15物联网通信原理实验指导书.docx

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15物联网通信原理实验指导书

15物联网工程

通信原理实验指导书

指导老师：

黄开连

信息科学与工程学院

实验一AMI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、掌握AMI码的编译规则。

3、了解滤波法位同步在的码变换过程中的作用。

二、实验器材

1、主控&信号源、2号、8号、13号模块各一块

2、双踪示波器一台

3、连接线若干

三、实验原理

1、AMI编译码实验原理框图

AMI编译码实验原理框图

2、实验框图说明

AMI编码规则是遇到0输出0，遇到1则交替输出+1和-1。

实验框图中编码过程是将信号源经程序处理后，得到AMI-A1和AMI-B1两路信号，再通过电平转换电路进行变换，从而得到AMI编码波形。

AMI译码只需将所有的±1变为1，0变为0即可。

实验框图中译码过程是将AMI码信号送入到电平逆变换电路，再通过译码处理，得到原始码元。

四、实验步骤

实验项目一AMI编译码（256KHz归零码实验）

概述：

本项目通过选择不同的数字信源，分别观测编码输入及时钟，译码输出及时钟，观察编译码延时以及验证AMI编译码规则。

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8：

TH3（编码输入-数据）

基带信号输入

信号源：

CLK

模块8：

TH4（编码输入-时钟）

提供编码位时钟

模块8：

TH11（AMI编码输出）

模块8：

TH2（AMI译码输入）

将数据送入译码模块

模块8：

TH5（单极性码）

模块13：

TH7（数字锁相环输入）

数字锁相环位同步提取

模块13：

TH5（BS2）

模块8：

TH9（译码时钟输入）

提供译码位时钟

2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【AMI编译码】→【256K归零码实验】。

将模块13的开关S3分频设置拨为0011，即提取512K同步时钟。

3、此时系统初始状态为：

编码输入信号为256K的PN序列。

4、实验操作及波形观测。

（1）用示波器分别观测编码输入的数据TH3和编码输出的数据TH11（AMI输出），观察记录波形，有数字示波器的可以观测编码输出信号频谱，验证AMI编码规则。

注：

观察时注意码元的对应位置。

（2）保持示波器测量编码输入数据TH3的通道不变，另一通道测量中间测试点TP5（AMI-A1），观察基带码元的奇数位的变换波形。

（3）保持示波器测量编码输入数据TH3的通道不变，另一通道测量中间测试点TP6（AMI-B1），观察基带码元的偶数位的变换波形。

（4）用示波器分别观测模块8的TP5（AMI-A1）和TP6（AMI-B1），可从频域角度观察信号所含256KHz频谱分量情况；或用示波器减法功能观察AMI-A1与AMI-B1相减后的波形情况,，并与AMI编码输出波形相比较。

（5）用示波器对比观测编码输入的数据和译码输出的数据，观察记录AMI译码波形与输入信号波形。

思考：

译码过后的信号波形与输入信号波形相比延时多少？

（6）用示波器分别观测TP9（AMI-A2）和TP11（AMI-B2），从时域或频域角度了解AMI码经电平变换后的波形情况。

（7）用示波器分别观测模块8的TH2（AMI输入）和TH6（单极性码），从频域角度观测双极性码和单极性码的256KHz频谱分量情况。

（8）用示波器分别观测编码输入的时钟和译码输出的时钟，观察比较恢复出的位时钟波形与原始位时钟信号的波形。

思考：

此处输入信号采用的单极性码，可较好的恢复出位时钟信号，如果输入信号采用的是双极性码，是否能观察到恢复的位时钟信号，为什么？

实验项目二AMI编译码（256KHz非归零码实验）

概述：

本项目通过观测AMI非归零码编译码相关测试点，了解AMI编译码规则。

1、保持实验项目一的连线不变。

2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【AMI编译码】→【256K非归零码实验】。

将模块13的开关S3分频设置拨为0100，即提取256K同步时钟。

3、此时系统初始状态为：

编码输入信号为256KHz的PN序列。

4、实验操作及波形观测。

参照项目一的256KHz归零码实验项目的步骤，进行相关测试。

五、实验报告

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，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。

