通信原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

通信原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(通信工程、電子信息工程專業(yè)適用)朱向慶編寫電子信息工程學(xué)院2012年12月13日修訂項(xiàng)目一、終端實(shí)驗(yàn)……………錯(cuò)誤!未定義實(shí)驗(yàn)六帶糾檢錯(cuò)編碼的數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤!未定義書實(shí)驗(yàn)一信號源實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇鎯ζ?4RHz正弦波單片機(jī)SW104、SW105改變碼型)以及位同步信號和幀同步信號。絕大部分電路功能由U004(EPM7128)來完成，通過撥碼開關(guān)SW101、SW102可改變整個(gè)數(shù)字信號源位同步信號和幀同步信號的速率，該部分電路原理框圖如圖1-2所示。分頻比選擇分頻比選擇可預(yù)置分頻器碼型2BSBS產(chǎn)生器分頻器2分頻3分頻2分頻晶振出來的方波信號經(jīng)3分頻后分別送入分頻器和另外一個(gè)可預(yù)置分頻器分頻，前一分頻器分頻后可得到1MHz、256KHz、64KHz、8KHz的方波以及8KHz的窄脈沖信號?？深A(yù)置分頻器的分頻比可通過撥碼開關(guān)SW101、SW102來改變，分頻比范圍是1~9999。分頻后的信號即為整個(gè)系統(tǒng)的位同步信號(從信號輸出點(diǎn)“BS”輸出)。數(shù)字信號源部分還包括一個(gè)NRZ碼產(chǎn)生電路，通過該電路可產(chǎn)生以24位為一幀的周期性NRZ碼序列，該序列的碼1.將信號源模塊小心地固定在主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。2.插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，再按下開關(guān)POWER1、POWER2,發(fā)光二極管LED001、LED002發(fā)光，按一下復(fù)位鍵，信號源模塊開始工作。(注意，此處只是驗(yàn)證通電是否成功，在實(shí)驗(yàn)中均是先連線，后打開電源做實(shí)驗(yàn)，不要帶電連線)3.模擬信號源部分①觀察“32K正弦波”、“64K正弦波"、"1M正弦波”各點(diǎn)輸出的正弦波波形，對應(yīng)②按下"復(fù)位"按鍵使U006復(fù)位，波形指示燈“正弦波”亮，波形指示燈"三角波"、③按一下“波形選擇”按鍵，波形指示燈"三角波"亮(其他仍熄滅),此時(shí)信號輸出點(diǎn)“模擬輸出”的輸出波形為三角波。逐次按下“波形選擇”按鍵，四個(gè)波形指示燈輪流發(fā)亮，此時(shí)"模擬輸出"點(diǎn)輪流輸出正弦波、三角波、鋸齒波和方波。④將波形選擇為正弦波時(shí)(對應(yīng)發(fā)光二極管亮),轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)編碼器K001,改變輸出信號的頻率(順時(shí)針轉(zhuǎn)增大，逆時(shí)針轉(zhuǎn)減小),觀察"模擬輸出"點(diǎn)的波形，并用頻率計(jì)查看其頻率與數(shù)碼管顯示的是否一致。轉(zhuǎn)動電位器“幅度調(diào)節(jié)1”可改變輸出信號的幅度，幅度最大可達(dá)3V以上。(注意：發(fā)光二極管LED007熄滅，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)編碼器K001時(shí)，頻率以1Hz為單位變化；按一下K001,LED007亮，此時(shí)旋轉(zhuǎn)K001,頻率以50Hz為單位變化；再按一下K001,LED007熄滅，頻率再次以1Hz為單位變化)⑤將波形分別選擇為三角波、鋸齒波、方波，重復(fù)上述實(shí)⑥模擬信號放大通道：用導(dǎo)線連接“模擬輸出”點(diǎn)與“IN”點(diǎn)，觀察“OUT”點(diǎn)波形，轉(zhuǎn)動電位器“幅度調(diào)節(jié)2”可改變輸出信號的幅度(最大可達(dá)6V以上)。⑦電位器W006用來調(diào)節(jié)開關(guān)電容濾波器U008的控制電壓，電位器W007用來調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器U007的參考電壓，這兩個(gè)電位器在出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)好，切勿自行調(diào)節(jié)。①撥碼開關(guān)SW101、SW102的作用是改變分頻器的分頻比(以4位為一個(gè)單元，對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)的1位，以BCD碼分別表示分頻比的千位、百位、十位和個(gè)位),得到不同頻率的位同步信號。分頻前的基頻信號為2MHz,分頻比變化范圍是1~9999,所以位同步信號頻率范圍是200Hz～2MHz。例如，若想信號輸出點(diǎn)“BS”SW102設(shè)置為，就可以得到15.625KHz的方波信號。撥碼開關(guān)SW103、SW104、當(dāng)該位開關(guān)往上撥時(shí)，對應(yīng)的碼元為1,往下?lián)軙r(shí)，對應(yīng)的碼元為0。④觀察1024K、256K、64K、32K、8K、Z8K各點(diǎn)波形(由于時(shí)鐘信號為晶振輸出的三角波：100Hz～1KHz鋸齒波：100Hz～1KHz方波：100Hz～10KHzOUT:模擬信號放大器輸出點(diǎn)。