數(shù)據(jù)通信原理實驗指導(dǎo)書(網(wǎng)絡(luò)工程使用)

1、佛 山 科 學(xué) 技 術(shù) 學(xué) 院數(shù) 據(jù) 通 信 原 理 實 驗 指 導(dǎo) 書李 萍 編機電與信息工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程系二0一一年三月前 言現(xiàn)代通信包括傳輸、復(fù)用、交換、網(wǎng)絡(luò)等四大技術(shù)。通信原理課程主要介紹傳輸及復(fù)用技術(shù)。本實驗系統(tǒng)涵蓋了數(shù)字頻帶傳輸?shù)闹饕獌?nèi)容及時分復(fù)用技術(shù),其設(shè)計思路是如下圖所示的兩路PCM/2DPSK數(shù)字電話系統(tǒng)。FSTA BSSLAPCM-APCMAKSTB BSSLBPCM-BBSBKcoswct PCM編碼 PCM編碼 同 步 復(fù) 接碼變換2PSK調(diào)制發(fā)濾波器信道coswctBKAKPCM 收濾波器載波同步低通位同步抽樣判決碼反變換CPCPFSF1F2F1CPCPSRASRB

2、幀同步 PCM譯碼 PCM譯碼aabb信道編碼信道譯碼AK延遲AK圖中STA、STB分別為發(fā)端的兩路模擬話音信號，BS為時鐘信號，SLA、SLB為抽樣信號，F(xiàn)為幀同步碼，AK為絕對碼，BK為相對碼。在收端CP為位同步信號，F(xiàn)S為幀同步信號，F(xiàn)1、F2為兩個路同步信號，SRA、SRB為兩個PCM譯碼器輸出的模擬話音信號。圖中發(fā)濾波器用來限制進入信道的信號帶寬，提高信道的頻帶利用率。收濾波器用來濾除帶外噪聲并與發(fā)濾波器、信道相配合滿足無碼間串?dāng)_條件。由于系統(tǒng)的頻率特性、碼速率與碼間串?dāng)_之間的關(guān)系比較適合于軟件仿真實驗，再考慮到收端有關(guān)信號波形的可觀測性，我們在本實驗系統(tǒng)中省略了發(fā)濾波器、信道及收濾

3、波器，而直接將2PSK調(diào)制器輸出信號連接到載波提取單元和相干解調(diào)單元。信道編譯碼實驗也比較易于用軟件仿真，所以本系統(tǒng)設(shè)計中也不考慮。對普通語音信號進行編碼而產(chǎn)生的PCM信號是隨機信號，不適于用示波器觀察信號傳輸過程中的變化。所以我們用24比特為一幀的周期信號取代實際的數(shù)字語音信號作為發(fā)端的AK信號，該周期信號由兩路數(shù)據(jù)（每路8比特）和7比特幀同步碼以及一未定義比特復(fù)接而成。在收端對兩路數(shù)據(jù)進行分接，形成兩路并行碼和兩路串行碼，發(fā)端的24比特信號可根據(jù)實驗需要任意設(shè)置。由兩路實際的話音信號(或兩路正弦信號)形成的PCM時分復(fù)用信號則不再經(jīng)過調(diào)制、解調(diào)而直接送給PCM譯碼器，實驗者可以觀察到PCM

4、話音（或正弦信號）波形、量化噪聲、過載噪聲，從而理解PCM編譯碼原理。HDB3碼及AMI碼是基帶傳輸中的重要碼型，其編碼規(guī)律、位同步提取原理是課堂教學(xué)中的重點和難點，因此也是本實驗系統(tǒng)重點考慮的內(nèi)容。TX-3型通信原理教學(xué)實驗系統(tǒng)由下面十二個單元構(gòu)成。 1. 數(shù)字信源單元 該單元產(chǎn)生碼速率約為170.5KB的單極性不歸零碼（NRZ碼），數(shù)字信號幀長為24bit，其中包括兩路數(shù)字信息，每路8bit，另外8bit中的7bit為集中插入幀同步碼，1bit無定義。2. HDB3編譯碼單元本單元用CD22103芯片完成HDB3或AMI碼的編譯碼，用帶通濾波器及電荷泵鎖相環(huán)提取位同步信號。信源部分的分頻器

5、、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完成，具體見附錄四。3. 數(shù)字調(diào)制單元該單元將NRZ碼對頻率約為2.216MHZ的正弦載波進行調(diào)制，產(chǎn)生2DPSK及2ASK信號。將NRZ碼對2.216MHZ及1.608MHZ的正弦信號進行調(diào)制產(chǎn)生2FSK信號。4. 載波同步單元該單元采用平方環(huán)從2DPSK信號中提取相干載波。5. 2DPSK解調(diào)單元該單元采用相干解調(diào)方法解調(diào)2DPSK信號。6. 2FSK解調(diào)單元該單元采用過零檢測方法解調(diào)2FSK信號。7. 位同步單元該單元用全數(shù)字鎖相環(huán)從信源的NRZ信號中或從2DPSK解調(diào)單元（或2FS

