数字基带信号实验及数字调制与解调实验.docx
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数字基带信号实验及数字调制与解调实验
硬件实验一
一、实验名称
数字基带信号实验及数字调制与解调实验
二、实验目的
（1）了解单极性码，双极性码，归零码，不归零码等基带信号波形特点。
（2）掌握AMI，HDB3的编码规则。
（3）掌握从HDB3码信号中提取位同步信号的方法。
（4）掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。
（5）了解HDB3（AMI）编译码集成电路CD22103。
（6）掌握绝对码，相对码概念及他们之间的变换关系。
（7）掌握用键控法产生2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK信号的方法。
（8）掌握相对码波形与2PSK信号波形之间的关系，绝对码波形与2DPSK信号波形之间的关系。
（9）了解2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。
（10）掌握2DPSK相干解调原理。
（11）掌握2FSK过零检测解调原理。
3、实验仪器
1.双踪示波器一台
2.通信原理Ⅵ型实验箱一台
3.M6信号源模块、M4数字调制模块
4、实验内容与实验步骤
（1）数字基带信号实验
1.熟悉信源模块，AMI&HDB3编译模块（有可编程逻辑器件模块实现）和HDB3编译码模块的工作原理。
2.接通数字信号源模块的电源。
用示波器观察熟悉信源模块上的各种信号波形。
（1）示波器的两个通信探头分别接NRZ-OUT和BS-OUT，对照发光二级管的发光状态，判断数字信源单元是否已正常工作（1码对应的发光管亮，0码对应的发光管熄）；
（2）用K1产生代码*1110010（*为任意代码，1110010为7位帧同步码），K2，K3产生任意信息代码，观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点。
3.关闭数字信号源模块的电源，按照下表连线，打开数字信号源模块和AMI（HDB3）编译码模块电源。
用示波器观察AMI（HDB3）编译单元的各种波形。
源端口
目的端口
1.数字信源单元：
NRZ-OUT
AMI（HDB3）编译码单元：
NRZ-IN
2.数字信源单元：
BS-OUT
AMI（HDB3）编译码单元：
BS-1N
（1）示波器的两个探头CH1和CH2分别接NRZ-OUT和（AMI）HDB3，将信源模块K1，K2，K3的每一位都置1，观察并记录全1码对应的AMI码和HDB3码；再将K1，K2，K3置为全0，观察全0码对应的AMI和HDB3码。
观察AMI码时将开关K1置于A端，延迟了4个码元。
（2）将K1，K2，K3置于011100100000110000100000态，观察并记录对应的AMI码和HDB3码。
（3）将K1，K2，K3置于任意状态，K4（码型选择开关）置于A端或H端，CH1接NRZ-OUT,CH2分别接（AMI）HDB3-D,BPF,BS-R和NRZ，观察这些信号波形。
观察时应注意：
NRZ信号（译码输出）迟后于NRZ-OUT信号（编码输入）8个码元。
AMI、HDB3码是占空比等于0.5的双极性归零码，AMI-D、HDB3-D是占空比等于0.5的单极性归零码。
BS-OUT是一个周期基本恒定（等于一个码元周期）的TTL电平信号。
本实验中若24位信源代码中只有1个“1“码，则无法从AMI码中得到一个符合要求的位同步信号，因此不能完成正确的译码。
若24位信源代码全为“0”码，则更不可能从AMI信号（亦是全0信号）得到正确的位同步信号。
信源代码连0个数越多，越难于从AMI码中提取位同步信号（或者说要求带通滤波的Q值越高，因而越难于实现），译码输出NRZ越不稳定。
而HDB3码则不存在这种问题。
（二）数字调制实验
1.熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。
2.按照下表连线：
数字调制单元的CLK,BS-IN,NRZ-IN,分别连至数字信号源单元的CLK,BS-OUT,NRZ-OUT
源端口
目的端口
1.数字信源单元：
BS-OUT
数字调制：
BS-IN
2.数字信源单元：
NRZ-OUT
数字调制：
NRZ-IN
3.数字信源单元:
CLK
数字调制：
CLK
3.接通数字信源模块与数字调制模块的电源。
示波器CH1接AK（NRZ-IN）,CH2接BK，信源模块的K1，K2，K3置于任意状态（非全0），观察AK,BK波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。