(放大倍數(shù)最大為2倍)BS:位同步信號輸出點(diǎn)。(方波，頻率可通過撥碼開關(guān)SW101、SW102改變)FS:幀同步信號輸出點(diǎn)。(窄脈沖，頻率是位同步信號頻率的二十四分之一)NRZ:24位NRZ碼輸出點(diǎn)。(碼型可通過SWSWSW1.位同步信號的頻率和NRZ碼的碼元速率間存在什么關(guān)系，為什么?2.位同步信號和幀同步信號的頻率間存在什么關(guān)系，為什么?實(shí)驗(yàn)二普通雙邊帶調(diào)幅與解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.終端模塊(可選)6.頻率計(jì)(可選)一臺一臺一臺一臺一副u(1)=(UmkUomcosQrcosotuw(t)的波形圖。U從圖中并結(jié)合式(2-1)可以看出，普通調(diào)幅信號的振幅由直流分量U.m和交流分量kUomcosQr迭加而成，其中交流分量與調(diào)制信號成正比，或者說，普通調(diào)幅信號的包絡(luò)(信號振幅各峰值點(diǎn)的連線)完全反映了調(diào)制信號的變化。另外還可得到調(diào)幅指數(shù)Ma的表達(dá)式：顯然，當(dāng)Ma>1時(shí)，普通調(diào)幅波的包絡(luò)變化與調(diào)制信號不再相同，產(chǎn)生了失真，稱為過調(diào)制，如圖2-2所示。所以，普通調(diào)幅要求Ma必須不大于1。式(2-1)又可以寫成可見，u(t)的頻譜包括了三個(gè)頻率分量：①。(載波)、。+Ω(上邊頻)和w。-Ω(下邊頻)。原調(diào)制信號的頻帶寬度是Ω(或),而普通調(diào)幅信號的頻帶寬度是2Ω(或2F),是原調(diào)制信號的兩倍。普通調(diào)幅將調(diào)制信號頻譜搬移到了載頻的左右兩旁，如圖2-3所示。被傳送的調(diào)制信息只存在于邊頻中而不在載頻中，攜帶信息的邊頻分量最多只占總功率的三分之一(因?yàn)镸a≤1)。在實(shí)際系統(tǒng)中，平均調(diào)幅指數(shù)很小，所以邊頻功率占的比例更小，功率利用率更低。為了提高功率利用率，可以只發(fā)送兩個(gè)邊頻分量而不發(fā)送載頻分量，或者進(jìn)一步僅發(fā)送其中一個(gè)邊頻分量，同樣可以將調(diào)制信息包含在調(diào)制信號中。這兩種調(diào)制方式分別稱為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅(簡稱雙邊帶調(diào)幅)和抑制載波的單邊帶調(diào)幅(簡稱單邊帶調(diào)幅)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是雙邊帶調(diào)制與解調(diào)。雙邊帶調(diào)幅信號產(chǎn)生的具體電路原理圖如圖2-4所示。圖2-4中MC1496是雙平衡四象限模擬乘法器。MC1496可用于振幅調(diào)制、同步檢波、鑒頻。本實(shí)驗(yàn)就是采用MC1496作為振幅調(diào)制器。高頻載波信號從“載波輸入”點(diǎn)輸入，經(jīng)高頻耦合電容C207輸入至U202(MC1496)的10腳。低頻基帶信號從“音頻輸入”點(diǎn)輸入，經(jīng)低頻耦合電容E205輸入至U202的1腳。C208為高頻旁路電容，E206為低頻旁路電容。調(diào)幅信號從MC1496的12腳輸出。實(shí)際上，從此腳輸出的調(diào)幅信號還要經(jīng)過濾波，這樣才能保證調(diào)幅信號的質(zhì)量。濾波電路如圖2-5所示。U203ATL?843TL?842力576電容，它的值應(yīng)該選取在高頻時(shí)，其阻抗遠(yuǎn)小于R,可視為短路；而在調(diào)制頻率(低頻)時(shí)，其阻抗則遠(yuǎn)大于R,可視為開路。利用二極RC就可以還原出與調(diào)幅信號包絡(luò)基本一致的信號。具體電路如圖2-6所示。POWER2,對應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、LED電是否成功，在實(shí)驗(yàn)中均是先連線，后打開電源做實(shí)驗(yàn)，不要帶電連線)“AM音頻輸入”,以及信號源模塊的信號輸出點(diǎn)“64K正弦波”和PAM/AM模塊的信號輸入點(diǎn)“AM載波輸入”,調(diào)節(jié)PAM/AM模塊的電位器“調(diào)制深度調(diào)節(jié)”,5.觀察“AM載波輸入”、“AM音頻輸入幅輸出"各點(diǎn)處輸出的波形。6.用頻譜分析模塊(用法請參考實(shí)驗(yàn)三)分別觀察普AM“AM音頻輸入”、"調(diào)幅輸出”、“濾波輸出”、“解調(diào)幅輸出"各點(diǎn)頻譜，以及抑制載波的雙邊帶調(diào)幅時(shí)各點(diǎn)頻譜并比較之。信號輸出點(diǎn)"OUT"與PAM/AM模塊的信號輸入點(diǎn)“AM音頻輸入”,再連接信號10.用連接線連接PAM/AM模塊的信號輸出點(diǎn)"解調(diào)幅輸出"與終端模塊的信號輸入點(diǎn)“S-IN”,在耳機(jī)插孔S1中插上耳機(jī)，聽還原出來信號的聲音。(可選)2.輸出點(diǎn)參考說明輸出這4點(diǎn)的波形圖，并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2.調(diào)節(jié)PAM/AM模塊的電位器“調(diào)制深度調(diào)節(jié)”,記錄未過調(diào)幅和過調(diào)幅兩種情況下點(diǎn)?2.調(diào)節(jié)電位器“調(diào)制深度調(diào)節(jié)”時(shí)，調(diào)幅信號會發(fā)生怎樣的變化，為什么?實(shí)驗(yàn)三終端實(shí)驗(yàn)、碼型變換實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.