通信原理实验指导书.docx

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通信原理实验指导书

实验一信号源实验

一、实验目的

1、了解频率连续变化的各种波形的产生方法。

2、了解NRZ码、方波、正弦波等各种信号的频谱。

3、理解帧同步信号与位同步信号在整个通信系统中的作用。

4、熟练掌握信号源模块的使用方法。

二、实验内容

1、观察频率连续可变信号发生器输出的各种波形及7段数码管的显示。

2、观察点频方波信号的输出。

3、观察点频正弦波信号的输出。

4、拨动拨码开关，观察码型可变NRZ码的输出。

5、观察位同步信号和帧同步信号的输出。

6、观察NRZ码、方波、正弦波、三角波、锯齿波的频谱。

三、实验仪器

1、信号源模块

2、20M双踪示波器一台

3、频率计（可选）一台

4、PC机（可选）一台

5、连接线若干

四、实验原理

信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分，分别产生模拟信号和数字信号。

1、模拟信号源部分

模拟信号源部分可以输出频率和幅度任意改变的正弦波（频率变化范围100Hz～10KHz）、三角波（频率变化范围100Hz～1KHz）、方波（频率变化范围100Hz～10KHz）、锯齿波（频率变化范围100Hz～1KHz）以及32KHz、64KHz的点频正弦波（幅度可以调节），各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。

该部分电路原理框图如图1-1所示。

在实验前，我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U04,并存放在固定的地址中。

当单片机U03检测到波形选择开关和频率调节开关送入的信息后，一方面通过预置分频器调整U01中分频器的分频比（分频后的信号频率由数码管SM01～SM04显示）；另一方面根据分频器输出的频率和所选波形的种类，通过地址选择器选中数据存储器U04中对应地址的区间，输出相应的数字信号。

该数字信号经过D/A转换器U05和开关电容滤波器U06后得到所需模拟信号。

图1-1模拟信号源部分原理框图

2、数字信号源部分

数字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码（可通过拨码开关SW01、SW02、SW03改变码型）以及位同步信号和帧同步信号。

绝大部分电路功能由U01来完成，通过拨码开关SW04、SW05可改变整个数字信号源位同步信号和帧同步信号的速率，该部分电路原理框图如图1-2所示。

图1-2数字信号源部分原理框图

晶振出来的方波信号经3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器分频，前一分频器分频后可得到1024KHz、256KHz、64KHz、32KHz、8KHz的方波。

可预置分频器的分频值可通过拨码开关SW04、SW05来改变，分频比范围是1～9999。

分频后的信号即为整个系统的位同步信号（从信号输出点“BS”输出）。

数字信号源部分还包括一个NRZ码产生电路，通过该电路可产生以24位为一帧的周期性NRZ码序列，该序列的码型可通过拨码开关SW01、SW02、SW03来改变。

在后继的码型变换、时分复用、CDMA等实验中，NRZ码将起到十分重要的作用。

五、实验步骤

1、将信号源模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下开关POWER1、POWER2，发光二极管LED01、LED02发光，按一下复位键，信号源模块开始工作。

（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）

3、模拟信号源部分

①观察“32K正弦波”和“64K正弦波”输出的正弦波波形，调节对应的电位器的“幅度调节”可分别改变各正弦波的幅度。

②按下“复位”按键使U03复位，波形指示灯“正弦波”亮，波形指示灯“三角波”、“锯齿波”、“方波”以及发光二极管LED07灭，数码管SM01～SM04显示“2000”。

③按一下“波形选择”按键，波形指示灯“三角波”亮（其它仍熄灭），此时信号输出点“模拟输出”的输出波形为三角波。

逐次按下“波形选择”按键，四个波形指示灯轮流发亮，此时“模拟输出”点轮流输出正弦波、三角波、锯齿波和方波。

④将波形选择为正弦波时（对应发光二极管亮），转动“频率调节”的旋转编码器，可改变输出信号的频率，观察“模拟输出”点的波形，并用频率计查看其频率与数码管显示的是否一致。

转动对应电位器“幅度调节”可改变输出信号的幅度，幅度最大可达5V以上。

（注意:

发光二极管LED07熄灭，转动旋转编码器时，频率以1Hz为单位变化；按一下旋转编码器，LED07亮，此时旋转旋转编码器，频率以50Hz为单位变化；再按一下旋转编码器，LED07熄灭，频率再次以1Hz为单位变化）

