通信原理硬件实验北邮通信工程.docx
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通信原理硬件实验北邮通信工程
通信原理硬件实验
实验报告
学院：
信息与通信工程
班级：
2009211119
姓名：
xx
学号：
0921056x
班内序号：
23
必做部分
选做部分
实验一：
双边带抑制载波调幅（DSB-SCAM）
一、实验目的
1、了解DSB-SCAM信号的产生以及相干解调的原理和实现方法。
2、了解DSB-SCAM信号波形以及振幅频谱特点,并掌握其测量方法。
3、了解在发送DSB-SCAM信号加导频分量的条件下,收端用锁相环提取载波的原理及其实现方法。
4、掌握锁相环的同步带和捕捉带的测量方法,掌握锁相环提取载波的调试方法。
二、实验原理
DSB信号的时域表达式为
频域表达式为
其波形和频谱如下图所示
将均值为零的模拟基带信号m（t）与正弦载波c（t）相乘得到DSB—SCAM信号，其频谱不包含离散的载波分量。
DSB—SCAM信号的解调只能采用相干解调。
为了能在接收端获取载波，一种方法是在发送端加导频。
收端可用锁相环来提取导频信号作为恢复载波。
此锁相环必须是窄带锁相，仅用来跟踪导频信号。
在锁相环锁定时，VCO输出信号
与输入的导频信号
的频率相同，但二者的相位差为
度，其中
很小。
锁相环中乘法器的两个输入信号分别为发来的信号s（t）与锁相环中VCO的输出信号，二者相乘得到
在锁相环中的LPF带宽窄，能通过
分量，滤除m（t）的频率分量及四倍频载频分量，因为
很小，所以
约等于
。
LPF的输出以负反馈的方式控制VCO,使其保持在锁相状态。
锁定后的VCO输出信号
经90度移相后，以
作为相干解调的恢复载波，它与输入的导频信号同频，几乎同相。
相干解调是将发来的信号s（t）与恢复载波相乘，再经过低通滤波后输出模拟基带信号，经过低通滤波可以滤除四倍载频分量，而
是直流分量，可以通过隔直流电路滤除，于是输出为
。
三、实验框图
1、DSB-SCAM信号的产生
2、DSB-SCAM信号的相干解调及载波提取
3、测量VCO的压控灵敏度
四、实验步骤
1、DSB—AC信号的产生
（1）将音频振荡器输出的模拟音频信号及住振荡器输出的100KHZ模拟载频信号分别用连线联结至乘法器的两个输入端。
（2）用示波器观看音频振荡器输出信号的信号波形的幅度和激荡平率，调整为10KHZ。
（3）用示波器观看主震荡输出波形。
（4）用示波器观看乘法器的输出波形及其频谱。
（5）将已调信号和导频分量加到加法器的两个输入端，调整加法器上的参数G和g,使其与实际相符。
观看输出波形及其频谱。
具体调整方法如下:
a.首先调整增益G：
将加法器的B输入接地端接地，A输入端接已调信号，用示波器观看加法器A输入端的信号幅度与加法器输出信号幅度。
调节旋钮G，使得加法器输出幅度与输入一致，说明此时G=1
b.再调整增益g：
加法器A输入端仍接已调信号，B输入端接导频信号。
用频谱仪观看加法器输出信号的振幅频谱，调节增益g旋钮，使导频信号振幅频谱的幅度为已调信号的边带频谱幅度的0.8倍。
此导频信号功率约为已调信号功率的0.32倍。
2、DSB—AC信号的相干解调及其载波提取
（1）锁相环的调试：
a.调整VCO的中心频率f0在100KHZ
b.将直流电压输入VCO，改变其值从-2——2V，观察VCO的频率及其线性工作范围
c.调节VCO的压控灵敏度到合适范围。
d.检测LPF是否正常工作。
e.反复测量锁相环的同步带和捕捉带，使其尽量准确。
（2）恢复载波
