通信原理課程設計報告時分復用通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、 計算機與通信學院通信原理課程設計報告 通信原理教程 設計說明書時分復用通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)起止日期： 2011 年 1 月 3 日 至 2011 年 1 月 7 日學生姓名班 級學 號成 績指導教師(簽字)計算機與通信學院（部）年 月 日目 錄1. 時分復用原理分析11.1. 時分復用原理11.2. 時分復用中的同步技術原理11.2.1. 位同步21.2.2. 幀同步21.2.3. 載波同步21.3. 數(shù)字信源的工作原理21.4. 數(shù)字終端模塊工作原理42. 總體設計62.1. 時分復用數(shù)字基帶通信系統(tǒng)62.2. 時分復用2dpsk、2fsk通信系統(tǒng)63. 實驗詳細設計73.1. 2dpsk及

2、2fsk調制73.2. 解調104. 實驗數(shù)據與實驗過程144.1. 數(shù)據設計144.2. 實驗過程144.2.1. 時分復用數(shù)字基帶通信系統(tǒng)實驗144.2.2. 時分復用2dpsk，2fsk通信系統(tǒng)164.2.3. 時分復用2dpsk通信系統(tǒng)各點測試波形圖164.2.4. 時分復用2fsk通信系統(tǒng)各點測試波形圖175. 實驗中的問題及解決方法176. 總結17151. 時分復用原理分析1.1. 時分復用原理為了提高信道利用率，使多路已抽樣的信號組合起來沿同一信道傳輸而互相不干擾，稱時分多路復用（tdm）。為了實現(xiàn) tdm傳輸，要把傳輸時間分成若干個時隙，在每個時隙內傳輸一路信號，將若干個原始

3、的脈沖調制信號在時間上進行交錯排列，從而形成一個復合脈沖串，該脈沖串擾碼后經信道傳輸?shù)竭_接收端。1.2. 時分復用中的同步技術原理在通信系統(tǒng)中，同步具有相當重要的地位。通信系統(tǒng)能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依賴有無良好的同步系統(tǒng)。同步可分為載波同步、位同步、幀同步和網同步幾大類型。他們在通信系統(tǒng)中都具有相當重要的作用。時分復用通信中的同步技術包括位同步(時鐘同步)和幀同步，這是數(shù)字通信的又一個重要特點。時分復用的電路原理就是先通過位同步信號和幀同步信號把各路信號數(shù)據在復接器中復接,然后通過碼型變換發(fā)送濾波器發(fā)送使之能夠在適合信號的特性，順利通過信道傳輸。1.2.1. 位同步位同步的目的

4、是確定數(shù)字通信中的個碼元的抽樣時刻，即把每個碼元加以區(qū)分，使接受端得到一連串的碼元序列，這一連串的碼元列代表一定的信息。位同步是最基本的同步，是實現(xiàn)幀同步的前提。位同步的基本含義是收、發(fā)兩端機的時鐘頻率必須同頻、同相，這樣接收端才能正確接收和判決發(fā)送端送來的每一個碼元。因此,接收端必須提供一個確定抽樣判決時刻的定時脈沖序列.1.2.2. 幀同步在傳輸時把若干個碼元組成一個個的碼組，即一個個的字或句，通常稱為群或幀。群同步又稱幀同步。幀同步的主要任務是把字或句和碼區(qū)分出來。在時分多路傳輸系統(tǒng)中，信號是以幀的方式傳送。每一個幀中包含多路。接收端為了把各路信號區(qū)分開來，也需要幀同步系統(tǒng)。幀同步是為了

5、保證收、發(fā)各對應的話路在時間上保持一致，這樣接收端就能正確接收發(fā)送端送來的每一個話路信號，當然這必須是在位同步的前提下實現(xiàn)。1.2.3. 載波同步不論在模擬通信還是數(shù)字通信中。只要采用同步解調時，在接受端都需要提供一個與發(fā)送端完全同頻同相的載波信號。一般把接受端載波信號與發(fā)送端載波信號保持同頻、同相稱為載波同步。通常接受端載波信號是從接收到的信號中提取出來的，這個過程稱為載波提取。載波同步的方法可以分為大類：插入導頻法和直接提取法；直接提取法又可以分為平方法和科斯塔斯環(huán)法。1.3. 數(shù)字信源的工作原理本模塊是整個實驗系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內部只使用+5v電壓，其原理方框圖如圖2所示。本單元產生nr