⑤将波形分别选择为三角波、锯齿波、方波，重复上述实验。

⑥电位器W02用来调节开关电容滤波器U06的控制电压，电位器W01用来调节D/A转换器U05的参考电压，这两个电位器在出厂时已经调好，切勿自行调节。

4、数字信号源部分

①拨码开关SW04、SW05的作用是改变分频器的分频比（以4位为一个单元，对应十进制数的1位，以BCD码分别表示分频比的千位、百位、十位和个位），得到不同频率的位同步信号。

分频前的基频信号为2MHz，分频比变化范围是1～9999，所以位同步信号频率范围是200Hz～2MHz。

例如，若想信号输出点“BS”输出的信号频率为15.625KHz，则需将基频信号进行128分频，将拨码开关SW04、SW05设置为0000000100101000，就可以得到15.625KHz的方波信号。

拨码开关SW01、SW02、SW03的作用是改变NRZ码的码型。

1位拨码开关就对应着NRZ码中的一个码元，当该位开关往上拨时，对应的码元为1，往下拨时，对应的码元为0。

②将拨码开关SW04、SW05设置为0000000100101000，SW01、SW02、SW03设置为011100100011001110101010，观察BS、2BS、FS、NRZ波形。

③改变各拨码开关的设置，重复观察以上各点波形。

4观察1024K、256K、64K、32K、8K各点波形（由于时钟信号为晶振输出的24MHz方波，所以整数倍分频后只能得到的1000K、250K、62.5K、31.25K、7.8125K信号，电路板上的标识为近似值，这一点请注意）。

5将拨码开关SW04、SW05设置为0000000100101000，观察伪随机序列PN15、PN31、PN511的波形。

6改变拨码开关SW04、SW05的设置，重复观察以上各点波形。

六、输入、输出点参考说明

1、输出点说明

模拟部分输出：

24M：

晶振24MHz时钟信号输出点，峰峰值约为2.3V。

模拟输出：

波形种类、波形幅度、波形频率均可调。

正弦波：

100Hz～10KHz，幅度最大可达4V；

三角波：

100Hz～1KHz，幅度最大可达4V；

锯齿波：

100Hz～1KHz，幅度最大可达4V；

方波：

100Hz～10KHz，幅度最大可达4V；

数字部分输出：

方波占空比：

50%

8K：

7.8125KHz方波输出点。

32K：

31.25KHz方波输出点。

64K：

62.5KHz方波输出点。

256K：

250KHz方波输出点。

1024K：

1000KHz方波输出点。

BS：

位同步信号输出点，方波，频率可通过拨码开关SW04、SW05改变。

2BS：

2倍位同步信号频率的方波输出点，频率可通过拨码开关SW04、SW05改变。

FS：

帧同步信号输出点，窄脉冲，频率是位同步信号频率的1/24。

NRZ：

24位NRZ码输出点，码型可通过拨码开关SW01、SW02、SW03改变，码速率和位同步信号频率相同。

PN15：

N＝24－1＝15的m序列输出点。

PN31：

N＝25－1＝31的m序列输出点。

PN511：

N＝29－1＝511的m序列输出点。

32KHz正弦波：

31.25KHz正弦波输出点。

（幅度最大可达4V）

64KHz正弦波：

62.5KHz正弦波输出点。

（幅度最大可达4V）

七、实验报告要求

1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。

实验二终端实验

一、实验目的

1、了解终端在整个通信系统中的作用。

2、了解通信系统的质量优劣受哪些因素影响。

3、掌握终端模块的使用方法。

二、实验内容

1、将原始数字基带信号和接收到的数字信号送入终端模块，观察发光二极管的显示，判断是否出现误码。

2、将接收到的模拟信号送入终端模块，用耳机收听还原出来的信号，从而对整个通信系统信号传输质量做出结论。

三、实验仪器

1、信号源模块

2、终端模块

3、20M双踪示波器一台

4、立体声耳机一副

5、立体声单放机（可选）一台

6、连接线若干

四、实验原理

通信系统的质量优劣很大程度上取决于接收系统的性能，因为影响信息可靠传输的不利因素，如信道特性的不理想及信道中存在噪声等，都将直接作用到接收端。

在通信系统中如果没有任何干扰以及其它可能的畸变，则发送的消息就一定能够被无差错地做出相应的判决，但这种理想情况是不可能发生的，实际上由于噪声和畸变的作用，必然会造成错误的接收。

本实验箱中的终端模块的主要功能有两个：

一是将原始数字基带信号与接收到的数字信号分别用发光二极管同时显示，根据两组发光二极管的亮灭情况来判断接收到的数字信号中是否出现误码，进而判断整个通信系统通信质量的优劣；另一个是将接收到的模拟信号经耳机转换为语音信号，通过与原始语音的声音质量对比来判断系统通信质量好坏。

