现代通信原理实验指导书精简版.docx

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现代通信原理实验指导书精简版

现代通信原理实验指导书

（信号专业用）

编写：

白海峰

西南交大峨眉校区计算机与通信工程系

2013年10月

实验一FSK调制实验

一、实验目的

1、了解FSK调制的基本工作原理；

2、掌握FSK正交调制的基本工作原理与实现过程；

二、实验仪器

1、JH5001-4实验箱一台；

2、20MHz示波器一台；

三、实验原理

在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入码流的变化而切换（称为高音和低音，代表二进制的1和0）。

通常，FSK信号的表达式为：

（二进制１）

（二进制０）

其中2πΔf代表信号载波的恒定偏移。

产生FSK信号最简单的方法是根据输入的数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器中切换。

采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种FSK信号称为不连续FSK信号。

不连续的FSK信号表达式为：

（二进制１）

（二进制０）

其实现如图3.1-1所示：

图3.1-1非连续相位FSK的调制框图

由于相位的不连续会造频谱扩展，这种FSK的调制方式在传统的通信设备中采用较多。

随着数字处理技术的不发展，越来越多地采用连继相位FSK调制技术。

目前较常用产生FSK信号的方法是，首先产生FSK基带信号，利用基带信号对单一载波振荡器进行频率调制。

因此，FSK可表示如下：

应当注意，尽管调制波形m（t）在比特转换时不连续，但相位函数θ（t）是与m（t）的积分成比例的，因而是连续的，其相应波形如图3.1-2所示：

图3.1-2连续相位FSK的调制信号

由于FSK信号的复包络是调制信号m（t）的非线性函数，确定一个FSK信号的频谱通常是相当困难的，经常采用实时平均测量的方法。

二进制FSK信号的功谱密度由离散频率分量fc、fc+nΔf、fc-nΔf组成，其中n为整数。

相位连续的FSK信号的功率谱密度函数最终按照频率偏移的负四次幂衰落。

如果相位不连续，功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幂衰落。

FSK的信号频谱如图3.1-3所示。

图3.1-3FSK的信号频谱

FSK信号的传输带宽Br，由Carson公式给出：

Br=2Δf+2B

其中B为数字基带信号的带宽。

假设信号带宽限制在主瓣范围，矩形脉冲信号的带宽B=R。

因此，FSK的传输带宽变为：

Br=2（Δf+R）

如果采用升余弦脉冲滤波器，传输带宽减为：

Br=2Δf+（1+α）R

其中α为滤波器的滚降因子。

在JH5001-4平台中，FSK的调制方案如下：

FSK信号：

其中：

因而有：

其中：

如果结进行量化处理，采样速率为fs，周期为Ts，有下式成立：

按照上述原理，FSK正交调制器的实现为如图3.1-4结构：

图3.1-4FSK正交调制器结构图

如时发送0码，则相位累加器在前一码元结束时相位

基础上，在每个抽样到达时刻相位累加

，直到该码元结束；如时发送１码，则相位累加器在前一码元结束时的相位

基础上，在每个抽样到达时刻相位累加

，直到该码元结束。

在JH5001-4FSK模式的基带信号中传号采用32KHz频率，空号采用16KHz频率，数据传输速率为8Kbps。

在FSK模式下，不采用FEC技术。

制器提供的数据源有：

1、外加数据：

通过信道接口模块提供数据；

2、全1码：

可测试传号时的发送频率；

3、全0码：

可测试空号时的发送频率；

4、01码：

0101…交替码型，用作一般测试；

5、特殊码序列：

周期为8的码序列，以便于常规示波器进行观察；

6、m序列：

可用于对通道性能进行测试；

FSK调制器的结构如图3.1-5所示：

图3.1-5FSK调制器结构示意图

图3.2-5FSK的解调方框图

四、实验步骤

（一）FSK调制

1、将JH5001-4平台调制和解调模块的所有短路器均于置于1-2状态（短路器置于左侧），用排线连接CZ01-A和CZ01-B，CZ02-A和CZ02-B、CZ03-A和CZ03-B。

2、0/1码FSK调制

（1）将JH5001-4平台设置成“FSK模式”，及在菜单中选择输入码型为0/1码。

（2）观察发送数据测量点TP402与TP803（或TP804）之间的关系：

TP402是发送数据信号，TP803基带FSK波形，以TP402作为同步信号，可以看出TP402与TP803有明确的信号对应关系，在码元的切换点发送波形的相位连续；画出测量结果波形图。