終端數(shù)字部分本實(shí)驗(yàn)中數(shù)字基帶信號的接收與發(fā)送均為串行通信，每一幀為24位。實(shí)驗(yàn)時(shí)將接收到的數(shù)字信號、位同步信號、幀同步信號分別從輸入點(diǎn)“DATA2”、“BS2”、“FS2”送入U(xiǎn)600(EPM7128SLC84-15),它為一可編程邏輯器件，通過其經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后由發(fā)光二極管D624~D647分別顯示；然后再將原始數(shù)字基帶信號、位同步信號、幀同步信號分別從輸入點(diǎn)"DATA1”、“BS1”、“FS1"送入U(xiǎn)600,經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后由發(fā)光二極管D600~D623分別顯示。通過比較這兩組發(fā)光二極管的亮滅情況，就可以直觀判斷接收到的數(shù)字信號是兩組數(shù)字信號的串/并轉(zhuǎn)換均在U600內(nèi)部完成，其工作原理如下：以位同步信號為時(shí)鐘，數(shù)字信號逐位移入三片串聯(lián)的74164(八位移位寄存器，三級串聯(lián)后可保存24位數(shù)據(jù)),三片74164的輸出腳分別連至三片74374(八上升沿D觸發(fā)器)的輸入端，當(dāng)幀同步信號的上升沿到來時(shí)，一幀完整的數(shù)字信號(24位)恰好全部移入三片74164,此時(shí)三片74374開始讀數(shù)，24位數(shù)字信號被讀入24個(gè)D觸發(fā)器的D端。因?yàn)閹叫盘柕母唠娖骄S持時(shí)間小于一位碼元的寬度，所以幀同步信號每來一個(gè)上升沿時(shí)，74374只能從外部讀入一位數(shù)據(jù)，其它時(shí)間處于鎖存狀態(tài)，從而避免了數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤讀寫。讀入D端的數(shù)據(jù)在觸發(fā)器時(shí)鐘的控制下從Q端輸出驅(qū)動發(fā)光二極管，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇?并轉(zhuǎn)換。同理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟?串轉(zhuǎn)換也采用類似的電路，在此不再重述。特別值得注意的是，送入終端模塊的數(shù)字信號必須是以24位為一幀的周期性信號。2.終端模擬部分將接收到的模擬信號從S-IN輸入，分壓后再經(jīng)E601(1uF)濾除其直流成分，然后送入音頻功率放大器U603(LM386)放大后由喇叭輸出。為方便用戶，本實(shí)驗(yàn)箱配有一副耳機(jī)，在此可代替喇叭。電路原理圖如圖3-2所示。E601S-OUT寸SPEAKER5736電路中所用到的LM386為一低壓自動功率放大器，它的第一腳和第八腳為功率增益控制端。當(dāng)它們均處于懸浮狀態(tài)時(shí)，其功率增益為26dB;當(dāng)在第一腳和第八腳間接一電容(大約為10uF)時(shí)，功率增益可達(dá)到46dB;當(dāng)在第一腳和第八腳間串接一電容(大約為10uF)和一個(gè)合適的電阻時(shí)，功率增益可被設(shè)置為從26dB到46dB之間的任意值。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K所采用的是10uF和2K的電阻串接在第一腳和第八腳之間，這樣可獲得大約35dB的功率增益。模擬信號從LM386的第二腳和第三腳輸入，其中第二腳為負(fù)輸入端，第三腳為正輸入端。其內(nèi)部電路圖如圖3-3所示。POWER2,對應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、LED600發(fā)光，按一下信號源模塊是先連線，后打開電源做實(shí)驗(yàn)，不要帶電連線)①將立體聲單放機(jī)輸出的信號送入信號源模塊的信號輸入點(diǎn)“IN”,再從信號輸出插座S1,仔細(xì)聽耳機(jī)傳出的聲音，與單放機(jī)送出的聲音比較，是否有所差異?觀②調(diào)節(jié)信號源模塊中的電位器“幅度調(diào)節(jié)2”和終端模塊中的電位器“音量調(diào)節(jié)”,①關(guān)閉所有電源，將信號源模塊中的撥碼開關(guān)SW101~SW105設(shè)置為非全0或非全1NRZ六、輸入、輸出點(diǎn)參考說明七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.頻率計(jì)(可選)5.PC機(jī)(可選)6.連接線一臺一臺一臺NRZ碼的全稱是單極性不歸零碼，在這種二元碼中用高電平和低電平(這里為零電平)分別表示二進(jìn)制信息“1”和"0",在整個(gè)碼元期間電平保持不變。例如：RZ碼的全稱是單極性歸零碼，與NRZ碼不同的是，發(fā)送“1”時(shí)在整個(gè)碼元期間高BNRZ碼的全稱是雙極性不歸零碼，在這種二元碼中用正電平和負(fù)電平分別表示“1”BRZ碼的全稱是雙極性歸零碼，與BNRZ碼不同的是，發(fā)送“1”和“0”時(shí)，在整AMI碼的全稱是傳號交替反轉(zhuǎn)碼，其編碼規(guī)則如下：信息碼中碼的"0";信息碼中的"1"交替變換為傳輸碼的“+1、-1、+1、-1、…”。例如：AMI碼的主要特點(diǎn)是無直流成分，接收端收到的碼元極性與出現(xiàn)長的連0串，因而會造成提取定時(shí)信號的困難。HDB?碼的全稱是三階高密度雙極性碼，其編碼規(guī)則如下：將4個(gè)連“0”信息碼用節(jié)為“000V”;有偶數(shù)個(gè)信息“1”碼(包括0個(gè))時(shí)取代節(jié)為“B00V”,其它的信息“0”碼仍為“0”碼，這樣，信息碼的“1"碼變?yōu)閹в蟹柕摹?”