通信原理实验

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1、 通信原理实验 通信原理实验 孝感学院电工电子实验教学中心 孝感学院电工电子实验教学中心 二六年四月 目 录 实验一实验一 数字信号源实验数字信号源实验.1 实验二实验二 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK 调制实验调制实验. 5 实验三实验三 2ASK、 2FSK 数字解调实验数字解调实验14 实验四实验四 载波提取实验载波提取实验.20 实验五实验五 2DPSK 数字解调实验数字解调实验.29 实验六实验六 全数字锁相环与位同步实验全数字锁相环与位同步实验.35 实验七实验七 模数混合锁相环与位同步时钟恢复实验模数混合锁相环与位同步时钟恢复实验43 实验八实验八 帧同步实验帧同步实验

2、48 实验九实验九 数字基带通信系统实验数字基带通信系统实验.56 实验十实验十 2DPSK、2FSK 通信系统实验通信系统实验61 1 实验一实验一 数字信号源实验数字信号源实验 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. 了解 NRZ、FS、BS 的波形对应关系。 3. 了解 NRZ 码的帧结构特点。 实验内容 1. 用示波器观察单极性非归零码（NRZ） 、FS、BS 信号。 2. 用示波器观察 NRZ 码与 FS 的对应波形。 3. 用示波器观察 NRZ、BS、FS 的输出波形，并分析帧结构。 4. 对 CPLD/FPGA 进行编程，自行设计 8

3、位、16 位伪随机码发生器。 实验原理 本实验使用数字信源模块。 1. 数字信源 本模块是整个实验系统的发终端，其原理方框图如图 1-1 及实验箱面膜所示。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 时钟信号测试点 BS 信源位同步信号输出点/测试点 FS 信源帧同步

4、信号输出点/测试点 NRZ NRZ 信号输出点/测试点 图 1-3 为数字信源模块的电原理示意图(整个电路在实验系统中实际通过 FPGA 芯片来实现)。图 1-1 中各单元与图 1-3 中的元器件对应关系如下： 晶振 晶体 分频器 计数器 并行码产生器 K3、K2、K1：8 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 8 位数据选择器 三选一 8 位数据选择器 倒相器 非门 抽样 D 触发器 2 BSS5S4S3S2S1BS-OUTNRZ-OUTCLK并 行 码 产 生 器八选一八选一八选一分 频 器三选一NRZ抽

5、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 分频器一进行 13 分频，输出信号频率为 341kHz。在这里，分频器一是一个 4 位二进制加计数器，预置在 3 状态。 分频器二完成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。在这里分频器二是一个 4 位二进制加/减计数器，当 CPD= PL =1、MR=

6、0 时，可在 Q0、Q1、Q2及 Q3端分别输出上述 4 个信号。 分频器三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，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。三个 8 路数据选择器的地址信号输入端并连在一起并分别接 S1、S2、S3信号，它们的 8 个数据信号输入端分别 K1、K2、K3 输出

7、的 8 个并行信号连接。由表 1-1 可以分析出它们输出信号都是码速率为 170.5KB、以 8 位为周期的串行信号。 3 图 1-3 数字信源原理示意图 4 （3）三选一 三选一电路原理同八选一电路原理。S4、S5 信号分别输入到数据选择器的地址端，三个 8 路数据选择器输出的 3 路串行信号分别输入到三选一电路的数据端， 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

8、。 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 8 路数据选择器真值表 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 5 FS 信号可用作示波器的外同步信

9、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 实验步骤 1. 熟悉信源模块的工作原理。 2. 打开交流电源开关及该模块电源开关，用示波器观察数字信源模块上的各种信号波形。 用FS作为示波器的外同步信号，进行下列

10、观察： (1) 示波器的两个通道探头分别接NRZ和BS，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。 3. 在掌握本实验电路原理的前提下，自行设计出一个8位及16位伪随机码产生电路，下载到CPLDFPGA中， 用示波器观察输出波形。 （具体设计方法这里不细述， 有例程参考。 ） 实验报告要求 根据实验观察和纪录回答：不归零码和归零码的特点是什么？ 实验仪器及

11、用具 RC-TX-IV型实验系统，20MHz示波器。 实验二 实验二 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK 调制实验 调制实验 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。 6 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。 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

12、察数字基带信号频谱及2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱。 实验原理 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二进制数字调制原理 一、一、2ASK 1产生 m(t)tcosctcos) t (m) t (eco=NRZ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)(Rccooeo+=+= ee)(R4

13、1cos)(R21)t (costcos)t (m) t (mccjj mcmcc+=+=)ff (P)ff (P41)f (Pcscseo+= 式中Ps(f)为m(t)的功率密度 7 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、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 (p2ss2c1cf2|ff | s

14、2c1cf2|ff |0.5V 2FSK-OUT 2FSK信号测试点/输出点，VP-P0.5V 2ASK 2ASK信号测试点，VP-P0.5V 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： 8 计数器 2 D触发器 滤波器A 运放，调谐回路 滤波器B 运放，调谐回路 码变换 D触发器；异或门 2ASK调制 三路二选一模拟开关 2FSK调制 三路二选一模拟开关 2DPSK（2PSK调制） 三路二选一模拟开关 放大器 三极管 射随器 三极管 将晶振信号进行8分频、滤波后，得到2ASK的载频554KHz。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位

15、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 12 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