（3）测量TP402与TP401的波形图，记录波形。

3、m序列FSK调制

（1）将JH5001-4平台设置成“FSK模式”，及在菜单中选择输入码型为m序列码。

（2）观察发送数据测量点TP402与TP803（或TP804）之间的关系：

TP402是发送数据信号，TP803基带FSK波形，以TP402作为同步信号，可以看出TP402与TP803有明确的信号对应关系，在码元的切换点发送波形的相位连续；画出测量结果波形图。

（3）测量TP402与TP401的波形图，记录波形。

（二）FSK解调

1、在“JH5001-4平台”中,用中频电缆连接S001、S002，使其在中频上进行自环连接，即自发自收。

2、检查DSP是否正常工作：

测量TP413的波形，记录波形。

如果有脉冲波形，说明DSP已正常工作；如果没有脉冲波形，则DSP没有正常工作，需按面板上的复位按钮重新对硬件进行初始化。

3、测量接收基带测量点TP605与测量点TP402发码（以它作同步）的波形,记录波形。

4、以TP101（发送时钟）信号为同步，测量TP102（接收时钟）的抖动情况，记录是否有抖动。

5、位定时观察：

TP413为DSP调整之后的最佳抽样时刻，它与TP401具有明确的相位关系，记录TP401与TP413的波形图。

6、测量发码数据TP402与最佳抽样时刻TP413的波形图。

7、测量发码数据TP402与FSK解调输出（恢复）TP510的波形图。

解调输出TP510与发码数据TP402的波形有什么关系。

实验二PSK调制解调实验

一、实验目的

1、了解BPSK调制的基本工作原理；

2、掌握BPSK发送眼图的观察；

3、了解BPSK解调的基本工作原理；

二、实验仪器

1、JH5001-4实验箱一台；

2、20MHz示波器一台；

三、实验原理

理论上二进制相移键控（BPSK）可以用幅度恒定，而其载波相位随着输入信号m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°。

如果每比特能量为Eb，则传输的BPSK信号为：

其中

一个数据码流直接调制后的信号如图4.1-1所示：

图4.1-1数据码流直接调制后的BPSK信号

采用二进制码流直接载波信号进行调相，信号占居带宽大。

上面这种调制方式在实际运用中会产生以下三方面的问题：

1、一方面浪费宝贵的频带资源；

2、另一方会产生邻道干扰，对系统的通信性能产生影响，在移动无线系统中,要求在相邻信道内的带外幅射一般应比带内的信号功率谱要低40dB到80dB；

3、最后如果该信号经过带宽受限信道会产生码间串扰（ISI），影响本身JH5001-4的性能。

在实际通信系统中，一般采用Nyquist波形成形技术（见本指导书的第三章），它具有以下三方面的优点：

1、发送频谱在发端将受到限制，提高信道频带利用率，减少邻道干扰；

2、在接收端采用相同的滤波技术，对BPSK信号进行最佳接收；

3、获得无码间串扰的信号传输；

升余弦滤波器的传递函数为：

其中，α是滚降因子，取值范围为0到1。

一般α=0.25~1时，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。

对于矩形脉冲BPSK信号能量的90%在大约1.6Rb的带宽内，而对于α=0.5的升余统滤波器，所有能量则在1.5Rb的带宽内。

升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的滤波器来实现，其频响为开根号升余弦响应。

根据最佳接收原理，这种响应特性的分配置提供了最佳接收方案。

升余弦滤波器在频域上是有限的，那它在时域上的响应将是无限的，其是一个非因果冲激响应。

为了在实际系统上可实现，一般将升余弦冲激响应进行截短，并进行时延使其成为因果响应。

截短长度一般从中央最大点处向两边延长4个码元。

由截短的升余响应而成形的调制基带信号，其频谱一般能很好地满足实际系统的使用要求。

为实现滤波器的响应，脉冲成形滤波器可以在基带实现，也可以设置在发射机的输出端。

一般说来，在基带上脉冲成形滤波器用DSP或FPGA来实现，每个码元一般需采样4个样点，并考虑当前输出基带信号的样点值与８个码元有关，由于这个原因使用脉冲成形的数字通信系统经常在调制器中同一时刻存储了几个符号，然后通过查询一个代表了存储符号离散时间波形来输出这几个符号（表的大小为210），这种查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图4.1-2所示：