碼即“+1”或"-1”。例持AMI碼的優(yōu)點(diǎn)外，還增加了使連0串減少到至多3個(gè)的優(yōu)點(diǎn)，而不管信息源的統(tǒng)計(jì)特實(shí)驗(yàn)電路只能對碼長為24位的周期性NRZ碼序列進(jìn)行編碼。曼徹斯特碼(Manchester),它是對每個(gè)二進(jìn)制代碼分別利用兩個(gè)具有兩個(gè)不同相位的二進(jìn)制新碼去取代的碼；或者可以理解為用一個(gè)周期的方波表示“1”碼，0——01(零相位的一個(gè)周期的方波);1—→10(π相位的一個(gè)周期的方波)。例如：這種碼型有較多的電平躍變，因此，含有豐富的定時(shí)信息。該碼已被ITU-T推薦為PCM四次群的接口碼型。在光纖傳輸系統(tǒng)中有時(shí)也用CMI碼作線路傳輸碼型。2.電路原理將信號源產(chǎn)生的NRZ碼和位同步信號BS送入U(xiǎn)900(EPM7128SLC84-15)進(jìn)行變換，可以直接得到各種單極性碼和各種雙極性碼的正、負(fù)極性編碼信號(因?yàn)镕PGA的I/O口不能直接接負(fù)電平，所以只能將分別代表正極性和負(fù)極性的兩路編碼信號分別輸出，再通過外加電路合成雙極性碼),如HDB?的正、負(fù)極性編碼信號送入U(xiǎn)901(4051)的選通控制端，控制模擬開關(guān)輪流選通正、負(fù)電平，從而得到完整的HDB?碼。解碼時(shí)同樣也需要先將雙極性的HDB?碼變換成分別代表正極性和負(fù)極性的兩路信號，再送入FPGA進(jìn)行解碼，得到NRZ碼。其它雙極性碼的編、解碼過程相同。從信號源“NRZ”點(diǎn)輸出的數(shù)字碼型即為NRZ碼，其產(chǎn)生過程請參考信號源工作原將NRZ碼和位同步信號BS分別送入雙四路模擬開關(guān)U902(4052)的控制端作為控制信號，在同一時(shí)刻，NRZ碼和BS信號電平高低的不同組合(00、01、10、11)將控制U902分別接通不同的通道，輸出BRZ碼和BNRZ碼。X通道的4個(gè)輸入端Xo、Xi、X?、X?分別接-5V、GND、+5V、GND,在控制信號控制下輸出BRZ碼；Y通道的4個(gè)輸入端Yo、Yi、Y?、Y?分別接-5V、-5V、+5V、+5V,在控制信號控制下輸出BNRZ碼。解碼時(shí)通過電壓比較器U907(LM339)將雙極性的BRZ和BNRZ碼轉(zhuǎn)換為兩路單極性碼，即雙(極性)一單(極性)變換，再送入U(xiǎn)900進(jìn)行解碼，恢復(fù)出原始的NRZ這兩種碼型的編、解碼方法與BRZ、BNRZ是一樣的，但因?yàn)槭菃螛O性的碼型，所以編、解碼過程可以直接在U900中完成，在這里不再贅述。由于AMI碼是雙極性的碼型，所以它的變換過程分成了兩個(gè)部分。首先，在U900中，將NRZ碼經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘為BS的JK觸發(fā)器后，再與NRZ信號相與后得到控制信號AMIB,該信號與NRZ碼作為控制信號送入單八路模擬開關(guān)U905(4051)的控制端，U905的輸出即為AMI碼。解碼過程與BNRZ碼一樣，也需先經(jīng)過雙一單變換，再送入U(xiǎn)900HDB?碼的編、解碼框圖分別如圖3-4、3-5所示，其編、解碼過程與AMI碼相同，這里不再贅述。由于是單極性波形，CMI碼的編解碼過程全部在U900中完成，其編碼電路原理框圖如圖3-6所示：NRZNRZ信碼采樣011.將信號源模塊、碼型變換模塊小心地固定在主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。2.插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，再分別按下兩個(gè)模塊中的開關(guān)POWER1、POWER2,對應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、D900、D901發(fā)光，按一下信號源模塊的復(fù)位鍵，兩個(gè)模塊均開始工作。(注意，此處只是驗(yàn)證通電是否成功，在實(shí)驗(yàn)中均是先連線，后打開電源做實(shí)驗(yàn)，不要帶電連線)為。按實(shí)驗(yàn)二的介紹，此時(shí)分頻比千位、十位、個(gè)位均為0,百位為5,因此分頻比為500,此時(shí)位同步信號頻率應(yīng)為4KHz。觀察BS、FS、2BS、NRZ各點(diǎn)波形。4.分別將信號源模塊與碼型變換模塊上以下四組輸入/輸出點(diǎn)用連接線連接：BS與BS、FS與FS、2BS與2BS、NRZ與NRZ。觀察碼型變換模塊上其余各點(diǎn)輸出的波形。5.任意改變信號源模塊上的撥碼開關(guān)SW103、SW104、SW105的設(shè)置，以信號源模塊的NRZ碼為內(nèi)觸發(fā)源，用雙蹤示波器觀察碼型變換模塊各點(diǎn)輸出的波形。6.將信號源模塊上的撥碼開關(guān)SW103、SW104、SW105全部撥為1或全部撥為0,觀察碼型變換模塊各點(diǎn)輸出的波形。1.輸入點(diǎn)說明FS:幀同步信號輸入點(diǎn)。BS:位同步信號輸入點(diǎn)。2BS:2倍位同步頻率方波信號輸入點(diǎn)。NRZ:NRZ碼輸入點(diǎn)。2.輸出點(diǎn)說明(括號中的碼元數(shù)為與信號源產(chǎn)生的NRZ相比延遲的碼元數(shù))BNRZ-2:BNRZ編碼負(fù)極性信號輸出點(diǎn)。(與NRZ相同)OBPH:BPH解碼輸出點(diǎn)。(一個(gè)碼元)2.畫出NRZ碼為全0時(shí)所對應(yīng)的HDB?碼。1.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中采用的BRZ碼有什么特點(diǎn)?2.