2022年通信原理实验一和实验二 .pdf

实验一数字信号源实验一、实验目的 1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。2、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。3、掌握数字信号源电路组成原理。二、实验内容 1、用示波器观察单极性非归零码（NRZ）、帧同步信号（FS）、位同步时钟（BS）。2、用示波器观察 NRZ、FS、BS三信号的对应关系。3、学习电路原理图。三、基本原理本模块是实验系统中数字信号源，即发送端，其原理方框图如图1-1 所示。本单元产生 NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图 1-2 所示。帧长为24 位，其中首位无定义，第2 位到第 8 位是帧同步码（7 位巴克码 1110010），另外 16 位为 2 路数据信号，每路8 位。此 NRZ 信号为集中插入帧同步码时分复用信号。发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示 0码。本模块有以下测试点及输入输出点：CLK-OUT 时钟信号测试点，输出信号频率为4.433619MHz BS-OUT 信源位同步信号输出点/测试点，频率为170.5KHz FS 信源帧同步信号输出点/测试点,频率为 7.1KHz NRZ-OUT NRZ信号输出点/测试点图 1-3 为数字信源模块的电原理图。图 1-1 中各单元与图 1-3 中的元器件对应关系如下：晶振 CRY：晶体；U1：反相器 7404 分频器 US2：计数器 74161；US3：计数器 74193；US4：计数器 40160 并行码产生器 KS1、KS2、KS3：8 位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据 1、数据 2 相对应；发光二极管左起分别与一帧中的24 位代码相对应八选一 US5、US6、US7：8 位数据选择器 4512 三选一 US8：8 位数据选择器 4512 倒相器 US10：非门 74HC04 抽样 US9：D触发器 74HC74 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 13 页 -BSS5S4S3S2S1 BS-OUT NRZ-OUTCLK并 行 码 产 生 器八选一八选一八选一分频器三选一NRZ抽样晶振FS倒相器图 1-1 数字信源方框图0100111数据 2数据 1帧同步码无定义位图 1-2 帧结构下面对分频器，八选一及三选一等单元作进一步说明。（1）分频器 74161进行 13 分频，输出信号频率为341kHz。74161 是一个 4 位二进制加计数器，预置在 3 状态。74193完成 2、4、8、16运算，输出 BS、S1、S2、S3等 4 个信号。BS为位同步信号，频率为170.5kHz。S1、S2、S3为 3 个选通信号，频率分别为BS信号频率的 1/2、1/4 和 1/8。74193是一个 4 位二进制加/减计数器，当 CD=PL=1、MR=0 时，可在 Q0、QB、QC 及 QD端分别输出上述 4 个信号。40160是一个二一十进制加计数器，预置在7 状态，完成 3 运算，在 Q0和 Q1端分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。分频器输出的 S1、S2、S3、S4、S5等 5 个信号的波形如图1-4（a）和 1-4（b）所示。（2）八选一采用 8 路数据选择器 4512，它内含了 8 路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1-1 所示。US5、US6和 US7的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接S1、S2、S3信号，它们的 8 个数据信号输入端x0 x7 分别 K1、K2、K3输出的 8 个并行信号连接。由表1-1 可以分析出 US5、US6、US7名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 13 页 -输出信号都是码速率为170.5KB、以 8 位为周期的串行信号。（3）三选一三选一电路原理同八选一电路原理。S4、S5信号分别输入到 US8的地址端 A和 B，US5、US6、US7输出的 3 路串行信号分别输入到US8的数据端 x3、x0、x1，U8的输出端即是一个码速率为170.5KB 的 2 路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ）。S3S2S1(a)S5S4S3(b)图 1-4 分频器输出信号波形（4）倒相与抽样图 1-1 中的 NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比BS信号的下降沿稍有点迟后。在实验二的数字调制单元中，有一个将绝对码变为相对码的电路，要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号的上升沿对齐，而这两个信号由数字信源提供。倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的，它们使NRZ-OUT 及 BS-OUT 信号满足码变换电路的要求。