因此整个终端模块也相应地分成两部分，即终端数字部分和终端模拟部分，如图2-1所示：

图2-1终端原理框图

1、音频信号产生

音频信号有两种：

一是由单放机输出的音频信号，该信号在输入前已经过放大，故可以直接输出（由T-OUT1输出），也可以经过LM386再放大后由T-OUT2输出；另一种音频信号是由实验箱所配带话筒立体声耳机的话筒部分输入的语音信号，该信号功率太小，必须经过LM386的放大后由T-OUT2输出。

电路原理图如图2-2所示。

图2-2音频功放电路图1

2、终端模拟部分

将接收到的模拟信号从R-IN输入，分压后再经E07（10uF）滤除其直流成分，然后送入音频功率放大器U05（LM386）放大后由实验箱所配耳机输出。

电路原理图如图2-3所示。

图2-3音频功放电路图2

3、终端数字部分

本实验中数字基带信号的接收与发送均为串行通信，每一帧为24位。

实验时将接收到的数字信号、位同步信号、帧同步信号分别从输入点“DATA2”、“BS2”、“FS2”送入U04，它为一可编程逻辑器件，通过其经串/并转换后由发光二极管D25～D48分别显示；然后再将原始数字基带信号、位同步信号、帧同步信号分别从输入点“DATA1”、“BS1”、“FS1”送入U04，经串/并转换后由发光二极管D01～D24分别显示。

通过比较这两组发光二极管的亮灭情况，就可以直观判断接收到的数字信号是否出现了误码。

两组数字信号的串/并转换均在U04内部完成，其工作原理如下：

以位同步信号为时钟，数字信号逐位移入三片串联的74164（八位移位寄存器，三级串联后可保存24位数据），三片74164的输出脚分别连至三片74374（八上升沿D触发器）的输入端，当帧同步信号的上升沿到来时，一帧完整的数字信号（24位）恰好全部移入三片74164，此时三片74374开始读数，24位数字信号被读入24个D触发器的D端。

因为帧同步信号的高电平维持时间小于一位码元的宽度，所以帧同步信号每来一个上升沿时，74374只能从外部读入一位数据，其它时间处于锁存状态，从而避免了数据的错误读写。

读入D端的数据在触发器时钟的控制下从Q端输出驱动发光二极管，从而实现数据传输的串/并转换。

同理，实现数据传输的并/串转换也采用类似的电路，在此不再重述。

特别值得注意的是，送入终端模块的数字信号必须是以24位为一帧的周期性信号。

五、实验步骤

1、将信号源模块、终端模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下两个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。

（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）

3、音频信号的产生实验

①将带话筒立体声耳机的话筒插入话筒插座（TRANSMITTER），对着话筒说话，用双踪示波器观测测试点T-OUT1、T-OUT2波形，并比较两测试点波形的区别。

调节“音量调节1”旋钮，观测波形变化。

②用单放机代替话筒，重复上述实验（选做）。

4、模拟信号接收实验

①连接信号源模块的模拟输出与终端模块的模拟信号输入点“R-IN”，将耳机插入耳机插座，调节信号源产生的模拟信号的频率，听听耳机里面的声音发生了什么变化？

②连接测试点T-OUT2和R-IN，将话筒和耳机分别插入话筒（TRANSMITTER）插座、耳机（EARPHONE）插座中，对着话筒说话，并调节“音量调节1”旋钮、“音量调节2”旋钮，听听耳机能否无差错地还原语音。

