通信原理指导书.docx
《通信原理指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理指导书.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
通信原理指导书
实验准备步骤
在进行通信原理实验之前，请同学们按照下面的步骤进行实验准备：
1.通过串口线、程序下载线连接PC机与实验平台；
2.打开稳压电源，调节电压输入值为12V；
3.检查电源线连接是否正确，白黑相间线连接正极，纯黑线连接负极，切勿接反；
4.连接无误后，打开实验板电源；
5.打开通信原理实验界面，如下图所示配置并打开串口；
6.将实验板上的拨码开关全部拨到ON；
7.下载程序到实验板上：
打开quartusⅡ5.0软件，选择Tools/programmer，设置HardwareSetup为ByteBlasterll[LPT1]，Mode为PassiveSerial，单击AddFile，选择文件路径E:
\实验平台程序与文档\通信原理实验平台程序与文档\FPGA\toplevel.sof，文件选择完毕后，单击Start进行程序下载，当程序下载完毕，且在实验板下载指示灯（LED后四位）未灭时，拔掉实验板上下载线，如果此过程中指示灯灭了，显示程序下载过程失败，请重新单击Start进行下载。
完成以上操作步骤后，同学们可以开始进行以下实验内容。
实验平台基础实验
实验名称：
实验平台基础实验
实验类型：
验证型
实验学时：
1学时
实验对象：
本科生
实验设备：
PC1台，通信原理实验平台1台，数字示波器1台，信号发生器1台
实验目的：
1.了解单片机在本实验平台中的作用；
2.学习C51程序的编写和调试，了解C8051F020单片机的软件配置方法，熟悉C8051F020单片机的编程环境和程序下载方法；
3.熟悉FPGA可编程芯片的特性；
4.了解FPGA器件的编程应用。
实验内容：
1.单片机及串口传输实验：
串口收发及温度测量、语音录放、用单片机实现波形发生器；
2.FPGA实验：
练习编写简单的时钟分频器和m序列生成程序。
实验步骤：
通信原理实验界面，选择基础实验，开始以下实验步骤：
串口收发及其测温实验
1.点击测温按钮，查看并分析实验结果；
2.发送两位16进制数字，观察LED的变化是否与设定值相同；
3.改变拨码开关并接收数据，查看并分析返回数值。
单片机波形发生器实验
1.填入合适的峰峰值和频率值，选择要生成的波形，单击开始；
2.用示波器观察TP13点的输出波形。
语音录放实验
1.将语音输入接到MK，听经过语音传送处理后的喇叭输出效果；
2.用示波器测量TP2的波形，调整W11使信号的幅度在1～2V之间，调整W3控制功放输出声音信号的大小；
3.将语音输入接到MK，发送“录音”命令，再发送“播放录音”命令，收听播放的效果。
实验结果：
1.整理实验数据，画出各测试点的波形。
直接数字频率合成和数字调制实验
实验名称：
直接数字频率合成和数字调制实验
实验类型：
验证型
实验学时：
2学时
实验对象：
本科生、硕士研究生
实验设备：
PC1台，通信原理实验平台1台，数字示波器1台
实验目的：
1.了解DDS的基本工作原理；
2.掌握频率合成与ASK、FSK、BPSK、DPSK、MSK的基本原理并通过DDS实现。
实验内容：
1.DDS频率合成实验：
设置DDS产生不同频率的正弦波，测量DDS输出的波形，并观察DDS所能生成正弦波的最高频率；
2.FSK，BPSK，DPSK，ASK，MSK调制实验：
从计算机中选择不同的调制方式，测量调制后的波形，并与输入的数字信号相比较，从而对各种调制方式有个直观的认识。
在此基础上，分析各种调制方式的频谱特性和误码性能。
实验原理：
频移键控FSK
数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。
数字调频又称移频键控FSK，利用载频频率变化来传递数字信息。
数字调频又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，则它们之间相位互不相关，这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，只是对其中一个进行分频，则这样产生的载频是相位连续的数字调频信号。
DDS在实现频率变换的时候可以实现相位连续，这也是DDS的优点之一。
在用DDS实现FSK的过程中，FPGA判断输入的基带信号为0或1，对二者分别产生不同的控制信号，对AD9850的40位寄存器中的32位频率控制字写入不同的值，产生不同频率的正弦波信号，从而构成已调的FSK信号。
二相BPSK（DPSK）调制