a.将电路按照原理图连接好，用示波器观察锁相环中的LPF的输出信号是否为直流信号，以此判定是否锁定。
b.贯穿导频信号和VCO的输出是否同步，调节移相器使其相依到达90度。
c.观察恢复载波的频谱振幅。
（3）相干解调
a.将已调信号和恢复的载波接入解调乘法器的两个输入端。
b.观察解调后的输出波形。
c.改变音频振荡器的频率，观察解调输出波形的变化。
5、实验结果与分析
（1）dsb-scam信号的产生
1、音频振荡器输出调制信号
由图可看出音频信号的频率f为10.33kHz，振幅约为1.4V。
2、乘法器输出dsb-sc信号波形
主震荡频率为100kHz，可以从图上看出，乘法器输出信号包络为调制信号，频率与载波频率相同为100kHz。
输出振幅约为1.4V，与调制信号振幅相同。
音频信号零点位置存在相位翻转。
3、乘法器输出频谱
由图可看出，dsb-scam信号在100kHz处并无频谱分量，仅在左右各偏移10kHz处存在信号，与理论分析一致。
4、已调信号波形
5、调整加法器中的G，g
由图，调整G=1，同理调节g，是导频信号振幅频谱的幅度为已调信号频谱的边带频谱幅度的0.8倍。
6、带导频的调幅信号
由图可以计算出，导频信号功率约为已调信号的0.8*0.8/2=0.32倍。
（2）dsb-scam信号的相干解调及载波提取
1、调整VCO中心频率为100kHz
2、VCO线性工作范围的测量
（1）输入直流0.5V时VCO的频率90kHz
（2）输入直流1V时VCO的频率80kHz
（3）输入直流1.5V时VCO的频率72.5kHz
（4）输入直流2V时VCO的频率70kHz
（5）由以上4图绘制出图表
从图上可以看出线性工作范围约在80~120kHz，VCO的压控灵敏度约为20kHz/V。
3、GAIN调节后直流输入1V频偏10kHz
4、锁相环由失锁进入锁定状态，LPF输出直流
实验中将信号源VCO的中心频率由比100kHz小很多开始往高调的过程中，当示波器的信号波形由交流信号变为直流信号时，锁相环由失锁状态进入锁定状态，此时输入信号的频率为f2=95kHz。
将频率继续往高调节，当示波器信号波形由直流突变为交流信号，说明锁相环失锁，此时输入信号频谱为f4=112kHz。
再从f4开始，将输入信号频率从高往低调，记录再次捕捉到同步的频率f3=107kHz，继续往低调节频率，直到再次失锁，记录频率f1=90kHz。
由此可知锁相环在VCO压控灵敏度为10kHz/V，Vin=0.8V时，同步带为∆f1=f4-f1=22kHz，捕捉带为∆f2=f3-f2=12kHz。
5、输入为100kHz主振时锁相环进入锁定状态
6、锁相环中VCO输出信号与导频信号的相位差约为90°
7、锁相环中VCO输出信号经过移相器后信号与导频信号同频同相1
8、锁相环中VCO输出信号经过移相器后信号与导频信号同频同相2
9、调制信号及相干解调输出信号
由图可知，调频信号已经被较好地解调出来，频率相位都比较吻合，仅在幅度上有所差距，在工程上可以说已经达到调制解调的目的。
10、改变发端音频振荡器的频率后的调制信号及解调信号
由图可知，改变发端音频振荡器的频率，解调输出信号也随之改变，无法还原调制波形。
六、思考题
1、说明DSB-SCAM信号波形的特点
答：
DSB-SC为双边带调幅，时域当载波与m（t）同时改变极性时出现反相点，而反相点不影响性能。
经幅度调制后，基带信号的频谱被搬移到了载频fc处。
若模拟基带信号带宽为W，则调幅信号带宽为2W，因为在频域中输出此调幅信号s（t）的信道带宽B=2W。
