实验四 数字基带通信系统实验一、实验目的1．掌握时分复用数字基带通信系统的基本原理及数字信号传输过程2．掌握位同步信号抖动、帧同步信号错位对数字信号传输的影响3．掌握位同步信号、帧同步信号在数字分接中的作用二、实验内容1．用数字信源模块、数字终端模块、位同步模块及帧同步模块连成一个理想信道时分复用数字基带通信系统，使系统正常工作2．观察位同步信号抖动对数字信号传输的影响3．观察帧同步信号错位对数字信号传输的影响4．用示波器观察分接后的数据信号、用于数据分接的帧同步信号、位同步信号三、基本原理本实验使用数字信源模块、数字终端模块、位同步模块及帧同步模块1. 数字终端模块工作原理原理框图如图 4-1 所示它输入单极性非归零信号、位同步信号和帧同步信号，把两路数据信号从时分复用信号中分离出来，输出两路串行数据信号和两个 8 位的并行数据信号两个并行信号驱动 16 个发光二极管，左边 8 个发光二极管显示第一路数据，右边 8 个发光二极管显示第二路数据，二极管亮状态表示“1”，熄灭状态表示 “0”两个串行数据信号码速率为数字源输出信号码速率的 1/3在数字终端模块中，有以下测试点及输入输出点： FS-IN 帧同步信号输入点 S-IN 时分复用基带信号输入点 BS-IN 位同步信号输入点 SD 抽样判后的时分复用信号测试点 BD 延迟后的位同步信号测试点 FD 整形后的帧同步信号测试点 D1 分接后的第一路数字信号测试点 B1 第一路位同步信号测试点 F1 第一路帧同步信号测试点 D2 分接后的第二路数字信号测试点 B2 第二路位同步信号测试点 F2 第二路帧同步信号测试点图 4-2 为数字终端电路原理图。
图 4-1 中各单元与图 4-2 中的元器件对的应关系如下： 延迟 1 U30：单稳态触发器 74LS123 延迟 2 U32:A：D 触发器 74LS74 整形 U31:A：单稳态触发器 74LS123；U32:B：D 触发器 74LS74 延迟 3 U50、U51 、U52:六 D 触发器 74LS174 ÷3 U33：内藏译码器的二进制寄存器 4017 串/并变换 U37、 U38：八级移位寄存器 4094 并/串变换 U39、U40 ：八级移位寄存器 4014 显示 发光二极管图 4-1 数字终端原理方框图延迟 1、延迟 2、延迟 3、整形及÷3 等 5 个单元可使串/并变换器和并/串变换器的输入信号 SD、位同步信号及帧同步信号满足正确的相位关系，如图 4-3 所示D 触发器 74LS174 把 FD 延迟 7、8、15、16 个码元周期，得到 FD-7、FD-15、FD-8（即 F1）和 FD-16（即 F2）等 4 个帧同步信号在 FD-7 及 的作用下，U65 （4094）BD将第一路串行信号变成第一路 8 位并行信号，在 FD-15 和 作用下，U70（4094）将第二路串行信号变成第二路 8 位并行信号。
在 F1 及 B1 的作用下， U66（4014）将第一路并行信号变为串行信号 D1，在 F2 及 B2 的作用下，U71（4014）将第二路并行信号变为串行信号 D2B1 和 B2 的频率为位同步信号 BS 频率的 1/3，D1 信号、D2 信号的码速率为信源输出信号码速率的 1/3 U65、U70 输出的并行信号送给显示单元根据数字信源和数字终端对应的发光二极管的亮熄状态，可以判断数据传输是否正确串/并变换及并/串变换电路都有需要位同步信号和帧同步信号，还要求帧同步信号的延 迟 1 延 迟 2 整 形 延 迟 3 FS-IN BS-IN S-IN FD FD-7 F-15 D-8 F-16 BD 显 示 串 /并 变 换 串 /并 变 换 F2 ÷3 并 /串 变 换 并 /串 变 换 D2 B1 F1 D1 SD- BD 显 示 B2 宽度为一个码元周期且其上升沿应与第一路数据的起始时刻对齐，因而送给移位寄存器U67 的帧同步信号也必须符合上述要求但帧同步模块提供的帧同步信号脉冲宽度大于两个码元的宽度，且帧同步脉冲的上升沿超前于数字信源输出的基带信号第一路数据的起始时刻约半个码元（帧同步脉冲上升沿略迟后于位同步信号的上升沿，而位同步信号上升沿位于位同步器输入信号的码元中间，由帧同步器工作原理可得到上述结论） ，故不能直接将帧同步器提取的帧同步信号送到移位寄存器 U67 的输入端。