图4.1-2BPSK基带成形原理示意图

成形之后的基带信号经D/A变换之后，直接对载波进行调制。

在“JH5001-4平台”中，BPSK的调制工作过程如下：

首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两路支路。

因为I、Q两路信号一样，本振频率是一样的，相位相差180度,所以经调制合路之后仍为BPSK方式。

采用直接数据（非归零码）调制与成形信号调制的信号如图4.1-3所示：

图4.1-3直接数据调制与成形信号调制的波形

在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波在频率上是一样的，但相位存在两种关系：

0０,180０。

如果是0０，则解调出来的数据与发送数据一样，否则，解调出来的数据将与发送数据反相。

为了解决这一技术问题，在发端码字上采用了差分编码，经相干解调后再进行差分译码。

差分编码原理为：

实现框图如图4.1-6所示：

图4.1-4差分编码示意图

一个典型的差分编码调制过程如图4.1-5所示：

图4.1-5差分编码与调制相位示意图

BPSK的实现框图如图4.1-6所示。

在BPSK中，没有采用FEC编译码器技术。

图4.1-6BPSK实验方框图

图4.2.12BPSK解调方框图

四、实验步骤

（一）BPSK调制

1、将JH5001-4平台调制和解调模块的所有短路器均置于1-2连接，用排线连接CZ01-A和CZ01-B，CZ02-A和CZ02-B、CZ03-A和CZ03-B。

2、将JH5001-4平台设置成“BPSK模式”。

3、检查DSP是否正常工作：

测量TP413的波形，如果有脉冲波形，说明DSP已正常工作；在“菜单”中分别选择不同的输入码型：

0/1码

4、观察眼图：

（1）单独观察测量点TP803的眼图；

（2）以测量点TP401进行同步，观察测量点TP803的波形。

判断信号观察的效果。

记录波形

5、BPSK调制信号观察：

将输入数据选择为0／1码，以测量点TP903进行同步（及参考），用示波器观察TP904的调制波形，观察相位翻转。

记录波形。

6、BPSK调制信号观察：

将输入数据选择为m序列，以测量点TP903进行同步（及参考），用示波器观察TP904的调制波形，观察相位翻转。

记录波形。

（二）BPSK解调

1、在“JH5001-4平台”中,用中频电缆连接S001、S002，使其在中频上进行自环连接，即自发自收。

2、接收眼图观察：

以位定时TP402（恢复时钟信号）测量点作同步，观察测量点TP605的接收眼图。

记录波形

3、判决点观察：

用示波器观察测量点的判决点TP510的工作波形。

记录波形

4、解调数据观察：

用示波器观察测量点TP103的接收数据信号。

记录波形

5、位定时观察：

TP413为DSP调整之后的最佳抽样时刻，它与TP401具有明确的相位关系。

用示波器同时观察TP401（发端时钟，观察时以它作同步）、TP413（收端最佳判决时刻）之间的相位关系。

记录波形。

6、以TP101（发送时钟）信号为同步，测量TP102（接收时钟）的抖动情况，是否有抖动？

实验三AMI/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AMI/HDB3码的编码规则；

2、熟悉HDB3码的基本特征；

3、熟悉HDB3码的编译码器工作原理和实现方法；

二、实验仪器

1、JH5001－4通信原理综合实验系统一台

2、20MHz双踪示波器一台

三、实验原理和电路说明

AMI码的全称是传号交替反转码。

这是一种将消息代码0（空号）和1（传号）按如下规则进行编码的码：

代码的0仍变换为传输码的0，而把代码中的1交替地变换为传输码的+1、–1、+1、–1…

由于AMI码的传号交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。

由此看出，这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。

由AMI码的编码规则看出，它已从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列，即把一个二进制符号变换成一个三进制符号。

把一个二进制符号变换成一个三进制符号所构成的码称为1B/1T码型。

AMI码除有上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点，它是一种基本的线路码，并得到广泛采用。

但是，AMI码有一个重要缺点，即接收端从该信号中来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。

为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种类的改进AMI码，HDB3码就是其中有代表性的一种。