AM信号为具有离散大载波的双边带幅度调制信号，它是在DSB-SB信号的基础上加一离散的大载波分量，因此传输效率有所下降。
AM信号因为解调时要使用包络检波所以要保证|m（t）|≤1，使AM信号的包络Ac[1+m（t）]总为正数。
2、画出已调信号加导频的振幅频谱，算出导频信号功率与已调信号功率之比。
答：
由图可知，导频信号的频谱幅度是A1=125mV，边频信号的频谱幅度是A2=160mV，所以导频信号功率与已调信号功率的百分比=A12/2/A22=30.52%，接近理论值32%，误差主要来源于读数误差。
3、实验中载波提取的锁相环中的LPF能不能用TIMS系统中的“TUNEABLELPF”？
答：
不能，因为RCLPF中的3DB带宽是2.8kHz，而TUNEABLELPF中WIDE一项中带宽的滤波范围是2kHz-12kHz，所以不能使用。
4、若本实验中的音频信号为1kHz，请问实验系统所提供的PLL能否用来提取载波？
为什么？
答：
不能，因为锁相环的截止频率为2.8kHz，如果音频信号为1kHz则锁相环会跟踪音频信号，造成信号失真。
5、若发端不加导频，收端提取载波还有其他方法吗？
请画出框图
答：
如图所示
平方律部件
2fcBPF
二分频
输入已调信号
e（t）
载波输出
七、问题及解决方法
本次实验是整个实验过程中的第一个实验，我感觉也是最难的一个。
我和同组的谢丽君同学在这个实验上费了很大功夫，中间实在做不下去的时候，就先做后面的实验再回来做实验一。
最后，我们分了四次课才真正完成这个实验。
这次实验不光给了我们一个下马威，还培养了我们的耐心，也让我们接触了实验的仪器，为后面的实验打下了良好的基础。
实验二：
具有离散大载波的双边带调幅（AM）
一、实验目的
1、了解AM信号的产生原理和实现方法。
2、了解AM信号波形和振幅频谱的特点，并掌握调幅系数的测量方法。
3、了解AM信号的非相干解调原理和实现方法。
二、实验原理
1、AM信号的产生
对于单音频信号
进行AM调制的结果为
其中调幅系数
，要求
以免过调引起包络失真。
由
和
分别表示AM信号波形包络最大值和最小值，则AM信号的调幅系数为
如图所示为AM调制的过程和频谱示意图。
2、AM信号的解调
AM信号由于具有离散大载波，故可以采用载波提取相干解调的方法。
其实现类似于实验一中的DSB-SCAM信号加导频的载波提取和相干解调的方法。
AM的主要优点是可以利用包络检波器进行非相干解调，可以使得接收设备更加简单。
三、实验框图
1、AM信号的产生
2、AM信号的非相干解调
四、实验步骤
1、AM信号的产生
（1）按图进行各模块之间的连接。
（2）音频振荡器输出为5KHz，主振荡器输出为100KHz，乘法器输入耦合开关置于DC状态。
（3）分别调整加法器的增益G以g均为1。
（4）逐步增大可变直流电压，使得加法器输出波形是正的。
（5）观察乘法器输出波形是否为AM波形。
（6）测量AM信号的调幅系数a值，调整可变直流电压，使a=0.8。
（7）测量a=0.8的AM信号振幅频谱。
2、AM信号的非相干解调
（1）输入的AM信号的调幅系数a=0.8。
（2）用示波器观察整流器的输出波形。
（3）用示波器观察低通滤波器的输出波形。
（4）改变输入AM信号的调幅系数，观察包络检波器输出波形是否随之改变。
（5）改变发端调制信号的频率，观察包络检波输出波形的变化。
五、实验结果与分析
1、调制信号（加直流）
由图可看出，调制信号频率为5.38kHz，而载波频率为100kHz。
另外调制信号加上直流电压后，加法器输出波形为正值。
2、调整加法器增益
