通信原理實(shí)驗(yàn)99104.doc

精品文檔實(shí)驗(yàn)1 數(shù)字基帶信號與AMI/HDB3編譯碼1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握單極性碼、雙極性碼、歸零碼、非歸零碼等基帶信號波形特點(diǎn)。 2、掌握AMI、HDB3碼的編碼規(guī)則。 3、掌握從HDB3碼信號中提取位同步信號的方法。4、掌握集中插入幀同步碼同步時分復(fù)用信號的幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1.2 基本原理 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源模塊和AMI/HDB3編譯碼模塊。 1、數(shù)字信源模塊本模塊是整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內(nèi)部使用+5V電壓，其原理方框圖如圖1.1所示，電原理圖如圖1.2所示。本模塊產(chǎn)生NRZ信號，信號速率約為170.5kbps，幀結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。信號的幀長為24位，其中首位無定義，第2位到第8位是幀同步碼（7位巴克碼1110010），另外16位為2路數(shù)據(jù)信號，每路8位。此NRZ信號為集中插入幀同步碼同步時分復(fù)用信號。實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，數(shù)據(jù)碼用紅色發(fā)光二極管指示，幀同步碼及無定義位用綠色發(fā)光二極管指示。發(fā)光二極管亮狀態(tài)表示“1”碼，熄狀態(tài)表示“0”碼。圖1.1 數(shù)字信源方框圖圖1.3 信源輸出信號幀結(jié)構(gòu) 本模塊有以下信號測試點(diǎn)及輸出點(diǎn)： CLK晶振信號測試點(diǎn) BS-OUT信源位定時信號測試點(diǎn)/輸出點(diǎn) FS信源幀定時信號測試點(diǎn) NRZ-OUT(AK)NRZ信號(絕對碼AK) 測試點(diǎn)/輸出點(diǎn)圖1.2 數(shù)字信源模塊電原理圖 圖1.1中各單元與圖1.2所示電路圖上元器件對應(yīng)關(guān)系如下： 晶振CRY：晶體；U1：反相器7404 并行碼產(chǎn)生器K1、K2、K3：8位手動開關(guān)，從左到右依次與幀同步碼、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2相對應(yīng)；發(fā)光二極管：左起分別與一幀中的24位代碼相對應(yīng) 八選一U5、U6、U7：8位數(shù)據(jù)選擇器4512而分頻器、三選一、倒相器、抽樣等單元由一片CPLD（Altera公司的EPM7064芯片或其全兼容芯片ATMEL公司的ATF1504AS）完成。下面對其工作過程進(jìn)一步說明。 （1）分頻器首先完成13分頻，輸入信號頻率為4433KHz，輸出信號頻率為341KHz。然后進(jìn)行16分頻，由16分頻器提供BS、S1、S2、S3等4個信號，分別是2分頻、4分頻、8分頻及16分頻信號。2分頻產(chǎn)生的BS位定時信號，頻率為170.5kHz。S1、S2、S3為3個選通信號，頻率分別為BS信號頻率的1/2、1/4和1/8。再對S3信號作3分頻，分別輸出選通信號S4、S5，這兩個信號的頻率相等、等于S3信號頻率的1/3對應(yīng)幀時鐘頻率。 分頻器輸出的S1、S2、S3、S4、S5等5個信號的波形如圖1.4所示。 （2）八選一采用8路數(shù)據(jù)選擇器4512，它內(nèi)含了8路傳輸數(shù)據(jù)開關(guān)、地址譯碼器和三態(tài)驅(qū)動器，其真值表如表1.1所示，表中表示任意值。U5、U6和U7的地址信號輸入端A、B、C并連在一起并分別接S1、S2、S3信號，它們的8個數(shù)據(jù)信號輸入端x0 x7分別與K1、K2、K3輸出的8個并行信號連接。由表1.1可以得出U5、U6、U7的輸出信號，它們都是速率為170.5kbps、以8位為周期的串行信號。表1.1 4512真值表CBAINHDISZ00000x000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻（3）三選一三選一電路原理同八選一電路，不過是利用CPLD實(shí)現(xiàn)。S4、S5信號作為選通信號，控制輸入到CPLD的三個八選一單元的串行數(shù)據(jù)不同時段輸出。這樣NRZ輸出端即是一個速率為170.5kbps的同步時分復(fù)用信號，此信號為單極性非歸零信號（NRZ）。圖1.4 分頻器輸出信號波形 （4）倒相與抽樣 圖1.1中的NRZ信號的脈沖上升沿或下降沿比BS信號的下降沿稍有點(diǎn)遲后。在數(shù)字調(diào)制模塊中，有一個將絕對碼變?yōu)橄鄬Υa的電路，要求輸入的絕對碼信號的上升沿及下降沿與輸入的位定時信號的上升沿對齊，而這兩個信號由數(shù)字信源提供。倒相與抽樣就是為此而設(shè)計(jì)的，它們使NRZ-OUT及BS-OUT信號滿足數(shù)字調(diào)制模塊中碼變換電路的要求。FS信號、NRZ-OUT信號之間的相位關(guān)系如圖1.5所示，圖中NRZ-OUT的無定義位為0，幀同步碼為1110010，數(shù)據(jù)1為11110000，數(shù)據(jù)2為00001111。FS信號的低電平和高電平持續(xù)時間分別為16個和8個數(shù)字信號碼元周期，其上升沿與第一組信息碼中第8位的起始時間對齊。圖1.5 FS、NRZ-OUT波形 FS信號可用作示波器的外同步觸發(fā)信號，以便觀察實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)8中的有關(guān)信號。 