6、K解調(diào)單元）的比較器輸出信號中提取位同步信號。8. 幀同步單元該單元從信源的NRZ信號或從2DPSK解調(diào)單元（或2FSK解調(diào)單元）解調(diào)輸出的NRZ信號中提取幀同步信號。9. 數(shù)字終端單元該單元輸入NRZ信號、位同步信號、幀同步信號，在位同步及幀同步信號控制下，將兩路數(shù)字信息從時分復(fù)用NRZ信號分接出來，并用發(fā)光二極管顯示。10. PCM編譯碼單元本單元采用TP3057芯片對兩路模擬音頻信號進行PCM編碼和譯碼。時分復(fù)用PCM信號碼速率為2.048MB，幀結(jié)構(gòu)類似于PCM基群信號，但只傳輸兩路數(shù)字音頻信號，其中一路信號放在第2個時隙，另一路可放在第1、2、5、7任何一個時隙內(nèi)，第0個時隙中有7位

7、幀同步碼，其余29個時隙為全0碼。11. 兩人通話單元該單元包含音頻放大和衰減電路，與PCM編譯碼單元連接可進行兩人時分復(fù)用通話實驗。12. 計算機串行通信單元該單元提供了一個89C51單片機電路和一個RS232串行通信口，此單元獨立于其他單元，可進行PC機與該單片機之間的串行通信實驗，。用上述前8個單元可構(gòu)成一個理想信道2DPSK或者2FSK通信系統(tǒng)，用1、6、7、8單元可構(gòu)成一個理想信道數(shù)字基帶通信系統(tǒng)。利用TX-3型實驗設(shè)備，可開設(shè)數(shù)字基帶信號、數(shù)字調(diào)制、模擬鎖相環(huán)與載波同步、數(shù)字解調(diào)、數(shù)字鎖相環(huán)與位同步、幀同步、時分復(fù)用數(shù)字基帶通信系統(tǒng)、時分復(fù)用2DPSK/ 2FSK通信系統(tǒng)、PCM編

8、譯碼、時分復(fù)用通話以及計算機串行通信等十一個實驗。通過這些實驗，同學(xué)們可以獲得數(shù)字通信時分復(fù)用技術(shù)及傳輸技術(shù)的感性認(rèn)識、鞏固課堂上所學(xué)的理論知識。在學(xué)習(xí)通信原理這門課之前，同學(xué)們已基本具備了模擬電路及數(shù)字電路的分析、設(shè)計及調(diào)試能力，通信實驗的主要目的是幫助大家理解通信系統(tǒng)的整體概念及基本理論。5目 錄實驗一 數(shù)字基帶信號 1實驗二 PCM編譯碼 10實驗三 數(shù)字調(diào)制 18實驗四 時分復(fù)用數(shù)字基帶通信系統(tǒng) 23實驗五 時分復(fù)用2DPSK、2FSK通信系統(tǒng) 28參考文獻 30實驗一 數(shù)字基帶信號一、 實驗?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波形特點。 2、掌握AMI、HDB

9、3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時分復(fù)用信號的幀結(jié)構(gòu)特點。5、了解HDB3（AMI）編譯碼集成電路CD22103。二、 實驗內(nèi)容 1、用示波器觀察單極性非歸零碼（NRZ）、傳號交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）、三階高密度雙極性碼（HDB3）、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 本實驗使用數(shù)字信源模塊和HDB3編譯碼模塊。 1、數(shù)字信源 本模塊是整個實驗系統(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

10、1-1所示。本單元產(chǎn)生NRZ信號，信號碼速率約為170.5KB，幀結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。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時分復(fù)用信號，實驗電路中數(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。 本模塊有以下測試點及輸入輸出點： CLK晶振信號測試點 BS-OUT信源位同步信號輸出點/測試點（2個） FS信源幀同步信號輸出點/測試點 NRZ-OUT(AK)NRZ信號(絕對碼)輸出點/測試點（4個） 圖1-1中各單元與電路

11、板上元器件對應(yīng)關(guān)系如下： 晶振CRY：晶體；U1：反相器7404 分頻器U2：計數(shù)器74161；U3：計數(shù)器74193；U4：計數(shù)器40160 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 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)下面對分頻器，八選一及三選一等單元作進一步說明。 （1）分頻器 74161進行13分頻，輸出信號頻率為341kHz。74161是一個

12、4位二進制加計數(shù)器，預(yù)置在3狀態(tài)。 74193完成2、4、8、16運算，輸出BS、S1、S2、S3等4個信號。BS為位同步信號，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。74193是一個4位二進制加/減計數(shù)器，當(dāng)CPD= PL =1、MR=0時，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分別輸出上述4個信號。 40160是一個二一十進制加計數(shù)器，預(yù)置在7狀態(tài)，完成3運算，在Q0和Q1端分別輸出選通信號S4、S5，這兩個信號的頻率相等、等于S3信號頻率的1/3。 分頻器輸出的S1、S2、S3、S4、S5等5個信號的波形如圖1-3（a）和1-3（b）