6、z信號，信號碼速率約為170.5kb，幀結構如圖3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)據信號，每路8位。此nrz信號為集中插入幀同步碼時分復用信號，實驗電路中數(shù)據碼用紅色發(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：Ø clk晶振信號測試點Ø bs-out信源位同步信號輸出點/測試點（2個）Ø fs信源幀同步信號輸出點/測試點Ø nrz-out(ak)nrz信號(絕對碼)輸出點/測試點（4個）

7、6; 圖2中各單元與電路板上元器件對應關系如下：Ø 晶振cry：晶體；u1：反相器7404Ø 分頻器u2：計數(shù)器74161；u3：計數(shù)器74193；u4：計數(shù)器40160Ø 并行碼產生器k1、k2、k3：8位手動開關，從左到右依次與幀同步碼、數(shù)據1、數(shù)據2相對應；發(fā)光二極管：左起分別與一幀中的24位代碼相對應Ø 八選一u5、u6、u7：8位數(shù)據選擇器4512Ø 三選一u8：8位數(shù)據選擇器4512Ø 倒相器u20：非門74hc04Ø 抽樣u9：d觸發(fā)器74hc74圖1-1 數(shù)字信源方框圖1-2 幀結構圖1.4. 數(shù)字終端模塊工

8、作原理它輸入單極性非歸零信號、位同步信號和幀同步信號，把兩路數(shù)據信號從時分復用信號中分離出來，輸出兩路串行數(shù)據信號和兩個8位的并行數(shù)據信號。兩個并行信號驅動16個發(fā)光二極管，左邊8個發(fā)光二極管顯示第一路數(shù)據，右邊8個發(fā)光二極管顯示第二路數(shù)據，二極管亮狀態(tài)表示“1”，熄滅狀態(tài)表示“0”。兩個串行數(shù)據信號碼速率為數(shù)字源輸出信號碼速率的1/3。在數(shù)字終端模塊中，有以下測試點及輸入輸出點：Ø s-in時分復用基帶信號輸入點Ø sd抽樣判后的時分復用信號測試點Ø bd延遲后的位同步信號測試點Ø fd整形后的幀同步信號測試點Ø d1分接后的第一路數(shù)字信號測

9、試點Ø b1第一路位同步信號測試點Ø f1第一路幀同步信號測試點Ø d2分接后的第二路數(shù)字信號測試點Ø b2第二路位同步信號測試點Ø f2第二路幀同步信號測試點圖4-1 數(shù)字終端原理方框圖圖4-1中各單元與電路板上元器件對的應關系如下：· 延遲1u63：單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器4528· 延遲2u62:a：d觸發(fā)器4013· 整形u64:a：單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器4528；u62:b：d觸發(fā)器4013· 延遲3u67、u68、u69：移位寄存器40174· ÷3u72：內藏譯碼器的二進制寄存器401

10、7· 串/并變換u65、u70：八級移位寄存器4094· 并/串變換u66、u71：八級移位寄存器4014(或4021)· 顯示 三極管9013；發(fā)光二極管數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源：把消息轉換成電信號。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。區(qū)分模擬信號和數(shù)字信號的準繩是看其取值是連續(xù)的還是離散的，而不是看時間。信源編碼：主要是利用信源的統(tǒng)計特性，解決信源的相關性，去掉信源冗余信息，提高系統(tǒng)有效性的目的。信道編碼：保證通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾。調制：其主要目的是使經過編碼的信號特性與信道的特性相適應，使信號經過調制后的信號能夠順利通過信道傳輸。信道：是指傳輸

11、信號的通道。解調：從已調制信號中恢復出原始信號的過程叫解調。信宿：是傳輸信息的歸宿，其作用是將復原的原始信號轉換成相應的消息。同步：發(fā)送端和接收端之間需要有共同的時間標準。包括位同步，幀同步，載波同步等。2. 總體設計2.1. 時分復用數(shù)字基帶通信系統(tǒng) 圖4-5為時分復用數(shù)字基帶通信系統(tǒng)原理方框圖。復接器輸出時分復用單極性不歸零碼（nrz碼），碼型變換器將nrz碼變?yōu)檫m于信道傳輸?shù)膫鬏敶a（如hdb3碼等），發(fā)濾波器主要用來限制基帶信號頻帶，收濾器可以濾除一部分噪聲，同時與發(fā)濾波器、信道一起構成無碼間串擾的基帶傳輸特性。復接器和分接器都需要位同步信號和幀同步信號。圖4-5 時分復用數(shù)字基帶通信系