HDB3码的全称是三阶高密度双极性码。

它的编码原理是这样的：

先把消息代码变换成AMI码，然后去检查AMI码的连0串情况，当没有4个以上连0串时，则这时的AMI码就是HDB3码；当出现4个以上连0串时，则将每4个连0小段的第4个0变换成与其前一非0符号（＋1或–1）同极性的符号。

显然，这样做可能破坏“极性交替反转”的规律。

这个符号就称为破坏符号，用V符号表示（即+1记为+V,–１记为–V）。

为使附加V符号后的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻V符号也应极性交替。

这一点，当相邻符号之间有奇数个非０符号时，则是能得到保证的；当有偶数个非0符号时，则就得不到保证，这时再将该小段的第1个0变换成+B或–B符号的极性与前一非0符号的相反，并让后面的非0符号从V符号开始再交替变化。

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。

从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包括B在内）。

这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有–1变成+1后便得到原消息代码。

HDB3码是CCITT推荐使用的线路编码之一。

HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0串减少到至多3个的优点，这对于定时信号的恢复是十分有利的。

AMI/HDB3频谱示意图参见图4.2.1。

在通信原理综合试验箱中，采用了CD22103专用芯片（UD01）实现AMI／HDB3的编译码实验，在该电路模块中，没有采用复杂的线圈耦合的方法来实现HDB3码字的转换，而是采用运算放大器（UD02）完成对AMI/HDB3输出进行电平变换。

变换输出为双极性码或单极性码。

由于AMI/HDB3为归零码，含有丰富的时钟分量，因此输出数据直接送到位同步提取锁相环（PLL）提取接收时钟。

AMI/HDB3编译码系统组成框图见图4.2.2。

接收时钟的锁相环（PLL）提取电路框图见第四章模拟锁相环时钟提取一节的图4.1.1。

由图4.2.2可见，输入的码流进入UD01的1脚，在2脚时钟信号的推动下输入UD01的编码单元，HDB3与AMI由跳线开关KD03选择。

编码之后的结果在UD01的14（TPD03）、15（TPD04）脚输出。

输出信号在电路上直接返回到UD01的11、13脚，由UD01内部译码单元进行译码。

通常译码之后TPD07与TPD01的波形应一致，但由于当前的输出HDB3码字可能与前4个码字有关，因而HDB3的编译码时延较大。

运算放大器UD02A构成一个差分放大器，用来将线路输出的HDB3码变换为双极性码输出（TPD05）。

运算放大器UD02B构成一个相加器，用来将线路输出的HDB3码变换为单极性码输出（TPD08）。

跳线开关KD01用于输入编码信号选择：

当KD01设置在Dt位置时（左端），输入编码信号来自复接模块的TDM帧信号；当KD01设置在M位置时（右端），输入编码信号来自本地的m序列，用于编码信号观测。

本地的m序列格式受CMI编码模块跳线开关KX02控制：

KX02设置在1_2位置（左端），为15位周期m序列（111100010011010）；KX02设置在2_3位置（右端），为7位周期m序列（1110010）。

跳线开关KD02用于选择将双极性码或单极性码送到位同步提取锁相环提取收时钟：

当KD02设置在1_2位置（左端），输出为双极性码；当KD02设置2_3位置（右端），输出为单极性码。

跳线开关KD03用于AMI或HDB3方式选择：

当KD03设置在HDB3状态时（左端），UD01完成HDB3编译码系统；当KD03设置在AMI状态时（右端），UD01完成AMI编译码系统。

该模块内各测试点的安排如下：

1、TPD01：

编码输入数据（256Kbps）

2、TPD02：

256KHz编码输入时钟（256KHz）

3、TPD03：

HDB3输出+

4、TPD04：

HDB3输出–

5、TPD05：

AMI/HDB3输出（双极性码）

6、TPD06：

译码输入时钟（256KHz）

7、TPD07：

译码输出数据（256Kbps）

8、TPD08：

AMI/HDB3输出（单极性码）

四、实验内容及操作步骤

1.AMI码编码规则验证

（1）由于AMI实验用的时钟信号由复接解复接提供，因此首先用10针排线连接排针插槽该模块JKD01和复接解复接模块的JKB02，以获取时钟信号；将输入信号选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）、单/双极性码输出选择开关设置KD02设置在2_3位置（右端）、AMI/HDB3编码开关KD03设置在AMI位置（右端），使该模块工作在AMI码方式。