13、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。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K1、K2、K3輸出的8個并行信號連接。由表1-1可以分析出U5、U6、U7輸出信號都是碼速率為170.5KB、以8位為周期的串行信號。（3）三選一 三選一電路原理同八選一電路原理。S4、S5信號分別輸入到U8的地址端A和B，U5、U6、U7輸出的3路串行信號分別輸入到U8的數(shù)據(jù)端x3、x0、x1，U8的輸出端即是一個碼速率為170.5KB的2路時分復(fù)用

14、信號，此信號為單極性不歸零信號（NRZ）。圖1-3 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遲后。在實驗二的數(shù)字調(diào)制單元中，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同步信號的上升沿對齊，而這兩個信號由數(shù)字信源提供。倒相與抽樣電路就是為了滿足這一要求而設(shè)計的，它們使NRZ-OUT及BS-OUT信號滿足碼變換電路的要求。表1-1 4512真值表CBAINHDISZ00000x000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻 FS信號可

15、用作示波器的外同步信號，以便觀察2DPSK等信號。FS信號、NRZ-OUT信號之間的相位關(guān)系如圖1-4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、高電平分別為4位和8位數(shù)字信號時間，其上升沿比NRZ-OUT碼第一位起始時間超前一個碼元。圖1-4 FS、NRZ-OUT波形 2. HDB3編譯碼 原理框圖如圖1-5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。 本單元有以下信號測試點： NRZ譯碼器輸出信號 BS-R鎖相環(huán)輸出的位同步信號 （AMI）HDB

16、3編碼器輸出信號 BPF帶通濾波器輸出信號（AMI-D）HDB3-D（AMI）HDB3整流輸出信號圖1-5 HDB3編譯碼方框圖本模塊上的開關(guān)K4用于選擇碼型，K4位于左邊（A端）選擇AMI碼，位于右邊（H端）選擇HDB3碼。 圖1-5中各單元與電路板上元器件的對應(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：模擬開關(guān)4052 雙/單極性變換器U12：非門74HC04 相加器U17：或門74LS32 帶通U13、U14：運放UA741 限幅放大器U15：運放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

17、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。 下面簡單介紹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柕?碼即+1或-1，1的符號交替反轉(zhuǎn)；信息代碼0的為0碼。AMI碼對應(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個連0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0碼仍為0碼；信息碼的1碼變?yōu)閹?/p>

18、有符號的1碼即+1或-1；HDB3碼中1、B的符號符合交替反轉(zhuǎn)原則，而V的符號破壞這種符號交替反轉(zhuǎn)原則，但相鄰V碼的符號又是交替反轉(zhuǎn)的；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NRZ碼、AMI碼，HDB3碼如圖1-6所示。分析表明，AMI碼及HDB3碼的功率譜如圖1-7所示，它不含有離散譜fS成份（fS =1/TS，等于位同步信號頻率）。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，一般將AMI或HDB3碼數(shù)字信號進行整流處理，得到占空比為0.5的單極性歸零碼（RZ|=0.5

19、TS）。這種信號的功率譜也在圖1-7中給出。由于整流后的AMI、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。圖1-6 NRZ、AMI、HDB3關(guān)系圖圖1-7 AMI、HDB3、RZ|=0.5TS頻譜 本單元用CD22103集成電路進行AMI或HDB3編譯碼。當(dāng)它的第3腳（HDB3/ AMI）接+5V時為HDB3編譯碼器，接地時為AMI編譯碼器。編碼時，需輸入NRZ碼及位同步信號，它們來自數(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+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

20、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。 雙/單極性變換及相加器構(gòu)成一個整流器。整流后的（AMI）HDB3-D信號含有位同步信號頻率離散譜。由于位同步頻率比較低，很難將有源帶通濾波器的帶寬做得很窄，它輸出的信號BPF是一個幅度和周期都不恒定的正弦信號。對此信號進行限幅放大處理后得到幅度恒定、周期變化的脈沖信號，但仍不能將此信號作為譯碼器的位同步信號，需作進一步處理。當(dāng)鎖相環(huán)的自然諧振頻率足夠小時，對輸入的電壓信號可等效為窄帶帶通濾波器（關(guān)于鎖相環(huán)的基本原理將在實驗三中介紹）。本單元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，它輸出一個符合

21、譯碼器要求的位同步信號BS-R。 譯碼時，需將AMI或HDB3碼變換成兩路單極性信號分別送到CD22103的第11、第13腳，此任務(wù)由雙/單變換電路來完成。 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。HDB3碼及經(jīng)過隨機化處理的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、自動門限控制和整流電路完成，本實驗?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

22、電路作了簡化處理，不一定符合實用要求。 CD22103的引腳及內(nèi)部框圖如圖1-8所示，詳細(xì)說明如下：圖1-8 CD22103的引腳及內(nèi)部框圖（1）NRZ-IN編碼器NRZ信號輸入端；（2）CTX編碼時鐘（位同步信號）輸入端；（3）HDB3/ AMI碼型選擇端：接TTL高電平時，選擇HDB3碼；接TTL低電平時，選擇AMI碼；（4）NRZ-OUTHDB3譯碼后信碼輸出端；（5）CRX譯碼時鐘（位同步信號）輸入端；（6）RAIS告警指示信號（AIS）檢測電路復(fù)位端，負(fù)脈沖有效；（7）AISAIS信號輸出端，有AIS信號為高電平，無ALS信號時為低電平；（8）VSS接地端；（9）ERR不符合HDB3