由图可看出加法器输入输出幅值相等，即增益G=1。
3、调整加法器增益g=1
由图可看出加法器输入输出幅值相等，即增益g=1。
4、乘法器输出波形
由图可知，乘法器输出包络与调制信号幅值变化相同，且其中调幅系数a=0.8。
5、两个通道显示的调制前后信号幅度波形
6、调整a=0.8后AM信号振幅及频谱
由上两图可看出，AM信号振幅为3V，包络峰峰值为2.4V，所以可得a=0.8。
在频谱图中，在100kHz处有明显的载频分量，在左右5kHz处有搬移后的边频分量。
7、当a=0.8时，解调输出波形
由图可知，输出后的正弦信号频率约为5.36kHz，与原信号只有0.02kHz的偏差。
8、当a=1.0时，解调输出的波形
由图可以看出，当a=1时，信号过零点。
所以，当a>1时，信号必将出现失真。
9、改变调制信号频率为时解调输出
由图可知，当调制信号频率改变时，信号解调出现失真。
六、思考题
1、在什么情况下，会产生AM信号的过调现象？
答：
当调制系数大于1时，会产生过调现象，此时幅度最小值不是实际最小值，实际最小值应为负值。
2、对于a=0.8的AM信号，请计算载频功率与边带功率之比值。
答：
AM信号公式为
则可得其边带功率为：
载波功率为：
所以比值为：
=3.125
3、是否可用包络检波器对DSB-SCAM信号进行解调？
请解释原因。
答：
不可以。
因为已调信号的包络与m（t）不同，并不代表调制信号，有负值部分，且在与t轴的交点处有相位翻转。
而包络应该为正幅度。
七、问题及解决方法
本次实验比起实验一较为简单，我们也逐渐熟悉了设备和软件的使用方法。
整体感觉这次实验做得还不错，但是有些地方没有做更多的比较，有些遗憾。
以后的实验我们两个会尽可能多的加上比较部分。
实验三：
调频（FM）
一、实验目的
1、了解用VCO作调频器的原理及实验方法。
2、测量FM信号的波形图及振幅频率。
3、了解利用锁相环作FM解调的原理及实现方法。
二、实验原理
1、FM信号的产生
单音频信号
经FM调制后的表达式为
其中
调制指数
。
由卡松公式可知FM信号的带宽为
FM信号的产生框图如下图所示。
VCO的输入为
，当输入电压为0时，VCO输入频率为
；当输入模拟基带信号的电压变化时，VCO的振荡频率作相应的变化。
2、锁相环解调FM信号
锁相环解调的原理框图如下图所示。
VCO的压控电压
同基带信号
成正比，所以
就是FM解调的输出信号。
锁相环解调FM信号有两个关键点，一是开环增益足够大，二是环路滤波器的带宽要与基带信号带宽相同。
三、实验框图
1、FM信号的产生
2、FM信号的锁相环解调
四、实验步骤
1、FM信号的产生
（1）单步调试VCO
a.将VCO模块的印刷电路板上的拨动开关置于VCO模式。
将VCO板块前面板上的频率选择开关置于“HI”状态。
然后，将VCO模块插入系统机架的插槽内。
b.将可变直流电压模块的输出端与VCO模块的Vin端相连接，示波器接于VCO输出端：
•直流电压为零时，调节VCO模块的f0旋钮，使VCO的中心频率为100
赫兹。
•在-2V至于+2范围内改变直流电压，测量VCO的频率及线性工作范围。
•调节VCO模块的GAIN旋钮，使得直流电压在+/-2V范围内变化时，VCO的频率在+/-5HZ内变化。
（2）将音频振荡器的频率调到2Hz，作为调制信号输入于VCO的Vin输入端。
（3）测量图2.4.4中各点信号波形。
（4）测量FM信号的振幅频谱。
2、FM信号的解调
（1）单步调试VCO
a.将VCO模块置于“VCO”,前面板上的频率选择开关置于“HI”状态.
