CPLD可编程数字信号发生器通信原理实验正文.docx

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CPLD可编程数字信号发生器通信原理实验正文

实验一CPLD可编程数字信号发生器实验

实验项目名称：

CPLD可编程数字信号发生器

实验项目性质：

验证性

所属课程名称：

数字通信原理

实验计划学时：

2

一、实验目的

1．熟悉各种时钟信号的特点及波形

2．熟悉各种数字信号的特点及波形

二、实验电路的工作原理

1、CPLD可编程模块电路的功能及电路组成

图2-1是CPLD可编程模块的电路图。

CPLD可编程模块（芯片位号：

U101）用来产生实验系统所需要的各种时钟信号和数字信号。

它由CPLD可编程器件ALTERA公司的EPM7128（或者是Xilinx公司的XC95108）、编程下载接口电路（J101）和一块晶振（OSC1）组成。

晶振用来产生系统内的16.384MHz主时钟。

本实验要求参加实验者了解这些信号的产生方法、工作原理以及测量方法，才可通过CPLD可编程器件的二次开发生成这些信号，理论联系实践，提高实际操作能力。

2、各种信号的功用及波形

CPLD型号为EPM7128由计算机编好程序从J101下载写入芯片，OSC1为晶体，频率为16.384MHz，经8分频得到2.048MHz主时钟，面板测量点与EPM7128各引脚信号对应关系如下：

SP1012048kHz主时钟方波对应U101EPM712811脚

SP1021024kHz方波对应U101EPM712810脚

SP103512kHz方波对应U101EPM71289脚

SP104256kHz方波对应U101EPM71288脚

SP105128kHz方波对应U101EPM71286脚

SP10664K方波对应U101EPM71285脚

SP10732K方波对应U101EPM71284脚

SP10816K方波对应U101EPM712881脚

SP1098K方波对应U101EPM712880脚

SP1104K方波对应U101EPM712879脚

SP1112K方波对应U101EPM712877脚

SP1121K方波对应U101EPM712876脚

SP113PN32K32kHz伪随机码对应U101EPM712875脚

SP114PN2K2kHz伪随机码对应U101EPM712874脚

SP115自编自编码波形，波形由对应U101EPM712873脚

J102开关位置决定

SP116长0长1码码形为1、0连“1”对应U101EPM712870脚与1、0连“0”码

SP117X绝对码输入对应U101EPM712869脚

SP118Y相对码输出对应U101EPM712868脚

SP119F808kHZ时隙取样脉冲对应U101EPM712812脚

此外，取样时钟、编码时钟、同步时钟、时序信号还将被接到需要的单元电路中。

图1-1CPLD可编程模块电路图

PN32kHz、PN2kHz伪随机码的码型均为111100010011010，不同的是码元宽度不一样，PN2kHz的码元宽度S＝1/2K＝0.5ms，PN32kHz的码元宽度S＝1/32k=0.03125ms。

注：

本实验平台中所有数字信号都是由同一个信号源OSC1分频产生，所以频率相同或者频率成倍数关系的数字信号，都有相对固定的相位关系。

三、实验内容

1．熟悉通信原理实验系统电路组成。

2．熟悉信号发生器各测量点信号波形。

3．测量并分析各测量点波形及数据。

四、实验（设计）仪器设备和材料清单

TLS-T302通信原理实验箱一台、20M双踪模拟示波器一台、铜铆孔连接线若干、电源线一根。

五、实验步骤

本次实验使用了实验平台中“数字信号源模块”，平台中的GND为接地点，所有GND都已连接在一起。

测量各点波形前请先关闭电源，接好示波器探头后再开启实验箱右侧的电源开关，探头的地线夹子应先接地。

1、记录波形和相关数据。

用探头CH1:

CH2同时测量以下各点，同时记录其波形和频率（SP101:

SP102，SP101:

SP103，SP106:

SP107，SP107:

SP108，SP110:

SP111）。

用CH1:

CH2同时测量SP113:

SP107，调节示波器观察并记录32KHZ伪随机码（SP113）的15个码的码型，计算出32KHZ伪随机码的周期和码元宽度。

用CH1:

CH2同时测量SP114:

SP111，调节示波器观察并记录2KHZ伪随机码（SP114）的15个码的码型，计算出2KHZ伪随机码的周期和码元宽度，同时指出32KHZ伪随机码（SP113）与2KHZ伪随机码（SP114）之间的联系和区别。