23、/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，接高電平時為環(huán)回，接低電平時為正常；（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。兩部分功能簡述如下。 發(fā)送部分： 當(dāng)HDB3/ AMI 端接高電平時，編碼電路在編碼時鐘CTX下降沿的作用下，將NRZ碼編成H

24、DB3碼（+HDB3-OUT、-HDB3-OUT兩路輸出）；接低電平時，編成AMI碼。編碼輸出比輸入碼延遲4個時鐘周期。 接收部分： （1）在譯碼時鐘CRX的上升沿作用下，將HDB3碼（或AMI碼）譯成NRZ碼。譯碼輸出比輸入碼延遲4個時鐘周期。 （2）HDB3碼經(jīng)邏輯組合后從CKR端輸出，供時鐘提取等外部電路使用； （3）可在不斷業(yè)務(wù)的情況下進行誤碼監(jiān)測，檢測出的誤碼脈沖從ERR端輸出，其脈寬等于收時鐘的一個周期，可用此進行誤碼計數(shù)。 （4）可檢測出所接收的AIS碼，檢測周期由外部RAIS決定。據(jù)CCITT規(guī)定，在RAIS信號的一個周期（500s）內(nèi)，若接收信號中“0”碼個數(shù)少于3，則AIS

25、端輸出高電平，使系統(tǒng)告警電路輸出相應(yīng)的告警信號，若接收信號中“0”碼個數(shù)不少于3，AIS端輸出低電平，表示接收信號正常。（5）具有環(huán)回功能四、 實驗步驟 本實驗使用數(shù)字信源單元和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，檢查直流穩(wěn)壓電源輸出正常的+5V，+12V、-12V電壓，關(guān)直流穩(wěn)壓電源。將與直流穩(wěn)壓電源相連(若未連好請通知指導(dǎo)教師)的實驗專用的電源四芯插頭正確地插入實驗板左上角的四芯插座中。打開直流穩(wěn)壓電源,實驗中不要再改變電源輸出參數(shù)。（以后的實驗中接通電源步驟均照此操作?。?、 用示波器觀察數(shù)字信源單元上的各種信號波形。 用信源單元的FS作為示波器的外

26、同步信號，示波器探頭的地端接在實驗板任何位置的GND點均可，進行下列觀察： （1）示波器的兩個通道探頭分別接信源單元的NRZ-OUT和BS-OUT，對照發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，判斷數(shù)字信源單元是否已正常工作（1碼對應(yīng)的發(fā)光管亮，0碼對應(yīng)的發(fā)光管熄）； （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，觀察本實驗給定的集中插入幀同步碼時分復(fù)用信號幀結(jié)構(gòu)，和NRZ碼特點。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信號作為示波器的外同步信號。（1）示波器的兩個探頭CH1和CH2分別接信源單元的NRZ-OUT和HDB3單

27、元的（AMI）HDB3，將信源單元的K1、K2、K3每一位都置1，觀察全1碼對應(yīng)的AMI碼和HDB3碼；再將K1、K2、K3置為全0，觀察全0碼對應(yīng)的AMI碼和HDB3碼。觀察AMI碼時將HDB3單元的開關(guān)K4置于A端，觀察HDB3碼時將K4置于H端，觀察時應(yīng)注意AMI、HDB3碼是占空比等于0.5的雙極性歸零碼。編碼輸出HDB3（AMI）比輸入NRZ-OUT延遲了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)，K4先置A（AMI）端再置H（HDB3）端，CH1接信源

28、單元的NRZ-OUT，CH2依次接HDB3單元的（AMI-D）HDB3-D、BPF、BS-R和NRZ ，觀察這些信號波形。觀察時應(yīng)注意： HDB3單元的NRZ信號（譯碼輸出）滯后于信源模塊的NRZ-OUT信號（編碼輸入）8個碼元。 AMI-D、HDB3-D是占空比等于0.5的單極性歸零碼。 BPF信號是一個幅度和周期都不恒定的正弦信號，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，因而越難于實現(xiàn)），而HDB3碼則不存在這種問題。本實驗中若24位信源代碼中連零很多時，則難以從AMI碼中得到一

29、個符合要求的位同步信號，因此不能完成正確的譯碼（由于分離參數(shù)的影響，各實驗系統(tǒng)的現(xiàn)象可能略有不同。一般將信源代碼置成只有1個“1”碼的狀態(tài)來觀察譯碼輸出）。若24位信源代碼全為“0”碼，則更不可能從AMI信號（亦是全0信號）得到正確的位同步信號。五、 實驗報告要求 1. 根據(jù)實驗觀察和紀(jì)錄回答：（1）不歸零碼和歸零碼的特點是什么？（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？ 2. 設(shè)代碼為全1，全0及0111 0010 0000 1100 0010 0000，給出AMI及HDB3碼的代碼和波形。 3. 總結(jié)從HDB3碼中提取位同步信號的原理。 4. 試根據(jù)占空

