南理工通信原理实验报告.docx
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南理工通信原理实验报告
实验一抽样定理实验····································3
实验七HDB3码型变换实验······························14
实验十一BPSK调制与解调实验····························21
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验·············29
实验一抽样定理实验
一、实验目的
1.了解抽样定理在通信系统中的重要性。
2.掌握自然抽样与平顶抽样的实现方法。
3.理解低通采样定理的原理。
4.理解实际的采样系统。
5.理解低通滤波器的幅频特性和对抽样信号恢复的影响。
6.理解带通采样定理的原理。
二、实验器材
1.主控&信号源、3号模块。
各一块
2.双踪示波器一台
3.连接线假设干
三、实验原理
1.实验原理框图
2.实验框图说明
抽样信号由抽样电路产生。
将输入的被抽样信号与抽样脉冲相乘就可以得到自然抽样信号，自然抽样信号经过保持电路得到平顶抽样信号。
平定抽样和自然抽样信号是通过S1切换输出的。
抽样信号的恢复是将抽样信号经过低通滤波器，即可得到恢复的信号。
这里滤波器可以选用抗混叠滤波器〔8阶3.4khz的巴特沃斯低通滤波器〕或fpga数字滤波器〔有FIR、IIR两种〕。
反sinc滤波器不是用来恢复抽样信号的，而是用来应对孔径失真现象。
要注意，这里的数字滤波器是借用的信源编译码局部的端口。
在做本实验室与信源编译码的内容没有联系。
四、实验结果与波形观测
实验工程一抽样信号观测及抽样定理验证
概述：
通过不同频率的抽样时钟，从时域与频域两方面观测自然抽样和平顶抽样的输出波形，以及信号恢复的混叠情况，从而了解不同抽样方式的输出差异和联系，验证抽样定理。
注：
通过观测频谱可以看到当抽样脉冲小于2倍被抽样信号频率时，信号会产生混叠。
1.关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
将被抽样信号送入抽样单元
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH5（LPF-IN）
送入模拟低通滤波器
2.开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
调节主控模块的W1使A-out输出峰峰值为3V。
3.此时实验系统初始状态为：
被抽样信号MUSIC为幅度4V、频率3K+1K正弦合成波。
抽样脉冲A-OUT为幅度3V、频率9khz、占空比20%的方波。
4.波形观测
〔1〕主控MUSIC波形
〔2〕自然抽样输出
〔3〕平顶抽样输出
〔4〕LPF-OUT〔此时采样频率为7.9khz〕
思考：
理论上当采样频率低于2倍的信号最高频率时恢复的波形会失真。
实验中当抽样脉冲频率为7.9khz时，输出波形刚好有失真，从而验证了奈奎斯特采样定理。
实验二滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响
概述：
该工程是通过改变不同抽样时钟频率，分别观测和绘制抗混叠低通滤波和FIR数字滤波的幅频特性曲线，并比拟抽样信号经过两种滤波器后的恢复效果，从而了解和探讨不同了不起幅频特性对抽样信号恢复的影响。
1.测试抗混叠滤波器的幅频特性曲线
〔1〕关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
A-OUT
模块3：
TH5（LPF-IN）
将信号送入模拟滤波器
〔2〕开电，设置主控模块，选择【信号源】→【输出波形】和【输出频率】，通过调节相应旋钮，使A-OUT主控&信号源输出频率5khz、峰峰值为3V的正弦波。
〔3〕此时实验系统初始状态为：
抗混叠低通滤波器的输入信号为频率5khz、幅度3V的正弦波。
〔4〕实验数据表格
A-OUT的频率/khz
5
基频幅度/V
4
2
3
2
1
3
〔5〕幅频特性曲线
思考：
对于3khz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？
答：
当输入波形频率远离3.4khz时增大频率间隔，当输入波形频率接近3.4khz时减小频率间隔。
低通滤波器的截止频率为hz，那么选取hz的整数倍测幅频得到的曲线会更接近理论曲线，可将信号源输入频率的步进值调整为680hz。
2.测试FIR数字滤波器的幅频特性曲线
〔1〕关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