12、統(tǒng)2.2. 時分復用2dpsk、2fsk通信系統(tǒng)圖5-1給出了傳輸兩路數(shù)字信號的時分復用2dpsk通信系統(tǒng)原理框圖（2fsk通信系統(tǒng)與此類似）。圖中m(t)為時分復用數(shù)字基帶信號，為nrz碼，發(fā)濾波器及收濾波器的作用與基帶系統(tǒng)相同。假設信道是理想的，收、發(fā)端都無帶通濾波器。m(t)由數(shù)字信源提供，即為nrz信號。圖5-1 2dpsk時分復用通信系統(tǒng)3. 實驗詳細設計3.1. 2dpsk及2fsk調制數(shù)字信源模塊和數(shù)字調制模塊。信源模塊向調制模塊提供數(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）。調制模塊將輸入的絕對碼ak（nrz碼）變?yōu)橄鄬Υabk、用鍵控法產生2

13、ask、2fsk、2dpsk信號。調制模塊內部只用+5v電壓。數(shù)字調制單元的原理方框圖如圖所示圖2-1 數(shù)字調制方框圖 本單元有以下測試點及輸入輸出點：Ø car2dpsk信號載波測試點Ø bk相對碼測試點Ø 2dpsk2dpsk信號測試點/輸出點，vp-p>0.5vØ 2fsk2fsk信號測試點/輸出點，vp-p>0.5vØ 2ask2ask信號測試點，vp-p>0.5vØ 用圖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關系如下：Ø a u8：雙d觸發(fā)器74ls74Ø

14、; b u9：雙d觸發(fā)器74ls74Ø 濾波器a v6：三極管9013，調諧回路Ø 濾波器bv1：三極管9013，調諧回路Ø 碼變換u18：雙d觸發(fā)器74ls74；u19：異或門74ls86Ø 2ask調制u22：三路二選一模擬開關4053Ø 2fsk調制u22：三路二選一模擬開關4053Ø 2psk調制u21：八選一模擬開關4051Ø 放大器v5：三極管9013Ø 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，

15、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。 2psk、2dpsk波形與信息代碼的關系如圖2-3所示圖2-3 2psk、2dpsk波形圖中假設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”。2fsk信號（相位不連續(xù)2fsk）可看成是ak與調制

16、不同載頻信號形成的兩個2ask信號相加。時域表達式為式中m(t)為nrz碼。圖 2ask、2psk（2dpsk）、2fsk信號功率譜  設碼元寬度為ts，fs =1ts在數(shù)值上等于碼速率，2ask、2psk（2dpsk）、2fsk的功率譜密度如上圖所示?？梢?，2ask、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）為線性調制信號。多進制的mask、mpsk（mdpsk）、mfsk信號的功率譜與二進制信號功率譜類似。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。

17、3.2. 解調 可用相干解調或差分相干解調法（相位比較法）解調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，當此關系不能滿足時只能用相干解調法。系統(tǒng)中，2dpsk載波頻率等碼速率的13倍，兩種解調方法都可用。實際工程中相干解調法用得最多。2fsk信號的解調方法有：包絡括檢波法、相干解調法、鑒頻法、過零檢測法等。  圖 數(shù)字解調方框圖（a）       2dpsk相干解調 （b）2fsk過零檢測解調 本設計采用相干解調法解調2dpsk信號、采用過零檢測法解調2fsk信號。2dpsk模塊內部使用+5v、

18、+12v和-12v電壓，2fsk模塊內部僅使用+5v電壓。上圖為兩個解調器的原理方框圖。Ø 2dpsk解調模塊上有以下測試點及輸入輸出點：l mu相乘器輸出信號測試點l lpf低通、運放輸出信號測試點l vc比較器比較電壓測試點l cm比較器輸出信號的輸出點/測試點l bk解調輸出相對碼測試點l ak-out解調輸出絕對碼的輸出點/測試點（3個）l bs-in位同步信號輸入點Ø 2fsk解調模塊上有以下測試點及輸入輸出點：l fd2fsk過零檢測輸出信號測試點l lpf 低通濾波器輸出點/測試點l cm整形輸出輸出點/測試點l bs-in位同步信號輸入點l ak-out解調

