數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)一

1、中南大學(xué)數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)老師 宋虹 學(xué)生姓名 * 學(xué)號(hào) * 專業(yè)班級(jí) * 目 錄實(shí) 驗(yàn) 一 -2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?-2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 -2 基本原理 -2 實(shí)驗(yàn)步驟 -9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 -11實(shí)驗(yàn)一 數(shù)字基帶信號(hào)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解單極性碼、雙極性碼、歸零碼、不歸零碼等基帶信號(hào)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(hào)中提取位同步信號(hào)的方法。 4、掌握集中插入幀同步碼時(shí)分復(fù)用信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。5、了解HDB3（AMI）編譯碼集成電路CD22103。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、用示波器觀察單極性非歸零碼（NRZ）、傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）、三階高密度雙極性碼（HDB3）、

2、整流后的AMI碼及整流后的HDB3碼。 2、用示波器觀察從HDB3碼中和從AMI碼中提取位同步信號(hào)的電路中有關(guān)波形。3、用示波器觀察HDB3、AMI譯碼輸出波形。三、 基本原理 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源模塊和HDB3編譯碼模塊。 1、數(shù)字信源 本模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內(nèi)部只使用+5V電壓，其原理方框圖如圖1-1所示，電原理圖如圖1-3所示（見(jiàn)附錄）。本單元產(chǎn)生NRZ信號(hào)，信號(hào)碼速率約為170.5KB，幀結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。幀長(zhǎng)為24位，其中首位無(wú)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(hào)，每路8位。此NRZ信號(hào)為集中插入幀同步碼時(shí)分復(fù)用信號(hào)，實(shí)驗(yàn)電

3、路中數(shù)據(jù)碼用紅色發(fā)光二極管指示，幀同步碼及無(wú)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。 本模塊有以下測(cè)試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： CLK晶振信號(hào)測(cè)試點(diǎn) BS-OUT信源位同步信號(hào)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn)（2個(gè)） FS信源幀同步信號(hào)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn) NRZ-OUT(AK)NRZ信號(hào)(絕對(duì)碼)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn)（4個(gè)） 圖1-1中各單元與電路板上元器件對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 晶振CRY：晶體；U1：反相器7404 分頻器U2：計(jì)數(shù)器74161；U3：計(jì)數(shù)器74193；U4：計(jì)數(shù)器40160 并行碼產(chǎn)生器K1、K2、K3：8位手動(dòng)開(kāi)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(duì)應(yīng)；發(fā)光二極管：左起分別與

4、一幀中的24位代碼相對(duì)應(yīng) 八選一U5、U6、U7：8位數(shù)據(jù)選擇器4512 三選一U8：8位數(shù)據(jù)選擇器4512 倒相器U20：非門74HC04 抽樣U9：D觸發(fā)器74HC74圖1-1 數(shù)字信源方框圖圖1-2 幀結(jié)構(gòu)下面對(duì)分頻器，八選一及三選一等單元作進(jìn)一步說(shuō)明。 （1）分頻器 74161進(jìn)行13分頻，輸出信號(hào)頻率為341kHz。74161是一個(gè)4位二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，預(yù)置在3狀態(tài)。 74193完成2、4、8、16運(yùn)算，輸出BS、S1、S2、S3等4個(gè)信號(hào)。BS為位同步信號(hào)，頻率為170.5kHz。S1、S2、S3為3個(gè)選通信號(hào)，頻率分別為BS信號(hào)頻率的1/2、1/4和1/8。74193是一個(gè)4位二進(jìn)

5、制加/減計(jì)數(shù)器，當(dāng)CPD= PL =1、MR=0時(shí)，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分別輸出上述4個(gè)信號(hào)。 40160是一個(gè)二一十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，預(yù)置在7狀態(tài)，完成3運(yùn)算，在Q0和Q1端分別輸出選通信號(hào)S4、S5，這兩個(gè)信號(hào)的頻率相等、等于S3信號(hào)頻率的1/3。 分頻器輸出的S1、S2、S3、S4、S5等5個(gè)信號(hào)的波形如圖1-4（a）和1-4（b）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(kāi)關(guān)、地址譯碼器和三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，其真值表如表1-1所示。U5、U6和U7的地址信號(hào)輸入端A、B、C并連在一起并分別接S1、S2、S3信號(hào)，它們的8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端x0 x7分別K1、K2、