用CH1:

CH2同时测量SP119:

SP109，调节示波器观察并记录8KHZ时隙取样脉冲信号的波形和频率。

用示波器的一个探头连接SP115，调节CPLD芯片右侧的8个白色小开关时，观察并描述波形有何变化。

用示波器的一个探头连接SP116，观察并记录长0长1码（SP116）的波形。

六、各测量点波形说明

以下信号均由CPLD可编程器件EPM7128芯片编程产生并送往各测量点。

SP101:

2048KHZ的时钟信号,用于PCM编码主时钟信号，该点波形为将来做识字程控交换实验打下基础.

SP102：

1024KHz的时钟信号，作为PSK调制模块中产生载频信号用。

SP103：

512Hz的时钟信号。

SP104：

256KHz的时钟信号。

SP105：

128KHz的时钟信号，作为FSK调制模块中产生载波信号用。

SP106：

64KHz的时钟信号，作为FSK调制模块中产生载波信号用。

SP107：

32KHz的时钟信号，可用于观察32KHZ伪随机码眼图使用。

SP108：

16KHz的时钟信号。

SP109:

8KHz的时钟信号，抽样定理实验中抽样时钟信号。

SP110:

4KHz的时钟信号.

SP111:

2KHz的时钟信号

SP112:

1KHz的时钟信号.

SP113:

15位的伪随机序列码，码元速率为32Kb/S，码型为111100010011010。

该波形用来输岀到PSK调制等模块单元，作为数字基带信号。

SP114：

2KHz伪随机码

SP119：

8KHZ时隙取样脉冲信号，用于PCM实验中的脉冲时钟信号。

七、实验报告要求

1．理解伪随机码SP113的32Kb/S、SP114的2KHz的概念。

2．根据实验测试记录，画出SP101:

SP102，SP101:

SP103，SP106:

SP107，SP107:

SP108，SP110:

SP111，SP113:

SP107，SP114:

SP111，SP116。

实验二各种模拟信号源实验

实验项目名称：

各种模拟信号源

实验项目性质：

验证性

所属课程名称：

数字通信原理

实验计划学时：

2

一、实验目的

1．熟悉各种模拟信号的产生方法及其用途

2．观察分析各种模拟信号波形的特点。

二、电路工作原理

模拟信号发生器电路用来产生实验所需的各种音频信号：

同步正弦波信号、非同步简易正弦波信号、话音信号、音乐信号等。

1、同步信号源

同步信号源用来产生与编码数字信号同步的2KHz正弦波信号，可作为抽样定理PAM、增量调制CVSD编码、PCM编码实验的输入音频信号。

在没有数字存贮示波器的条件下，用它作为取样及编码实验的输入信号，可在普通示波器上观察到稳定的取样及编码数字信号波形。

图2-1同步信号源电路图

2、非同步信号源

图2-2非同步信号源电路图

非同步正弦波信号源是一个简易信号发生器，它可产生频率为0.3～10KHz的可调正弦波信号，输出幅度为0～10V（一般使用范围0～4V）且幅度由VR204连续可调。

在没有数字存贮示波器的条件下，用它作为取样及编码实验的输入信号，可在普通示波器上观察到稳定的取样及编码数字信号波形。

3、音乐信号源

图2-3音乐信号源电路图

音乐信号产生电路用来产生音乐信号送往音频终端电路，以检查话音信道的开通情况及通话质量。

音乐信号由U203音乐片厚膜集成电路产生。

图2-4音频功率放大器电路图

4、音频功率放大器

音频功率放大器采用LM386单片集成功放，模拟信号从SP207引入，VR调节音量，J204控制与喇叭的连接，当J204的1、2连接时，喇叭接通；2、3连接时喇叭断开。

三、实验内容

1．用示波器在相应测试点上测量各点波形：

同步信号源、非同步信号源、音乐信号源。

2．熟悉上述各种信号的产生方法、来源及去处，了解信号流程。

四、实验（设计）仪器设备和材料清单

TLS-T302通信原理实验箱一台、20M双踪模拟示波器一台、铜铆孔连接线若干、电源线一根。

五、实验步骤

本实验平台中的GND为接地点，所有GND都已连接在一起。

连线时或测量各点波形前请先关闭电源，接好连接线和示波器探头后再开启实验箱右侧的电源开关，探头的地线夹子应先接地.