為什么觀察到的HDB;碼會與NRZ碼不同步?它們之間差了幾個(gè)碼元?實(shí)驗(yàn)四2ASK調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)1.掌握用鍵控法產(chǎn)生2ASK信號的方法2.掌握2ASK包絡(luò)檢波的原理3.了解2ASK信號的頻譜特性二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.觀察2ASK信號波形2.觀察2ASK信號頻譜3.觀察2ASK解調(diào)信號波形三、實(shí)驗(yàn)器材四、實(shí)驗(yàn)原理振幅鍵控(2ASK)、二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK)、二進(jìn)制移相鍵PSK在振幅鍵控中載波幅度是隨著基帶信號的變化而變化的。使載波在二進(jìn)制基帶信號1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無來代表信號中的“1”或“0”,這樣就可以得到2ASK信號，這種二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通一斷鍵控(OOK)。2ASK信號典型的時(shí)域波形如圖4-1所示，其時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為：綜合式4-1和式4-2,令A(yù)=1,則2ASK信號的一般時(shí)域表達(dá)式為：有多種度量定義，但最常用和最簡單的帶寬定義是以功率譜主瓣寬度為度量的“譜零點(diǎn)帶寬”,這種帶寬定義特別適用于功率譜主瓣包含信號大部分功率的信號。顯然，2ASK信號=[(f.+R)-(f.-R)]f?=2R,=2Hz式中，R,為二進(jìn)制序列的碼元速率，它與二進(jìn)制序列的信息率(比特率)Rb(bit/s)在2ASK信號載波開關(guān)電路基帶信號李李232761R405型2T4圖4-42ASK調(diào)制電路原理圖用一個(gè)模擬開關(guān)作為調(diào)制載波的輸出通/斷控制門，由二進(jìn)制序列S(t)控制門的通斷，S(t)=1時(shí)開關(guān)導(dǎo)通；S(t)=0時(shí)開關(guān)截止，這種調(diào)制方式稱為通一斷鍵控法。其次，2ASK信號可視為S(t)與載波的乘積，故用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制也是很容易想到的另一種方式，稱其為乘積法。在這里，我們采用的是通一斷鍵控法，2ASK調(diào)制的基帶信號和載波信號分別從“ASK基帶輸入”和“ASK載波輸入”輸入，其原理框圖和電路原理圖分別如圖4-3、圖4-4所示。2ASK解調(diào)有非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測法)兩種方法，相應(yīng)的接收系統(tǒng)原理框圖如圖4-5所示。本實(shí)驗(yàn)采用的是包絡(luò)檢波法。2ASK調(diào)制信號從“ASK-IN”輸入，經(jīng)CA03和RA02組成的耦合電路至半波整流器(由DA02、DA03組成),半波整流后的信號經(jīng)電壓比較器UA01 (LM339)與參考電位比較后送入抽樣判決器進(jìn)行抽樣判決，最后得到解調(diào)輸出的二進(jìn)制信號。標(biāo)號為“ASK判決電壓調(diào)節(jié)”的電位器用來調(diào)節(jié)電壓比較器UA01的判決電壓。判決電壓過高，將會導(dǎo)致正確的解調(diào)結(jié)果的丟失；判決電壓過低，將會導(dǎo)致解調(diào)結(jié)果中含有大量錯(cuò)碼，因此，只有合理選擇判決電壓，才能得到正確的解調(diào)結(jié)果。抽樣判決用的時(shí)鐘信號就是2ASK基帶信號的位同步信號，該信號從“ASK-BS”輸入，可以從信號源直接引入，也可以從同步信號恢復(fù)模塊引入。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(gè)帶通濾波器來濾除帶外的信道白噪聲并確保系統(tǒng)的頻率特性符合無碼間串?dāng)_的條件。本實(shí)驗(yàn)中為了簡化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在調(diào)制部分的輸出端沒有加帶通濾波器，并且假設(shè)信道是理想的，所以在解調(diào)部分的輸入端也沒有加帶通濾波器。1.將信號源模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、數(shù)字解調(diào)模塊、頻譜分析模塊、同步信號提取模小心地固定在主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。2.插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，再分別按下五個(gè)模塊中的開關(guān)POWER1、POWER2,對應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、D400、D401、DA00、DA01、L1、L2、D500、D501發(fā)光，按一下信號源模塊的復(fù)位鍵，四個(gè)模塊均開始工作。