6、K3輸出的8個(gè)并行信號(hào)連接。由表1-1可以分析出U5、U6、U7輸出信號(hào)都是碼速率為170.5KB、以8位為周期的串行信號(hào)。（3）三選一 三選一電路原理同八選一電路原理。S4、S5信號(hào)分別輸入到U8的地址端A和B，U5、U6、U7輸出的3路串行信號(hào)分別輸入到U8的數(shù)據(jù)端x3、x0、x1，U8的輸出端即是一個(gè)碼速率為170.5KB的2路時(shí)分復(fù)用信號(hào)，此信號(hào)為單極性不歸零信號(hào)（NRZ）。圖1-4 分頻器輸出信號(hào)波形 （4）倒相與抽樣 圖1-1中的NRZ信號(hào)的脈沖上升沿或下降沿比BS信號(hào)的下降沿稍有點(diǎn)遲后。在實(shí)驗(yàn)二的數(shù)字調(diào)制單元中，有一個(gè)將絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼的電路，要求輸入的絕對(duì)碼信號(hào)的上升沿及下降沿

7、與輸入的位同步信號(hào)的上升沿對(duì)齊，而這兩個(gè)信號(hào)由數(shù)字信源提供。倒相與抽樣電路就是為了滿足這一要求而設(shè)計(jì)的，它們使NRZ-OUT及BS-OUT信號(hào)滿足碼變換電路的要求。表1-1 4512真值表CBAINHDISZ00000x000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻 FS信號(hào)可用作示波器的外同步信號(hào)，以便觀察2DPSK等信號(hào)。FS信號(hào)、NRZ-OUT信號(hào)之間的相位關(guān)系如圖1-5所示，圖中NRZ-OUT的無(wú)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(hào)的低電平、高電平分別為4位和

8、8位數(shù)字信號(hào)時(shí)間，其上升沿比NRZ-OUT碼第一位起始時(shí)間超前一個(gè)碼元。圖1-5 FS、NRZ-OUT波形 2. HDB3編譯碼 原理框圖如圖1-6所示。本模塊內(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。 本單元有以下信號(hào)測(cè)試點(diǎn)： NRZ譯碼器輸出信號(hào) BS-R鎖相環(huán)輸出的位同步信號(hào) （AMI）HDB3編碼器輸出信號(hào) BPF帶通濾波器輸出信號(hào) DET （AMI）HDB3整流輸出信號(hào)圖1-6 HDB3編譯碼方框圖本模塊上的開(kāi)關(guān)K4用于選擇碼型，K4位于左邊A（AMI端）選擇AMI碼，位于右邊H（HDB3端）選擇HDB3碼。 圖1-6中各單元與電路板上元器

9、件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： HDB3編譯碼器U10：HDB3編譯碼集成電路CD22103A 單/雙極性變換器U11：模擬開(kāi)關(guān)4052 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信源部分的分頻器、三選一、倒相器、抽樣以及(AMI)HDB3編譯碼專用集成芯片CD22103等電路的功能可以用一片EPLD（EPM7064）芯片完成，說(shuō)明見(jiàn)附錄四。 下面簡(jiǎn)單介紹AMI、HDB3碼編碼規(guī)律。 AMI碼的編碼規(guī)律是：信息代碼1變?yōu)閹в蟹?hào)的1碼即+1或-1，1的符號(hào)交替反