2. AMI/HDB3編譯碼模塊 本模塊的原理框圖如圖1.6所示，電原理圖如圖1.7所示，圖中NRZ-IN接信源模塊的輸出信號NRZ-OUT，BS-IN接信源模塊的輸出位定時信號BS-OUT，它們已在印刷電路板上連通。模塊內(nèi)部使用+5V和-5V電壓，其中-5V電壓由-12V電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器7905變換得到。本模塊有以下信號測試點(diǎn)： NRZ譯碼器輸出信號測試點(diǎn) BS-R鎖相環(huán)輸出的位同步信號測試點(diǎn) AMI-HDB3編碼器輸出信號測試點(diǎn) BPF帶通濾波器輸出信號測試點(diǎn) DET整流器輸出信號測試點(diǎn)圖1.6 AMI/HDB3編譯碼方框圖本模塊上的開關(guān)K4用于選擇編譯碼對應(yīng)的碼型，K4置于左邊時選擇AMI碼，置于右邊選擇HDB3碼。 本模塊核心單元AMI/HDB3編譯碼器是和信源部分單元共用一片CPLD完成的，其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法在附錄中有詳細(xì)介紹。 圖1.6中其他單元與圖1.7所示電路圖上元器件的對應(yīng)關(guān)系如下： 單雙極性變換器U11：模擬開關(guān)74HC4052 雙單極性變換器U12：非門74HC04 相加器U17：或門74LS32 帶通濾波器 U13、U14：運(yùn)放UA741 限幅放大器U15：運(yùn)放LM318 鎖相環(huán)U16：集成鎖相環(huán)CD4046圖1.7 AMI/HDB3編譯碼模塊電原理圖HDB3碼的編碼規(guī)律是：4個連“0”二進(jìn)制信息碼用取代節(jié)“000V”或“B00V”代替，當(dāng)兩個相鄰V碼中間有奇數(shù)個信息“1”碼時取代節(jié)為“000V”，有偶數(shù)個信息“1”碼（包括0個信息“1”碼）時取代節(jié)為“B00V”；其它的信息碼中“0”碼編碼后仍為“0”碼；信息碼的“1”碼編碼后變?yōu)椤?1”碼或“-1”碼。HDB3碼中“1”、“B”的符號與其前一個非“0”碼的符號相反，符合交替反轉(zhuǎn)原則；而“V”的符號與其前一個非“0”碼的符號相同，破壞了符號交替反轉(zhuǎn)原則；但相鄰V碼的符號又是交替反轉(zhuǎn)的。AMI碼與HDB3碼波形的占空比為0.5，即“+1”碼、“+B”碼和“+V”碼對應(yīng)正脈沖，“-1”碼、“-B”碼和“-V”碼對應(yīng)負(fù)脈沖，而正脈沖和負(fù)脈沖的寬度與碼元周期TS的關(guān)系是=0.5TS 。設(shè)信息碼為1000 0110 0000 1000 0000 0010，則NRZ碼、AMI碼，HDB3碼及其波形如圖1.8所示。圖1.8 NRZ碼、AMI碼及HDB3碼波形圖圖1.9 AMI碼、HDB3碼、RZ碼(t=0.5TS)頻譜示意圖分析表明，AMI碼及HDB3碼的功率譜如圖1.9所示，它不含有離散譜fS成份（fS =1/TS，等于位定時信號頻率）。在通信的終端需將它們譯碼為NRZ碼才能送給數(shù)字終端機(jī)或數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。在做譯碼時必須提供位同步信號。工程上，可以將AMI或HDB3碼數(shù)字信號進(jìn)行整流處理，得到占空比為0.5的單極性歸零碼。這種信號的功率譜也在圖1.11中給出。由于整流后的AMI碼、HDB3碼中含有離散譜fS ，故可用一個窄帶濾波器得到頻率為fS的正弦波，整形處理后即可得到位同步信號。當(dāng)然，也可以將整流后的AMI碼或HDB3碼直接送給數(shù)字鎖相環(huán)，從而提取位同步信號。下面簡單說明模塊的工作過程：CPLD對輸入信號NRZ以BS為時鐘進(jìn)行分析處理（詳細(xì)處理方法和過程見附錄2），輸出兩路并行信號+H-OUT和-H-OUT，它們都是半占空比的正脈沖信號，分別與AMI或HDB3碼的正極性信號及負(fù)極性信號相對應(yīng)。這兩路信號經(jīng)單雙極性變換后得到AMI碼或HDB3碼。 雙單極性變換及相加器構(gòu)成一個整流器。整流后的AMI或HDB3（即DET）信號含有位定時信號頻率離散譜。本模塊中帶通濾波器實(shí)際是一個正反饋放大器。當(dāng)無輸入信號時，它工作在自激狀態(tài)，輸入信號將放大器的自激信號頻率向碼速率方向牽引。它的輸出信號（即BPF）是一個幅度和周期都不恒定的準(zhǔn)周期信號。對此信號進(jìn)行限幅放大處理后得到幅度恒定、周期變化的脈沖信號，仍不能將此信號作為譯碼器的位同步信號，需作進(jìn)一步處理。當(dāng)鎖相環(huán)的自然諧振頻率足夠小時，對其輸入信號可等效為窄帶帶通濾波器。本模塊中采用電荷泵鎖相環(huán)構(gòu)成一個Q值約為35的的窄帶帶通濾波器，它可以減小其輸入脈沖的周期變化，從而輸出一個符合譯碼器要求的位同步信號BS-R。 譯碼時，需將AMI或HDB3碼的正脈沖和負(fù)脈沖變換成兩路單極性信號送到CPLD，此任務(wù)由雙單極性變換電路來完成。 當(dāng)信息代碼連“0”個數(shù)太多時，從AMI碼中較難于提取穩(wěn)定的位同步信號，而HDB3中連“0”個數(shù)最多為3，這對提取高質(zhì)量的位同信號是有利的。這也是HDB3碼優(yōu)于AMI碼之處。在實(shí)際工程中的AMI與HDB3編譯碼電路里，單雙極性變換器一般由變壓器完成；雙單極性變換電路一般由變壓器、自動門限控制和整流電路完成。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆誋DB3編碼規(guī)則，及位同步提取方法，故對極性變換電路作了簡化處理。