19、輸出信號的輸出點/測試點（3個）Ø 2dpsk解調器方框圖中各單元與電路板上元器件的對應關系如下：l 相乘器u29：模擬乘法器mc1496l 低通濾波器r31；c2l 運放u30：運算放大器ua741l 比較器u31：比較器lm710l 抽樣器u32:a：雙d觸發(fā)器7474l 碼反變換器u32:b：雙d觸發(fā)器7474；u33:a：異或門7486Ø 2fsk解調器方框圖中各單元與電路板上元器件對應關系如下：l 整形1u34:a：反相器74hc04l 單穩(wěn)1、單穩(wěn)2u35：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123l 相加器u36：或門7432l 低通濾波器u37：運算放大器lm318；若干電阻、

20、電容l 整形2u34:b：反相器74hc04l 抽樣器u38:a：雙d觸發(fā)器7474 本系統(tǒng)中為簡化實驗設備，發(fā)端即數(shù)字調制的輸出端沒有帶通濾波器、信道是理想的，故解調器輸入端就沒加帶通濾波器。下面對2dpsk相干解調電路中的一些具體問題加以說明。1) 信源是周期為24bit的周期信號，當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是正負不對稱的信號。在實際的2dpsk通信系統(tǒng)中，抽樣判決器輸入信號是一個均值為0且正負對稱的信號，因此最佳判決電平為0。本系統(tǒng)中，vc決定判決電平。當vc=0而相對碼bk中“1”碼和“0”碼個數(shù)差別太

21、大時，可能出現(xiàn)誤判決，即解調器出現(xiàn)誤碼。因為此時lpf信號的正電平或負電平非常接近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用來調節(jié)判決電平，當bk中“1”碼與“0”碼個數(shù)差別比較大時出現(xiàn)誤碼時，可調節(jié)r39使vc等于lpf信號的中值（最佳判決門限）。實際通信系統(tǒng)中的2dpsk相干解調器（或差分相干解調器）不需要調節(jié)判決電平。2) 比較器的輸出cm為ttl電平信號，它不能作為相對碼直接送給碼反變器，因為它并不是一個標準的單極性非歸零碼，其單個“1”碼對應的正脈沖的寬度可能小于碼元寬度、也可能大于碼元寬度。另外，當lpf中有噪聲時，cm中還會出現(xiàn)噪聲脈沖。3) 異或門74l

22、s86輸出的絕對碼波形的高電平上疊加有小的干擾信號，經u34整形后即可去掉。dpsk相干解調器模塊各點波形示意圖如下圖所示。圖 2dpsk相干解調波形示意圖2fsk解調器工作原理及有關問題說明如下：l 下圖為2fsk過零檢測解調器各點波形示意圖，圖中設“1”碼載頻等于碼速率的兩倍，“0”碼載頻等于碼速率。l 整形1和整形2的功能與比較器類似，在其輸入端將輸入信號疊加在2.5v上。74hc04的狀態(tài)轉換電平約為2.5v，可把輸入信號進行硬限幅處理。整形1將正弦2fsk信號變?yōu)閠tl電平的2fsk信號。整形2和抽樣電路共同構成一個判決電平為2.5v的抽樣判決器。l 單穩(wěn)1、單穩(wěn)2分別被設置為上升沿

23、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（應基本相等）。l r48可以調節(jié)濾波器的頻率特性及l(fā)pf信號幅度，lpf不是ttl電平信號且不是標準的非歸零碼，必須進行抽樣判決處理。u34對抽樣判決輸出信號進行整形。圖 2fsk過零檢測解調器各點波形示意圖4. 實驗數(shù)據與實驗過程4.1. 數(shù)據設計k1使用7位巴克碼x1110010,兩路數(shù)據分別是k2:11110000,k3:00111100則數(shù)字信源輸出波形為 k1 k2 k3 11 11 00 1011 11 00 0000 11 11 00改變兩路