5、数字信号接收实验

①关闭所有电源，将信号源模块中的拨码开关SW01～SW05设置为非全0或非全1状态，用连接线按如下接法连接各点：

信号源模块终端模块

NRZ―――DATA1、DATA2

BS―――BS1、BS2

FS―――FS1、FS2

打开各模块电源，按一下终端模块的“复位”开关，使U04复位，观察D01～D24和D25～D48这两组发光二极管上下各对应位的亮灭情况是否一致。

②改变信号源模块拨码开关的设置，再次观察两组发光二极管的亮灭情况。

6、值得注意的是，在这里我们做的都是最简单的信号接收实验，在后继的实验中，终端模块将作为衡量通信系统传输质量好坏的工具，希望同学们能够灵活使用。

六、输入、输出点参考说明

1、输入点参考说明

DATA1：

第1路数字信号输入点。

BS1：

第1路数字信号的位同步信号输入点。

FS1：

第1路数字信号的帧同步信号输入点。

DATA2：

第2路数字信号输入点。

BS2：

第2路数字信号的位同步信号输入点。

FS2：

第2路数字信号的帧同步信号输入点。

R-IN：

模拟信号输入点（耳机输入点）。

2、输出点参考说明

T-OUT1：

模拟信号输出点（话筒输出点1）。

T-OUT2：

模拟信号输出点（话筒输出点2）。

R-OUT：

模拟信号输出点（耳机输出点）。

七、实验报告要求

1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。

实验三常规双边带调幅与解调实验

一、实验目的

1、掌握常规双边带调幅与解调的原理及实现方法。

2、掌握二极管包络检波原理。

3、掌握调幅信号的频谱特性。

4、了解常规双边带调幅与解调的优缺点。

5、了解抑制载波双边带调幅和解调的优缺点。

二、实验内容

1、观察常规双边带调幅的波形。

2、观察常规双边带调幅波形的频谱。

3、观察抑制载波双边带调幅波形。

4、观察常规双边带解调的波形。

三、实验仪器

1、信号源模块

2、PAM&AM模块

3、频谱分析模块（可选）

4、20M双踪示波器一台

5、频率计（可选）一台

6、音频信号发生器（可选）一台

7、立体声单放机（可选）一台

8、立体声耳机（可选）一副

9、连接线若干

四、实验原理

（A）常规双边带调幅与解调

1、常规双边带调幅

所谓调制，就是在传送信号的一方（发送端）将所要传送的原始信号（其频率一般是较低的）“附加”在高频振荡信号上。

所谓将原始信号“附加”在高频振荡上，就是利用原始信号来控制高频振荡的某一参数，使这个参数随原始信号的变化而变化。

这里，高频振荡波就是携带原始信号的“运载工具”，所以也叫载波。

而原始信号我们一般称之为调制信号。

在接收信号的一方也就是接收端再经过解调（反调制）把载波所携带的信号取出来，得到原有的信息，解调过程也叫检波。

调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。

通常调制的载波可以分为两类：

用连续振荡波形（正弦型信号）作为载波；用脉冲串或一组数字信号作为载波。

连续波调制是用调制信号来控制正弦型载波的振幅、频率或相位，因而分为调幅、调频和调相三种方式；脉冲波调制是先用信号来控制脉冲波的振幅、宽度、位置等，然后再用这已调脉冲对载波进行调制，脉冲调制有脉冲振幅、脉宽、脉位、脉冲编码调制等多种形式。

本实验模块所要进行的实验是连续波的振幅调制与解调，即常规双边带调幅与解调和抑制载波双边带调幅与解调。

我们已经知道，调幅波的特点是载波的振幅受调制信号的控制作周期性的变化，这变化

的周期与调制信号的周期相同，振幅变化与调制信号的振幅成正比。

为简化分析，假定调制信号是简谐振荡，即为单频信号，其表达式为：

图3-1常规调幅波形

如果用它来对载波

（

）进行调幅，那么，在理想情况下，常规调幅信号为：

（3－1）

其中调幅指数

为比例系数。

图4-1给出了

，

和

的波形图。

从图中并结合式（4－1）可以看出，常规调幅信号的振幅由直流分量

和交流分量

迭加而成，其中交流分量与调制信号成正比，或者说，常规调幅信号的包络（信号振幅各峰值点的连线）完全反映了调制信号的变化。

另外还可得到调幅指数Ma的表达式：

显然，当Ma>1时，常规调幅波的包络变化与调制信号不再相同，产生了失真，称为过调制，如图4-2所示。

所以，常规调幅要求Ma必须不大于1。

图3-2过调制波形

式（4－1）又可以写成

（3－2）

可见，

的频谱包括了三个频率分量：

（载波）、

（上边频）和

（下边频）。

原调制信号的频带宽度是

（或

），而常规调幅信号的频带宽度是2

（或2F），是原调制信号的两倍。

常规调幅将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁，如图4-3所示。

被传送的调制信息只存在于边频中而不在载频中，携带信息的边频分量最多只占总功率的三分之一（因为Ma≤1）。

在实际系统中，平均调幅指数很小，所以边频功率占的比例更小，功率利用率更低。

为了提高功率利用率，可以只发送两个边频分量而不发送载频分量，或者进一步仅发送其中一个边频分量，同样可以将调制信息包含在已调制信号中。

这两种调制方式分别称为抑制载波的双边带调幅（简称双边带调幅）和抑制载波的单边带调幅（简称单边带调幅）。

图3-3常规调幅波的频谱

2、双边带调幅实验电路

双边带调幅信号产生的具体电路原理图如图3-4所示。

图中MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。

通常振幅调制、同步检波、鉴频、混频、倍频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程，所以都可以采用集成模拟乘法器实现上述功能。