(注意，此處只是驗(yàn)證通電是否成功，在實(shí)驗(yàn)中均是先連線，后打開電源做實(shí)驗(yàn)，不要帶電連3.ASK調(diào)制與解調(diào)①將信號源模塊產(chǎn)生的碼速率為15.625KHz(分頻比：128)的NRZ碼“”和64KHz的正弦波(幅度為3V左右)分別送入數(shù)字調(diào)制模塊的信號輸入點(diǎn)"ASK基帶輸入"觀察信號輸出點(diǎn)"ASK-OUT"處的波形，并調(diào)節(jié)標(biāo)號為“ASK判決電壓調(diào)節(jié)”取模塊的信號輸入點(diǎn)“NRZ-IN”,再將同步信號提取模塊的信號輸出點(diǎn)“位同步輸出”輸出的波形送入數(shù)字解調(diào)模塊的信號輸入點(diǎn)“ASK-BS”,觀察信號輸③改變信號源產(chǎn)生的NRZ碼的設(shè)置，重復(fù)上述觀察。畫出碼速率為15.625KHz(分頻比：128)的NRZ碼“”用頻率為64KHz的正弦載波(幅度為3V左右)進(jìn)行2ASK調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)各關(guān)鍵點(diǎn)的波形及調(diào)制模塊"ASK基帶輸入”、"ASK調(diào)制輸出"這兩個(gè)信號的頻譜實(shí)驗(yàn)五增量調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊慌_比特率為10?~10?;一個(gè)簡單的△M系統(tǒng)組成如圖5-2所示。它由相減器、判決器、本地譯碼器、積分AM信號輸出脈沖發(fā)生器相減器脈沖發(fā)生器其工作過程如下：消息信號m(1)與來自積分器的信號m'(t)相減后得到量化誤差信號e(t)。如果在抽樣時(shí)刻e(t)>0,判決器(比較器)輸出則為“1”;反之e(t)<0碼器中積分輸出信號是一致的，因此m'(t)常下面，進(jìn)一步舉例闡述簡單增量調(diào)制的工作過程。設(shè)m(t)為單一的正弦波信號，頻率為1000Hz的模擬話音信號加入到發(fā)端編碼器的輸入端，如圖5-3所示。t圖5-3增量調(diào)制編碼輸出波形-1)少要達(dá)到30dB才能滿足通話的要求，然而，信號的幅度與信號量化噪聲比的變化有關(guān)，所由(5-2)式可知，任意幅值信號的信噪比與最大信噪比減小的分貝數(shù)，等于信號幅度如果，(S/Nq)max=25.8dB而信號在其所要求的動態(tài)范圍內(nèi)幅度下降2dB聲比為25.8dB-20dB=5.8dB,當(dāng)信號量化噪聲比為5.8dB時(shí)，已不能滿足保證話音質(zhì)量的ttt綜上所述，簡單增量調(diào)制電路在實(shí)際通信中沒有得到應(yīng)用是因?yàn)樗男盘柫炕肼暠刃?，主要是量化階距(量階)σ固定不變，即為均勻量化。對均勻量化而言，如果量階σ取則信號斜率較大的量化噪聲(又稱過載噪聲)就大。均勻量化無法使兩種噪聲同時(shí)減小，這控制電壓，經(jīng)過音節(jié)平滑，按音節(jié)速率(也就是語音音量的平均周期)去控制量化在各種音節(jié)壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制中，連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(CVSD)系統(tǒng)用得較多。在實(shí)ContinuouslyVariableSlopeDeltaMo第15端接上不同的電平(高電平或低電平)即可作發(fā)端的編碼器，也可作接收端的譯碼器。圖5-5為CVSD編碼器，解碼器的方框圖。t由圖5-5可知，與簡單增量調(diào)制相比，發(fā)端的編碼器在反饋回路中增加了自適應(yīng)控制電路，即音節(jié)壓擴(kuò)控制電路，它由三個(gè)部分組成：①斜率過載檢測電路：用來檢測過載狀態(tài)，它是由一個(gè)3比特移位寄存器構(gòu)成的輸出三連“1”碼或三連"0"碼，其電路由D觸發(fā)器作移位寄存器，電路輔有與門、或門。斜率過載檢測電路也稱為電平檢測電路。②斜率量值控制電路：用來轉(zhuǎn)換量化階距δ的大小。其電路由RC音節(jié)平滑濾波器、電壓電流轉(zhuǎn)換器和非線性網(wǎng)絡(luò)組成。輸出為負(fù)極性，其電路由脈沖幅度調(diào)制器和積分網(wǎng)絡(luò)組成。其電路的工作過程是這樣的：在輸入端，話音信號m(t)與話音信號m'(t)進(jìn)行比較，將其比較的結(jié)果e(t)值進(jìn)行判決，若e(t)≥0,則p(1)輸出“1”碼，若e(t)<0,則p(1)輸出為“0”碼，這同簡單增量調(diào)制器編碼方式是相同的。當(dāng)輸入話音信號m(t)中，連續(xù)出現(xiàn)上升沿或連續(xù)出現(xiàn)下降沿，或者說輸入信號中正斜率增大或負(fù)斜率增大，在編碼器的輸出端p(t)中將出現(xiàn)連續(xù)的“1”碼或“0”碼，這樣，如果不增加自適應(yīng)控制電路，則將會出現(xiàn)m'(t)無法跟蹤m(t)信號，而出現(xiàn)過載現(xiàn)象，如圖5-6所示。t若電路中增加自適應(yīng)控制電路，則當(dāng)p(t)中出現(xiàn)連續(xù)“1”碼或“0”碼時(shí)，斜率過載檢測電路則立即工作，當(dāng)p(1)出現(xiàn)連續(xù)的三個(gè)“1”變化的周期等于一個(gè)音節(jié)時(shí)間(約10ms),當(dāng)p(t)出現(xiàn)“1”碼增多時(shí)，斜率過載檢測器輸出的正脈沖數(shù)就相對增多，通過R對C的充電時(shí)間相對增長放電時(shí)間相對縮短，因此，直動態(tài)范圍。另外，斜率過載檢測電路內(nèi)部的p(1)輸出信號還接至斜率極性控制電路內(nèi)的脈幅調(diào)制器的輸入端，與來自斜率量值控制電路的輸出信號一起加到脈幅調(diào)制器的另一輸入為自適應(yīng)的變化，其量階值由自適應(yīng)邏輯控制。此時(shí)，當(dāng)檢測到三連"1"碼或者是三連"0"碼，則稱為3bit規(guī)則，若為四連"1"碼或者四個(gè)連“0”碼，則稱為4bit規(guī)則。