实验二HDB3码型变换实验（选做）

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、掌握HDB3码的编译规则。

3、了解滤波法位同步在的码变换过程中的作用。

二、实验器材

1、主控&信号源、2号、8号、13号模块各一块

2、双踪示波器一台

3、连接线若干

三、实验原理

1、HDB3编译码实验原理框图

HDB3编译码实验原理框图

2、实验框图说明

我们知道AMI编码规则是遇到0输出0，遇到1则交替输出+1和-1。

而HDB3编码由于需要插入破坏位B，因此，在编码时需要缓存3bit的数据。

当没有连续4个连0时与AMI编码规则相同。

当4个连0时最后一个0变为传号A，其极性与前一个A的极性相反。

若该传号与前一个1的极性不同，则还要将这4个连0的第一个0变为B，B的极性与A相同。

实验框图中编码过程是将信号源经程序处理后，得到HDB3-A1和HDB3-B1两路信号，再通过电平转换电路进行变换，从而得到HDB3编码波形。

同样AMI译码只需将所有的±1变为1，0变为0即可。

而HDB3译码只需找到传号A，将传号和传号前3个数都清0即可。

传号A的识别方法是：

该符号的极性与前一极性相同，该符号即为传号。

实验框图中译码过程是将HDB3码信号送入到电平逆变换电路，再通过译码处理，得到原始码元。

四、实验步骤

实验项目一HDB3编译码（256KHz归零码实验）

概述：

本项目通过选择不同的数字信源，分别观测编码输入及时钟，译码输出及时钟，观察编译码延时以及验证HDB3编译码规则。

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8：

TH3（编码输入-数据）

基带信号输入

信号源：

CLK

模块8：

TH4（编码输入-时钟）

提供编码位时钟

模块8：

TH1（HDB3输出）

模块8：

TH7（HDB3输入）

将数据送入译码模块

模块8：

TH5（单极性码）

模块13：

TH7（数字锁相环输入）

数字锁相环位同步提取

模块13：

TH5（BS2）

模块8：

TH9（译码时钟输入）

提供译码位时钟

2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【HDB3编译码】→【256K归零码实验】。

将模块13的开关S3分频设置拨为0011，即提取512K同步时钟。

3、此时系统初始状态为：

编码输入信号为256K的PN序列。

4、实验操作及波形观测。

（1）用示波器分别观测编码输入的数据TH3和编码输出的数据TH1（HDB3输出），观察记录波形，有数字示波器的可以观测编码输出信号频谱，验证HDB3编码规则。

注：

观察时注意码元的对应位置。

（2）保持示波器测量编码输入数据TH3的通道不变，另一通道测量中间测试点TP2（HDB3-A1），观察基带码元的奇数位的变换波形。

（3）保持示波器测量编码输入数据TH3的通道不变，另一通道测量中间测试点TP3（HDB3-B1），观察基带码元的偶数位的变换波形。

（4）用示波器分别观测模块8的TP2（HDB3-A1）和TP3（HDB3-B1），可从频域角度观察信号所含256KHz频谱分量情况；或用示波器减法功能观察HDB3-A1与HDB3-B1相减后的波形情况,，并与HDB3编码输出波形相比较。