b.将可变直流电压模块的输出端与VCO模块的Vin端相连接。
当直流电压为零时，调节VCO的f0旋钮，使VCO的中心频率为100kHz。
当可变直流电压为+/-1V时，调节VCO的GAIN旋钮，使VCO的频率偏移为+/-10kHz。
（2）将锁相环闭环连接，将另一个VCO作信源，接入于锁相环，测试锁相环的同步带及捕捉带。
（3）将已调好的FM信号输入与锁相环，用示波器观察解调信号。
若锁相环已锁定，则在锁相环低通滤波器的输出信号应是直流分量叠加模拟基带信号。
（4）改变发端的调制信号频率，观察FM解调的输出波形变化。
五、实验结果与分析
1、VCO输入直流电压为0时，f0=100kHz
2、音频信号
3、FM输出信号
由上两图可看出，调制信号一个周期为0.5ms，频率为2kHz。
当调制信号到达正峰值时，调频信号最为密集；反之，在到达负峰值时，调频信号最为稀疏。
4、FM输出信号频谱
上图可看出，FM输出信号频谱并不规整，带宽约为15kHz。
5、FM解调波形
由上图所示，由于滤波等原因，波形频率正常，峰值出现一定失真。
6、改变调制信号频率20kHz带来失真
由以上两图可看出，改变调制信号频率仍可以成功解调出原始信号。
但当调制信号频率增大时，解调输出幅值降低，噪声干扰较大，继续增大调制信号频率可能无法解出原始信号。
此外，20kHz不在锁相环的同步带内，此时用锁相环解调会使锁相环进入失锁状态，无法正确解调出原信号。
六、思考题
1、本实验的FM信号调制指数β是多少？
FM信号的带宽是多少？
答：
2、用VCO产生FM信号的优点是可以产生大频偏的FM信号，缺点是VCO中心频率稳定程度差。
为了解决FM大频偏以及中心频率稳定度之间的矛盾，可采用什么方案来产生FM信号？
答：
为了使中心频率稳定，可以使用锁相环形成反馈，使得它仅用确保VCO中心频率的稳定性及准确度与晶振一致。
3、对于本实验具体所用的锁相环及相关模块，若发端调制信号频率为10kHz，请问实验三中的锁相环能否解调出原调制信号？
为什么？
答：
不能，因为10KHz不在锁相环的同步带内，此时用锁相环解调会使锁相环进入失锁状态，无法正确解调出原信号。
4、用于调频解调的锁相环与用于载波提取的锁相环有何不同之处？
答：
在调频解调中使用的滤波器为低通滤波器，滤波器输出接至示波器和VCO，即锁相环调后的显示信号为低通滤波器的输出信号；在时钟提取中使用的滤波器为环路滤波器，滤波器输出仅接至VCO中，而锁相环输出信号应为VCO的输出信号而不是低通滤波器的输出信号。
七、问题及解决方法
本次实验也是我们两个认为第二困难的实验，尤其是锁相环部分。
经过实验一，我们对锁相环的性能有了一定的了解，但是对于分析仍然存在一定的不足。
我们问了许多同学后，才完成本次实验。
对于FM，我在通原软件实验里已经对调制方法及解调有了相当的理解，本次实验则在实际应用上理解更深。
实验六：
眼图
一、实验目的
了解数字传输系统中“眼图”的观察方法及其作用。
二、实验原理
实际通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统产生畸变，总是在不同程度上存在码间干扰的，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。
而眼图可以直观地估价系统码间干扰和噪声的影响，是常用的测试手段。
从眼图的张开程度，可以观察码间干扰和加性噪声对接收基带信号波形的影响，从而对系统性能作出定性的判断。
三、实验框图
四、实验步骤
1、将可调低通滤波器模块开关置于NORM位置。
2、将主信号发生器的8.33kHzTTL电平的方波输入与线路编码器的M.CLK端，经四分频后，由B.CLK端输出2.083kHz的时钟信号。
3、将序列发生器模块的印刷电路板上的双列直插开关选择“10”，产生长为256的序列码。
4、用双踪示波器同时观察可调低通滤波器的输出波形和2.083kHz的时钟信号。
并调节可调低通滤波器的TUNE旋钮及GAIN旋钮，以得到合适的限带基带信号波形，观察眼图。
五、实验结果与分析
1、时钟信号
如图，时钟信号为由B.CLK输出的2.08kHz方波信号。
2、
经过低通滤波器后的信号波形
3、眼图