A-OUT
模块3：
TH13（编码输入）
将信号送入数字滤波器
〔2〕开电，设置主控菜单：
选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
调节【信号源】，使A-OUT输出频率5khz、峰峰值为3V的正弦波。
〔3〕实验数据表格
A-OUT的频率/khz
5
基频幅度/V
4
3
2
5
〔4〕幅频特性曲线
思考：
对于3khz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？
答：
在测量频率特性曲线时，当输入波形频率远离3khz时增大频率间隔，当输入波形频率接近3khz时减小频率间隔。
调整信号源输入频率的步进值为600hz,能更好的画出幅频特性曲线。
3.分别利用上述两个滤波器对被抽样信号进行恢复，比拟被抽样信号的恢复效果。
〔1〕关电，按表格所示进行连线：
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
提供被抽样信号
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH5（LPF-IN）
送入模拟低通滤波器
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH13（编码输入）
送入FIR数字低通滤波器
〔2〕开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。
〔3〕此时实验系统初始状态为：
待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9khz、占空比20%的方波。
当设置采样频率为z时，抗混叠滤波器〔CH1〕在电压为负值时出现严重失真，而FIR数字滤波器〔CH2〕的恢复结果说明采样后的信号发生了混叠。
思考：
不同滤波器的幅频特性对抽样恢复有何影响？
答：
模拟滤波器的恢复结果理论上更接近幅频特性，实际中会受到元件因素的影响；FIR数字滤波器可以实现相位的匹配。
实验三滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响
概述：
该工程是通过改变不同抽样始终频率，从时域和频域两方面分别观测抽样信号经过FIR滤波和IIR滤波后的恢复失真情况，从而了解和探讨不同滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。
观察被抽样信号经过fir低通滤波器与iir低通滤波器后，所恢复信号的频谱。
1.关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
提供被抽样信号
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH13（编码输入）
将信号送入数字滤波器
2.开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。
3.此时实验系统初始状态为：
待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9khz、占空比20%的方波。
4.实验操作及波形观测。
a、观测信号经fir滤波后波形恢复效果：
设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【FIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为z；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形和频谱。
b、观测信号经iir滤波后波形恢复效果：
设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【IIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为z；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形〔CH1〕和频谱。
c、探讨被抽样信号经不同滤波器恢复的频谱和时域波形：
被抽样信号与经过滤波器后恢复的信号之间的频谱是否一致？
如果一致，是否就是说原始信号能够不失真的恢复出来？
用示波器分别观测fir滤波恢复和iir滤波恢复情况下，译码输出3#的时域波形是否完全一致，如果波形不一致，是失真呢？
还是有相位的平移呢？
如果相位有平移，观测并计算相位移动时间。
答：