10、轉(zhuǎn)；信息代碼0的為0碼。AMI碼對(duì)應(yīng)的波形是占空比為0.5的雙極性歸零碼，即脈沖寬度與碼元寬度（碼元周期、碼元間隔）TS的關(guān)系是=0.5TS。HDB3碼的編碼規(guī)律是：4個(gè)連0信息碼用取代節(jié)000V或B00V代替，當(dāng)兩個(gè)相鄰V碼中間有奇數(shù)個(gè)信息1碼時(shí)取代節(jié)為000V，有偶數(shù)個(gè)信息1碼（包括0個(gè)信息1碼）時(shí)取代節(jié)為B00V，其它的信息0碼仍為0碼；信息碼的1碼變?yōu)閹в蟹?hào)的1碼即+1或-1；HDB3碼中1、B的符號(hào)符合交替反轉(zhuǎn)原則，而V的符號(hào)破壞這種符號(hào)交替反轉(zhuǎn)原則，但相鄰V碼的符號(hào)又是交替反轉(zhuǎn)的；HDB3碼是占空比為0.5的雙極性歸零碼。 設(shè)信息碼為0000 0110 0001 0000 0，則

11、NRZ碼、AMI碼，HDB3碼如圖1-8所示。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，等于位同步信號(hào)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(shí)必須提供位同步信號(hào)。工程上，一般將AMI或HDB3碼數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整流處理，得到占空比為0.5的單極性歸零碼（RZ|=0.5TS）。這種信號(hào)的功率譜也在圖1-9中給出。由于整流后的AMI、HDB3碼中含有離散譜fS ，故可用一個(gè)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(hào)。圖1-8 NRZ、AMI、HDB3關(guān)系圖圖1-9 AMI、HDB3、

12、RZ|=0.5TS頻譜 可以用CD22103集成電路進(jìn)行AMI或HDB3編譯碼。當(dāng)它的第3腳（HDB3/ AMI）接+5V時(shí)為HDB3編譯碼器，接地時(shí)為AMI編譯碼器。編碼時(shí)，需輸入NRZ碼及位同步信號(hào)，它們來(lái)自數(shù)字信源單元，已在電路板上連好。CD22103編碼輸出兩路并行信號(hào)+H-OUT和-H-OUT，它們都是半占空比的正脈沖信號(hào)，分別與AMI或HDB3碼的正極性信號(hào)及負(fù)極性信號(hào)相對(duì)應(yīng)。這兩路信號(hào)經(jīng)單/雙極性變換后得到AMI碼或HDB3。 雙/單極性變換及相加器構(gòu)成一個(gè)整流器。整流后的DET信號(hào)含有位同步信號(hào)頻率離散譜。本單元中帶通濾波器實(shí)際是一個(gè)正反饋放大器。當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，它工作在自激狀

13、態(tài)；而輸入信號(hào)將放大器的自激信號(hào)頻率向碼速率方向牽引。它的輸出BPF是一個(gè)幅度和周期都不恒定的準(zhǔn)周期信號(hào)。對(duì)此信號(hào)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(hào)，但仍不能將此信號(hào)作為譯碼器的位同步信號(hào)，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(shí)，對(duì)輸入的電壓信號(hào)可等效為窄帶帶通濾波器（關(guān)于鎖相環(huán)的基本原理將在實(shí)驗(yàn)三中介紹）。本單元中采用電荷泵鎖相環(huán)構(gòu)成一個(gè)Q值約為35的的窄帶帶通濾波器，它可以輸出一個(gè)符合譯碼器要求的位同步信號(hào)BS-R。 譯碼時(shí)，需將AMI或HDB3碼變換成兩路單極性信號(hào)分別送到CD22103的第11、第13腳，此任務(wù)由雙/單變換電路來(lái)完成。 當(dāng)信息代碼連0個(gè)數(shù)太多時(shí)，