图 4-3 变换后的信号波形SD FD FD-7 FD-8 (F1 )FD-15 FD-16 (F2 )— B1 B2 BD 数 据 1 数 据 2 帧 同 步 终端模块将帧同步器提取的帧同步信号送到单稳 U64 的输入端，单稳 U64 设为上升沿触发状态，其输出脉冲宽度略小于一个码元宽度，然后用位同步信号 BD 对单稳输出抽4-2数字终端电原理图样后得到 FD，可通过电位器 R35 来改变 BD 的相位，从而得到两种不同的 FD 信号FD1、FD2，如图 4-3 所示两种 FD 的宽度均为一个码元间隔，但 FD1 脉冲位于信号 SD的数据 1 的第一位，而 FD2 脉冲位于信号 SD 的帧同步码的最后一位正确工作状态下，BD 上升沿应处于终端模块 S-IN 信号的码元中间，FD 应为 FD1，所以用 FD1 能正确分接出两路数据，而 FD2 比 FD1 超前一位，用 FD2 分接出来的数据是错误的（此数据有何规律，请思考） 应指出的是，当数字终端采用其它电路或分接出来的数据有其它要求时，对位同步信号及帧同步信号的要求将有所不同，但不管采用什么电路，都需要符合某种相位关系的帧同步信号和位同步信号才能正确分接出时分复用的各路信号。
SDFD1FD2 数 据 1 数 据 2 帧 同 步图 4-4 SD 和两种 FD 波形2. 时分复用数字基带通信系统图 4-5 为时分复用数字基带通信系统原理方框图复接器输出时分复用单极性不归零码（NRZ） ，码型变换器将 NRZ 码变为适于信道传输的传输码（如 HDB3 码等） ，发滤波器主要用来限制基带信号频带，收滤器可以滤除一部分噪声，同时与发滤波器、信道一起构成无码间串扰的基带传输特性复接器和分接器都需要位同步信号和帧同步信号BS位 同步 器位同步 噪声… BSFS…D1(t)m1(t) DN(t)mN(t) 接收滤波器发送滤波器 信道 分 接器识别器复接器 帧 同步 器帧同步 码型变换 码 型反 变换图 4-5 时分复用数字基带通信系统本实验中复接路数 N=2，信道是理想的、即相当于将发滤波器输出信号无失真地传输到收滤波器为简化实验设备，收、发滤波器也被省略掉本实验的主要目的是掌握位同步信号及帧同步信号在数字基带传输中的作用，故也可省略码型变换和反变换单元四、实验步骤1．熟悉本次实验使用的数字信源、位同步、帧同步、数字终端这四个模块，按照图4-6 将这四个模块连在一起，打开电源开关。
FS-OUTBS-OUT帧 同 步位 同 步 数 字 终 端 BS-INFS-INBS-INS-INS-IN S-INNRZ-OUT数 字 信 源图 4-6 数字基带系统连接图2．用示波器 CH1 观察数字信源 NRZ 波形，判断信源单元是否工作正常3．用示波器 CH2 观察位同步模块 BS-OUT，调节位同步模块上的可变电阻，使位同步信号 BS-OUT 相对于信源 NRZ 抖动最小4．将数字信源模块的 K1 置于 1110010，用示波器 CH2 观察帧同步模块 FS-OUT 波形及与 NRZ 相位关系，判断帧同步是否工作正常5．当位同步单元、帧同步单元已正确地提取出位同步信号和帧同步信号时，通过发光二极管观察两路 8bit 数据是否已正确地传输到收终端，若不正确，观察终端模块的 SD 信号和 FD 信号是否符合要求，可调节数字终端单元上的电位器 R35 使 FD 处于 SD 数据 1 的第一位（见图 4-4） 6．用示波器观察分接出来的两路 8bit 周期信号 D1(对应位同步 B1)和 D2（对应 B2） 7．调节电位器 R35，使 FD 为图 4-4 中的 FD2，观察分接出来的两路信号，总结D1、D2 与帧同步信号 FD 的关系。
8．观察位同步抖动对数据传输的影响调节 R35，使 BD 上升沿应处于信源模块 NRZ-OUT 的码元中间，FD 处于 SD 数据 1的第一位，用示波器观察数字终端单元的 D1 或 D2 信号，然后 缓慢调节位同步单元上的可变电阻（增大位同步抖动范围） ，观察 D1 或 D2 信号波形变化情况和发光二极管的状况（R35 在某一范围变化时，D1 或 D2 无误码，R35 变化太大时出现误码） 五、实验报告要求1．本实验系统中，为什么位同步信号在一定范围内抖动时并不发生误码？位同步信号的这个抖动范围大概为多少？在图 4-5 所示的实际通信系统中是否也存在此现象？为什么2．帧同步信号在对复用数据进行分接时起何作用，用实验结果加以说明3．分析数字终端模块中串/并变换和并 /串变换电路的工作原理。