1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟1、 熟悉數(shù)字信源模塊和AMI/HDB3編譯碼模塊的工作原理，接好電源線，打開實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源開關(guān)。2、 用示波器觀察數(shù)字信源模塊上的各種信號波形。 將示波器置于外同步觸發(fā)狀態(tài)，用信源模塊的FS信號作為示波器的外同步觸發(fā)信號。示波器探頭的地線接在信源模塊的GND點(diǎn)，進(jìn)行下列觀察： （1）示波器的兩個通道探頭分別接信源模塊的測試點(diǎn)NRZ-OUT和BS-OUT，對照發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，判斷數(shù)字信源模塊是否已正常工作（“1”碼對應(yīng)的發(fā)光管亮，“0”碼對應(yīng)的發(fā)光管滅）； （2）用開關(guān)K1產(chǎn)生代碼1110010（為任意代碼，1110010為7位幀同步碼），K2、K3產(chǎn)生任意信息代碼，觀察NRZ碼特點(diǎn)（只有正脈沖且“1”碼的脈沖寬度等于位時鐘周期）以及集中插入幀同步碼同步時分復(fù)用信號幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（幀同步碼被集中插入到每一幀的固定位置，各路數(shù)據(jù)占有各自固定的時隙）。3、 用示波器觀察并記錄AMI/HDB3編譯碼模塊的各種波形。（1） 示波器的兩個探頭CH1和CH2分別接信源模塊的測試點(diǎn)NRZ-OUT和AMI/HDB3模塊的測試點(diǎn)AMI-HDB3，將信源模塊的K1、K2、K3每一位都置1，觀察并記錄全1碼對應(yīng)的AMI碼（開關(guān)K4置于左方AMI端）波形和HDB3碼（開關(guān)K4置于右方HDB3端）波形。再將K1、K2、K3置為全0，觀察并記錄全0碼對應(yīng)的AMI碼和HDB3碼波形。（觀察時應(yīng)注意：AMI碼和HDB3碼波形的占空比為0.5；編碼輸出信號AMI-HDB3比輸入信號NRZ-OUT滯后了約4個碼元。）（2）將K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000態(tài)，觀察并記錄對應(yīng)的AMI碼和HDB3碼。（3）將K1、K2、K3置于任意狀態(tài)，CH1接信源模塊的NRZ-OUT。K4先置左方AMI端，CH2依次接AMI/HDB3模塊的DET、BPF、BS-R和NRZ，觀察并記錄這些信號波形；再將K4置右方HDB3端，再次觀察并記錄DET、BPF、BS-R和NRZ等信號波形。觀察記錄時應(yīng)注意： AMI/HDB3模塊的NRZ信號（譯碼輸出）滯后于信源模塊的NRZ-OUT信號（編碼輸入）約8個碼元。 DET是占空比等于0.5的單極性歸零信號。 BPF信號是一個幅度和周期都不恒定的準(zhǔn)正弦信號，BS-R是一個周期基本恒定（等于一個碼元周期）的TTL電平信號。 信源代碼連“0”個數(shù)越多，越難于從AMI碼中提取位同步信號（或者說要求帶通濾波的Q值越高，因而越難于實(shí)現(xiàn)），而HDB3碼則不存在這種問題。本實(shí)驗(yàn)中若24位信源代碼中連“0”很多時，則難以從AMI碼中得到一個符合要求的穩(wěn)定的位同步信號，因此不能完成正確的譯碼（由于分離參數(shù)的影響，各實(shí)驗(yàn)設(shè)備所能觀察到的現(xiàn)象可能不同。一般可將信源代碼置成只有1個“1”碼的狀態(tài)來觀察上述現(xiàn)象）。1.4 實(shí)驗(yàn)思考題1集中插入幀同步碼同步時分復(fù)用信號的幀結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？ 2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察和紀(jì)錄回答：（1）非歸零碼和歸零碼的特點(diǎn)是什么？（2）與信源代碼中的“1”碼相對應(yīng)的AMI碼及HDB3碼是否一定相同？為什么？3. 設(shè)信源代碼為全“1”碼或全“0”碼或0111 0010 0000 1100 0010 0000，給出對應(yīng)的AMI碼及HDB3碼的代碼和波形。4. 總結(jié)用濾波法從HDB3碼中提取位同步信號的原理。5. 占空比為0.5的單極性歸零碼的功率譜密度公式為式中fs=1/Ts，P為“1”碼的概率，G( f )=0.5TsSa(0.5pf/fs) 。試用此公式說明：為什么信息代碼中的連“0”碼越長，越難于從AMI碼中提取位同步信號，而HDB3碼則不存在此問題。實(shí)驗(yàn)2 數(shù)字調(diào)制2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握絕對碼(AK)、相對碼(BK)的概念以及它們之間的關(guān)系。 2、掌握用鍵控法產(chǎn)生2ASK、2FSK、2DPSK信號的方法。 3、掌握BK與2PSK信號波形之間的關(guān)系、AK與2DPSK信號波形之間的關(guān)系。4、 了解2ASK、2FSK、2DPSK信號的頻譜與數(shù)字基帶信號頻譜之間的關(guān)系。2.2 實(shí)驗(yàn)原理數(shù)字調(diào)制分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制，二進(jìn)制調(diào)制是多進(jìn)制調(diào)制的基礎(chǔ)。