14、從AMI碼中較難于提取穩(wěn)定的位同步信號(hào)，而HDB3中連0個(gè)數(shù)最多為3，這對(duì)提取高質(zhì)量的位同信號(hào)是有利的。這也是HDB3碼優(yōu)于AMI碼之處。HDB3碼及經(jīng)過(guò)隨機(jī)化處理的AMI碼常被用在PCM一、二、三次群的接口設(shè)備中。在實(shí)用的HDB3編譯碼電路中，發(fā)端的單/雙極性變換器一般由變壓器完成；收端的雙/單極性變換電路一般由變壓器、自動(dòng)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(duì)極性變換電路作了簡(jiǎn)化處理，不一定符合實(shí)用要求。 CD22103的引腳及內(nèi)部框圖如圖1-10所示，詳細(xì)說(shuō)明如下：圖1-10 CD22103的引腳及內(nèi)部框圖（1）NRZ-IN編碼器NRZ信號(hào)輸入端

15、；（2）CTX編碼時(shí)鐘（位同步信號(hào)）輸入端；（3）HDB3/ AMI碼型選擇端：接TTL高電平時(shí)，選擇HDB3碼；接TTL低電平時(shí)，選擇AMI碼；（4）NRZ-OUTHDB3譯碼后信碼輸出端；（5）CRX譯碼時(shí)鐘（位同步信號(hào)）輸入端；（6）RAIS告警指示信號(hào)（AIS）檢測(cè)電路復(fù)位端，負(fù)脈沖有效；（7）AISAIS信號(hào)輸出端，有AIS信號(hào)為高電平，無(wú)ALS信號(hào)時(shí)為低電平；（8）VSS接地端；（9）ERR不符合HDB3/AMI編碼規(guī)則的誤碼脈沖輸出端；（10）CKRHDB3碼的匯總輸出端；（11）+HDB3-INHDB3譯碼器正碼輸入端；（12）LTFHDB3譯碼內(nèi)部環(huán)回控制端，接高電平時(shí)為環(huán)回

16、，接低電平時(shí)為正常；（13）-HDB3-INHDB3譯碼器負(fù)碼輸入端；（14）-HDB3-OUTHDB3編碼器負(fù)碼輸出端；（15）+HDB3-OUTHDB3編碼器正碼輸出端；（16）VDD 接電源端（+5V） CD22103主要由發(fā)送編碼和接收譯碼兩部分組成，工作速率為50Kb/s10Mb/s。兩部分功能簡(jiǎn)述如下。 發(fā)送部分： 當(dāng)HDB3/ AMI 端接高電平時(shí)，編碼電路在編碼時(shí)鐘CTX下降沿的作用下，將NRZ碼編成HDB3碼（+HDB3-OUT、-HDB3-OUT兩路輸出）；接低電平時(shí)，編成AMI碼。編碼輸出比輸入碼延遲4個(gè)時(shí)鐘周期。 接收部分： （1）在譯碼時(shí)鐘CRX的上升沿作用下，將HD

17、B3碼（或AMI碼）譯成NRZ碼。譯碼輸出比輸入碼延遲4個(gè)時(shí)鐘周期。 （2）HDB3碼經(jīng)邏輯組合后從CKR端輸出，供時(shí)鐘提取等外部電路使用； （3）可在不斷業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè)，檢測(cè)出的誤碼脈沖從ERR端輸出，其脈寬等于收時(shí)鐘的一個(gè)周期，可用此進(jìn)行誤碼計(jì)數(shù)。 （4）可檢測(cè)出所接收的AIS碼，檢測(cè)周期由外部RAIS決定。據(jù)CCITT規(guī)定，在RAIS信號(hào)的一個(gè)周期（500s）內(nèi)，若接收信號(hào)中“0”碼個(gè)數(shù)少于3，則AIS端輸出高電平，使系統(tǒng)告警電路輸出相應(yīng)的告警信號(hào)，若接收信號(hào)中“0”碼個(gè)數(shù)不少于3，AIS端輸出低電平，表示接收信號(hào)正常。（5）具有環(huán)回功能四、 實(shí)驗(yàn)步驟 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源單元和