表 1-1 4512真值表C B A INH DIS Z 0 0 0 0 0 x0 0 0 1 0 0 x1 0 1 0 0 0 x2 0 1 1 0 0 x3 1 0 0 0 0 x4 1 0 1 0 0 x5 1 1 0 0 0 x6 1 1 1 0 0 x7 1 0 0 1 高阻名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 13 页 -123456ABCD654321DCBAP015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14US374LS19312US1A74LS04P03P14P25P36Q014Q113Q212Q311TC15CEP7CET10CLK2PE9MR1US274LS161RS2100kP03P14O-014P25O-113P36O-212O-311CET10CEP7CP2TC15PE9MR1US440160X01X12X23X34X45X56X67X79A11B12C13DIS15INH10Z14US54512X01X12X23X34X45X56X67X79A11B12C13DIS15INH10Z14US8451234US1B74LS0489US1D74LS0412345678161514131211109K1123456789RES1BSS1S2S3X01X12X23X34X45X56X67X79A11B12C13DIS15INH10Z14US6451212345678161514131211109K2123456789RES2X01X12X23X34X45X56X67X79A11B12C13DIS15INH10Z14US7451212345678161514131211109K3123456789RES3BS-OUTBS-OUTCLKS4S5FSCRYS14.433MCS122pRS11k56US1C74LS041011US1E74LS041213US1F74LS04selfself11223344556677889910101111121213131414151516161717181819192020LED1LED1011223344556677889910101111121213131414151516161717181819192020LED2LED1011223344556677889910101111121213131414151516161717181819192020LED3LED10VCCVCCVCCVCCVCCVCCVCCVCC NRZ-OUT12US10A7404CLK3D2SD4CD1Q5Q6US9A7474数字信号源图 1-3 数字信源电原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 13 页 -FS信号可用作示波器的外同步信号，以便观察2DPSK 等信号。FS信号、NRZ-OUT 信号之间的相位关系如图1-5 所示，图中 NRZ-OUT 的无定义位为 0，帧同步码为 1110010，数据 1 为 11110000，数据 2 为 00001111。FS信号的低电平、高电平分别为4 位和 8 位数字信号时间，其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。FSNRZ-OUT帧同步码数据 1数据 2图 1-5 FS、NRZ-OUT 波形四、实验步骤1、熟悉信源模块的工作原理。2、打开电源开关及模块电源开关，用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。3、用同轴电缆将 FS输出与示波器外同步信号输入端相连接，把FS作为示波器的外同步信号，进行下列观察：（1）示波器的两个通道探头分别接NRZ-OUT 和 BS-OUT，对照发光二极管的发光状态，判断数字信源单元是否已正常工作（1 码对应的发光管亮，0 码对应的发光管熄）；（2）用拨码 K1 产生代码 1110010（为任意代码，1110010 为 7 位帧同步码），K2、K3 产生任意信息代码，观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 13 页 -实验二数字调制实验一、实验目的 1、掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK 信号的方法。3、掌握相对码波形与 2PSK信号波形之间的关系、绝对码波形与 2DPSK 信号波形之间的关系。4、了解 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK 信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。二、实验内容 1、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。2、用示波器观察 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK 信号波形。3、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK、2FSK、2DPSK 信号的频谱。三、基本原理本实验使用数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供位同步信号和数字基带信号（NRZ码）。调制模块将输入的NRZ绝对码变为相对码、用键控法产生 2ASK、2FSK、2DPSK 信号。