数字相位调制又称移相键控，它利用载波相位变化传递数字信息，所传输的数字基带信号控制载波相位的改变，而载波幅度和频率都不变，这样就得到了载波相位发生变化的已调信号。
通常又将移相键控分为绝对相移（BPSK）和相对相移（DPSK）两种方式。
绝对相移就是利用载波不同相位绝对值传递信息。
相对相移就是载波相位相对值来传递信息，也就是利用前后码元载波相位的相对变化传递信息。
理论分析和实际实验证明，在恒参信道下，移相键控比振幅键控、频率键控不仅具有较高的抗干扰性能，且可更经济有效地利用频带。
所以它是一种较优越的调制方式，在实际中得到了广泛的应用。
DPSK调制是采用码型变换法加绝对调相来实现，即把数据信息源作为绝对码序列
，通过差分编码器变成相对码序列
，然后再用相对码序列进行绝对移相键控，则此时调制的输出就是DPSK已调信号，见下图：
图DPSK调制
在用DDS实现BPSK的过程中，FPGA判断输入的基带信号为0或1，对二者分别产生不同的控制信号，对AD9850的40位寄存器中的5位相位控制字写入不同的值，产生相同频率而相位分别变0相和
相的正弦波信号，从而构成已调的BPSK信号.在实现DPSK时，首先将输入的基带信号进行差分编码，得到相对码序列，然后再用相对码序列进行绝对移相键控，后续操作与实现BPSK的过程完全相同。
幅度键控ASK
二进制幅度键控（ASK）又被称为通断键控，是用数字信号对载波进行幅度调制，当输入信号为1时输出载波信号，为0时断开载波信号，输出0。
ASK调制可以采用模拟法和键控法来实现，如下图所示：
图ASK调制原理框图
在用DDS实现FSK的过程中，FPGA判断输入的基带信号为0或1，若为1，则设定AD9850的40位寄存器中的电源休眠位为1，从而输出设定频率的正弦波，如果基带信号为0，则设定电源休眠位为0，使得DDS的输出为0，从而实现正确的ASK调制。
最小频移键控MSK
最小频移键控追求信号相位路径的连续性，是二进制连续相位FSK（CPFSK）的一种。
最小频移键控中的“最小”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数h=0.5获得正交的调制信号。
MSK又称快速频移键控（FFSK），“快速”二字指的是这种调制方式对于给定的频带，它能比2PSK传输更高速的数据。
2FSK一般表达式为：
其中：
A为常数，是时间t的连续函数。
载频为：
频偏为：
频率调制指数为：
其中
为码元速率。
在FSK中，两个频移信号的相关性与h的选取有关。
相关系数为0的条件下，最小的h值为0.5。
h=0.5时，CPFSK称为最小频移键控，记为MSK，表示两个频移调制信号正交时的最小频差。
此时调制信号占用的带宽最小。
MSK信号的表达式为：
两个工作频率
相对中心参考频率
的频移
为信息比特速率
的四分之一，即
一码元周期载波相位的变化为：
，
时相位增加
时相位减小
。
在用DDS具体实现MSK时跟实现FSK的过程完全一样，只不过在设定两个频率时要满足
，
，两个工作频率相对于中心参考频率
的频移为信息比特速率
的四分之一。
实验步骤：
通信原理实验界面，选择基础实验，开始以下实验步骤：
DDS频率合成实验
1.进入数字调制技术界面，选择直接数字频率合成；
2.在左方文本框中填入合适的频率值并发送；
3.用示波器观察TP35的DDS输出波形，修改输入值，观察DDS所能产生的最大频率和最小频率。
FSK调制实验
1.在两个文本框中分别填写合适的频率值并发送；
2.用示波器观察TP35的波形，验证是否为原输入信号相对应的FSK信号。
BPSK、DPSK、ASK调制实验操作均同FSK操作
实验结果：
整理实验数据，画出各测试点的波形。
实验思考题：
2.简要分析用DDS方法进行频综的优缺点；
3.简要分析各调制方式的优缺点，比如频谱特性，抗误码性能等。
FSK解调实验
实验名称：
FSK解调实验
实验类型：
综合型+设计型
实验学时：
3学时
实验对象：
本科生、硕士研究生
实验设备：
PC1台，通信原理实验平台1台，数字示波器1台
实验目的：
1.理解FSK的PLL解调原理；
2.学习FSK系统的性能及使用。
实验内容：
1.利用DDS实现FSK调制；
2.利用锁相环进行FSK信号的解调。
实验原理：
FSK解调电路主要使用集成锁相环芯片NE564。
电路中FSK输入信号通过双刀三掷开关来选择DDS的输出、高速DA的输出或外部信号源。
解调输出与FPGA相连，便于用户对解调结果在FPGA内进行进一步处理。
DDS芯片AD9850已在“数字调制与解调实验”中进行了介绍，它内部有一个比较器，该比较器有输入信号和比较电平。
本电路中将DDS的正弦波输出再输入给比较器，通过比较器转换为方波，方波又输入到FPGA，由FPGA进行再次处理。