4.仔细观察CAR和CAR-D信号，分析载波信号的特点。
5.示波器CH1接2DPSK-OUT，CH2分别接AK及BK，观察并总结2DPSK信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK信号相位变化与相对码的关系（此关系即是2PSK信号相位变化与信源代码的关系）。
注意：
2DPSK信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。
6.示波器CH1接AK,CH2依次接2FSK-OUT和2ASK-OUT；观察着两个信号与AK的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。
（三）数字解调实验
本实验使用M6数字信源模块，M4数字调制模块，它们之间的信号连结方式如下图所示。
实际通信系统中，解调器的位同步信号来自位同步提取单元。
本实验中这个信号直接来自数字信源。
在做2DPSK解调实验时，位同步信号送给2DPSK解调单元。
做2FSK解调实验时则送到2FSK解调单元。
1.按照下表连线。
源端口
目的端口
1.数字信源单元：
BS-OUT
数字调制：
BS-IN
2.数字信源单元：
NRZ-OUT
数字调制：
NRZ-IN
3.数字信源单元：
BS-OUT
2FSK解调：
BS-IN
4.数字信源单元：
BS-OUT
2DPSK解调：
BS-IN
5.数字调制：
2DPSK-OUT
2DPSK解调：
2DPSK-IN
6.数字调制：
2DPSK-OUT
载波同步：
2DPSK-IN
7.数字调制：
2FSK-OUT
2FSK解调：
2FSK-IN
8:
载波同步：
CAR-OUT
2DPSK解调：
CAR-IN
2,、接通M6数字信源模块，M4数字调制模块的电源，并检查其是否已工作正常。
3.2DPSK解调实验
（1）将示波器的CH1接数字调制单元的BK，CH2接2DPSK解调单元的MU。
MU与BK同相或反相。
（2）示波器的CH2接LPF，可看到LPF与MU反相。
当一帧内BK中“1”码“0”码个数相同时，LPF的正，负极性信号与0电平对称，否则不对称。
（3）断开，接通电源若干次，使数字调制单元CAR信号与载波同步单元CAR-OUT信号同相，观察数字调制单元的BK与2DPSK解调单元的MU,LPF,BK之间的关系，再观察数字调制单元中AK信号与2DPSK解调单元的MU,LPF,BK,AK-OUT信号之间的关系。
（4）再断开，接通电源若干次，使CAR信号与CAR-OUT信号反相，重新进行步骤（3）中的观察。
在进行上述各步骤时应注意运放是一个反相放大器。
4.2FSK解调实验
示波器探头CH1接数字调制单元中的AK，CH2分别接2FSK解调单元的DW1，DW2，FD,LPF,CM及AK-OUT，观察2FSK过零检测解调器的解调过程（注意：
低通及整形2都有倒相作用）。
五、实验结果记录与分析
（一）数字基带信号实验
1.用示波器观察NRZ-OUT,为双极性非归零码。
2.K1，K2，K3全置1，则AMI码为：
HDB3码为：
3.K1，K2，K3全置0，则AMI码为：
HDB3码为：
4.将K1，K2，K3置于011100100000110000100000，则AMI码为：
实验结果与理论值01-1100-1000001-10000100000一致。
HDB3码为：
实验结果与理论值0-11-100100010-11-1000-110010一致。
综上分析：
上述的编码结果与实验结果相符，验证了实验的正确性。
5.将K1，K2，K3置于000011110000111100001111，将K4（码型选择开关）置于A端,CH1接NRZ-OUT,CH2分别接（AMI）HDB3-D,BS-R和NRZ,则
（1）NRZ-OUT与（AMI）HDB3-D波形对照：
实验结果分析：
此图为译码器输出信号与（AMI）HDB3整流输出信号的对比。
（2）NRZ-OUT与BS-R波形对照：
（3）NRZ-OUT与NRZ波形对照：
实验结果分析：
上述三个图给出了译码输出过程中的各个信号与译码器输出波形的对照。
（二）数字调制实验
1.K1，K2，K3为111101111111011111110111时，AK与BK的波形对照为：
由实验结果可知：
①绝对码至相对码的变换规律
“1”变“0”不变，即绝对码的“1”码时相对码发生变化，绝对码的“0”码时相对码不发生变化——此为信号差分码。
②相对码至绝对码的变换规律
相对码的当前码元与前一码元相同时对应的当前绝对码为“0”码，相异时对应的当前绝对码为“1”码。
2.CAR与CAR-D波形对照：
实验结果分析：
上图为2DPSK信号载波与2DPSK信号载波倒相的对比图，结果正确。
3.