恢复出的信号与被抽样信号不完全一致，同时同一信号经FIR和IIR滤波器恢复出的波形也不一致，同时两种滤波器输出波形都大约相对于原始波形延迟1ms。
五、问题分析
1.滤波器的幅频特性是如何影响抽样恢复信号的？
简述平顶抽样和自然抽样的原理和实现方法。
答：
抗混叠滤波器的截止频率等于源信号谱中最高频率fn，将高频分量滤除。
经滤波后得到的信号包含了原信号频谱的全部内容，故在低通滤波器输出端可以得到恢复后的原信号。
当抽样频率小于2倍的原信号的最高频率即滤波器的截止频率时，抽样信号的频谱会发生混叠现象，从发生混叠后的频谱中无法用低通滤波器获得信号频谱的全部内容，从而导致失真。
平顶抽样原理：
抽样脉冲具有一定持续时间，在脉宽期间其幅度不变，每个抽样脉冲顶部不随信号变化。
实际应用中是采用抽样保持电路来实现的。
自然抽样原理：
抽样脉冲具有一定持续时间，在脉宽期间其幅度不变，每个抽样脉冲顶部随信号幅度变化。
用周期性脉冲序列与信号相乘就可以实现。
2.思考一下，实验步骤中采用3K+1K正弦合成波作为被抽样信号，而不是单一频率的正弦波，在实验过程中波形变化的观测上有什么区别？
对抽样定理理论和实际的研究有什么意义？
答：
观测波形变化时可以方便地通过比拟两个极大值的大小来查看失真情况，观测波形变化时更稳定，使抽样定理理论的验证结果更可靠。
实验七HDB3码型变换实验
一．实验目的
1.了解几种常用的数字基带信号的特征和作用
2.了解HDB3码的编译规那么
3.了解滤波法位同步在码变换过程中的作用
二．实验器材
＆信号源、2号、8号、13号模块各一块
2.双踪示波器一台
3.连接线假设干
三．实验原理
数字通信系统中，有时不经过数字基带信号与信道信号之间的变换，只由终端设备进行信息与数字基带信号之间的变换，然后直接传输数字基带信号。
在基带传输中经常采用AMI码〔符号交替反转码〕和HDB3码〔三阶高密度双极性码〕。
适合线路上传输的码型，以下几点考虑：
1.在选用的码型的频谱中应该没有直流分量，低频分量也应尽量少。
这是因为终端机输出电路或再生中继器都是经过变压器与电缆相连接的，而变压器是不能通过直流分量和低频分量的。
2.传输型的频谱中高频分量要尽量少这是因为电缆中信号线之间的串话在高频局部更为严重，当码型频谱中高频分量较大时，就限制了信码的传输距离或传输质量。
3.码型应便于再生定时电路从码流中恢复位定时。
假设信号中连“0〞较长，那么等效于一段时间没有收脉冲，恢复位定时就困难，所以应该使变换后的码型中连“0〞较少。
4.设备简单，码型变换容易实现。
〔5〕选用的码型应使误码率较低。
双极性基带信号波形的误码率比单极性信号的低。
根据这些原那么，在传输线路上通常采用AMI码和HDB3码。
HDB3码（三阶高密度双极性码）
①编码规那么：
连0串<4时，进行AMI编码，即传号极性交替；连0串>=4时，将第4个0变为非0符号〔+V或-V〕，称破坏脉冲V码;当相邻V之间有偶数个〔含0个〕非0符号时，再将该小段的第1个0变换成B，称附加脉冲B码。
极性规那么：
极性交替规那么——“1〞码和“B〞码一起作极性交替，“V〞码也作极性交替；极性破坏规那么——“V〞码必须与前一个“1〞码或“B〞码同极性。
例：
基带二进制：
1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1
AMI码：
-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1+1 0 0 0 0-1+1
HDB3码：
-1 0 0 0-V +1 0 0 0 +V -1+1-B 0 0 -V+1-1
②特点：
无直流分量，且只有很小的低频分量；HDB3中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号；编码规那么复杂，但译码较简单。
③解码规那么：
寻找两个相邻的同极性码，后者即为“V〞码；把“V〞码连同其前3位码均改为“0〞，所有的“±1〞均改为“1〞，即恢复信号。
AMI码：
我们用“0〞和“1〞代表传号和空号。
AMI码的编码规那么是“0〞码不变，“1〞码那么交替地转换+1和-1。
当码序列是1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1时，AMI码就变为：
+1 0 0 -1 0 0 0 +1 -1 +1 0 -1。
这种码型交替出现正、负极脉冲，所以没直流分量，低频分量也很少。
这种码的反变换也很容易，在再生信码时，只要将信号整流，即可将“-1〞转换成“+1〞，恢复成单极性码，这种未能解决信号中的长“0〞的问题。
四．实验步骤与波形
2.编码输出数据TH1
3.编码输入数据及基带码元奇数位波形
〔黄色：
编码输入数据〕
〔蓝色：
基带码元基数位波形〕
4.码元输入数据及基带码元偶数位波形