18、HDB3編譯碼單元。1、 熟悉數(shù)字信源單元和HDB3編譯碼單元的工作原理。接好電源線，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。2、 用示波器觀察數(shù)字信源單元上的各種信號(hào)波形。 用信源單元的FS作為示波器的外同步信號(hào)，示波器探頭的地端接在實(shí)驗(yàn)板任何位置的GND點(diǎn)均可，進(jìn)行下列觀察： （1）示波器的兩個(gè)通道探頭分別接信源單元的NRZ-OUT和BS-OUT，對(duì)照發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，判斷數(shù)字信源單元是否已正常工作（1碼對(duì)應(yīng)的發(fā)光管亮，0碼對(duì)應(yīng)的發(fā)光管熄）； （2）用開(kāi)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，觀察本實(shí)驗(yàn)給定的集中插入幀同步碼時(shí)分復(fù)用信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，和NR

19、Z碼特點(diǎn)。3、 用示波器觀察HDB3編譯單元的各種波形。仍用信源單元的FS信號(hào)作為示波器的外同步信號(hào)。（1） 示波器的兩個(gè)探頭CH1和CH2分別接信源單元的NRZ-OUT和HDB3單元的AMI-HDB3，將信源單元的K1、K2、K3每一位都置1，觀察全1碼對(duì)應(yīng)的AMI碼（開(kāi)關(guān)K4置于左方AMI端）波形和HDB3碼（開(kāi)關(guān)K4置于右方HDB3端）波形。再將K1、K2、K3置為全0，觀察全0碼對(duì)應(yīng)的AMI碼和HDB3碼。觀察時(shí)應(yīng)注意AMI、HDB3碼的碼元都是占空比為0.5的雙極性歸零矩形脈沖。編碼輸出AMI-HDB3比信源輸入NRZ-OUT延遲了4個(gè)碼元。（2）將K1、K2、K3置于0111 00

20、10 0000 1100 0010 0000態(tài)，觀察并記錄對(duì)應(yīng)的AMI碼和HDB3碼。（3）將K1、K2、K3置于任意狀態(tài)，K4先置左方（AMI）端再置右方（HDB3）端，CH1接信源單元的NRZ-OUT，CH2依次接HDB3單元的DET、BPF、BS-R和NRZ ，觀察這些信號(hào)波形。觀察時(shí)應(yīng)注意： HDB3單元的NRZ信號(hào)（譯碼輸出）滯后于信源模塊的NRZ-OUT信號(hào)（編碼輸入）8個(gè)碼元。 DET是占空比等于0.5的單極性歸零碼。 BPF信號(hào)是一個(gè)幅度和周期都不恒定的準(zhǔn)正弦信號(hào)，BS-R是一個(gè)周期基本恒定（等于一個(gè)碼元周期）的TTL電平信號(hào)。 信源代碼連0個(gè)數(shù)越多，越難于從AMI碼中提取位同

21、步信號(hào)（或者說(shuō)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(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)中若24位信源代碼中連零很多時(shí)，則難以從AMI碼中得到一個(gè)符合要求的穩(wěn)定的位同步信號(hào)，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)系統(tǒng)的現(xiàn)象可能略有不同。一般將信源代碼置成只有1個(gè)“1”碼的狀態(tài)來(lái)觀察譯碼輸出）。若24位信源代碼全為“0”碼，則更不可能從AMI信號(hào)（亦是全0信號(hào)）得到正確的位同步信號(hào)。（示波器有問(wèn)題）五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察和紀(jì)錄回答：（1）不歸零碼和歸零碼的特點(diǎn)是什么？（1）不歸零碼和歸零碼的特點(diǎn)是什么？ 答：不歸零碼特點(diǎn)：脈沖寬度等于碼元寬度Ts歸零碼特點(diǎn)：Ts（2）與信源代碼中的“1”碼相對(duì)應(yīng)的AMI碼及HDB3碼是否一定相同？為什么？答：與信源代碼中的“1”碼對(duì)應(yīng)的AMI碼及HDB3碼不一定相同。因信源代碼中的“1”碼對(duì)應(yīng)的AMI碼“1”、“-1”相間出現(xiàn)，而HDB3碼中的“1”