（5）用示波器对比观测编码输入的数据和译码输出的数据，观察记录HDB3译码波形与输入信号波形。

思考：

译码过后的信号波形与输入信号波形相比延时多少？

（6）用示波器分别观测TP4（HDB3-A2）和TP8（HDB3-B2），从时域或频域角度了解HDB3码经电平变换后的波形情况。

（7）用示波器分别观测模块8的TH7（HDB3输入）和TH6（单极性码），从频域角度观测双极性码和单极性码的256KHz频谱分量情况。

（8）用示波器分别观测编码输入的时钟和译码输出的时钟，观察比较恢复出的位时钟波形与原始位时钟信号的波形。

思考：

此处输入信号采用的单极性码，可较好的恢复出位时钟信号，如果输入信号采用的是双极性码，是否能观察到恢复的位时钟信号，为什么？

实验项目二HDB3编译码（256KHz非归零码实验）

概述：

本项目通过观测HDB3非归零码编译码相关测试点，了解HDB3编译码规则。

1、保持实验项目一的连线不变。

2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【HDB3编译码】→【256K非归零码实验】。

将模块13的开关S3分频设置拨为0100，即提取256K同步时钟。

3、此时系统初始状态为：

编码输入信号为256K的PN序列。

4、实验操作及波形观测。

参照前面的256KHz归零码实验项目的步骤，进行相关测试。

实验项目三HDB3码对连0信号的编码、直流分量以及时钟信号提取观测

概述：

本项目通过设置和改变输入信号的码型，观测HDB3归零码编码输出信号中对长连0码信号的编码、含有的直流分量变化以及时钟信号提取情况，进一步了解HDB3码特性。

1、关电，按表格所示进行连线。

源端口

目的端口

连线说明

模块2：

DoutMUX

模块8：

TH3（编码输入-数据）

基带信号输入

模块2：

BSOUT

模块8：

TH4（编码输入-时钟）

提供编码位时钟

模块8：

TH1（HDB3输出）

模块8：

TH7（HDB3输入）

将数据送入译码模块

模块8：

TH5（单极性码）

模块13：

TH7（数字锁相环输入）

数字锁相环位同步提取

模块13：

TH5（BS2）

模块8：

TH9（译码时钟输入）

提供译码位时钟

2、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【HDB3编译码】→【256K归零码实验】。

将模块13的开关S3分频设置拨为0011，即提取512K同步时钟。

将模块2的开关S1、S2、S3、S4全部置为11110000，使DoutMUX输出码型中含有连4个0的码型状态。

（或自行设置其他码值也可。

）

3、此时系统初始状态为：

编码输入信号为256KHz的32位拨码信号。

4、实验操作及波形观测。

（1）观察含有长连0信号的HDB3编码波形。

用示波器观测模块8的TH3（编码输入-数据）和TH1（HDB3输出），观察信号中出现长连0时的波形变化情况。

注：

观察时注意码元的对应位置。

思考：

HDB3编码与AMI编码波形有什么差别？

（2）观察HDB3编码信号中是否含有直流分量。

将模块2的开关S1、S2、S3、S4拨为00000000000000000000000000000011，用示波器分别观测编码输入数据和编码输出数据，编码输入时钟和译码输出时钟，调节示波器，将信号耦合状况置为交流，观察记录波形。

保持连线，拨码开关由0到1逐位拨起，直到模块2的拨动开关置为00111111111111111111111111111111，观察拨码过程中编码输入数据和编码输出数据波形的变化情况。

思考：

HDB3码是否存在直流分量？

（3）观察HDB3编码信号所含时钟频谱分量。

将模块2的开关S1、S2、S3、S4全部置0，用示波器先分别观测编码输入数据和编码输出数据，再分别观测编码输入时钟和译码输出时钟，观察记录波形。

再将模块2的开关S1、S2、S3、S4全部置1，观察记录波形。

思考：

数据和时钟是否能恢复？

注：

有数字示波器的可以观测编码输出信号FFT频谱。

在恢复时钟方面HDB3码与AMI码比较有哪一个更好？

比较不同输入信号时两种码型的时钟恢复情况并联系其编码信号频谱分析原因。

五、实验报告

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，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。

实验三ASK调制及解调实验

一、实验目的

1、掌握用键控法产生ASK信号的方法。

2、掌握ASK非相干解调的原理。

二、实验器材

1、主控&信号源、9号模块各一块

2、双踪示波器一台

3、连接线若干

三、实验原理

1、实验原理框图

ASK调制及解调实验原理框图

2、实验框图说明

ASK调制是将基带信号和载波直接相乘。

已调信号经过半波整流、低通滤波后，通过门限判决电路解调出原始基带信号。

四、实验步骤

实验项目一ASK调制

概述：

ASK调制实验中，ASK（振幅键控）载波幅度是随着基带信号的变化而变化。

在本项目中，通过调节输入PN序列频率或者载波频率，对比观测基带信号波形与调制输出波形，观测每个码元对应的载波波形，验证ASK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：

128KHz

模块9：

TH14（载波1）

载波输入

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】→【ASK数字调制解调】。

将9号模块的S1拨为0000。

3、此时系统初始状态为：

PN序列输出频率32KHz，调节128KHz载波信号峰峰值为3V。

4、实验操作及波形观测。

（1）分别观测调制输入和调制输出信号：

以9号模块TH1为触发，用示波器同时观测9号模块TH1和TH4，验证ASK调制原理。

（2）将PN序列输出频率改为64KHz，观察载波个数是否发生变化。

实验项目二ASK解调

概述：

实验中通过对比观测调制输入与解调输出，观察波形是否有延时现象，并验证ASK解调原理。

观测解调输出的中间观测点，如：

TP4（整流输出），TP5（LPF-ASK），深入理解ASK解调过程。

1、保持实验项目一中的连线及初始状态。

2、对比观测调制信号输入以及解调输出：

以9号模块TH1为触发，用示波器同时观测9号模块TH1和TH6，调节W1直至二者波形相同；再观测TP4（整流输出）、TP5（LPF-ASK）两个中间过程测试点，验证ASK解调原理。

3、以信号源的CLK为触发，测9号模块LPF-ASK，观测眼图。

五、实验报告

1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程；

2、分析ASK调制解调原理。

实验四FSK调制及解调实验

一、实验目的

1、掌握用键控法产生FSK信号的方法。

2、掌握FSK非相干解调的原理。

二、实验器材

1、主控&信号源、9号模块各一块

2、双踪示波器一台

3、连接线若干

三、实验原理

1、实验原理框图

FSK调制及解调实验原理框图

2、实验框图说明

基带信号与一路载波相乘得到1电平的ASK调制信号，基带信号取反后再与二路载波相乘得到0电平的ASK调制信号，然后相加合成FSK调制输出；已调信号经过过零检测来识别信号中载波频率的变化情况，通过上、下沿单稳触发电路再相加输出，最后经过低通滤波和门限判决，得到原始基带信号。