（A）二进制数字调制原理一2ASK 1产生m(t)tcosctcos)t(m)t(ecoNRZ模拟法键控法电子开关tcosceo(t)m(t)10信息代码2ASK2频谱)t(Cos)t(m)t(cos)t(m)t(e)t(e)(Rccooeoee)(R41cos)(R21)t(costcos)t(m)t(mccjjmcmcc)ff(P)ff(P41)f(Pcscseo式中 Ps(f)为 m(t)的功率密度名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 13 页 -谱零点带宽 B=2fs=2RB 发滤波器最小带宽可为fs(理论值)也可将基带信号处理后再进行2ASK调制二2FSK 1产生2频谱键控法 2FSK)ff(P)ff(P41)ff(P)ff(P41)f(P2c2s1c2s2c1s1c1seo式中)(1fps是 m(t)的功率谱，)(2fps是)(tm的功率谱当p(1)=p(0)时，)f(p1s=)f(p2ss2c1cf 2|ff|s2c1cf 2|ff|ps(f)-fs0 fsfc2 fc2+fs fc1 fc1+fs 或fc2 fc1 fc2 fc1 1 0 Peo(f)-fc0 fc升余弦滚降滤波器发滤波器升余弦滚降信号fccosct 滤除谐波fc-fs/2 fc+fs/2VCO 相位连续dt)t(mKtcosA)t(eFco相位不连续cosc1t cosc2t m(t)电子开关tcostmtcostmte2c1c0名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 13 页 -2FSK信号带宽s2c1cf2|ff|B三2PSK（BPSK）（绝对调相）0,tcos1,tcostcos)t(m)t(ecccoTs)1kt2(tkT2,BNRZ:)t(ms1 产生信息代码2PSK规律：“异变同不变”，即本码元与前一码元相异时，本码元内 2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的未相变化 180，相同时则不变。2频谱)ff(p)ff(p41)f(Pcscseo，Peo(f)中无离散谱 fc)(fps为 m(t)的频谱当 p(1)=p(0)时 ps(f)中无直流，B=2fs四2DPSK（差分相位键控，相对调相）1产生码变换 2PSK调制法电子开关180m(t)BNRZ cosct 2PSK cosct m(t)NRZ 1 0 0 1 1 0 信息代码cosct 2PSK cosct 2PSK pe0(f)fc-fsfc fc+fs2PSK 调制Ts 2PSK(bk)2DPSK(ak)ak bk bk-1 2PSK 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 13 页 -绝对码 ak相对码 bk变化规律：“1 变 0 不变”。bk=ak+bk-1，设 bk初始值为 1，各点波形如图所示：第一个码元内信号的初相可任意假设 ak2DPSK 规律：“1 变 0 不变”，即信息代码（绝对码）为“1”时，本码元内 2DPSK 信号的初相相对于前一码元内2DPSK 信号的未相变化 180，信息代码为“0”时，则本码元内2DPSK 信号的初相相对于前一码元内2DPSK 信号的末相不变化。2频谱同 2PSK（B）电路原理数字调制单元的原理方框图及电路图分别如图2-1，图 2-2 所示。晶振放大器2(A)滤波器A 2PSK 调制射随器CAR 2(B)滤波器 B 2FSK 调制2ASK 调制码变换BK 2ASK 2FSK-OUT NRZ-IN BS-IN AK2DPSK-OUT 图 2-1 数字调制方框图本单元有以下测试点及输入输出点：BS-IN 位同步信号输入点 NRZ-IN 数字基带信号输入点 CAR 2DPSK 信号载波测试点 AK 绝对码测试点（与NRZ-IN相同）BK 相对码测试点 2DPSK（2PSK）-OUT 2DPSK（2PSK）信号测试点/输出点，VP-P0.5V 2FSK-OUT 2FSK信号测试点/输出点，VP-P0.5V 2ASK-OUT 2ASK信号测试点，VP-P0.5V 1 2DPSK(ak)2PSK(bk)1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ak bk bk-1 cosct k:0 1 2 3 4 5 6 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 13 页 -图 2-1 中晶体振荡器与信源共用，位于信源单元，其它各部分与图2-2 中的主要元器件对应关系如下：2（A）UM2：双 D触发器 74HC74 2（B）UM2：双 D触发器 74LS74 滤波器 A UM5：运放 LF347，调谐回路滤波器 B UM5：运放 LF347，调谐回路码变换UM1：双 D触发器 74LS74；UM3：异或门 74LS86 2ASK调制UM6：三路二选一模拟开关4053 2FSK 调制UM6：三路二选一模拟开关4053 2DPSK（2PSK调制）UM6：三路二选一模拟开关4053 放大器QM4：三极管 9013 射随器QM1：三极管 9013 将晶振信号进行 2 分频、滤波后，得到 2ASK的载频 2.2165MHZ。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是2PSK、2DPSK 的两个载波，2FSK信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/2 和 1/4，也是通过分频和滤波得到的。下面重点介绍 2PSK、2DPSK。2PSK、2DPSK 波形与信息代码的关系如图2-3所示。图 2-3 2PSK、2DPSK 波形图中假设码元宽度等于载波周期的1.5 倍。2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK信号相位变化 180，相同时 2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”。2DPSK 信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180。码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1 变 0 不变”。应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。实际工程中，2PSK或 2DPSK信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是哪种关系，上述结论总是成立的。