（1）2DPSK-OUT与BK波形对照：
实验结果分析：
上图为2DPSK调制输出与相对码的对比图，实验结果与理论相符合。
（2）2DPSK-OUT与AK波形对照：
实验结果分析：
上图为2DPSK调制输出与绝对码的对比图，实验结果与理论相符合。
4.
（1）2ASK-OUT与AK的波形对照：
实验结果分析：
上图为2ASK调制输出与绝对码的对比图，实验结果与理论相符合。
（2）2FSK-OUT与AK的波形对照：
实验结果分析：
上图为2FSK调制输出与绝对码的对比图，实验结果与理论相符合。
（三）数字解调实验
1.BK与MU的波形对照：
实验结果分析：
上图为解调输出相对码与相乘器输出信号的图形，实验结果与理论相符合。
2.BK与LPF的波形对照：
3.使数字调制单元CAR信号与载波同步单元CAR-OUT信号同相
如下图所示
（1）BK与MU的波形对照：
实验结果分析：
若调制与解调的载波信号同相，则解调输出相对码与相乘器输出信号的图形如上。
（2）BK与LPF的波形对照：
（3）BK与BK的波形对照：
（4）AK与MU的波形对照：
（5）AK与LPF的波形对照：
（6）AK与BK的波形对照：
（7）AK与AK-OUT的波形对照：
实验结果分析：
以上为当数字调制单元CAR信号与载波同步单元CAR-OUT信号同相时，调制单元和解调单元各部分的对比，实验结果与理论相符合。
4.使CAR信号与CAR-OUT信号反相
如下图所示
（1）BK与MU的波形对照：
（2）BK与LPF的波形对照:
（3）BK与BK的波形对照：
（4）AK与MU的波形对照：
（5）AK与LPF的波形对照：
（6）AK与BK的波形对照：
（7）AK与AK-OUT的波形对照：
实验结果分析：
以上为当数字调制单元CAR信号与载波同步单元CAR-OUT信号同相时，调制单元和解调单元各部分的对比，实验结果与理论相符合。
5.
（1）AK与DW1波形对照：
（2）AK与DW2波形对照：
（3）AK与FD波形对照：
（4）AK与LPF波形对照：
（5）AK与CM波形对照：
（6）AK与AK-OUT波形对照：
实验结果分析：
以上为2FSK解调过程中的（解调输出绝对码）AK与（单稳1端信号输出）DW1，（单稳2端信号输出）DW2，（2FSK过零检测输出）FD,（低通滤波器输出）LPF,（整形输出信号的输出）CM及（解调输出信号的输出）AK-OUT的波形对比，符合理论实际。
6．思考题及总结
（一）数字基带信号
1.根据实验观察和纪录回答：
（1）不归零码和归零码的特点是什么？
（2）与信源代码中的“1”码相对应的AMI码及HDB3码是否一定相同？
答：
●不归零码特点：
脉冲宽度τ等于码元宽度Ts
归零码特点：
τ＜Ts
●与信源代码中的“1”码对应的AMI码及HDB3码不一定相同。
因信源代码中的“1”码对应的AMI码“1”、“-1”相间出现，而HDB3码中的“1”，“-1”不但与信源代码中的“1”码有关，而且还与信源代码中的“0”码有关。
举例：
信源代码100001100001000001
AMI10000-110000-1000001
HDB310001-11-100-1100010-1
2.设代码为全1，全0及011100100000110000100000，给出AMI及HDB3码的代码和波形。
答：
信息代码1111111
AMI1-11-11-11
HDB31-11-11-11
信息代码0000000000000
AMI0000000000000
HDB30001-1001-1001-1
信息代码011100100000110000100000
AMI01-1100-1000001-10000100000
HDB301-1100-1000-101-11001-1000–10
3.总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。
答：
HDB3中不含有离散谱fS（fS在数值上等于码速率）成分。
整流后变为一个占空比等于0.5的单极性归零码，其连0个数不超过3，频谱中含有较强的离散谱fS成分，故可通过窄带带通滤波器得到一个相位抖动较小的正弦信号，再经过整形、移相后即可得到合乎要求的位同步信号。