24、數(shù)據，觀察數(shù)字終端輸出。觀察幀同步時,改變k1為1110010x,兩路數(shù)據不變。（此時同步碼左移一位，數(shù)據輸出時，兩路信號都左移一位，此時不能正常通信）4.2. 實驗過程4.2.1. 時分復用數(shù)字基帶通信系統(tǒng)實驗本系統(tǒng)使用數(shù)字信源、位同步、幀同步、數(shù)字終端這四個單元。它們的信號連接關系如下圖所示，其中實線表示實驗板上已經布好，虛線表示實驗中要手工連接的信號線（共四根）。1) 按照下圖將這四個模塊連在一起，接通實驗箱電源。 圖 數(shù)字基帶系統(tǒng)連接圖2) 用示波器ch1觀察數(shù)字信源單元nrz-out波形，判斷信源單元是否工作正常。3) 用示波器ch2觀察位同步單元bs-out，調節(jié)位同步單

25、元的可變電容，使位同步信號bs-out對準信源的nrz信號中間位置并且相位抖動最小。正常工作，波形如圖4-34) 將數(shù)字信源單元的k1置于´1110010，用示波器ch2觀察幀同步單元fs信號與信源nrz信號的相位關系，判斷幀同步單元是否工作正常。正常工作，波形如圖4-35) 當位同步單元、幀同步單元已正確地提取出位同步信號和幀同步信號時，通過發(fā)光二極管觀察兩路8bit數(shù)據已正確地傳輸?shù)绞战K端。6) 用示波器觀察分接出來的兩路8bit周期信號d1(對應位同步b1)和d2(對應b2)。7) 觀察位同步抖動對數(shù)據傳輸?shù)挠绊?。用示波器觀察數(shù)字終端單元的d1或d2信號，然后緩慢調節(jié)位同步單元

26、上的可變電容c2（增大位同步抖動范圍），觀察d1或d2信號波形變化情況和發(fā)光二極管的狀況（c2在某一范圍變化時，d1或d2無誤碼，c2變化太大時出現(xiàn)誤碼）。d1或d2信號波形有抖動，發(fā)光二極管有誤碼。8) 觀察幀同步對數(shù)據傳輸?shù)挠绊憽?) 還原位同步單元到正確的狀態(tài)，將數(shù)字信源單元的k1置為1110 010x，觀察數(shù)字終端分接出來的兩路信號和數(shù)字信源單元的對應關系。波形相似，只是有相對的延遲圖 變換后的信號波形4.2.2. 時分復用2dpsk，2fsk通信系統(tǒng)1. 進行2dpsk通信系統(tǒng)實驗。接通實驗箱電源，調整需要調節(jié)的電位器及可變電容，使信源的兩路數(shù)據正確地傳輸?shù)浇K端。數(shù)字信源數(shù)字調制2d

27、psk/2fsk解調數(shù)字終端位同步幀同步nri-outouts-inbs-outbs-out2.進行2fsk通信系統(tǒng)實驗。使信源的兩路數(shù)據正確地傳輸?shù)浇K端3.在系統(tǒng)連接時位同步單元的輸入信號s-in應為解調器的cm信號，而幀同步單元和終端單元的輸入信號s-in應來自解調器的ak-out點，位幀同步單元bs-in信號來自位同步單元bs-out，解調器bs-in信號來自數(shù)字信源bs-out。4.2.3. 時分復用2dpsk通信系統(tǒng)各點測試波形圖4.2.4. 時分復用2fsk通信系統(tǒng)各點測試波形圖5. 實驗中的問題及解決方法1.從上述波形發(fā)現(xiàn)幀同步模塊的fs-in引腳輸出的信號經過數(shù)字終端整形之后輸出的信號碼元持續(xù)時間變短，即fd引腳輸出的信號波形脈沖變窄，不知道原因為何？經過查找資料，得出是整形電路中含有脈沖縮小模塊，所以脈沖寬度變窄。2. 從上述波形發(fā)現(xiàn)bs位同步信號經過延遲之后bd引腳的波形脈沖在bs波形脈沖的前面？經過老師的分析，得出可能是儀器的問題。4.當改變k2 k3為01110010 00111100時，輸出有時不能正確還原原信號？經過討論，得出是傳輸數(shù)據恰合巴克碼一致時，會出現(xiàn)一定幾率的假識別現(xiàn)象。3.位同步脈沖的波形本應該對準基帶信號碼元的中