通信原理實驗指導

1、通信原理實驗指導書湖南文理學院電氣與信息工程學院2012年2月44目錄實驗一數(shù)字基帶與頻帶信號實驗4實驗二同步控制實驗14實驗三模擬信號數(shù)字化及其調(diào)制解調(diào)實驗33實驗四通信系統(tǒng)實驗39實驗一數(shù)字基帶與頻帶信號實驗第一部分數(shù)字基帶信號部分一、實驗目的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的編碼規(guī)則。3 、掌握從HDB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用信號的幀結構特點。5 、了解HDB（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、傳號交替反轉碼（AMI）、三階高密度雙極性

2、碼（HDB）、整流后的AMI碼及整流后的HDB碼。2 、用示波器觀察從HDB碼中和從AMI碼中提取位同步信號的電路中有關波形。3、用示波器觀察HDB、AMI譯碼輸出波形。三、基本原理本實驗使用數(shù)字信源模塊、HDB編譯碼模塊和可編程邏輯器件模塊。1、數(shù)字信源本模塊是整個實驗系統(tǒng)的發(fā)終端。本單元產(chǎn)生NRZ信號，信號碼速率約為170.5KB，幀結構如圖1-1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用信號。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幀結構本模塊有以下測試點及

3、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?FS信源幀同步信號輸出點/測試點?NRZ-OUTNRZ信號輸出點/測試點FS信號可用作示波器的外同步信號，以便觀察2DPSK等信號。FS信號、NRZ-OUT言號之間的相位關系如圖1-2所示，圖中NRZ-OU啲無定義位為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丿元。NRZ-OUTFS圖1-2FS、NRZ-OUT波形2. HDB3編譯碼原理框圖如圖1-3所示。本單元有以下測試點

4、及輸出點:?NRZ_IN編碼器輸入信號?BS_IN位同步輸入信號?NRZ_OUT譯碼器輸出信號?BS-OUT鎖相環(huán)輸出的位同步信號?（AMI）HDB編碼器輸出信號?（AMI）HDBD（AMI）HDB整流輸出信號本模塊上的開關K1用于選擇碼型，K1位于左邊（A端）選擇AMI碼，位于右邊（H端）選擇HDB碼。下面簡單介紹AMI、HDB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；信息代碼0的為0碼。AMI碼對應的波形是占空比為0.5的雙極性歸零碼，即脈沖寬度t與碼元寬度（碼元周期、碼元間隔）Ts的關系是t=0.5Ts。HDB碼的編碼規(guī)律是：4個連0信

5、息碼用取代節(jié)000V或B00V代替，當兩個相鄰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в蟹柕?碼即+1或-1;HDB碼中1、B的符號符合交替反轉原則，而V的符號破壞這種符號交替反轉原則，但相鄰V碼的符號又是交替反轉的；HDB碼是占空比為0.5的雙極性歸零碼。設信息碼為00000110000100000，貝yNRZ碼、AMI碼，HDB碼如圖1-4所示。譯碼時，需將AMI或HDB碼變換成兩路單極性信號分別送到CD22103的第11、第13腳，此任務由雙/單變換電路來完成。當信息代碼連0個數(shù)太多時

6、，從AMI碼中較難于提取穩(wěn)定的位同步信號，而HDB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HDB碼優(yōu)于AMI碼之處。HDB碼及經(jīng)過隨機化處理的AMI碼常被用在PCMH、二、三次群的接口設備中。在實用的HDB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，本實驗目的是掌握HDB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，不一定符合實用要求。信息代碼血疲形00000110110001n0000AM1代碼000001-1000010000AM渡形nH®日代碼B00Vu0-1100-V1

7、000Vhdb我形rLn-PL圖1-4NRZ、AMI、HDB關系圖CD22103的引腳及內(nèi)部框圖如圖1-5所示，引腳功能如下:NRZ-IN1716CTX215HDB3/AM1-314NRZ-OUT413CRX512RAIS611AIS710V89(a)弓|腳圖1-10CD22103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)HDB/AMI碼型選擇端：接TTL高電平時，選擇HDB碼；接TTL低電平時，選擇AMI碼；(4)NRZ-OUTHDB譯碼后信碼輸出端；(5)CRX碼時鐘（位同步信號）輸入端；(6)RAIS告警指示信號（AIS）檢

8、測電路復位端，負脈沖有效；(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HDBAMI編碼規(guī)則的誤碼脈沖輸出端；(10)CKRHDB碼的匯總輸出端；(11)+HD0INHDB譯碼器正碼輸入端；(12)LTFHDE3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)-HDE3-INHDB譯碼器負碼輸入端；(14)-HDE3-OUTHDB編碼器負碼輸出端；（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/

9、s。兩部分功能簡述如下。發(fā)送部分：當HDB/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HDB3碼（+HDB3-0UT-HDB3-0UT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）檢測出所接收的AIS碼，檢測周期由外部RAI