而DDS的正弦波和方波输出又可以通过开关选择作为数字解调、ADC、锁相环等单元的输入。
实验步骤：
通信原理实验界面，选择基础实验，开始以下实验步骤：
1.从界面选择“数字调制技术/FSK”，在两个文本框中分别填入2MHz、4MHz，单击发送；
2.将开关S21拨到a；
3.调解可变电容C90，用示波器观察TP28，使其中心震荡频率为3.6MHz左右；
4.观察解调输出TP31是否为1KHz方波信号，调节W6和W7，使TP31趋于正规的1KHz方波信号；
5.用双踪示波器观察TP32（FSK输入信号）、TP30（FSK解调输出，未经施密特整形）和TP31（FSK解调输出，经过施密特整形）的波形。
实验结果：
整理实验数据，画出各测试点的波形。
实验思考题：
简述利用锁相环进行FSK解调的原理。
PAM系统实验
实验名称：
PAM系统实验
实验类型：
验证型+设计型
实验学时：
2学时
实验对象：
本科生、硕士研究生
实验设备：
PC1台，通信原理实验平台1台，数字示波器1台，信号发生器1台。
实验目的：
1.验证抽样定理；
2.了解PAM信号形成的过程；
3.了解混迭效应形成的原因。
实验内容：
观察信号采样、信号重建和信号混叠的波形现象，观察自然采样和平顶采样信号的区别。
实验原理：
1.PAM传输原理
利用抽样脉冲把连续信号变成离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。
对于语音信号，通常将其通过一个3400Hz的低通滤波器（或通过一个300～3400Hz的带通滤波器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这样根据低通抽样定理，就可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示原始语音信号。
在实际中，冲激信号是无法产生的，因此用窄脉冲去代替冲激信号，来实现自然抽样或平顶抽样。
二者区别如下：
自然抽样
平顶抽样
时域
表达式
频域
表达式
其中，
为
C（t）展成付氏级数的系数
2.二阶有源滤波器的设计
本实验电路采用二阶有源巴特沃斯带通滤波器。
该带通滤波器是由一个巴特沃斯低通滤波器和一个巴特沃斯高通滤波器串连组成的。
下图是二阶有源巴特沃斯低通滤波器的典型电路和幅频特性图。
其中：
幅频响应为：
其中：
。
当Q=0.707时，此为巴特沃斯滤波器。
下图是二阶有源高通滤波器的典型电路和幅频特性图。
其中：
幅频相应为：
其中：
。
当Q=0.707时，此为巴特沃斯滤波器。
3.实验电路原理
在本实验中，抽样频率为8kHz，并且用频率为f的正弦信号来代替实际语音信号。
通过改变改变f，观察抽样序列和低通滤波器的输出信号，以验证抽样定理的正确性。
本实验具体框图如下图所示。
输入信号（麦克输入、外加正弦信号或DAC0的输出）经放大和带通滤波（可选择是否滤波）后，由抽样时钟完成对信号的抽样，形成抽样序列信号，再经过带通滤波重建原来的输入信号。
开关方向说明：
S23：
拨向a，输入信号选择外加正弦信号，拨向b，输入信号选择DAC0的输出信号，本实验采用外接正弦信号为输入信号，故S23拨向a；
S15：
用来选择信号是否通过带通滤波器。
S15拨向b，信号经过带通滤波器；拨向a为不经过带通滤波器，目的是观测混迭现象；
S11：
用来选择是PAM还是PCM采样。
S11拨向a信号送入单片机的AD转换器，拨向b信号输入PAM采样模块。
本实验应拨向b；
S8：
为抽样脉冲选择开关，拨向a，抽样脉冲为PAM_CLK（FPGA输出），拨向b抽样脉冲为DDSOUT1（DDS方波输出）。
运放U25A、U25B（TL084）和周边阻容器件组成输入信号放大控制电路，调节电位器W11可以调整信号的幅度。
R102、R35和C93构成取样保持电路。
将开关S9拨向a，即与解调低通（带通）滤波器相连。
运放U6A、U6B（TL082）和周边阻容器件组成一个3dB带宽为300～3400Hz的带通滤波器，用来恢复原始信号。
开关S2用选择带通滤波器的输入，S2拨向a则DAC1的输出作为带通滤波器的输入，拨向b则PAM信号会作为输入。
所以本实验应拨向b。
实验步骤：
通信原理实验界面，选择，开始以下实验步骤：
自然采样信号的观测
1.选择实验界面语音编码技术\PAM实验，设置频率为8KHz，产生窄脉冲信号，并将开关S8拨向a，用示波器观测TP10点的采样脉冲信号；
2.将选择开关S23拨向a（语音输入单元采用外部信号输入）；将信号源产生的频率为1000Hz、Vp_p=2V的正弦信号接入“MK”；