〔黄色：
编码输入数据〕
〔蓝色：
基带码元偶数位波形〕
5.TP2与TP3相减后的波形
6.编码输入数据和译码输出数据
〔黄色：
编码输入数据〕
〔蓝色：
译码输出数据〕
思考：
译码过后的信号波形与输入信号波形相比延时多少？
答：
波形相比延迟了五个时钟周期
7.TP4（HDB3-A2）及TP8（HDB3-B2）
8.TP5（HDB3输入）频谱分量
9.TP3（单极性码）频谱分量
10.编码输入时钟及译码输出时钟
〔黄色：
编码输入时钟〕
〔蓝色：
译码输出时钟〕
五．问题分析
分析电路的实验原理，表达其工作过程
〔1）先将消息代码变换成AMI码，假设AMI码中连0的个数小于4，此时的AMI码就是HDB3码
（2）假设AMI码中连0的个数大于4，那么将每4个连0小段的第4个0变换成与前一个非0符号（+或-）同极性的符号，用V表示（前一非零符号极性为+，那么第4个0转换成+V；同理假设极性为-，那么转换为-V）；
（3）为了不破坏极性交替反转，当相邻V符号之间有偶数个非0符号时，再将该小段的第1个0变换成＋B或-B，B符号的极性与前一非零符号的极性相反，并让后面的非零符号从V符号开始再交替变化。
实验十一BPSK调制与解调实验
一、实验目的
1、掌握BPSK调制和解调的根本原理；
2、掌握BPSK数据传输过程，熟悉典型电路；
3、了解数字基带波形时域形成的原理和方法，掌握滚降系数的概念；
4、熟悉BPSK调制载波包络的变化；
5、掌握BPSK载波恢复特点与位定时恢复的根本方法；
二、实验器材
1、主控&信号源、9号、13号模块各一块
2、双踪示波器一台
3、连接线假设干
三、实验原理
1．实验原理框图
2.实验框图说明
基带信号的1电平和0电平信号分别与256KHz载涉及256KHz反相载波相乘，叠加后得到BPSK调制输出；已调信号送入到13模块载波提取单元得到同步载波；已调信号与相干载波相乘后，经过低通滤波和门限判决后，解调输出原始基带信号。
四、实验现象及波形观测
实验工程一BPSK调制信号观测
概述：
BPSK调制实验中，信号是用相位相差180°的载波变换来表征被传递的信息。
本工程通过比照观测基带信号波形与调制输出波形来验证BPSK调制原理。
1、关电，按表格所示进行连线。
源端口
目的端口
连线说明
信号源：
PN
模块9：
TH1（基带信号）
调制信号输入
信号源：
256KHz
模块9：
TH14（载波1）
载波1输入
信号源：
256KHz
模块9：
TH3（载波2）
载波2输入
模块9：
TH4（调制输出）
模块13：
TH2（载波同步输入）
载波同步模块信号输入
模块13：
TH1（SIN）
模块9：
TH10（相干载波输入）
用于解调的载波
模块9：
TH4（调制输出）
模块9：
TH7（解调输入）
解调信号输入
2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【BPSK/DBPSK数字调制解调】。
将9号模块的S1拨为0000，调节信号源模块W3使256KHz载波信号峰峰值为3V。
3、此时系统初始状态为：
PN序列输出频率32KHz。
4、实验操作及波形观测。
〔1〕以9号模块“NRZ-I〞〔CH1〕为触发，观测“I〞〔CH2〕；
〔2〕以9号模块“NRZ-Q〞〔CH1〕为触发，观测“Q〞〔CH2〕。
〔3〕以9号模块“基带信号〞〔CH1〕为触发，观测“调制输出〞〔CH2〕。
思考：
分析以上观测的波形，分析与ASK有何关系？
答：
BPSK的基带信号为双极性码，ASK的基带信号为单极性码。
实验工程二BPSK解调观测〔9号模块〕
概述：
本工程通过比照观测基带信号波形与解调输出波形，观察是否有延时现象，并且验证BPSK解调原理。
观测解调中间观测点TP8，深入理解BPSK解调原理。
1、保持实验工程一中的连线。
将9号模块的S1拨为“0000〞。
2、以9号模块测13号模块的“SIN〞，调节13号模块的W1使“SIN〞的波形稳定，即恢复出载波。
恢复的载波如CH2所示。
3、以9号模块的“基带信号〞〔CH1〕为触发观测“BPSK解调输出〞〔CH2〕，屡次单击13号模块的“复位〞按键。
观测“BPSK解调输出〞的变化。
恢复出的波形与原信号有时同相，有时反响。
4、以信号源的CLK为触发，测9号模块LPF-BPSK，观测眼图。
思考：
“BPSK解调输出〞是否存在相位模糊的情况？
为什么会有相位模糊的情况？
答：
BPSK解调输出存在相位模糊的情况，因为恢复的本地载波和相干载波可能同相也可能反相。
五、问题分析
1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程。
输入的基带信号由转换开关转接后分成两路，一路经过差分编码控制256KHz的载频，另一路经倒相去控制256KHz的载频。