在HUST TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備中只包含二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，多進(jìn)制調(diào)制實(shí)驗(yàn)由仿真軟件實(shí)現(xiàn)，需要仿真軟件的讀者可以向作者索取，當(dāng)然也可以使用有關(guān)商業(yè)軟件或自己開發(fā)。本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源模塊和數(shù)字調(diào)制模塊。信源模塊向調(diào)制模塊提供數(shù)字基帶信號和位定時信號。調(diào)制模塊將輸入的絕對碼AK（NRZ碼）變?yōu)橄鄬ΥaBK、用鍵控法產(chǎn)生2ASK、2FSK、2DPSK信號。調(diào)制模塊內(nèi)部使用+5V電源。數(shù)字調(diào)制模塊的原理方框圖如圖2.1所示，電原理圖如圖2.2所示。圖中CLK-IN接信源模塊晶振的輸出信號CLK，NRZ-IN(AK)接信源模塊的輸出信號NRZ-OUT（AK），BS-IN接信源模塊的輸出位定時信號BS-OUT，它們已在印刷電路板上連通。圖2.1 數(shù)字調(diào)制方框圖 數(shù)字調(diào)制模塊上有以下信號測試點(diǎn)： CAR2DPSK和2ASK的載波信號測試點(diǎn) BK相對碼測試點(diǎn) 2DPSK2DPSK信號測試點(diǎn)，VP-P0.5V 2FSK2FSK信號測試點(diǎn)，VP-P0.5V 2ASK2ASK信號測試點(diǎn)，VP-P0.5V圖2.2 數(shù)字調(diào)制模塊電原理圖 圖2.1中各單元與圖2.2中元器件的對應(yīng)關(guān)系如下： 2（A）U18B：雙D觸發(fā)器74LS74 2（B）U9B：雙D觸發(fā)器74HC74 濾波器AV1：三極管9013，電感L1，電容C7 濾波器BV6：三極管9013，電感L2，電容C2 碼變換器U18A：雙D觸發(fā)器74LS74；U19A：異或門74LS86 2ASK調(diào)制器U22：三路二選一模擬開關(guān)4053 2FSK調(diào)制器U22：三路二選一模擬開關(guān)4053 2PSK調(diào)制器U21：八選一模擬開關(guān)4051 放大器V5：三極管9013 射隨器V3：三極管9013數(shù)字調(diào)制模塊將數(shù)字信源模塊晶振的輸出信號CLK進(jìn)行2分頻、濾波后，得到2ASK和2DPSK的載波信號，頻率為2.2165MHz。放大器的發(fā)射極和集電極輸出兩個頻率相等、相位相反的信號，這兩個信號分別被BK的“0”碼和“1”碼選通。2FSK信號有兩個載波信號，一個是2ASK信號的載波，另一個是將CLK信號進(jìn)行4分頻、濾波得到的。 2PSK、2DPSK信號波形與信息代碼的關(guān)系如圖2.3所示。圖中假設(shè)碼元寬度等于載波周期的1.5倍。2PSK信號的相位與信息代碼的關(guān)系是：前后碼元相異時，2PSK信號相位變化180；相同時，2PSK信號相位不變，可簡稱為異變同不變。2DPSK信號的相位與信息代碼的關(guān)系是：碼元為“1”時，2DPSK信號的相位變化180；碼元為“0”時，2DPSK信號的相位不變，可簡稱為“1”變“0”不變。圖2.3 2PSK、2DPSK信號波形示意圖 應(yīng)該說明的是，此處所說的相位變或不變，是指將本碼元內(nèi)信號的初相與上一碼元內(nèi)信號的末相進(jìn)行比較，而不是將相鄰碼元信號的初相進(jìn)行比較。實(shí)際工程中，2PSK和2DPSK信號的載波頻率與碼速率之間可能是整數(shù)倍關(guān)系也可能是非整數(shù)倍關(guān)系。但不管是那種關(guān)系，上述結(jié)論總是成立的。 本數(shù)字調(diào)制模塊用碼變換2PSK調(diào)制方法產(chǎn)生2DPSK信號，原理方框圖及波形圖如圖2.4所示。相對于絕對碼AK，2PSK調(diào)制器的輸出就是2DPSK信號；相對于相對碼BK、2PSK調(diào)制器的輸出是2PSK信號。圖中設(shè)碼元寬度等于載波周期，已調(diào)信號的相位與AK的關(guān)系是“1”變“0”不變，與BK的關(guān)系是異變同不變，由AK到BK的變換也符合“1”變“0”不變規(guī)律。 圖2.4中已調(diào)制信號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，這取決于載波的參考相位以及異或門電路的初始狀態(tài)。 (b) 波形圖圖2.4 2DPSK調(diào)制器方框圖及波形圖2PSK解調(diào)器輸出信號存在相位模糊現(xiàn)象，而2DPSK解調(diào)器輸出信號則不存在此現(xiàn)象，故實(shí)際通信中一般采用2DPSK而不用2PSK，此問題將在數(shù)字解調(diào)實(shí)驗(yàn)中再詳細(xì)介紹。2PSK信號的時域表達(dá)式為 S(t)= m(t)Coswct （2.1）式中m(t)為雙極性非歸零碼(BNRZ)，當(dāng)“0”、“1”等概時m(t)中無直流分量，S(t)中無載頻分量，2DPSK信號的時域表達(dá)式與2PSK相同，只是式中的m(t)為相對碼對應(yīng)的基帶信號。 2ASK信號的時域表達(dá)式與2PSK相同，但m(t)為單極性非歸零碼(NRZ)，NRZ中有直流分量，故2ASK信號中有載頻分量。 相位不連續(xù)2FSK信號可看成是用AK和調(diào)制不同載頻信號形成的兩個2ASK信號相加，時域表達(dá)式為 （2.2) 式中m(t)為NRZ碼。 設(shè)碼元寬度為TS，fS =1TS在數(shù)值上等于碼速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率譜密度如圖2.5所示?？