3.将选择开关S15拨向b（对语音输入信号进行300Hz-3400Hz的带通滤波）；将选择开关S11拨向b（将语音信号送给PAM单元），用示波器观察TP9波形，调整W11使TP9信号的Vp_p=2V；
4.将抽样时钟模式开关S9拨向a（接通自然采样电路），选择开关S2拨向b；
5.用示波器同时观测正弦波输入信号TP9和自然抽样脉冲序列信号TP11，观测时以TP9作同步，挑中示波器同步电使抽样序列与输入测试信号基本同步。
测量抽样序列信号与正弦波输入信号的对应关系。
自然采样重建信号观测
1.PAM信号经过语音输出单元300Hz-3400Hz的带通老滤波调解，TP17为重建信号输出测试点。
保持测试信号不变，用示波器同时观测重建信号输出和正弦波输入信号，观测时以TP9输入信号作同步。
平顶采样信号的观测
1.采用与“自然采样信号的观测”中相同的方法来观测平顶采样信号，不同的是需要选择FPGA输出的8KHz窄脉冲位采样脉冲，并把采样输出接到保持电路（即把S8拨向a，把S9拨向b）。
信号混迭观测
1.当属入信号频率高于4KHz（1/2抽样频率）时，重建信号将出现混迭效应。
观测时，将选择开关S15拨向a，S2拨向a，同时将输入信号频率逐步增加到6KHz，用示波器观测重建信号的波形。
注意观察输入信号鱼重建信号波形的变化是否对应一致，分析测量结果。
实验结果：
整理实验数据，画出各测试点的波形。
实验思考题：
1.简要分析自然采样、平顶采样的区别；
2.当fs〉2fh和fs〈2fh时，低通滤波器输出的波形是什么？
总结一般规律。
PCM系统实验
实验名称：
PCM系统实验
实验类型：
验证型+设计型
实验学时：
3学时
实验对象：
本科生、硕士研究生
实验设备：
PC1台，通信原理实验平台1台，数字示波器1台
实验目的：
1.加深对PCM编译码过程的理解；
2.掌握PCM系统的工作过程；
3.掌握PCM编码时分复用原理。
实验内容：
设计相应的实验模块，实现模拟信号采样、量化、A律压缩、时分复用和解复用。
实验原理：
1.PCM基本工作原理
脉冲调制脉冲调制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传输。
简单说，脉冲调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程。
所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，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。
其抽样频率的下限是由抽样定理确定的。
所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，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。
其中量化分均匀量化跟非均匀量化两种。
为了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，详细内容在“对数PCM与线性PCM码变换”部分说明。
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/数变化，可记作A/D。
PCM通信系统的组成方框图如下图所示。
模拟信号经过抽样和量化以后，可以得到一系列输出，它们共有Q个电平状态。
当Q比较大时，如果直接传输Q进制的信号，其抗噪声性能将会是很差的，因此，通常在发射端通过编码器把Q进制信号变换为k位二进制数字信号。
而在接收端将收到的二进制码元经过译码器再还原为Q进制信号。
2.对数PCM与线形PCM码之间的变换
在PCM中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码（又称格雷码）。
自然码是大家最熟悉的二进制码，从左至右其权值分别为8、4、2、1，故有时也被称为8-4-2-1二进制码。
而折叠码是目前A律13折线PCM30/32路设备所采用的码型。
这种码是由自然二进码演变而来的，除去最高位，折叠二进码的上半部分与下半部分呈倒影关系（折叠关系）。
上半部分最高位为0，其余各位由下而上按自然二进码规则编码；下半部分最高位为1，其余各位由上向下按自然码编码。
我国采用13折线法进行编码。
在13折线法中，无论输入信号是正还是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。
若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值时，其中用第一位表示量化值的极性，其余7位（第二位至第八位）则可表示抽样量化值的绝对大小。
具体做法是：