30、比為0.5的單極性歸零碼的功率譜密度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。5. 根據(jù)公式， 計算環(huán)路自然諧振頻率n，阻尼系數(shù)和等效噪聲帶寬BL 。式中IP=0.05A，Ko=8103 rad/s.v ，R36=10，C17=100F。再用Q= foBL計算鎖相環(huán)等效帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)，式中fo=170.5KHZ。實驗二 PCM編譯碼 一、實驗?zāi)康?1. 掌握PCM編譯碼原理。 2. 掌握PCM基帶信號的形成過程及分接過程。3. 掌握語音信號PCM編譯碼系統(tǒng)的動態(tài)范圍和頻率特性的定義及測量方法。 二、實驗內(nèi)容 1. 用示波器觀察兩路

31、音頻信號的編碼結(jié)果，觀察PCM基群信號。 2. 改變音頻信號的幅度，觀察和測試譯碼器輸出信號的信噪比變化情況。3. 改變音頻信號的頻率，觀察和測試譯碼器輸出信號幅度變化情況。 三、基本原理 1. 點到點PCM多路電話通信原理 脈沖編碼調(diào)制(PCM)技術(shù)與增量調(diào)制(M)技術(shù)已經(jīng)在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)信道噪聲比較小時一般用PCM，否則一般用M。目前速率在155MB以下的準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)中，國際上存在A解和律兩種PCM編譯碼標(biāo)準(zhǔn)系列，在155MB以上的同步數(shù)字系列(SDH)中，將這兩個系列統(tǒng)一起來，在同一個等級上兩個系列的碼速率相同。而M在國際上無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但它在通信環(huán)境比較惡劣時

32、顯示了巨大的優(yōu)越性。 點到點PCM多路電話通信原理可用圖2-1表示。對于基帶通信系統(tǒng)，廣義信道包括傳輸媒質(zhì)、收濾波器、發(fā)濾波器等。對于頻帶系統(tǒng)，廣義信道包括傳輸媒質(zhì)、調(diào)制器、解調(diào)器、發(fā)濾波器、收濾波器等。圖2-1 點到點PCM多路電話通信原理框圖 本實驗?zāi)K可以傳輸兩路話音信號。采用TP3057編譯器，它包括了圖2-1中的收、發(fā)低通濾波器及PCM編譯碼器。編碼器輸入信號可以是本實驗?zāi)K內(nèi)部產(chǎn)生的正弦信號，也可以是外部信號源的正弦信號或電話信號。本實驗?zāi)K中不含電話機和混合電路，廣義信道是理想的，即將復(fù)接器輸出的PCM信號直接送給分接器。 2. PCM編譯碼模塊原理本模塊的原理方框圖圖2-2所示

33、，模塊內(nèi)部使用+5V和-5V電壓，其中-5V電壓由-12V電源經(jīng)7905變換得到。圖2-2 PCM編譯碼原理方框圖該模塊上有以下測試點和輸入點： BSPCM基群時鐘信號(位同步信號)測試點 SL0PCM基群第0個時隙同步信號 SLA信號A的抽樣信號及時隙同步信號測試點 SLB信號B的抽樣信號及時隙同步信號測試點 SRB信號B譯碼輸出信號測試點 STA輸入到編碼器A的信號測試點 SRA信號A譯碼輸出信號測試點 STB輸入到編碼器B的信號測試點 PCMPCM基群信號測試點 PCM-A信號A編碼結(jié)果測試點 PCM-B信號B編碼結(jié)果測試點 STA-IN外部音頻信號A輸入點 STB-IN外部音頻信號B輸

34、入點 本模塊上有三個開關(guān)K5、K6和K8，K5、K6用來選擇兩個編碼器的輸入信號，開關(guān)手柄處于左邊(STA-IN、STB-IN)時選擇外部信號、處于右邊(STA-S、STB-S)時選擇模塊內(nèi)部音頻正弦信號。K8用來選擇SLB信號為時隙同步信號SL1、SL2、SL5、SL7中的某一個。 圖2-2各單元與電路板上元器件之間的對應(yīng)關(guān)系如下： 晶振U75：非門74LS04；CRY1：4096KHz晶體 分頻器1U78:A：U78:D：觸發(fā)器74LS74；U79：計數(shù)器74LS193 分頻器2U80：計數(shù)器74LS193；U78:B：U78:D：觸發(fā)器74LS74 抽樣信號產(chǎn)生器U81：單穩(wěn)74LS12

35、3；U76：移位寄存器74LS164 PCM編譯碼器AU82：PCM編譯碼集成電路TP3057（CD22357） PCM編譯碼器BU83：PCM編譯碼集成電路TP3057（CD22357） 幀同步信號產(chǎn)生器U77：8位數(shù)據(jù)產(chǎn)生器74HC151；U86:A：與門7408 正弦信號源AU87：運放UA741 正弦信號源BU88：運放UA741 復(fù)接器U85：或門74LS32 晶振、分頻器1、分頻器2及抽樣信號（時隙同步信號）產(chǎn)生器構(gòu)成一個定時器，為兩個PCM編譯碼器提供2.048MHz的時鐘信號和8KHz的時隙同步信號。在實際通信系統(tǒng)中，譯碼器的時鐘信號(即位同步信號)及時隙同步信號(即幀同步信號