4.试根据占空比为0.5的单极性归零码的功率谱密度公式说明为什么信息代码中的连0码越长，越难于从AMI码中提取位同步信号，而HDB3码则不存在此问题。
将HDB3码整流得到的占空比为0.5的单极性归零码中连“0”个数最多为3，而将AMI码整流后得到的占空比为0.5的单极性归零码中连“0”个数与信息代码中连“0”个数相同。
所以信息代码中连“0”码越长，AMI码对应的单极性归零码中“1”码出现概率越小，fS离散谱强度越小，越难于提取位同步信号。
而HDB3码对应的单极性归零码中“1”码出现的概率大，fS离散谱强度大，于提取位同步信号。
（2）数字调制
1.设绝对码为全1、全0或10011010，求相对码。
答：
绝对码11111，00000，10011010
相对码10101，00000，11101100
或01010，11111，00010011
2.设相对码为全1、全0或10011010，求绝对码。
答：
相对码11111，00000，10011010
绝对码00000，00000，01010111
或10000，10000，11010111
3.设信息代码为10011010，载频分别为码元速率的1倍和1.5倍，画出2DPSK
及2PSK信号波形。
4.总结绝对码至相对码的变换规律、相对码至绝对码的变换规律并设计一个由相对码至绝对码的变换电路。
答：
①绝对码至相对码的变换规律
“1”变“0”不变，即绝对码的“1”码时相对码发生变化，绝对码的“0”码时相对码不发生变化。
——此为信号差分码。
②相对码至绝对码的变换规律
相对码的当前码元与前一码元相同时对应的当前绝对码为“0”码，相异时对应的当前绝对码为“1”码。
5.总结2DPSK信号的相位变化与信息代码之间的关系以及2PSK信号的相位变化与信息代码之间的关系。
答：
2DPSK信号的相位变化与绝对码（信息代码）之间的关系是：
“1变0不变”，即“1”码对应的2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信
号的末相变化180º，“0”码对应的2DPSK信号的初相与前一码元内2DPSK信号的末相相同。
2PSK信号的相位变化与相对码（信息代码）之间的关系是：
“异变同不变”，即当前码元与前一码元相异时则当前码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相变化180º。
相同时则码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相无变化。
（三）数字解调
1.绝对码为1001101，相干载波频率等于码速率的1.5倍，根据实验观察得到的规律，画出CAR-OUT与CAR同相，反相时2DPSK相干解调MU,LPF,BS,BK,AK波形，总结2DPSK克服相位模糊现象的机理（设运放无倒相作用）。
答：
波形见上面当相干载波为-cosωCt时，MU、LPF及BK与载波为cosωCt时的状态反相，但
AK仍不变（第一位与BK的起始电平有关）。
2DPSK系统之所能克服相位模糊现象，是因为在发端将绝对码变为了相对码，在收端又将相对码变为绝对码，载波相位模糊可使解调出来的相对码有两种相反的状态，但它们对应的绝对码是相同的。
2.设信息代码为1001101,2FSK的两个载频分别为码速率的四倍和两倍，根据实验观察得到的规律，画出2FSK过零检测解调器输入的2FSK波形及FD,LPF,AK波形（设低通滤波器及整形2都无倒相作用）。
答：
见前面的波形
7．实验心得
本次硬件实验中，我们做了关于数字调制与解调，还有关于AMI与HDB3编译码的实验，对此部分的知识有了更深的了解。
在本学期所学课程《通信原理》中，我们学习了相关知识理论知识，通过这次硬件实验，更加加深了对课本知识的理解，将理论运用于实践，也锻炼自己了独立思考能力以及解决问题分析问题能力。
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