用第二至第四位（段落码）的8种可能状态来分别代表8个段落，其它4位码（段内码）的16种可能状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。
根据上述分析，用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如下：
第1位码
的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。
从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码
不同外，其余几位码是完全一样的。
因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。
这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。
第2位至第4位码即
称为段落码，因为8段折线用3位码就能表示。
被称为段内码，每一段中的16个量化级可以用这4位码表示。
下表是A律PCM与线性PCM的变化关系：
表A律PCM与线性PCM的变化关系
段
落
号
非线性码
线性码
起始
电平
段落码
M2
M3
M4
段内码权值（Δ）M5M6M7M8
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
B9
B10
B11
B12
10
24
51
2
25
6
12
8
64
32
16
8
4
2
1
1/2
8
1024
111
512
256
128
64
1
M5
M6
M7
M8
1*
7
512
110
256
128
64
32
0
1
M5
M6
M7
M8
1*
6
256
101
128
64
32
16
0
0
1
M5
M6
M7
M8
1*
5
128
100
64
32
16
8
0
0
0
1
M5
M6
M7
M8
1*
4
64
011
32
16
8
4
0
0
0
0
1
M5
M6
M7
M8
1*
3
32
010
16
8
4
2
0
0
0
0
0
1
M5
M6
M7
M8
1*
2
16
001
8
4
2
1
0
0
0
0
0
0
1
M5
M6
M7
M8
1*
1
0
000
8
4
2
1
0
0
0
0
0
0
0
M5
M6
M7
M8
1*
表中1*项为收端解码时的补差项，在发端编码时，该项均为零
本次实验首先通过单片机的ADC对输入信号采样得到12位数据，这是均匀量化后的结果。
然后将这12位数据通过FPGA中的A律编码单元压缩为8位数据，实现线性码到非线性码的转换，将这八位数据送到PCM采编单元进行并串转换后在信道中传输。
3.时分多路复用（TDM）工作原理
在数字通信中，PCM、△M、DPCM或者其它模拟信号的数字化传输，一般都采用时分复用方式来提高信道的传输效率。
时分复用的主要特点是利用不同时隙在同一信道传输各路不同信号。
TDM方法有两个突出的优点:
（1）多路信号的复合与分路都是数字电路，比FDM（频分复用）的模拟滤波器分路简单、可靠。
（2）信道的非线性会在FDM系统中传送交调失真与高次谐波，引起路际串话，因此对信道的非线性失真要求很高，而TDM系统的非线性失真要求可降低。
采用TDM制的数字通信系统，在国际上已逐步建立起标准。
原则上是先把一定路数的电话语音复合成一个标准数据流（称为基群）,然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术汇合成更高速的数据信号。
按传输速率不同，分别称为基群、二次群、三次群、四次群等。
每一种群路可以用来传送多路电话，也可以用来传送其它相同速率的数字信号。
国际上通用的PCM有两种标准:
PCM30/32路与PCM24路，两者编码规则与帧结构都相同。
在PCM30/32路基群中，一帧共有32个时隙，每路话音信号抽样速率为8000Hz,则PCM30/32路系统总的信息传输速率为Vb=8000（帧/秒）*32（时隙/帧）*8（比特/时隙）＝2.048Mb/s。
4.实验设计
FPGA中实现了PCM采编器，其提供8KHz的帧定时信号，输出给单片机，每一个帧定时信号的上升沿触发单片机进行一次采样，采样结果是12位的自然码数据，输出给FPGA模块，FPGA模块将其转换为12位的折叠码并进行A律压缩编码，成为8位数据，提供给PCM采编器模块。
PCM采编模块可以采集多路数据并进行通信传输和数据处理，通过控制采集各个数据通道数据的时序，并加上帧同步码形成一定格式的数据，进行并/串转换，形成串行数据后送到调制设备上发送，在信道中传输。
目前所提供的模块中可以采集30路数据，与两个字节的
升级会员 