（一）同步信号源实验

1、连接SP111和SP201，将CPLD产生的2KHz方波信号（SP111）送入同步信号电路（SP201）；

2、记录波形和相关数据。

用探头CH1:

CH2同时测量TP201:

TP202，同时记录其波形、峰峰值和频率。

测量同步正弦波信号时可能出现失真，失真原因及改正方法:

信号出现底部失真,可通过调节电位器VR201来改正.

（二）非同步信号源实验

1、观察波形和相关数据。

用示波器的一个探头连接TP203，分别调节VR202、VR203、VR204，观察与指出波形有何变化规律。

（三）音频功率放大实验

1、将音乐信号源（SP204）连接到音频功率放大器的输入端（SP207），触发SW201，可将音乐信号从喇叭中播放出来（将J203的1-2、J204的1-2连通），同时调节VR205。

2、观察波形变化并记录数据。

用示波器的一个探头连接TP206，通过示波器观察音乐信号的频率变化范围，记录此范围。

用探头CH1:

CH2同时测量TP206:

TP207的频谱图，观察音乐信号（TP206）经过低通滤波后（TP207）的信号频谱的细微变化，描述此变化。

用探头CH1:

CH2同时测量TP207:

TP208，调节VR205，观察两测量点信号的变化，结合电路图分析并解释调节VR205所产生变化的原因。

3、将信号SP108、SP110、SP111、SP112分别由相应铜铆孔输出，通过连接线接入SP207铜铆孔，此时有些信号可由喇叭输出，而有些信号无法从喇叭中输出，试解释其原因。

六、模拟信号源模块有关器件接口介绍：

TP201：

2KHz方波，由EPM7128芯片编程产生。

TP202：

同步正弦波输出，频率2KHz;

TP203：

非同步信号输出，一般使用范围300Hz～3.4KHz;

TP204：

音乐信号输出，SW201触发后产生;

SP207：

功放输入;

SW201：

音乐信号触发开关（有些无需触发）

电位器调节：

VR201：

同步正弦波信号幅度调节;

VR202：

非同步正弦信号频率调节;

VR203：

非同步正弦信号占空比调节（某些型号不可调节）。

VR204：

非同步正弦信号幅度调节;

VR205：

功放放大幅度调节。

七、实验报告要求

1．分析电路图2-1、图2-2、图2-4的实现原理，简述其工作过程。

2．画出实验步骤中所记录的波形，并回答实验步骤中所提出的问题。

3．写出本实验的心得体会，对本实验有什么要求与意见提出来。

实验三抽样定理与PAM调制解调实验

实验项目名称：

抽样定理与PAM调制解调

实验项目性质：

验证性实验

所属课程名称：

数字通信原理

实验计划学时：

2

一、实验目的

1、通过对模拟信号抽样的实验,加深对抽样定理的理解。

2、通过PAM调制实验，使学生能加深理解脉冲幅度调制的特点。

3、通过对电路组成、波形和所测数据的分析，了解PAM调制方式的优缺点。

二、实验电路的工作原理

取样也称抽样、采样，是把时间连续的模拟信号变换为时间离散信号的过程。

抽样定理是指:

一个频带限制在（0,fH）赫内的时间连续信号m（t）,如果以T≦1/2fH秒的间隔对它进行等间隔抽样,则m（t）将被所得到的抽样值完全确定.根据取样脉冲的特性，取样分为理想取样、自然取样（亦称曲顶取样）、瞬时取样（亦称平顶取样）；根据被取样信号的性质，取样又分为低通取样和带通取样。

虽然取样种类很多，但是间隔一定时间，抽取连续信号的样值，把信号从时间上离散，这是各种取样共同的作用。

取样是模拟信号数字化及时分多路的理论基础。

抽样定理和脉冲幅度调制系统框图如图3-1所示,实验电原理图如图3-2所示，由输入电路、高速电子开关电路、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3-1脉冲振幅调制电路原理框图