也就是說，階δ是從輸出碼流中檢測的，因此，隨輸入信號正斜率增加，果負(fù)斜率增加，則連“0”碼增多，對CVSD而言，只要把包絡(luò)音節(jié)時(shí)間內(nèi)連"1”碼或連“0”碼的次數(shù)逐一檢測出來，經(jīng)過音節(jié)平滑，形成控制電壓，就能得到不同輸入信號斜率量階值，以致于再生信號m(t)能始終跟蹤話音信號m(t)的變化，也就是當(dāng)話音信號斜率小如圖5-7所示。t在前面曾經(jīng)提到過一個(gè)名詞叫"音節(jié)",其含義說明如下：我們在前面也講到話音信號m(t),其實(shí)它是一種緩慢變化的信號，在話音信號中包含了多種頻率成分，話音信號的幅度也是隨機(jī)變化的。如果用話音頻譜儀觀Hz為100Hz(即周期為10ms),稱為包絡(luò)音節(jié)。包絡(luò)音節(jié)遠(yuǎn)小于單字音節(jié)，所謂單字音節(jié)是語言中按元音來劃分的音節(jié)。表5-1是幾種語言單字音節(jié)統(tǒng)計(jì)值。從表5-1中可清楚看出漢語的單字音節(jié)為125ms,而漢語的包絡(luò)音節(jié)約為10ms左右。6個(gè)秒需要進(jìn)一步說明的是，話音信號大約需要150～250ms左右的時(shí)間才能被人耳感覺到。從表5-1來看，這大約是一個(gè)單字音節(jié)的數(shù)量級，從實(shí)際實(shí)驗(yàn)試聽在接收端，在CVSD解碼器的方框圖中，也同樣增加了自適應(yīng)控制裝置，其作用同發(fā)MC系列的數(shù)字信號壓擴(kuò)△M單片集成電路主要性能介紹見表5-2。從表5MC系列的數(shù)字壓擴(kuò)△M單片集成電路的組成部分和功能基TTL兼容的集成電路制造工藝所制作而成的。它們的主要區(qū)別是數(shù)字檢測算法不同和溫度電源電壓范圍同左同左同左電源電流(理想通道)當(dāng)Vcc=5V時(shí)當(dāng)Vcc=15V典型同左同左同左典型時(shí)鐘速率次取樣/秒檢測規(guī)則同左四連“1”碼四連“0”碼同左三連“1”碼三連“0”碼增益控制電流范圍同左同左同左0.002～3.0范圍(pins1和2)4.75V≤Vcc≤16.5V同左同左同左同左一致脈沖輸出同左同左同左同左V同左同左同左同左電壓(Pin3)同左同左同左同左工作溫度范圍T55～+125℃本實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的電路采用三連“0"、三連“1”壓擴(kuò)檢測算法的器，其核心部分是MC34115大規(guī)模集成電路，其引腳功能如下：輸入音頻模擬信號經(jīng)過直流分量轉(zhuǎn)換為參考電壓，則應(yīng)該在該端與第10引譯碼方式時(shí)，該端不用，可接到第10引腳(Vcc/2端),也可以接地或懸空。當(dāng)從第11引腳COIN(一致脈沖輸入端)端輸出的負(fù)極性一致脈沖經(jīng)過音節(jié)平滑濾波器，由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成(在實(shí)驗(yàn)電路中由R314(47K)、R315(10K)與C306(0.22uF)組成)平滑后得到的量階控制電壓輸入到第3引腳至內(nèi)部V-I變化運(yùn)算放大器內(nèi)，控制積分器量階的大小。在進(jìn)行音頻信號的典型時(shí)間常數(shù)為6～50ms。阻Vcc/2相連。在實(shí)驗(yàn)電路中視實(shí)際情況，可接入偏置電阻T(10K)。碼時(shí)，如果1腳即音頻模擬信號輸入端的輸入信號幅度大于第2腳，即大于分輸出到該引腳。在解碼時(shí)，13引腳輸入數(shù)據(jù)為“該端為積分運(yùn)算放大器輸出端。它根據(jù)13引腳DDI(接收數(shù)據(jù)輸入端)輸運(yùn)算放大器的直流工作點(diǎn)，輸出電流至少為10mA。使用時(shí)一般接旁端應(yīng)與Vcc/2端(即第11腳)相連；當(dāng)芯片需要與TTL電路接口時(shí)，該端器進(jìn)行比較。在時(shí)鐘下降沿前后，該端的輸入數(shù)us芯片內(nèi)的移位寄存器工作。該輸入時(shí)鐘信號最小脈沖寬度為300ns,最小負(fù)音頻模擬信號由“S-IN”點(diǎn)輸入，經(jīng)過耦合電容E304至MC34115的模擬信號輸入端腳。U301(MC34115)的第15腳接高電平，使其工作在編碼方式。此時(shí)芯片內(nèi)的模擬輸入運(yùn)算放大器與移位寄存器接通，從1腳(ANI)輸入的音頻模擬信號與2腳(ANF)輸入的本地解碼信號相減并放大得到誤差信號，然后根據(jù)該信號的極性編成數(shù)字信碼，從第9腳 (DOT)輸出；該信碼在芯片內(nèi)經(jīng)過三級或四級移位寄存器及檢測電路，檢測過去的3位“0”碼時(shí)，表明積分運(yùn)算放大器增益過小，檢測邏輯電路從第11腳(COIN端)輸出負(fù)極性一致脈沖，經(jīng)過外接平滑濾波器后得到量階控制電壓加到3腳(SYL端，由內(nèi)部電路決定),GCC端電壓與SYL端相同，這就相當(dāng)于量階控制電壓加到GCC端，該端外接調(diào)節(jié)電位器W302,調(diào)節(jié)W302即可改變GCC端的輸入電流，以此控制積分量階的大小，從而改變環(huán)路增益，展寬動態(tài)范圍。第4腳(GCC)的輸入電流經(jīng)電壓/電流變換運(yùn)算放大器，再1.5mv,所以量階可選擇為3mv。當(dāng)本地積分時(shí)間常數(shù)為1ms時(shí)，最小積分電流取10μA,由發(fā)送端送來的編碼數(shù)字信號送到U302(MC34115)芯片的第13腳，即接收數(shù)據(jù)輸入端。因?yàn)樵撔酒ぷ髟谧g碼狀態(tài)，故第15腳應(yīng)為低電平，使模擬輸入運(yùn)算放大器與移位寄回第2腳(ANF),而是直接送入后面的積分網(wǎng)絡(luò)中，最后得到解調(diào)信號。