四、实验步骤

实验项目一FSK调制

概述：

FSK调制实验中，信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态。

本项目中，通过调节输入PN序列频率，对比观测基带信号波形与调制输出波形来验证FSK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（载波）

模块9：

TH14（载波1）

载波1输入

信号源：

128KHz（载波）

模块9：

TH3（载波2）

载波2输入

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】→【FSK数字调制解调】。

将9号模块的S1拨为0000。

调节信号源模块的W2使128KHz载波信号的峰峰值为3V，调节W3使256KHz载波信号的峰峰值也为3V。

3、此时系统初始状态为：

PN序列输出频率32KH。

4、实验操作及波形观测。

（1）示波器CH1接9号模块TH1基带信号，CH2接9号模块TH4调制输出，以CH1为触发对比观测FSK调制输入及输出，验证FSK调制原理。

（2）将PN序列输出频率改为64KHz，观察载波个数是否发生变化。

实验项目二FSK解调

概述：

FSK解调实验中，采用的是非相干解调法对FSK调制信号进行解调。

实验中通过对比观测调制输入与解调输出，观察波形是否有延时现象，并验证FSK解调原理。

观测解调输出的中间观测点，如TP6（单稳相加输出），TP7（LPF-FSK），深入理解FSK解调过程。

1、保持实验项目一中的连线及初始状态。

2、对比观测调制信号输入以及解调输出：

以9号模块TH1为触发，用示波器分别观测9号模块TH1和TP6（单稳相加输出）、TP7（LPF-FSK）、TH8（FSK解调输出），验证FSK解调原理。

3、以信号源的CLK为触发，测9号模块LPF-FSK，观测眼图。

五、实验报告

1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程；

2、分析FSK调制解调原理。

实验五BPSK调制及解调实验

一、实验目的

1、掌握BPSK调制和解调的基本原理；

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基本方法；

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、连接线若干

三、实验原理

1、BPSK调制解调（9号模块）实验原理框

PSK调制及解调实验原理框图

2、BPSK调制解调（9号模块）实验框图说明

基带信号的1电平和0电平信号分别与256KHz载波及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、实验步骤

实验项目一BPSK调制信号观测（9号模块）

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。

本项目通过对比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”为触发，观测“I”；

（2）以9号模块“NRZ-Q”为触发，观测“Q”。

（3）以9号模块“基带信号”为触发，观测“调制输出”。

思考：

分析以上观测的波形，分析与ASK有何关系？

实验项目二BPSK解调观测（9号模块）

概述：

本项目通过对比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、保持实验项目一中的连线。

将9号模块的S1拨为“0000”。

2、以9号模块的“基带信号”为触发，观测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。

3、以9号模块的“基带信号”为触发观测“BPSK解调输出”，多次单击13号模块的“复位”按键。

观测“BPSK解调输出”的变化。

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？

五、实验报告

1、分析实验电路的工作原理，简述其工作过程；

2、分析BPSK调制解调原理。

实验六抽样定理实验

一、实验目的

1、了解抽样定理在通信系统中的重要性。

2、掌握自然抽样及平顶抽样的实现方法。

3、理解低通采样定理的原理。

4、理解实际的抽样系统。

5、理解低通滤波器的幅频特性对抽样信号恢复的影响。

6、理解低通滤波器的相频特性对抽样信号恢复的影响。

7、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、连接线若干

三、实验原理

1、实验原理框图

抽样定理实验框图

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，自然抽样的信号经过保持电路得到平顶抽样信号。

平顶抽样和自然抽样信号是通过开关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部分的端口。

在做本实验时与信源编译码的内容没有联系。

四、实验步骤

实验项目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，从时域和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。

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、实验操作及波形观测。

（1）观测并记录自然抽样前后的信号波形：

设置开关S13#为“自然抽样”档位，用示波器分别观测MUSIC主控&信号源和抽样输出3#。

（2）观测并记录平顶抽样前后的信号波形：

设置开关S13#为“平顶抽样”档位，用示波器分别观测MUSIC主控&信号源和抽样输出3#。

（3）观测并对比抽样恢复后信号与被抽样信号的波形：

设置开关S13#为“自然抽样”档位，用示波器观测MUSIC主控&信号源和LPF-OUT3#，以100Hz的步进减小A-OUT主控&信号源的频率，比较观测并思考在抽样脉冲频率多小的情况下恢复信号有失真。

（4）用频谱的角度验证抽样定理（选做）：

用示波器频谱功能观测并记录被抽样信号MUSIC和抽样输出频谱。

以