通信原理实验指导书.pdf
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1、 通信原理实验指导书(选修)电子与信息工程学院 巩荣芬 储茂祥 主编 现代通信原理实验指导书 1 前前 言言 通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课。如何加强理论课程的学习,加深学生对本课程中的基本理论知识及其基本概念的理解,提高学生理论联系实际的能力,如何培养学生实践动手能力和分析解决通信工程中实际问题的能力是通信原理教学的当务之急。而通信原理实验课程就是一种重要的教学手段和途径。本通信原理实验指导书将通信原理的基础知识灵活地运用在实验教学环节中。本实验指导书力求讲解的电路原理清楚,重点突出;其实验内容的安排合理、丰富,并具有一定的代表性。同时,注重理论分析与实际动手相结合,以理
2、论指导实践,以实践来验证基本原理,旨在提高学生分析问题、解决问题的能力及动手能力,并通过有目的地选择完成综合性实验和设计性实验项目及二次开发,使学生进一步巩固理论基本知识,建立完整的通信系统的概念。总之,不论是基本原理的验证性实验还是通信系统的综合性实验都会加深学生对基本知识的理解和渗透,提高他们的动手操作能力,以更好的适应时代发展的需要。本书中的实验是选修实验,供学有余力的同学在课下完成。现代通信原理实验指导书 2 目目 录录 前前 言言.1 目目 录录.2 实验一 信号源实验实验一 信号源实验.3 实验二 终端实验实验二 终端实验.7 实验三 频谱分析实验实验三 频谱分析实验.11 实验四
3、 常规双边带调幅与解调实验实验四 常规双边带调幅与解调实验.17 实验五 脉冲幅度调制与解调实验实验五 脉冲幅度调制与解调实验.24 实验六 脉冲编码调制与解调实验实验六 脉冲编码调制与解调实验.29 实验七 ASK调制与解调实验实验七 ASK调制与解调实验.36 实验八 锁相环与频率合成实验实验八 锁相环与频率合成实验.42 实验九 码型变换实验实验九 码型变换实验.49 实验十 信道模拟实验实验十 信道模拟实验.57 实验十一 频带传输系统实验(综合性实验)实验十一 频带传输系统实验(综合性实验).65 实验十二 实验十二 CDMA移动通信系统实验(综合性实验)移动通信系统实验(综合性实验
4、).69 实验十三 计算机数据通信实验(设计性实验)实验十三 计算机数据通信实验(设计性实验).75 参考文献参考文献.92 现代通信原理实验指导书 3 实验一 信号源实验 实验一 信号源实验 一、实验目的 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
5、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、实验仪器三、实验仪器 1、信号源模块 2、20M 双踪示波器 一台 3、频率计 一台 4、信号发生器 一台 5、连接线 若干 四、实验原理 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 100Hz10KHz)、三角波(频率变化范围 100Hz1KHz)、方波(频率变化范围 100Hz10KHz)、锯齿波(频率变化范围 100Hz1KHz)以及 32KH
6、z、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。图 1-1 模拟信号源部分原理框图 图 1-1 模拟信号源部分原理框图 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 现代通信原理实验指导书 4 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 SM01SM04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
7、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。2、数字信号源部分 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 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 102
8、4KHz、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 19999。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
9、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 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。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 SM01SM04 显示“2000”。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 现代通信原理实验指导
10、书 5 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。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
11、率再次以 1Hz 为单位变化)将波形分别选择为三角波、锯齿波、方波,重复上述实验。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 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19999,所以位同步信号频率范围是 200Hz2MHz。例如,若想信号输出点“BS”输出的信号频率为 15.625K
12、Hz,则需将基频信号进行 128 分频,将拨码开关SW04、SW05 设置为 00000001 00101000,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。将拨码开关 SW04、SW05 设置为 00000001 00101000,SW01、SW02、SW03 设置为 01110010 00110011 10101010,观察 BS、2BS、FS、NRZ 波形。改变各拨码开关的设置,重复观察以上各点波形。观察
13、 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)。将拨码开关 SW04、SW05 设置为 00000001 00101000,观察伪随机序列 PN15、PN31、PN511 的波形。改变拨码开关 SW04、SW05 的设置,重复观察以上各点波形。六、输入、输出点参考说明六、输入、输出点参考说明 1、输出点说明 模拟输出:波形种类、幅度、频率均可调节。各种波形的频率变化范围如下:正弦波:100Hz10KHz 三角波
14、:100Hz1KHz 锯齿波:100Hz1KHz 方 波:100Hz10KHz 32KHz 正弦波:31.25KHz 正弦波输出点。(幅度最大可达 5V 以上)64KHz 正弦波:62.5KHz 正弦波输出点。(幅度最大可达 5V 以上)现代通信原理实验指导书 6 数字输出: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 倍位同步信号频率方波输出点。FS:帧同步信号输
15、出点。(窄脉冲,频率是位同步频率的二十四分之一)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:N24115 的 m 序列输出点。PN31:N25131 的 m 序列输出点。PN511:N291511 的 m 序列输出点。七、实验报告要求七、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。现代通信原理实验指导书 7 实验二 终端实验 实验二 终端实验 一、实验目的 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
16、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、频率计 一台 6、信号发生器 一台 7、连接线 若干 四、实验原理四、实验原理 通信系统的质量优劣在很大程度上取决于接收系统的性能,原因是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,将直接作用
17、到接收端,从而对信号接收产生影响。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,但是,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:一是将原始的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了误码,进而判断整个通信系统通信质量的好坏;另一个是将接收到的模拟信号经耳机转换为语音信号,通过与原始语音信号声音质量的对比来判断系统通信的好坏。因此,整个终端模块也相应地分成两个部分,即终端数字部分和终端模拟部分,
18、该部分原理框图如图 2-1 所示:图 2-1 终端原理框图 图 2-1 终端原理框图 现代通信原理实验指导书 8 1、音频信号产生 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 图 2-2 音频功放电路图 1 2、终端模拟部分 2、终端模拟部分 将接收到的模
19、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 图 2-3 音频功放电路图 2 3、终端数字部分 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 D25D48 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“DATA
20、1”、“BS1”、“FS1”送入 U04,经串/并转换后由发光二极管 D01D24 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 现代通信原理实验指导书 9 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
21、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
22、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 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。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 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
23、信号的频率,听听耳机里面的声音发生了什么变化?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 关闭所有电源,将信号源模块中的拨码开关 SW01SW05 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 D01D24 和 D25
24、D48 这两组发光二极管上下各对应位的亮灭情况是否一致。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。现代通信原理实验指导书 10 六、输入、输出点参考说明六、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
25、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。现代通信原理实验指导书 11 实验三 频谱分析实验 实验三 频谱分析实验 一、实验目的一、实验目的 1、通过对输入模拟信号频谱的观察和分析,加深对傅里叶变换和信号频率特性的理解。2、掌握频谱分析模块的使用方法。二、实验内容二、实验
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- 通信 原理 实验 指导书
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