梢姡?ASK、2PSK（2DPSK）的功率譜是數(shù)字基帶信號m(t)功率譜的線性搬移，故常稱2ASK、2PSK（2DPSK）為線性已調(diào)信號。而2FSK的功率譜與m(t)的功率譜之間不是線性搬移關(guān)系，稱為非線性已調(diào)信號。在多進(jìn)制數(shù)字已調(diào)信號中，MASK、MPSK、MDPSK、及MQAM信號是線性已調(diào)信號，MFSK信號是非線性已調(diào)信號。應(yīng)特別說明的是，在現(xiàn)代通信中，常將矩形數(shù)字基帶信號進(jìn)行低通濾波器處理后與載波信號相乘，從而構(gòu)成二進(jìn)制或多進(jìn)制線性已調(diào)信號，低通濾波器的頻率特性為余弦滾降特性或其開平方。為了方便用示波器觀察已調(diào)信號波形，HUST TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備中仍采用矩形信號作為調(diào)制器的基帶信號。另外在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中m(t)是一個周期信號，故m(t)有離散譜，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有離散譜。圖2.5 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信號功率譜2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟 1、熟悉數(shù)字調(diào)制模塊的工作原理。接通電源，打開實(shí)驗(yàn)箱電源開關(guān)。將數(shù)字調(diào)制模塊單刀雙擲開關(guān)K7置于左方N端，使信源輸出周期性NRZ信號（而非m序列信號）作為調(diào)制器的基帶信號。2、將示波器置于外同步觸發(fā)狀態(tài)，用數(shù)字信源模塊的FS信號作為示波器的外同步觸發(fā)信號。示波器CH1接信源模塊的NRZ-OUT(AK)，CH2接數(shù)字調(diào)制模塊的BK，信源模塊的K1、K2、K3置于任意狀態(tài)（非全0），觀察并記錄AK、BK波形。3、示波器CH1接2DPSK，CH2分別接AK及BK，觀察并記錄其波形。觀察時應(yīng)注意： 若用20MHz模擬示波器觀察，可將時基擴(kuò)展MAG開關(guān)置于X10檔，以便更清晰地觀察到多個碼元周期內(nèi)2PSK信號或2DPSK信號波形。 若用模擬示波器觀察，帶衰減探頭的靈敏度應(yīng)置于X10檔，以減小探頭輸入電容對信號波形的影響。 接已調(diào)信號的示波器探頭(CH1)的地線應(yīng)接在數(shù)字調(diào)制模塊的GND點(diǎn)，以免已調(diào)信號相位不連續(xù)處出現(xiàn)較大的毛刺。 幾種已調(diào)信號幅度遠(yuǎn)小于基帶信號的幅度，觀察時要適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器CH1通道的幅度旋鈕，增加此通道的靈敏度。4、示波器CH2接AK、CH1依次接2FSK和2ASK；觀察這兩個信號與AK的關(guān)系（“1”碼與“0”碼對應(yīng)的2FSK信號的幅度可能略有不同）。2.4 實(shí)驗(yàn)思考題1、設(shè)絕對碼為全1、全0或1001 1010，求相對碼。2、設(shè)相對碼為全1、全0或1001 1010，求絕對碼。 3、設(shè)信息代碼為1001 1010，假定載頻分別為碼元速率的1倍和1.5倍，畫出2DPSK及2PSK信號波形。 4、總結(jié)絕對碼至相對碼的變換規(guī)律、相對碼至絕對碼的變換規(guī)律。5、 總結(jié)2DPSK信號的相位變化與信息代碼(即絕對碼)之間的關(guān)系以及2DPSK信號的相位變化與相對碼之間的關(guān)系（即2PSK的相位變化與信息代碼之間的關(guān)系）。實(shí)驗(yàn)4 數(shù)字解調(diào)4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握2DPSK相干解調(diào)原理。2. 掌握2FSK過零檢測解調(diào)原理。4.2 實(shí)驗(yàn)原理可用相干解調(diào)或差分相干解調(diào)法（相位比較法）解調(diào)2DPSK信號。在相位比較法中，要求載波頻率為碼速率的整數(shù)倍，當(dāng)此關(guān)系不能滿足時只能用相干解調(diào)法。在HUST TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，2DPSK載波頻率等于碼速率的13倍，兩種解調(diào)方法都可用。實(shí)際工程中相干解調(diào)法用得最多。2FSK信號的解調(diào)方法有：包絡(luò)檢波法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過零檢測法等。TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用相干解調(diào)法解調(diào)2DPSK信號，采用過零檢測法解調(diào)2FSK信號。2DPSK模塊內(nèi)部使用+5V、+12V和-12V電壓，2FSK模塊內(nèi)部使用+5V電壓。圖4.1為兩個解調(diào)器的原理方框圖，其電原理圖如圖4.2所示，圖中2DPSK-IN信號及2FSK-IN信號分別接數(shù)字調(diào)制模塊輸出的2DPSK信號及2FSK信號，CAR-IN信號接載波同步模塊輸出的CAR-OUT信號，它們已在印刷電路板上連通。圖4.1 數(shù)字解調(diào)方框圖在實(shí)際應(yīng)用的通信系統(tǒng)中，解調(diào)器的輸入端都有一個帶通濾波器用來濾除帶外的信道噪聲并確保系統(tǒng)的頻率特性符合無碼間串?dāng)_條件。在TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備中為了簡化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，方便觀察信號波形，數(shù)字調(diào)制的輸出端沒有帶通濾波器，信道是理想的，解調(diào)器輸入端也沒有帶通濾波器。 2DPSK解調(diào)模塊上有以下信號測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： MU相乘器輸出信號測試點(diǎn) LPF低通、運(yùn)放輸出信號測試點(diǎn) VC比較器比較電壓測試點(diǎn) CM比較器輸出信號測試點(diǎn)/輸出點(diǎn) BK解調(diào)輸出相對碼測試點(diǎn) AK-OUT解調(diào)輸出絕對碼測試點(diǎn)/輸出點(diǎn)圖4.2 數(shù)字解調(diào)模塊電原理圖 VC比較器比較電壓測試點(diǎn) CM比較器輸出信號測試點(diǎn)/輸出點(diǎn) BK解調(diào)輸出相對碼測試點(diǎn) AK-OUT解調(diào)輸出絕對碼測試點(diǎn)/輸出點(diǎn) BS-IN位同步信號輸入點(diǎn) 2FSK解調(diào)模塊上有以下信號測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： FD2FSK過零檢測器輸出信號測試點(diǎn) LPF低通濾波器輸出信號測試點(diǎn) CM比較器輸出信號測試點(diǎn)/輸出點(diǎn) BS-IN位同步信號輸入點(diǎn) AK-OUT解調(diào)輸出信號的測試點(diǎn)/輸出點(diǎn) 圖4.1(a)中各單元與圖4.2(a)中元器件的對應(yīng)關(guān)系如下： 相乘器U29：模擬乘法器MC1496 低通濾波器R31；C2 運(yùn)算放大器U30：運(yùn)算放大器UA741 比較器U31：比較器LM311 抽樣器U32:A：雙D觸發(fā)器7474 碼反變換器U32:B：雙D觸發(fā)器7474；U33:A：異或門7486 圖4.1(b)中各單元與圖4.2(b)中元器件的對應(yīng)關(guān)系如下： 整形電路1U34:A：反相器74HC04 單穩(wěn)電路1U35:A：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123 單穩(wěn)電路2U35:B：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123 相加器U36：或門7432 低通濾波器U37：運(yùn)算放大器LM318；若干電阻、電容 整形電路2U34:B：反相器74HC04 抽樣器U38:A：雙D觸發(fā)器7474 2DPSK相干解調(diào)電路中的有關(guān)信號波形如圖4.3所示，圖中假設(shè)絕對碼為1101011，下面對一些具體問題加以說明。 信源是周期為24bit的周期信號，當(dāng)24bit的相對碼BK中“1”碼和“0”碼個數(shù)不相等時，相乘器U29的輸出信號MU及低通濾波器輸出信號LPF是正負(fù)不對稱的信號。在實(shí)際的2DPSK通信系統(tǒng)中，抽樣判決器輸入信號是一個均值為0且正負(fù)對稱的信號，因此最佳判決電平為0。TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，判決電平VC是可以調(diào)節(jié)的。當(dāng)VC=0而相對碼BK中“1”碼和“0”碼個數(shù)差別太大時，可能出現(xiàn)誤判決，即解調(diào)器出現(xiàn)誤碼。因?yàn)榇藭rLPF信號的正電平或負(fù)電平非常接近0電平，抽樣脈沖（位同步信號）稍不理想就會造成誤碼。電位器R39用來調(diào)節(jié)判決電平，當(dāng)BK中“1”碼與“0”碼個數(shù)差別比較大時出現(xiàn)誤碼時，可調(diào)節(jié)R39使VC接近LPF信號的中值。實(shí)際通信系統(tǒng)中的2DPSK相干解調(diào)器（或差分相干解調(diào)器）是針對隨機(jī)信號，不需要調(diào)節(jié)判決電平。 比較器的輸出信號CM為TTL電平信號，它不能作為相對碼直接送給碼反變器，因?yàn)樗⒉皇且粋€標(biāo)準(zhǔn)的單極性非歸零碼，其單個“1”碼對應(yīng)的正脈沖的寬度和單個“0”碼對應(yīng)的零電平的寬度可能小于碼元寬度、也可能大于碼元寬度。另外，當(dāng)LPF中有噪聲時，CM中還會出現(xiàn)噪聲脈沖（由于在TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備中信道是理想的，接收機(jī)輸入信號中無噪聲，故實(shí)驗(yàn)時觀察不到此脈沖噪聲）。 異或門74LS86輸出的絕對碼波形的高電平上疊加有小的干擾信號，經(jīng)U34整形后即可去掉。圖4.3 2DPSK相干解調(diào)波形示意圖 2FSK解調(diào)器工作原理及有關(guān)問題說明如下。 圖4.4為2FSK過零檢測解調(diào)器各點(diǎn)波形示意圖，圖中設(shè)“1”碼載頻等于碼速率的兩倍，“0”碼載頻等于碼速率，信息代碼為101。 整形電路1和整形電路2的功能與比較器類似，在74HC04的輸入端將均值為0的輸入信號疊加在2.5V上。74HC04的狀態(tài)轉(zhuǎn)換電平約為2.5V，可把輸入信號進(jìn)行硬限幅處理。整形電路1將正弦2FSK信號變?yōu)門TL電平的2FSK信號。整形電路2和抽樣電路共同構(gòu)成一個判決電平為2.5V的抽樣判決器。 