解调采用锁相解调，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频上此时对应的环路滤波器输出电压为零，而对另一载频失锁，那么对应的环路滤波器输出电压不为零，在锁相环路滤波器输出端就可以获得原基带信号的信息。
2、分析BPSK调制解调原理。
调制原理：
基带信号先经过差分编码得到相对码，再根据相对码进行绝对调相，
即将相对码的1电平和0电平信号分别与256K载涉及256K反相载波相乘，叠加后得到DBPSK调制输出。
解调原理：
对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，进而恢复出发送的二进制数字信息。
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验
一．实验目的
1.掌握滤波法提取位同步信号的原理及其对信息码的要求
2.掌握用数字锁相环提取位同步信号的原理及其对信息代码的要求
3.掌握位同步器的同步建立空间、同步保持时间、位同步信号同步抖动等概念
二．实验器材
1.主控＆信号源、13、8模块各一块
2.双踪示波器一台
3.连接线假设干
三．实验原理
数字通信中，除了有载波同步的问题外，还有位同步的问题。
因为信息是一串相继的
信号码元的序列，解调时常需知道每个码元的起止时刻。
因此，接收端必须产生一个用作抽
样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。
我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步，而称这个定时脉冲列为码元同步脉冲或位同步脉冲。
要使数字通信设备正常工作，离不开正确的位同步信号。
如果位同步脉冲发生严重抖动或缺位，那么使数字通信产生误码；严重时使通信造成中断。
影响位同步恢复的主要原因：
1输入位同步电路的信号质量；
2②信号的编码方式：
码元中存在长连“0〞或长连“1〞。
在实际通信系统中为了节省传输频带和减小对邻近频道的干扰，一般采用限带传输。
也
就是将调制信号在基带中进行滚降处理或在中频将已调信号进行中频滤波器成形。
这样的信
号经过传输和解调器解调，如QPSK系统那么输出是I、O二路模拟信号，由于其形状的原因，
因此称为眼图。
位同步取样位置对眼图的开启位置影响很大。
2．位同步的主要技术指标：
〔1〕静态相差
在相干解调系统中，接收到的信号眼图是由调制器成型滤波器的衰降系统决定的。
为了充分利用接收到的信号能量，通常把位同步的抽样脉冲相位调到眼图最大开启位置。
在这个位置进行判决认为是最正确，称静态相差为零。
相反位同步的抽样脉冲相位偏离了眼图的最大开启位置，就会造成误码或接收机门限特性下降。
通常很多位同步提取电路都存在着一个固定静态相差。
要通过电路补偿及移相方法来调正位同步的最正确取样点。
〔2〕相位抖动
数字通信中相位抖动是随着传输距离、中继次数及复接/分接数目的增加而积累，它对数字通信的影响类似于噪声对模拟通信的影响。
因此相位抖动也常被称为数字噪声。
当考虑抖动对数字网的影响时，常用相位抖动最大峰峰值概念。
它表示相位抖动时间函数的最大值与最小值之间的差值。
在数字网设计时我们要求位同步提取能够有较好的承受最大输入抖动和最小输出抖动能力。
〔3〕同步建立时间
由于位同步恢复一般要采用带有时间常数的电路。
例如采用锁相环提取同步信号方法。
因锁相环中的频分器的时间常数取值不一样，同步的建立时间也不一样。
对于常规的数字通信系统，同步建立时间都能满足一定的要求。
但对于突发模式或跳数模式的数字通信，同步建立时间是一项十分重要的技术指标。
〔4〕同步保持时间
从接收信号消失起，到位同步电路输出的位同步信号中断为止的这段时间称位同步保持时间。
在数字通信中我们要求位同步提取电路要求建立时间短，保持时间长。
这样可以尽量减少由于信道衰减造成位同步的中断。
3．数字通信位同步恢复的各种方法
一类方法是发端专门发送导频信号，而另一类是直接从数字信号中提取位同步信号的方法，后者是数字通信中经常采用的一种方法。
1） 滤波法
已经知道，对于不归零的随机二进制序列，不能直接从其中滤出位同步信号。
但是，假设对该信号进行某种变换，例如，变成归零脉冲后，那么该序列中就有f=1/T的位同步信号分量，经一个窄带滤波器，可滤出此信号分量，再将它通过一移相器调整相位后，就可以形成位同步脉冲。
这种方法的方框图如图34-1所示。
它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器
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