（2）将CMI编码模块内的跳线开关KX01设置在2_3位置（右端），将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在2_3位置（右端），产生7位周期m序列。

用示波器同时观测输入数据TPD01和AMI输出双极性编码数据TPD05波形及单极性编码数据TPD08波形，观测时用TPD01同步（即用通道CH1测）。

分析观测输入数据与输出数据关系是否满足AMI编码关系，画出一个M序列周期对应的测试波形。

（3）将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列。

重复上述测试步骤，记录测试结果。

（4）将输入数据选择跳线开关KD01、KX01拨除，将示波器探头从TPD01测试点移去，使输入数据端口悬空产生全1码。

测AMI输出双极性编码数据TPD05波形，记录测试结果。

（5）将输入数据选择跳线开关KD01拨除，将示波器探头接入TPD01测试点上，使数据端口不悬空，则输入数据亦为全0码。

测AMI输出双极性编码数据TPD05波形，记录测试结果。

2.AMI码译码和时延测量

（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）；将CMI编码模块内的跳线开关KX01设置在2_3位置（右端），CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列；将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（右端）。

（2）用示波器同时观测输入数据TPD01和AMI译码输出数据TPD07波形，观测时用TPD01同步。

观测AMI译码输出数据是否满正确，画下测试波形。

问：

AMI编码和译码的的数据时延是多少？

3.AMI译码位定时恢复测量

（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端），将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2（或2_3）位置，将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（右端）。

（2）先将跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）单极性码输出，用示波器测量同时观测发送时钟测试点TPD02和接收时钟测试点TPD06波形，测量时用TPD02同步。

此时两收发时钟应同步。

然后，再将跳线开关KD02设置在1_2位置（左端）单极性码输出，观测TPD02和TPD06波形。

记录和分析测量结果。

（3）将跳线开关KD02设置回2_3位置（右端）单极性码输出，再将跳线开关KD01拨除，使输入数据为全1码或全0码（方法见1）。

重复上述测试步骤，记录分析测试结果。

4.HDB3码变换规则验证

（1）首先将输入信号选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）、单/双极性码输出选择开关设置KD02设置在2_3位置（右端）、AMI/HDB3编码开关KD03设置在HDB3位置（左端），使该模块工作在HDB3码方式。

（2）将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在2_3位置（右端），产生7位周期m序列。

用示波器同时观测输入数据TPD01和HDB3输出双极性编码数据TPD05波形及单极性编码数据TPD08波形，观测时用TPD01同步。

分析观测输入数据与输出数据关系是否满足HDB3编码关系，画下一个M序列周期对应的测试波形。

（3）将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列。

重复上述测试步骤，记录测试结果。

（4）使输入数据为全0码（方法同1），重复上述测试步骤，记录测试结果。

5.HDB3码译码和时延测量

（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）；将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2位置（左端），产生15位周期m序列；将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。

（2）用示波器同时观测输入数据TPD01和HDB3译码输出数据TPD07波形，观测时用TPD01同步。

分析观测HDB3编码输入数据与HDB3译码输出数据关系是否满足HDB3编译码系统要求，画下测试波形。

问：

HDB3编码和译码的的数据时延是多少？

6.HDB3译码位定时恢复测量

（1）将输入数据选择跳线开关KD01设置在M位置（右端），将CMI编码模块内的M序列类型选择跳线开关KX02设置在1_2（或2_3）位置，将锁相环模块内输入信号选择跳线开关KP02设置在HDB3位置（左端）。

（2）先将跳线开关KD02设置在2_3位置（右端）单极性码输出，用示波器测量同时观测发送时钟测试点TPD02和接收时钟测试点TPD06波形，测量时用TPD02同步。

此时两收发时钟应同步。

然后，再将跳线开关KD02设置在1_2位置（左端）单极性码输出，观测TPD02和TPD06波形。

记录和分析测量结果。

根据测量结果思考：

接收端为便于提取位同步信号，需要对收到的HDB3编码信号做何处理？

7.HDB3双极性码的形成

（1）首先将输入信号选择跳线开关KD01设置在M位置（右端）、单/双极性码输出选择开关设置KD02设置在2_3位置（右端）、AMI/HDB3编码开关KD03设置在HDB3位置（左端），使该模块工作在HDB3码方式。

（2）将CMI编码