單穩(wěn)電路1、單穩(wěn)電路2分別被設(shè)置為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，它們與相加器一起共同對TTL電平的2FSK信號進(jìn)行微分、整流處理。電位器R43和R44決定上升沿脈沖寬度及下降沿脈沖寬度（它們應(yīng)基本相等）。 用R48可以調(diào)節(jié)濾波器的頻率特性及LPF信號幅度，LPF不是TTL電平信號且不是標(biāo)準(zhǔn)的非歸零碼，必須進(jìn)行抽樣判決處理。 低通濾波器是一個有源濾波器，具有低通濾波和倒相功能。 整形電路2對輸入信號進(jìn)行硬限幅和倒相處理。圖4.4 2FSK過零檢測解調(diào)器各點(diǎn)波形示意圖4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、載波同步模塊、2DPSK解調(diào)模塊及2FSK解調(diào)模塊，它們之間的信號連接方式如圖4.5所示,其中實(shí)線是指已在印刷電路板上布好的，虛線是在實(shí)驗(yàn)過程中由實(shí)驗(yàn)者自己連接的。實(shí)際通信系統(tǒng)中，解調(diào)器需要的位同步信號來自位同步提取模塊。本實(shí)驗(yàn)中位同步信號直接來自數(shù)字信源。在做2DPSK解調(diào)實(shí)驗(yàn)時，位同步信號送給2DPSK解調(diào)模塊，做2FSK解調(diào)實(shí)驗(yàn)時則送到2FSK解調(diào)模塊。圖4-5 數(shù)字解調(diào)實(shí)驗(yàn)連接圖 1. 復(fù)習(xí)前面實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容并熟悉2DPSK解調(diào)模塊及2FSK解調(diào)模塊的工作原理，接通實(shí)驗(yàn)箱電源。將數(shù)字調(diào)制模塊單刀雙擲開關(guān)K7置于左方NRZ端。 2. 檢查數(shù)字信源、數(shù)字調(diào)制及載波同步模塊是否工作正常，載波同步模塊的鎖相環(huán)應(yīng)處于鎖定狀態(tài)。 3. 2DPSK解調(diào)實(shí)驗(yàn) （1）將數(shù)字信源模塊的BS-OUT用信號連線連接到2DPSK解調(diào)模塊的BS-IN處。將示波器置于外同步觸發(fā)狀態(tài)，以信源模塊的FS信號作為示波器外同步觸發(fā)信號。將示波器的CH1接數(shù)字調(diào)制模塊的BK，CH2（建議使用示波器探頭的x10衰減檔）接2DPSK解調(diào)模塊的MU。MU與BK同相或反相，其波形應(yīng)接近圖4.3所示的理論波形。 （2）示波器的CH2接2DPSK解調(diào)模塊的LPF，可看到LPF與MU同相。當(dāng)一幀內(nèi)BK中“1”碼和“0”碼個數(shù)相同時，LPF的正、負(fù)極性信號電平與0電平對稱，否則不對稱。（3）示波器的CH1接VC，調(diào)節(jié)電位器R39，使VC為LPF的中值電平（當(dāng)BK中“1”與“0”等概時LPF的中值為0電平）。（4）觀察記錄數(shù)字調(diào)制模塊的BK與2DPSK解調(diào)模塊的MU、LPF、BK之間的關(guān)系，再觀察記錄數(shù)字信源模塊中AK信號與2DPSK解調(diào)模塊的MU、LPF、BK、AK-OUT信號之間的關(guān)系。（5）斷開、接通電源若干次，改變數(shù)字調(diào)制模塊的CAR信號與載波同步模塊的CAR-OUT信號的相位關(guān)系，重新進(jìn)行步驟（4）中的觀察并記錄差別。（6）將數(shù)字調(diào)制模塊單刀雙擲開關(guān)K7置于右方M序列端，此時數(shù)字調(diào)制器輸入的基帶信號是m序列。用示波器觀察2DPSK解調(diào)模塊中的LPF信號，即可看到無噪聲時的眼圖，請記錄如下： 4. 2FSK解調(diào)實(shí)驗(yàn)將數(shù)字調(diào)制模塊單刀雙擲開關(guān)K7還原置于左方NRZ端。將數(shù)字信源模塊的BS-OUT用信號連線換接到2FSK解調(diào)模塊的BS-IN處，示波器探頭CH1接數(shù)字信源模塊中的AK，CH2分別接2FSK解調(diào)模塊中的FD、LPF、CM及AK-OUT，觀察2FSK過零檢測解調(diào)器的解調(diào)過程并記錄（注意：低通濾波器及整形電路2都有倒相作用）。4.4 實(shí)驗(yàn)思考題 1. 設(shè)絕對碼為1001101，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察得到的規(guī)律，畫出當(dāng)相干載波頻率等于碼速率的1.5倍，CAR-OUT與CAR同相或反相時，2DPSK相干解調(diào)器中MU、LPF、BS、BK、AK等信號的波形示意圖，總結(jié)2DPSK克服相位模糊現(xiàn)象的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)六 幀同步6.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握集中插入式幀同步碼識別器工作原理。 2. 掌握同步保護(hù)原理。3. 掌握假同步、漏同步、捕捉態(tài)（失步態(tài)）、維持態(tài)（同步態(tài)）等概念。6.2 實(shí)驗(yàn)原理在時分復(fù)用通信系統(tǒng)中，為了正確地傳輸信息，必須在信息碼流中插入一定數(shù)量的幀同步碼。幀同步碼可以集中插入，也可以分散插入。在HUST TX系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備中幀同步識別碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個碼元位置上。