由图可看出，CH1为经过序列发生器产生的序列信号波形叠加所产生的眼图，CH2为2.08kHz时钟信号。
图中“眼睛”闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感。
在取样时刻上，图中噪声容限为4V，判决门限为0V。
六、问题及解决方法
本次实验，除了最开始不知道如何调出眼图以外都很顺利。
因为实验六并没有要求解码输出而仅是观察眼图，所以较为简单。
在通原的理论课程中，老师并没有仔细地讲解眼图，所以本次实验对于编码解码的过程理解来说非常重要。
我们找到了相应的判决门限，采样时刻，为后续的实验做好了准备。
实验七：
采样、判决
一、实验目的
1、了解采样、判决在数字通信系统中的作用及其实现方法。
2、自主设计从限带基带信号中提取时钟、并对限带信号进行采样、判决、恢复数据的实验方案，完成实验任务。
二、实验原理
在数字通信系统中的接收端，设法从接受滤波器输出的基带信号中提取时钟，用以对接受滤波器输出的基带信号在眼图睁开最大处进行周期性的瞬时采样，然后将各采样值分别与最佳判决门限进行比较做出判决、输出数据。
三、实验框图
1、采样、判决系统框图
2、时钟提取电路
四、实验步骤
1、请自主设计图2.8.1中的提取时钟的实验方案，完成恢复时钟（TTL电平）的实验任务。
请注意：
调节恢复时钟的相移，使恢复时钟的相位与发来的数字基带信号的时钟相位一致（请将移相器模块印刷电路板上的拨动开关拨到“LO”位置）。
2、按照图2.8.1所示，将恢复时钟输入于判决模块的B.CLK时钟输入端（TTL电平）。
将可调低通滤波器输出的基带信号输入于判决模块，并将判决模块印刷电路板上的波形选择开关SW1拨到NRZ-L位置（双极性不归零码），SW2开关拨到“内部”位置。
3、用双踪示波器同时观察眼图及采样脉冲。
调节判决模块前面板上的判决点旋钮，使得在眼图睁开最大处进行采样、判决。
对于NRZ-L码的最佳判决电平是零，判决输出的是TTL电平的数字信号。
五、实验结果与分析
1、采样与眼图的关系
由上图可看出，在基带信号与时钟对比图中时钟上升沿处于眼睛张开最大处，为理想的采样时刻。
2、经过低通滤波器的信号和判决信号
由图上可以看出，在最佳采样时刻的采样可以较好还原信号。
3、原信号与解调后信号对比
如图，判决信号与原信号基本一致，仅仅存在一定时延，从工程上看已经达到目的。
六、思考题
对于滚降系数为
=1的升余弦滚降的眼图，请示意画出眼图，标出最佳取样时刻和最佳判决门限。
答：
如上图，0为最佳判决门限，眼睛长大最大时为最佳取样时刻。
七、问题及解决方法
本次实验的时钟提取部分，我们没有单独进行电路设计，而是采用了引出的时钟信号。
其他方面，由于已经对眼图有所了解，我们能很快完成解调信号的调试，实验比较顺利。
我们也看出，一定的时延不可避免，但在工程上已经达到目的，算是成功。
实验八：
二进制通断键控（OOK）
一、实验目的
1、了解OOK信号的产生及其实现方法。
2、了解OOK信号波形和功率谱的特点及其测量方法。
3、了解OOK信号的解调及其实现方法。
二、实验原理
二进制通断键控（OOK）方式是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的导通与关闭。
如图所示。
OOK信号的解调方式有相干解调和非相干解调两种。
本实验采用非相干解调。
其原理图如图所示。
三、实验框图
1、OOK信号的产生
2、OOK信号的非相干解调
四、实验步骤
1、OOK信号的产生
（1）用示波器观察图2.9.4中的各点信号波形。
（2）并用频谱仪测量图2.9.4各点的功率谱（将序列发生器模块印刷电路板上的双列直插开关拨到“11”，使码长为2048）。
2、OOK信号的非相干解调
（1）用示波器观察2.9.5中各点的波形。
（2）自主完成时钟提取、采样、判决的实验任务（需要注意的是，恢复时钟的相位要与发来信号的时钟相位一致）。
五、实验结果与分析
1、4分频后2.083kHz时钟
由图可知，此时钟为双极性不归零码，幅值约为2.3V。
2、序列码发生器输出及频谱
3、OOK信号
由图可以清晰看出OOK信号与码序列的对比，输出为1时，OO
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