10、S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端輸出高電平，使系統(tǒng)告警電路輸出相應的告警信號，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1 、熟悉信源模塊，AMI&HDB3編譯碼模塊（由可編程邏輯器件模塊實現(xiàn)）和HDB3編譯碼模塊的工作原理。2、打開數(shù)字信號源模塊和AMI&HDB3編譯碼模塊的電源。用示波器觀察數(shù)字信源模塊上的各種信號波形。用FS作為示波器的外同步信號，進行下列觀察：（1）示波器的兩個通道探頭分別接NRZ-OUT和BS-OUT對照發(fā)光二極管的發(fā)

11、光狀態(tài)，判斷數(shù)字信源單元是否已正常工作（1碼對應的發(fā)光管亮，0碼對應的發(fā)光管熄）；（2）用K1產(chǎn)生代碼X1110010（X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用信號幀結構，和NRZ碼特點。3、打開AMI（HDB3）編譯碼模塊電源。將數(shù)字信源模塊的NRZ-OU和BS-OUT用導線分別連接到AMI（HDB3）編譯碼模塊的NRZ-IN和BS-IN上。用示波器觀察HDB編譯單元的各種波形。用信源模塊的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NRZ-OUT和（AMI）HDB,將信源模塊K1、K2、

12、K3的每一位都置1，觀察并記錄全1碼對應的AMI碼和HDB碼；再將K1、K2、K3置為全0，觀察全0碼對應的AMI碼和HDB碼。觀察AMI碼時將開關置于A端，觀察HDB3碼時將K1置于H端，觀察時應注意編碼輸出（AMI）HDB比輸入NRZ-OUT延遲了4個碼元。（2）將K1、K2、K3置于011100100000110000100000態(tài)，觀察并記錄對應的AMI碼和HDB碼。（3）將K1、K2、K3置于任意狀態(tài)，K1置A或H端，CH1接NRZ-OUTCH2分別接（AMI）HDB3-DBPFBS-R和NRZ，觀察這些信號波形。觀察時應注意：?NRZ信號（譯碼輸出）遲后于NRZ-OUT言號（編碼輸

13、入）8個碼元。?AMI、HDB碼是占空比等于0.5的雙極性歸零碼，AMI-D、HDBD是占空比等于0.5的單極性歸零碼。?BS-OUT是一個周期基本恒定（等于一個碼元周期）的TTL電平信號。?本實驗中若24位信源代碼中只有1個“1“碼,則無法從AMI碼中得到一個符合要求的位同步信號,因此不能完成正確的譯碼。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。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)），譯碼輸出NRZ越不穩(wěn)定。而HDB碼則不存在這種問題。五、實驗報告要求1. 根據(jù)實驗步驟記錄實驗結果

14、。2. 根據(jù)實驗觀察和紀錄回答：（1）不歸零碼和歸零碼的特點是什么？（2）與信源代碼中的“1”碼相對應的AMI碼及HDB碼是否一定相同？為什么？第二部分數(shù)字頻帶信號部分一、實驗目的1 、掌握絕對碼、相對碼概念及它們之間的變換關系。2 、掌握用鍵控法產(chǎn)生2ASK2FSK2PSK2DPSK信信號的方法。3 、掌握相對碼波形與2PSK信號波形之間的關系、絕對碼波形與2DPSK信號波形之間的關系。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2ASK2FSK、2PSK2DPSK信號波形。三、基本原理本實驗使用數(shù)字信源模塊和數(shù)字調(diào)制模塊。信源模塊向調(diào)制模塊提供位同步信號和數(shù)字基

15、帶信號（NRZ碼）。調(diào)制模塊將輸入的NRZ絕對碼變?yōu)橄鄬Υa、用鍵控法產(chǎn)生2ASK2FSK、2DPSKB號。調(diào)制單元的原理方框圖如圖1-11所示。圖1-11數(shù)字調(diào)制方框圖?BS-IN?NRZ-IN?CAR?AK（即NRZ-IN）?BK?2DPSK（2PSK-OUT?2FSK-OUT?2ASK本單元有以下測試點及輸入輸出點:位同步信號輸入點數(shù)字基帶信號輸入點2DPSK信號載波測試點絕對碼測試點（與NRZ-IN相同）相對碼測試點2DPSK（2PSK信號測試點/輸出點，Vp-p>0.5V2FSK信號測試點/輸出點，Vp-p>0.5V2ASKB號測試點，Vp-p>0.5VF面重點介紹2

16、PSK2DPSK2PSK2DPSK波形與信息代碼的關系如圖1-12所示。信息代碼1Q1圖1-122PSK、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”。應該說明的是，此處所說的相位變或不變，是指將本碼元內(nèi)信號的初相與一碼元內(nèi)信號的末相進行比較，而不是將相鄰碼元信號的初相進行比較。實際工程中，2