36、)應(yīng)從接收到的數(shù)據(jù)流中提取，方法如實驗五及實驗六所述。此處將同步器產(chǎn)生的時鐘信號及時隙同步信號直接送給譯碼器。 由于時鐘頻率為2.048MHz，抽樣信號頻率為8KHz，故PCM-A及PCM-B的碼速率都是2.048MB，一幀中有32個時隙，其中1個時隙為PCM編碼數(shù)據(jù)，另外31個時隙都是空時隙。 PCM信號碼速率也是2.048MB，一幀中的32個時隙中有29個是空時隙，第0時隙為幀同步碼(1110010)時隙，第2時隙為信號A的時隙，第1(或第5、或第7 由開關(guān)K8控制)時隙為信號B的時隙。 本實驗產(chǎn)生的PCM信號類似于PCM基群信號，但第16個時隙沒有信令信號，第0時隙中的信號與PCM基群的

37、第0時隙的信號也不完全相同。 由于兩個PCM編譯碼器用同一個時鐘信號，因而可以對它們進行同步復(fù)接(即不需要進行碼速調(diào)整)。又由于兩個編碼器輸出數(shù)據(jù)處于不同時隙，故可對PCM-A和PCM-B進行線或。本模塊中用或門74LS32對PCM-A、PCM-B及幀同步信號進行復(fù)接。在譯碼之前，不需要對PCM進行分接處理，譯碼器的時隙同步信號實際上起到了對信號分路的作用。 3. TP3057簡介 本模塊的核心器件是A律PCM編譯碼集成電路TP3057，它是CMOS工藝制造的專用大規(guī)模集成電路，片內(nèi)帶有輸出輸入話路濾波器，其引腳及內(nèi)部框圖如圖2-4、圖2-5所示。引腳功能如下：圖2-4 TP3057引腳圖(1

38、) V一接-5V電源。(2) GND接地。(3) VFRO接收部分濾波器模擬信號輸出端。(4) V+接+5V電源。(5) FSR接收部分幀同信號輸入端，此信號為8KHz脈沖序列。(6) DR接收部分PCM碼流輸入端。(7) BCLKR/CLKSEL接收部分位時鐘(同步)信號輸入端，此信號將PCM碼流在FSR上升沿后逐位移入DR端。位時鐘可以為64KHz到2.048MHz的任意頻率，或者輸入邏輯“1”或“0”電平器以選擇1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主時鐘，此時發(fā)時鐘信號BCLKX同時作為發(fā)時鐘和收時鐘。(8) MCLKR/PDN接收部分主時鐘信號輸入端，此信

39、號頻率必須為1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKX異步，但是同步工作時可達到最佳狀態(tài)。當(dāng)此端接低電平時，所有的內(nèi)部定時信號都選擇MCLKX信號，當(dāng)此端接高電平時，器件處于省電狀態(tài)。(9) MCLKX發(fā)送部分主時鐘信號輸入端，此信號頻率必須為1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz?？梢院蚆CLKR異步，但是同步工作時可達到最佳狀態(tài)。(10) BCLKX發(fā)送部分位時鐘輸入端，此信號將PCM碼流在FSX信號上升沿后逐位移出DX端，頻率可以為64KHz到2.04MHz的任意頻率，但必須與MCLKX同步。圖2-5 TP3057內(nèi)部方框圖(11) DX發(fā)送部分

40、PCM碼流三態(tài)門輸出端。(12) FSX發(fā)送部分幀同步信號輸入端，此信號為8KHz脈沖序列。(13) TSX漏極開路輸出端，在編碼時隙輸出低電平。(14) GSX發(fā)送部分增益調(diào)整信號輸入端。(15) VFXi-發(fā)送部分放大器反向輸入端。(16) VFXi發(fā)送部分放大器正向輸入端。 TP3057由發(fā)送和接收兩部分組成，其功能簡述如下。 發(fā)送部分： 包括可調(diào)增益放大器、抗混淆濾波器、低通濾波器、高通濾波器、壓縮A/D轉(zhuǎn)換器?？够煜秊V波器對采樣頻率提供30dB以上的衰減從而避免了任何片外濾波器的加入。低通濾波器是5階的、時鐘頻率為128MHz。高通濾波器是3階的、時鐘頻率為32KHz。高通濾波器的輸

41、出信號送給階梯波產(chǎn)生器(采樣頻率為8KHz)。階梯波產(chǎn)生器、逐次逼近寄存器（SAR）、比較器以及符號比特提取單元等4個部分共同組成一個壓縮式A/D轉(zhuǎn)換器。SAR輸出的并行碼經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換后成PCM信號。參考信號源提供各種精確的基準(zhǔn)電壓，允許編碼輸入電壓最大幅度為5VP-P。 發(fā)幀同步信號FSX為采樣信號。每個采樣脈沖都使編碼器進行兩項工作：在8比特位同步信號BCLKX的作用下，將采樣值進行8位編碼并存入逐次逼近寄存器；將前一采樣值的編碼結(jié)果通過輸出端DX輸出。在8比特位同步信號以后，DX端處于高阻狀態(tài)。 接收部分： 包括擴張D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。低通濾波器符合AT&T D3/D4標(biāo)準(zhǔn)和CCI