取样电路是用4066模拟门电路实现。

当取样脉冲为高电位时，取出信号样值；当取样脉冲为低电位，输出电压为0，这样便完成了取样。

本电路属低通信号的自然取样。

根据取样定理，取样后的信号还原为原信号要通过理想低通滤波器，本滤波电路系统用有源低通滤波器代替理想低通滤波器完成还原。

三、实验内容

1．抽样定理实验

2．脉冲幅度调制PAM与系统实验。

四、实验（设计）仪器设备和材料清单

TLS-T302通信原理实验箱一台、20M双踪模拟示波器一台、铜铆孔连接线若干、电源线一根。

图4-2抽样定理实验电路图

五、实验步骤

（一）抽样与PAM调制解调实验

1、连线（连线时或测量各点波形前请先关闭电源）

将2KHZ的方波（SP111）送入同步信号源的输入端（SP201）,然后将产生的正弦波信号（SP202）连接到抽样电路的输入端（SP301）。

SP302接入一个16KHZ抽样时钟信号SP108。

连接SP303和SP306，将抽完样的信号（SP303）送入PAM解调电路的输入端（SP306）。

2、记录波形和相关数据

用探头CH1:

CH2同时测量以下各点，同时记录其波形、峰峰值和频率（TP301:

TP302，TP301:

TP303，TP303:

TP304）。

将SP302分别接入不同频率的抽样时钟信号（8KHZ方波信号SP109、4KHZ方波信号SP110），重复步骤1、2。

观察当抽样频率不同时，各测量点的波形的变化。

（二）音乐信号源的PAM调制解调实验

1、连线（连线时或测量各点波形前请先关闭电源）

连接SP204与SP301、SP303与SP306、SP305与SP207，，将SP302分别接入不同的抽样时钟信号频率（SP108-SP112），听辨音乐信号的质量变化，指出随着抽样频率的变化，音乐信号的质量变化情况。

六、各测量点波形说明

TP301：

模拟信号输入，信号幅度不宜过大。

若幅度过大，抽样信号的波形就会失真，因此需调整送入的模拟信号的峰峰值（在1.5-2V之间）。

方法是：

调整相应的模拟信号输入,建议采用同步正弦波作为输入信号。

TP302：

抽样时钟信号输入。

其抽样时钟波形自行选择输入，有16KHz方波、8KHz方波、4KHz方波。

TP303：

抽样信号输出。

由于信号经过放大和滤波等电路，输出与输入波形有延时或放缩，关系式为：

Ｓ（t）=k×S（t+△t）.

TP304：

PAM解调输出。

七、实验报告要求

1．分析电路图4-2的工作原理，叙述其工作过程。

2．画出实验步骤中所记录的波形，并回答实验步骤中所提出的问题。

实验四脉冲编码调制PCM

实验项目名称：

脉冲编码调制PCM

实验项目性质：

验证性

所属课程名称：

数字通信原理与技术

实验计划学时：

3

—.实验目的

1.加深对PCM编码过程的理解。

2.熟悉PCM编、译码专用集成芯片的功能和使用方法。

3.了解PCM系统的工作过程。

二.实验电路工作原理

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。

脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，量化、编码的过程。

所谓抽样，就是在抽样脉冲来到的时刻提取对模拟信号在该时刻的瞬时值，抽样把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

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。

图4-1PCM原理框图

在编码电路中，它要经过取样、量化、编码，如图4-2所示。

到底在什么时候被取样，在什么时候输出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、低通滤波、放大，最后输出模拟信号，把这两部分集成在一个芯片上就是一个单路编译码器。

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。

另一种是A律十三折线非线性交换法，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码是在一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，即在一个PCM帧里只有一个由它自己的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。

我们定义为FSx和FSr，它的周期和PCM的周期要相同，都为125μS，这样，每来一个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4－2A/D及D/A电路框图

PCM编译码电路主要由芯片TP3067及外围电路构成。

每个TP3067芯片U401含有一路PCM编码器和一路PCM译码器。

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；PCM码被接收到译码电路后经过译码、低通滤波、放大，最后输出模拟信号，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。