本单元用码变换 2PSK调制方法产生2DPSK信号，原理框图及波形图如图 2-4 所示。相对于绝对码AK、2PSK调制器的输出就是2DPSK 信号，相对于相对码、2PSK调制器的输出是2PSK信号。图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与 AK、BK的关系当然也是符合上述规律的，即对于AK来说是“1 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 13 页 -图2-2数字调制原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 13 页 -变 0 不变”关系，对于BK来说是“异变同不变”关系，由AK到 BK的变换也符合“1 变 0 不变”规律。图 2-4 中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK也可能具有相反的序列即“00100”，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。2DPSK 通信系统可以克服上述2PSK系统的相位模糊现象，故实际通信中采用 2DPSK 而不用 2PSK（多进制下亦如此，采用多进制差分相位调制MDPSK），此问题将在数字解调实验中再详细介绍。+2PSK 调制2DPSK(AK)2PSK(BK)TSAKBKBK-1图 2-4 2DPSK 调制器2PSK信号的时域表达式为S(t)=m(t)Cosct 式中 m(t)为双极性不归零码BNRZ，当“0”、“1”等概时 m(t)中无直流分量，S(t)中无载频分量，2DPSK 信号的频谱与 2PSK相同。2ASK信号的时域表达式与2PSK相同，但 m(t)为单极性不归零码NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信号中有载频分量。2FSK信号（相位不连续 2FSK）可看成是 AK与 AK调制不同载频信号形成的两个 2ASK信号相加。时域表达式为ttmttmtScc21cos)(cos)()(式中 m(t)为 NRZ 码。fc-fsfc fc+fsffc-fsfc fc+fsfffc1-fsfc1fc2fc2+fs2ASK2PSK（2DPSK）2FSK图 2-5 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信号功率谱名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 13 页 -设码元宽度为Ts，fS=1Ts 在数值上等于码速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率谱密度如图2-5 所示。可见，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率谱是数字基带信号 m(t)功率谱的线性搬移，故常称 2ASK、2PSK（2DPSK）为线性调制信号。多进制的 MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK 信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。本实验系统中m(t)是一个周期信号，故m(t)有离散谱，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有离散谱。四、实验步骤1、熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。2、连线：数字调制单元的CLK IN、BS IN、NRZ IN 分别连至信源单元CLK OUT、BS OUT、NRZ OUT。打开电源开关和模块电源开关。3、用数字信源模块的FS信号作为示波器的外同步信号，示波波 CH1接 AK，CH2接 BK，信源模块的 KS1、KS2、KS3置于任意状态（非全0），观察 AK、BK波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。4、示波器 CH1接 2DPSK-OUT，CH2分别接 AK及 BK，观察并总结 2DPSK 信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK 信号相位变化与相对码的关系（此关系即是 2PSK信号相位变化与信源代码的关系）。注意：2DPSK 信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。5、示波器 CH1接 AK、CH2依次接 2FSK-OUT 和 2ASK-OUT；观察这两个信号与 AK的关系（注意“1”码与“0”码对应的 2FSK信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。6、用频谱议观察 AK、2ASK、2FSK、2DPSK 信号频谱（条件不具备时不进行此项观察）。应该注明的是：由于示波器的原因，实验中可能看不到很理想的2FSK、2DPSK 波形。五、实验报告要求 1、设绝对码为全 1、全 0 或 1001 1010，求相对码。2、设相对码为全 1、全 0 或 1001 1010，求绝对码。3、设信息代码为 1001 1010，载频分别为码元速率的1 倍和 1.5 倍，画出2DPSK 及 2PSK 信号波形。4、总结绝对码至相对码的变换规律、相对码至绝对码的变换规律并设计一个由相对码至绝对码的变换电路。5、总结 2DPSK 信号的相位变化与绝对码的关系以及2DPSK 信号的相位变化与相对码的关系（即2PSK的相位变化与信息代码之间的关系）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 13 页 -