幀同步模塊的原理框圖如圖6.1所示，電原理圖如圖6.2所示，其內(nèi)部使用+5V電壓。圖6.1 幀同步模塊原理框圖 本模塊有以下信號測試點(diǎn)及輸入點(diǎn)： S-IN數(shù)字基帶信號輸入點(diǎn) BS-IN位同步信號輸入點(diǎn) GAL巴克碼識別器輸出信號測試點(diǎn) 2424分頻器輸出信號測試點(diǎn) TH判決門限電平測試點(diǎn) FS幀同步信號測試點(diǎn)圖6.2 幀同步模塊電原理圖 圖6.1中各單元與圖6.2中的元器件對應(yīng)關(guān)系如下： 24 U60、U61：計(jì)數(shù)器4017；U58:C、U58:B：或門4071 移位寄存器U50、U51：四位移位寄存器74175 相加器 U52：可編程邏輯器件GAL20V8 判決器U53：可編程邏輯器件GAL20V8 單穩(wěn)電路U59:B：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4528 與門1U56:A：與門7408 與門2U56:C：與門4708 與門3U56:D：與門7408 與門4U56:B：與門7408 或門U58:A：或門4071 3U54：計(jì)數(shù)器4017 觸發(fā)器U55:A：JK觸發(fā)器4027 從總體上看，本模塊可分為巴克碼識別器及同步保護(hù)兩部分。巴克碼識別器包括移位寄存器、相加器和判決器，圖6.1中的其余部分完成同步保護(hù)功能。移位寄存器由兩片74175組成，移位時鐘信號是位同步信號。當(dāng)7位巴克碼全部進(jìn)入移位寄存器時，U50的Q1、Q2、Q3、Q4及U51的Q2、Q3、Q4都為高電平，它們輸入到相加器U52的數(shù)據(jù)輸入端D0D6，使U52的輸出端Y0、Y1、Y2都為高電平，表示其輸入端為7個高電平。Y2Y1Y0的不同狀態(tài)表示了U52輸入端為高電平的個數(shù)，若Y2Y1Y0=100，則表示輸入端有4個高電平，依此類推。判決器U53有6個輸入端。IN2、IN1、IN0分別與U52的Y2、Y1、Y0相連，L2、L1、L0與判決門限控制電壓相連，L2、L1已設(shè)置為高電平，而L0由同步保護(hù)電路控制，可能為高電平也可能為低電平。在幀同步模塊電路中有三個發(fā)光二極管指示燈P1、P2、P3與判決門限控制電壓相對應(yīng)，即從左到右與L2、L1、L0一一對應(yīng)，燈亮對應(yīng)高電平，燈熄對應(yīng)低電平。判決電平測試點(diǎn)TH就是信號L0，它與最右邊的指示燈P3狀態(tài)相對應(yīng)。當(dāng)L2L1L0=111時判決門限為7，三個燈全亮，TH為高電平；當(dāng)L2L1L0=110時判決門限為6，P1和P2亮，而P3熄，TH為低電平。當(dāng)U52輸入端為高電平的個數(shù)大于或等于判決門限時，識別器就輸出高電平。當(dāng)基帶信號里的幀同步碼無錯誤時，把位同步信號和數(shù)字基帶信號輸入到移位寄存器后，識別器就會有幀同步識別信號GAL輸出，信號波形及時序關(guān)系如圖6.3所示，GAL信號的上升沿與最后一位幀同步碼的結(jié)束時刻對齊。圖中還給出了24信號及幀同步器最終輸出的幀同步信號FS，F(xiàn)S的上升沿與GAL的上升沿在理論上應(yīng)對齊，但由于電路的時延影響，F(xiàn)S的上升沿稍滯后于GAL的上升沿。24信號是將位同步信號進(jìn)行24分頻得到的，其周期與幀同步信號的周期相同。當(dāng)識別器輸出一個GAL脈沖信號時（即捕獲到一組正確的幀同步碼），在GAL信號和同步保護(hù)器的作用下，24電路置零，從而使24分頻器輸出的24信號下降沿與GAL信號的上升沿對齊。24信號再送給后級的單穩(wěn)電路，單穩(wěn)電路設(shè)置為下降沿觸發(fā)，其輸出信號的上升沿與24信號的下降沿對齊。圖6.3 幀同步器信號波形幀同步信號FS是由同步保護(hù)器中的與門3對單穩(wěn)輸出的信號及狀態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出信號進(jìn)行“與”運(yùn)算得到的。電路中同步保護(hù)器的作用是減小假同步和漏同步概率，其工作原理如下。當(dāng)無基帶信號輸入（或雖有基帶信號輸入但相加器輸出低于門限值）時，識別器沒有輸出（即GAL為低電平），與門1關(guān)閉（或門輸出信號不能通過與門1）、與門2打開（單穩(wěn)輸出信號可以通過與門2），單穩(wěn)輸出信號通過與門2后輸入到3電路，3電路的輸出信號使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器置“0”，從而關(guān)閉與門3，同步器無輸出信號，此時Q的高電平把判決器的門限置為7（P3燈亮），且關(guān)閉或門（或門輸出保持高電平），打開與門1（判決器輸出可以通過與門1），同步器處于捕捉態(tài)。只要識別器輸出一個正脈沖GAL信號（因?yàn)榕袥Q門限比較高，這個正脈沖GAL信號是正確的幀同步信號的概率很高），與門4就可以輸出一個置零脈沖使24分頻器置零，24分頻器輸出一個與GAL信號同頻同相的的周期信號（見圖6.3）。識別器輸出的GAL脈沖信號通過與門1后使?fàn)顟B(tài)觸發(fā)器置“1”，從而打開與門3，輸出幀同步信號FS，同時使判決器門限降為6（P3燈熄）、打開或門、同步器進(jìn)入維持態(tài)。在維持態(tài)下，因?yàn)榕袥Q門限較低，故識別器的漏識別概率減小，假識別概率增加。但假識別信號與單穩(wěn)輸出信號不同步，故與門1、與門4不輸出假識別信號，從而使假識別信號不影響24電路及觸發(fā)器的工作狀態(tài)，與門3輸出的仍