42、TT建議。D/A轉(zhuǎn)換器由串/并變換、D/A寄存器組成、D/A階梯波形成等部分構(gòu)成。在收幀同步脈沖FSR上升沿及其之后的8個位同步脈沖BCLKR作用下，8比特PCM數(shù)據(jù)進入接收數(shù)據(jù)寄存器(即D/A寄存器)，D/A階梯波單元對8比特PCM數(shù)據(jù)進行D/A變換并保持變換后的信號形成階梯波信號。此信號被送到時鐘頻率為128KHz的開關(guān)電容低通濾波器，此低通濾波器對階梯波進行平滑濾波并對孔徑失真(sinx)/x進行補嘗。 在通信工程中，主要用動態(tài)范圍和頻率特性來說明PCM編譯碼器的性能。動態(tài)范圍的定義是譯碼器輸出信噪比大于25dB時允許編碼器輸入信號幅度的變化范圍。PCM編譯碼器的動態(tài)范圍應(yīng)大于圖2-6所

43、示的CCITT建議框架（樣板值）。 當(dāng)編碼器輸入信號幅度超過其動態(tài)范圍時，出現(xiàn)過載噪聲，故編碼輸入信號幅度過大時量化信噪比急劇下降。TP3057編譯碼系統(tǒng)不過載輸入信號的最大幅度為5VP-P。由于采用對數(shù)壓擴技術(shù)，PCM編譯碼系統(tǒng)可以改善小信號的量化信噪比，TP3057采用A律13折線對信號進行壓擴。當(dāng)信號處于某一段落時，量化噪聲不變(因在此段落內(nèi)對信號進行均勻量化)，因此在同一段落內(nèi)量化信噪比隨信號幅度減小而下降。13折線壓擴特性曲線將正負(fù)信號各分為8段，第1段信號最小，第8段信號最大。當(dāng)信號處于第一、二段時，量化噪聲不隨信號幅度變化，因此當(dāng)信號太小時，量化信噪比會小于25dB，這就是動態(tài)范

44、圍的下限。TP3057編譯碼系統(tǒng)動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號最小幅度約為0.025Vp-p。常用1KHz的正弦信號作為輸入信號來測量PCM編譯碼器的動態(tài)范圍。圖2-6 PCM編譯碼系統(tǒng)動態(tài)范圍樣板值語音信號的抽樣信號頻率為8KHz，為了不發(fā)生頻譜混疊，常將語音信號經(jīng)截止頻率為3.4KHz的低通濾波器處理后再進行A/D處理。語音信號的最低頻率一般為300Hz。TP3057編碼器的低通濾波器和高通濾波器決定了編譯碼系統(tǒng)的頻率特性，當(dāng)輸入信號頻率超過這兩個濾波器的頻率范圍時，譯碼輸出信號幅度迅速下降。這就是PCM編譯碼系統(tǒng)頻率特性的含義。四、實驗步驟 1. 熟悉PCM編譯碼單元工作原理，開關(guān)K8接通SL1(

45、或SL5、SL7)，開關(guān)K5、K6分接置于STA-S、STB-S的方向，檢查電源無誤后實驗板電源。 2. 用示波器觀察STA、STB，調(diào)節(jié)電位器R19(對應(yīng)STA)、R20(對應(yīng)STB)，使正弦信號STA、STB波形不失真(峰峰值小于5V)。 3. 用示波器觀察PCM編碼輸出信號。 示波器CH1接SL0，（調(diào)整示波器掃描周期以顯示至少兩個SL0脈沖，從而可以觀察完整的一幀信號）CH2分別接SLA、PCM-A、SLB、PCM-B以及PCM，觀察編碼后的數(shù)據(jù)所處時隙位置與時隙同步信號的關(guān)系以及PCM信號的幀結(jié)構(gòu)（注意：本實驗的幀結(jié)構(gòu)中有29個時隙是空時隙，SL0、SLA及SLB的脈沖寬度等于一個時

46、隙寬度）。 開關(guān)K8分別接通SL1、SL2、SL5、SL7，觀察PCM基群幀結(jié)構(gòu)的變化情況。 4. 用示波器觀察PCM譯碼輸出信號 示波器的CH1接STA，CH2接SRA，觀察這兩個信號波形是否相同(有相位差)。 5. 用示波器定性觀察PCM編譯碼器的動態(tài)范圍。 開關(guān)K5置于STA-IN端，將低失真低頻信號發(fā)生器輸出的1KHz正弦信號從STA-IN輸入到TP3057(U82)編碼器。示波器的CH1接STA（編碼輸入），CH2接SRA（譯碼輸出）。將信號幅度分別調(diào)至大于5VP-P、等于5VP-P，觀察過載和滿載時的譯碼輸出波形。再將信號幅度分別衰減10dB、20dB、30dB、40dB、45dB