而且采用模拟乘法器比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，性能也要更优越。

所以目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。

本实验就是采用MC1496作为振幅调制器。

高频载波信号从“载波输入”点输入，经高频耦合电容C08输入至U02（MC1496）的10脚。

低频基带信号从“音频输入”点输入，经低频耦合电容E05输入至U02的1脚。

C08为高频旁路电容，E06为低频旁路电容。

调幅信号从MC1496的12脚输出。

引脚2与3外接反馈电阻R19，用来扩展调制信号的电压的线性动态范围，R19增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减少。

引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时）。

图中MC1496芯片引脚1和引脚4接两个100Ω和两个750Ω电阻及47K电位器用来调节输入馈通电压，调节P01，可以引入一个直流补偿电压，由于调制电压与直流补偿电压相串联，相当于给调制信号叠加了某一直流电压后与载波电压相乘，从而完成普通调幅。

实际上，从此12脚输出的调幅信号接有一个U04组成的射随电路，来增加电路的带负载能力。

输出后的调幅信号还要经过滤波，这样才能保证调幅信号的质量。

双边带调幅的滤波电路如图3-5所示。

图3-4双边带调幅信号产生电路原理图

图3-5双边带调幅信号的滤波

3、常规双边带解调

在解调电路中，采用二极管包络检波对调幅信号进行解调。

包络检波是利用常规双边带调幅信号在时域内包络变化能反映调制信号变化规律这一特点形成的检波。

调幅信号还可以采用相干解调的方法进行解调。

但是包络检波电路比较简单，所以在工程中常常用到。

包络检波器可以由一个整流器也就是检波器和一个低通滤波器组成。

因为二极管D02的作用是实现高频包络检波，所以要求二极管的正向导通压降越小越好，在这里采用的是锗型二极管1N60，其正向导通电压UF≤0.3V，可以很好的满足要求。

R28为负载电阻，C14为负载电容，它的值应该选取在高频时，其阻抗远小于R，可视为短路；而在调制频率（低频）时，其阻抗则远大于R，可视为开路。

利用二极管的单向导电性和检波负载RC的充放电过程，就可以还原出与调幅信号包络基本一致的信号。

具体电路如图3-6所示。

图3-6二极管包络检波解调电路

（B）抑制载波双边带调幅

调幅信号中的大部分功率被载波占用，而载波本身并不含有基带信号的信息。

所以，可以不传输此载波。

这样就得到我们接下来要讨论的抑制载波双边带调制。

如果输入的原始信号没有直流分量，则得到的输出信号便是无载波分量的抑制载波双边带调制信号。

这样可以节省发送载波的功率，也可以提高信号的传输速率。

实现的方法与常规双边带调幅方法相同，也是采用模拟乘法器实现的。

如果需要产生抑制载波双边带调幅波，则仔细调节引脚1与引脚4之间的P01，使MC1496输入端电路平衡，输出信号

的幅度逐渐增大，最后出现如图3－7所示的抑制载波的调幅信号。

图3-7乘法器输出的调幅波

五、实验步骤

1、将信号源模块、PAM&AM模块、频谱分析模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，三个模块均开始工作。

（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）

3、使信号源模块的信号输出点“模拟输出”输出频率为3.125KHz、峰-峰值为0.5V左右的正弦波,旋转“64K幅度调节”电位器使“64K正弦波”处信号的峰-峰值为1V。

4、用连接线连接信号源模块的信号输出点“模拟输出”和PAM&AM模块的信号输入点“AM音频输入”，以及信号源模块的信号输出点“64K正弦波”和PAM&AM模块的信号输入点“AM载波输入”，调节PAM&AM模块的电位器“调制深度调节”，同时用示波器观察测试点“调幅输出”处的波形，可以观察到常规双边带调幅波形和抑制载波的双边带调幅波形。

5、观察“AM载波输入”、“AM音频输入”、“调幅输出”、“滤波输出”、“解调幅输出”各点处输出的波形。

6、用频谱分析模块（用法请参考实验三）分别观察常规双边带调幅时“AM载波输入”、“AM音频输入”、“调幅输出”、“滤波输出”、“解调幅输出”各点频谱，以及抑制载波的双边带调幅时各点频谱并比较之。

（可选）

7、改变“AM音频输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。

8、改变“AM载波输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。

六、输入、输出点参考说明

1、输入点参考说明

AM音频输入：

模拟信号输入点，输入的信号即为基带信号。

AM载波输入：

载波信号输入点，