图4-3TP3067逻辑方框图

图4-4TP3067管脚排列图

TP3067管脚排列引脚符号与功能说明

符号功能

VPO+：

接收功率放大器的同相输出；

GNDA：

模拟地，所有信号均以该引脚为参考点；

VPO-：

接收功率放大器的倒相输出；

VPI：

接收功率放大器的倒相输入；

VFRO：

接收滤波器的模拟输出；

VCC：

正电源引脚，VCC=+5V士5%；

FSR：

接收帧同步脉冲，FSR为8kHz脉冲序列；

DR：

接收帧数据输入，PCM数据随着FSR前沿移入DR；

BCLKR\CLKSEL：

在FSR的前沿后把数据移入DR的位时钟，其频率可从64kHz～2.048MHz；

MCLKR\PDN：

接收主时钟，其频率可以为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz；

MCLKX：

发送主时钟，其频率可以是1.536MHz，1.544MHz或2.048MHz；

BCLKX：

PCM数据从DX上移出的位时钟，频率从64kHz～2.048MHz，必

须与MCLKX同步；

DX：

由FSX启动的三态PCM数据输出；

FSX：

发送帧同步脉冲输入，它启动BCLKX并使DX上PCM数据移到DX上；

ANLB：

模拟环路控制输入，在正常工作时必须置为逻辑“0”；

GSX：

发送输入放大器的模拟输出。

用来在外部调节增益；

VFXI-：

发送输入放大器的倒相输入；

VFXI+：

发送输入放大器的非倒相输入；

VBB：

负电源引脚，VBB=-5V±5%。

图4-5PCM电路原理图

三、实验内容

1、用同步正弦波信号观察PCM八比特编码的实验；

2、脉冲编码调制（PCM）及系统实验；

四、实验（设计）仪器设备和材料清单

TLS-T302通信原理实验箱一台、20M双踪模拟示波器一台、铜铆孔连接线若干、电源线一根。

五、实验步骤

1、连线（连线时或测量各点波形前请先关闭电源）

SP201连接SP111,SP401接入模拟信号源（SP202:

2KHZ的正弦波），SP405接入主时钟信号（SP101：

2048KHz）；SP408接入发时序/收时序的取样脉冲信号（SP119：

8KHZ脉冲）；SP407接入的编/译码时钟信号（SP101：

2048KHZ）。

2、记录波形和相关数据

用探头测量以下各点，记录其波形和频率:

TP401:

TP408，TP405:

TP407，TP406:

TP402；用示波器的两个探头同时测量TP407:

TP402,记录波形,同时测量并记录TP402的单个码元的码元宽度；同时测量TP408:

TP402,记录TP402在一个信源周期（0.5ms）里的4个抽样点所对应的PCM编码信号的8bit组合；测量并记录TP401:

TP404的波形和时延差.

将SP407分别接入不同频率的编/译码时钟信号（1024KHZ的方波信号SP102、512KHZ方波信号SP103，有些型号的实验箱无法实现512KHZ或1024KHZ的编/译码时钟的PCM编码），用探头CH1:

CH2同时测量TP405:

TP407、TP406:

TP402、TP407:

TP402（记录TP402的单个码的码元宽度），观察并分析当编译码时钟频率发生变化时，PCM编码输出信号TP402中单个码元的码元宽度如何变化，为什么？

六、各测量点波形说明

TP401：

该点为输入的模拟信号，若幅度过大，则被限幅电路限幅成方波，因此信号波形幅度尽量小一些（建议辐值为1V左右）。

方法是，改变外部信号源的幅度大小，或调节电位器VR201。

建议采用同步正弦波作为输入信号；

TP402：

PCM编码输出的数字信号，为8比特编码；

TP403：

PCM译码系统接收输入的数字信号，波形同SP402；

TP404：

为PCM译码输出的模拟信号，波形应与SP401同；

TP405：

接入主时钟2048KHz方波；

TP406：

收时序频率为8KHz的帧同步信号（矩形窄脉冲）；

TP407：

PCM编码时钟信号，有512K、1024K、2048KHz三种频率可选；

TP408：

发时序频率为8KHz的帧同步信号（矩形窄脉冲）；

TP409：

PCM译码时钟信号，有512K、1024K、2048KHz三种频率可选。

图4-6时分多路复用波形分析示意图

八、实验报告要求

1.画出实验电路的实验方框图，并简述其工作过程。

2.画出实验步骤中所记录的波形，并回答实验步骤中所提出的问题。

3.本实验中,单路PCM编码器输出的PCM数据的信息速率是多少？

实验五FSK调制解调实验

实验项目名称：

FSK调制解调

实验项目性质：

验证性

所属课程名称：

数字通信原理

实验计划学时：

4

一.实验目的

1、掌握FSK（ASK）调制的工作原理及电路组成;

2、掌握利用锁相环解调FSK的原理和实现方法。

二.实验电路工作原理

数字调频又称移频键控FSK，是利用载频频率变化来传递数字信息。

FSK调制解调电路中，输入的基带信号分成两路，一路控制f1=64K