Hz~3400Hz信号从S201进入。

七、讨论思考题

1、TP3067PCM编码器输出的PCM数据的速率是多少?

在本次实验系统中，为什么要给TP3067提供2.048MHz的时钟?

2、认真分析TP3067主时钟和8KHZ的分帧接收、发送同步时钟的相位关系?

八、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点的波形图，注意对应相位关系。

3、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FSK调制解调实验

【实验性质】：

验证性实验

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的原理和实现方法。

二、预习要求

实验前预习《通信原理》关于二进制幅移键控ASK、频移键控FSK及其解调有关章节。

三、实验仪器仪表

1、+5V、+12V稳压电源一台

2、示波器一台

3、电子和通信实验系统实验箱一套

四、实验原理

数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。

由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的使用。

数字调频又可称作频移键控FSK，它是利用载频频率变化来传递数字信息。

数字调频信号可以分为相位离散和相位连续两种情形。

若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号：

若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，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。

本实验电路中，由实验—提供的载频频率经过本实验电路分频而得到的两个不同频率的载频信号，则为相位连续的数字调频信号。

（一）FSK调制电路工作原理

1、FSK调制原理框图，见图3—1。

2、FSK调制工作原理。

由图3--1可知，输入的基带信号由转换开关K904转接后分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经倒相器去控制f2=16KHz的

载频。

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fl=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关1关闭，模拟开关2打开，此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到已调的FSK信号。

电路中的两路载频（fl、f2）由内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、再送至模拟开关1、2。

关于FSK调制原理波形见教材相关章节。

（二）FSK解调电路工作原理

FSK集成电路模拟锁相环解调器由于性能优越，价格低廉，体积小，所以得到了越来越广泛的使用。

1、FSK解调电原理框图。

FSK集成电路模拟锁相环解调器的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频f1上，对应输出高电平，而对另一载频f2失锁，对应输出低电平，那末在锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列。

解调器框图如图3--2所示。

图3--2FSK解调电原理框图

FSK锁相环解调器中的集成锁相环选用了MCl4046，集成电路内部结构如图3--3所示。

图3—3MCl4046内部结构示意图

MC14046集成电路内有两个数字式鉴相器（PDI、PDⅡ）、—个压控振荡器（VCO），还有输入放大电路等，环路低通滤波器接在集成电路的外部。

压控振荡器的中心频率设计在32KHz。

由RC电阻电容网络来确定压控振荡器的振荡频率。

R、C构成外接低通滤波器，其参数选择要满足环路性能指标的要求。

当输入信号为32KHz时，即当锁相环锁定时，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输出端为低电平，锁定指示输出端为高电平，鉴相器PDI输出为低电平，PDI输出和锁定指示输出经或非门后输出为低电平，再经积分电路和非门输出为高电平。

再经过整形电路反相后从输出信号插座S902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，而锁定指示输出为低电平，PDI输出和锁定指示输出经或非门输出仍为无规则矩形脉冲，这些矩形脉冲经积分器和非门后输出为低电平。

可见，环路对32KHz载频锁定时输出高电平，对16KHz载频失锁时就输出低电平。

从而在解调器输出端就得到正常的基带信号序列。

五、实验内容

1、测试FSK调制电路TP901—TP907各测量点波形，画出波形并作详细分析。

2、测试FSK解调电路TP908—TP910各测量点波形，画出波形并作详细分析。

注意：

为便于对照，请将调制和解调电路画在同一张图上。

六、实验步骤及注意事项

（一）FSK调制实验

（1）、+5V、-5V工作。

（2）、按下按键开关：

K2、K100、K900。

（3）、按一下“开始”和“FSK”功能键，显示代码‘3”。

（4）、跳线开关设置：

KlOll_2、K901l_2、K902l_2

K904l_2、2KHz的伪随机码，码序列为：

1110010。

K9042-3、8KHz方波，码序列为：

1100。

做FSK解调实验时，K904l_2、K903l_2。

注意：

选择不同的数字基带信号的速率。

有1110010码（2KHz）和1010交替码（8KHz）。

由信号转接开关K904进行选择。

（二）FSK解调实验

（1）、接通开关K903“1”和“2”脚，输入FSK信号给解调电路，注意观察“1”“0”码内所含载波的数目。

（2）、观察FSK解调输出TP910--TP912波形，并作记录。

并同时观察FSK调制端的基带信号，比较两者波形，观察是否有失真。

七、讨论思考题

1、改变4046的哪些外围元件参数对其解调正确输出有影响?

2、采用锁相环解调时，其输出的信号序列和发送的信号序列相比有否产生延迟，为什么？

八、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点的波形图，注意对应相位关系。

实验四HDB3编解码实验

【实验性质】：

验证性实验

一、实验目的

1、加深对n阶高密度双极性码的理解

2、了解HDB3码的编码规则及其工作原理、实现方法

3、掌握HDB3码编、解码的时序关系

二、实验预习要求

主要预习通信系统原理教材中关于“信号编码”这—章中的“n阶高密度二进制码”等章节及HDB3码的编码规则和工作原理。

三、实验仪器仪表

1、示波器一台

2、电子和通信实验系统实验箱一套

四、实验原理

HDBn码是n阶高密度双极性码的缩写。

在HDBn码中信息“l”也交替地变换为+l和-1的半占空归零码，但和AMI码不同的是：

HDBn码中的连“0”数被限制为小于或等于n。

当信息中出现n＋1个连“0”码时就用特定码组来取代，这种特定码组称为取代节。

为了在接收端识别出取代节，人为地在取代节中设置“破坏点”，在这些“破坏点”处传号极性交替规律受到破坏。

HDBn码是一种模态取代码，它有两种取代节：

n+1位（B00...V）或n+1位（00...V）

其中B表示符合极性交替规律的传号，V表示破坏极性交替规律的传号，V就是破坏点。

这两种取代节的选取原则是：

使任意两个相邻V脉冲间的B脉冲数目为奇数。

这样，相邻V脉冲的极性也满足交替规律，因而整个信号仍保持无直流分量。

HDBn码中使用最广泛的就是3阶高密度双极性码，即HDB3码。

在HDB3中每当出现4个连“0”码时用取代节B00V或000V代替。

替代原则是：

1.当四个连续的0出现时，我们将