47、、50dB，觀察譯碼輸出波形(當(dāng)衰減45dB以上時，譯碼輸出信號波形上疊加有較明顯的噪聲)。 也可以用本模塊上的正弦信號源來觀察PCM編譯碼系統(tǒng)的過載噪聲(只要將STA-S或STB-S信號幅度調(diào)至5VP-P以上即可)，但必須用專門的信號源才能較方便地觀察到動態(tài)范圍。 6. 定量測試PCM編譯碼器的動態(tài)范圍和頻率特性。圖2-7為動態(tài)范圍測試方框圖。開關(guān)K5置于STA-IN端，音頻信號發(fā)生器(最好用低失真低頻信號發(fā)生器)輸出1KHz正弦信號，將幅度調(diào)為5Vp-p（設(shè)為0dB），測試S/N，再將信號幅度分別降低10dB、20dB、30dB、45dB、50dB，測試各種信號幅度下的S/N，將測試數(shù)據(jù)填

48、入表2-1。圖2-7 動態(tài)范圍測量框圖表2-1信號幅度(dB)0-10-20-30-40-45-50S/N(dB)頻率特性測試框圖如圖2-8所示。將輸入信號電壓調(diào)至2Vp-p左右，改變信號頻率，測量譯碼輸出信號幅度，將測試結(jié)果填入表2-2。圖2-8 頻率特性測試框圖表2-2輸入信號頻率(KHz)43.83.63.43.02.52.01.51.00.50.30.20.1輸出信號幅度(V) 五、實驗報告要求 1. 整理實驗記錄，畫出量化信噪比與編碼器輸入信號幅度之間的關(guān)系曲線以及譯碼輸出信號幅度與編碼輸入信號頻率之間的關(guān)系曲線。2. 設(shè)PCM通信系統(tǒng)傳輸兩路話音，每幀三個時隙，每路話音各占一個時隙

49、，另一個時隙為幀同步時隙，使用TP3057編譯碼器。求： (1) 編碼器的抽樣信號頻率及時鐘信號頻率，以及兩個抽樣信號之間的相位關(guān)系。 (2) 時分復(fù)用信號碼速率、幀結(jié)構(gòu)。 (3) 采用PCM基帶傳輸，線路碼為HDB3碼，設(shè)計此通信系統(tǒng)的詳細(xì)方框圖。(4) 采用PCM/2DPSK頻帶傳輸，設(shè)計此通信系統(tǒng)的詳細(xì)方框圖。實驗三 數(shù)字調(diào)制一、 實驗?zāi)康?1、掌握絕對碼、相對碼概念及它們之間的變換關(guān)系。 2、掌握用鍵控法產(chǎn)生2ASK、2FSK、2DPSK信號的方法。 3、掌握相對碼波形與2PSK信號波形之間的關(guān)系、絕對碼波形與2DPSK信號波形之間的關(guān)系。4、 了解2ASK、2FSK、2DPSK信號的

50、頻譜與數(shù)字基帶信號頻譜之間的關(guān)系。二、 實驗內(nèi)容 1、用示波器觀察絕對碼波形、相對碼波形。 2、用示波器觀察2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信號波形。3、用頻譜儀觀察數(shù)字基帶信號頻譜及2ASK、2FSK、2DPSK信號的頻譜。三、 基本原理本實驗用到數(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（NRZ碼）和位同步信號BS（已在實驗電路板上連通，不必手工接線）。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)部只用+5V電壓。數(shù)字調(diào)制單元的原理方框圖如圖3-1所示。圖3-1 數(shù)字調(diào)制方框圖 本單元有以下測試

51、點及輸入輸出點： CAR2DPSK信號載波測試點 BK相對碼測試點 2DPSK2DPSK信號測試點/輸出點，VP-P0.5V 2FSK2FSK信號測試點/輸出點，VP-P0.5V 2ASK2ASK信號測試點，VP-P0.5V 用2-1中晶體振蕩器與信源共用，位于信源單元，其它各部分與電路板上主要元器件對應(yīng)關(guān)系如下： 2（A）U8：雙D觸發(fā)器74LS74 2（B）U9：雙D觸發(fā)器74LS74 濾波器AV6：三極管9013，調(diào)諧回路 濾波器BV1：三極管9013，調(diào)諧回路 碼變換U18：雙D觸發(fā)器74LS74；U19：異或門74LS86 2ASK調(diào)制U22：三路二選一模擬開關(guān)4053 2FSK調(diào)制

52、U22：三路二選一模擬開關(guān)4053 2PSK調(diào)制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將晶振信號進行2分頻、濾波后，得到2ASK的載頻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，這兩個信號就是2PSK、2DPSK的兩個載波，2FSK信號的兩個載波頻率分別為晶振頻率的1/2和1/4，也是通過分頻和濾波得到的。 下面重點介紹2PSK、2DPSK。2PSK、2DPSK波形與信息代碼的關(guān)系如圖3-3所示。圖3-3 2PSK、2DPSK波形 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。