POWER2、S2、S3,對應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、D200、D201、LED600、此處只是驗(yàn)證通電是否成功，在實(shí)驗(yàn)中均是先連線，后打開電3.將信號源模塊產(chǎn)生的頻率為2KHz、峰-峰值為1V左右的正弦波從信號輸入點(diǎn)"S-IN"輸入模擬信號數(shù)字化模塊，將信號源模塊中的信號輸出點(diǎn)“64K”與模擬信號數(shù)字化模塊中的信號輸入點(diǎn)“64K”連接，調(diào)節(jié)標(biāo)號為“編碼量階”的電位器，觀察“本地譯碼”、“一次積分”、“一致脈沖”、“△M調(diào)制輸出”各點(diǎn)輸出的波形。調(diào)節(jié)標(biāo)號為“譯碼量階”、“譯碼幅度”的電位器，觀察“△M解調(diào)輸出”點(diǎn)輸出的波形。4.改變輸入正弦信號的頻率和幅度或改變工作時(shí)鐘的頻率(即改變信號輸入點(diǎn)“64K”輸入信號的頻率),重復(fù)觀察上述各點(diǎn)波形。5.電位器功能說明編碼量階：可調(diào)節(jié)△M調(diào)制量階的大小。量階越大，編碼波形中0、1變化越少。(順時(shí)針旋轉(zhuǎn)量階變小)譯碼量階：功能同編碼量階。(順時(shí)針旋轉(zhuǎn)量階變小)譯碼幅度：調(diào)節(jié)△M譯碼輸出波形的幅度。1.輸入點(diǎn)參考說明S-IN:模擬信號輸入點(diǎn)(基帶信號)。64K:64k方波輸入點(diǎn)(編、解碼時(shí)鐘)。2.輸出點(diǎn)參考說明本地譯碼：本地譯碼信號輸出點(diǎn)(因?yàn)槭菍﹄S機(jī)信號進(jìn)行編碼，所以用模擬示波器無法同步該點(diǎn)信號，必須用數(shù)字存儲示波器才能清楚觀察到該點(diǎn)波形)。一次積分：一次積分信號輸出點(diǎn)(因?yàn)槭菍﹄S機(jī)信號進(jìn)行編碼，所以用模擬示波器無法同步該點(diǎn)信號，必須用數(shù)字存儲示波器才能清楚觀察到該點(diǎn)波形)。一致脈沖：一致脈沖輸出點(diǎn)(因?yàn)槭菍﹄S機(jī)信號進(jìn)行編碼，所以用模擬示波器無法同步該點(diǎn)信號，必須用數(shù)字存儲示波器才能清楚觀察到該點(diǎn)波形)?！鱉調(diào)制輸出：增量調(diào)制信號輸出點(diǎn)(因?yàn)槭菍﹄S機(jī)信號進(jìn)行編碼，所以用模擬示波器無法同步該點(diǎn)信號，必須用數(shù)字存儲示波器才能清楚觀察到該點(diǎn)波△M解調(diào)輸出：增量調(diào)制解調(diào)信號輸出點(diǎn)。1.在系統(tǒng)能夠正常編碼、譯碼的情況下，保持編碼速率f,不變，提高基帶信號的頻率fm及其峰峰值V-p,有可能發(fā)生什么情況，為什么?2.在系統(tǒng)能夠正常編碼、譯碼的情況下，保持基帶信號的頻率fm及其峰峰值V,-,不變，降低編碼速率fs,又有可能發(fā)生什么情況，為什么?根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試記錄，在坐標(biāo)紙上畫出各關(guān)鍵測量點(diǎn)的波形圖，并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。(注意對應(yīng)相位關(guān)系，標(biāo)明觀測點(diǎn)信號的幅度、周期/頻率)實(shí)驗(yàn)六帶糾檢錯(cuò)編碼的數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖謧鬏斚到y(tǒng)的一種簡單的編碼信道模型如圖18-1所示。這個(gè)模型之所以是"簡單的",因?yàn)槿绻覀儗σ徽龖B(tài)分布白噪聲取樣，若取樣值為正，記為“+”,若取樣值為負(fù)，記為"一",則將每次取樣所得極性排成序列，可以寫成：①列中“+”和“一”的出現(xiàn)概率相等。②序列中長度為1的游程約占1/2;長度為2的游程約占1/4;長度為3的游程約占1/8;…。一般說來，長度為k的游程約占1/2*;而且在長度為k的游程中，“+”2.信道噪聲的偽隨機(jī)噪聲都是由數(shù)字電路產(chǎn)生的周期序列(經(jīng)濾波等處理后)得到的。我們把這種周期由線性反饋移存器產(chǎn)生出的周期最長的二進(jìn)制數(shù)字序列稱為最大長度線性反饋移存器序列，通常簡稱為m序列。由于m序列的均衡性、游程分布、自相關(guān)特性和功率譜與上述×45%赫茲的頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為它具有均勻的功率譜密度。所以，可以用m序列的這都有較好的重復(fù)性。將m序列進(jìn)行濾波，就可取得上述功率譜均勻的部分作為輸出。那么，為了糾正一位錯(cuò)碼，在分組碼中最少要增加多少監(jiān)督位才行高呢?從這種思想出發(fā)進(jìn)行研究，便導(dǎo)致漢明碼的誕生。漢明碼是一種能夠糾正一一般說來，若碼長為n,信息位數(shù)為k,則監(jiān)督位數(shù)r=n-k。如果希望用r個(gè)監(jiān)督位構(gòu)造出r個(gè)監(jiān)督關(guān)系式來指示一位錯(cuò)碼的n種可能位置，則要求設(shè)分組碼(n,k)中k=4,為了糾正一位錯(cuò)碼，由式(18-1)可知，要求監(jiān)督位數(shù)r≥3。若取r=3,則n=k+r=7。我們用α6as…ao表示這7個(gè)碼元，用S?、S?、S?表示三個(gè)監(jiān)督關(guān)系式中的校正子，則S?S?S?的值與錯(cuò)碼位置的對應(yīng)關(guān)系可以規(guī)定如表18-1所列。表6-1Si為0。這就意味著α2、α4、as和a?四個(gè)碼元構(gòu)成偶數(shù)