17、PSK或2DPSK信號載波頻率與碼速率之間可能是整數(shù)倍關系也可能是非整數(shù)倍關系。但不管是那種關系，上述結論總是成立的。本單元用碼變換一一2PSK調(diào)制方法產(chǎn)生2DPSK信號，原理框圖及波形圖如圖1-14所示。相對于絕對碼AK2PSK調(diào)制器的輸出就是2DPSK信號，相對于相對碼、2DPSK調(diào)制器的輸出是2PSK信號。圖中設碼元寬度等于載波周期，已調(diào)信號的相位變化與AKBK的關系當然也是符合上述規(guī)律的，即對于AK來說是“1變0不變”關系，對于BK來說是“異變同不變”關系，由AK到BK的變換也符合“1變0不變”規(guī)律。圖1-13中調(diào)制后的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

18、，這取決于載波的參考相位以及異或門電路的初始狀態(tài)。2DPSK通信系統(tǒng)可以克服上述2PSK系統(tǒng)的相位模糊現(xiàn)象，故實際通信中采用2DPSK而不用2PSK（多進制下亦如此，采用多進制差分相位調(diào)制MDPS）此問題將在數(shù)字解調(diào)實驗中再詳細介紹。Bk-12DPSK(AK)2PSK調(diào)制I2PSK(BK)AKEK2DPWW2FSK(BK：1011011011產(chǎn)t圖1-132DPSK調(diào)制器2PSK信號的時域表達式為S(t)=m(t)Cos3ct式中m(t)為雙極性不歸零碼BNRZ當“0”、“1”等概時m(t)中無直流分量，S(t)中無載頻分量，2DPSK言號的頻譜與2PSK相同。2ASK信號的時域表達式與2PS

19、K相同，但m(t)為單極性不歸零碼NRZNRZ中有直流分量，故2ASK信號中有載頻分量。2FSK信號(相位不連續(xù)2FSK)可看成是AK與aK調(diào)制不同載頻信號形成的兩個2ASK信號相加。時域表達式為S(t)m(t)cosc1tm(t)cosc2t2FSK圖1-142ASK、2PSK(2DPSK、2FSK信號功率譜設碼元寬度為Ts，fs=1/Ts在數(shù)值上等于碼速率，2ASK2PSK(2DPSK、2FSK的功率譜密度如圖1-14所示?？梢姡?ASK2PSK(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2ASK2PSK(2DPSK為線性調(diào)制信號。多進制的MASKMPSK(MDPSK

20、、MFSK信號的功率譜與二進制信號功率譜類似。本實驗系統(tǒng)中m(t)是一個周期信號，故m(t)有離散譜，因而2ASK2PSK(2DPSK、2FSK也具有離散譜。四、實驗步驟1、熟悉數(shù)字信源單元及數(shù)字調(diào)制單元的工作原理。2、連線：數(shù)字調(diào)制單元的CLK、BS-IN、NRZ-IN分別連至數(shù)字信號源單元的CLK、BS-OUT、NRZ-OUT。3、打開數(shù)字信源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊得電源。用數(shù)字信源模塊的FS信號作為示波器的外同步信號，示波器CH1接AKCH2接BK信源模塊的K、&、K3置于任意狀態(tài)（非全0），觀察AKBK波形，總結絕對碼至相對碼變換規(guī)律以及從相對碼至絕對碼的變換規(guī)律。4、示波器CH1

21、接2DPSK-0UTCH2分別接AK及BK,觀察并總結2DPSK言號相位變化與絕對碼的關系以及2DPSK信號相位變化與相對碼的關系（此關系即是2PSK信號相位變化與信源代碼的關系）。注意：2DPSK信號的幅度可能不一致，但這并不影響信息的正確傳輸。5、示波器CH1接AKCH2依次接2FSK-0UT和2ASK-0UT觀察這兩個信號與AK的關系（注意“1”碼與“0”碼對應的2FSK信號幅度可能不相等，這對傳輸信息是沒有影響的）。應該注明的是：由于示波器的原因，實驗中可能看不到很理想的2FSK、2DPSK波形。五、實驗報告要求1 、設絕對碼為全1、全0或10011010，求相對碼。2 、設相對碼為全

22、1、全0或10011010，求絕對碼。3 、設信息代碼為10011010，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)律并設計一個由相對碼至絕對碼的變換電路。5、總結2DPSK信號的相位變化與絕對碼的關系以及2DPSK信號的相位變化與相對碼的關系（即2PSK的相位變化與信息代碼之間的關系）。實驗二同步控制實驗第一部分模擬鎖相環(huán)與載波同步實驗一、實驗目的1. 掌握模擬鎖相環(huán)的工作原理，以及環(huán)路的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)、同步帶、捕捉帶等基本概念。2. 掌握用平方環(huán)法從2DPSK信號中提取相干載波的原理及模擬鎖相環(huán)的設計

23、方法。二、實驗內(nèi)容1. 觀察模擬鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)及捕捉過程。2. 觀察環(huán)路的捕捉帶和同步帶。3. 用平方環(huán)法從2DPSK言號中提取載波同步信號，觀察相位模糊現(xiàn)象。三、基本原理常用平方環(huán)或同相正交環(huán)（科斯塔斯環(huán)）從2DPSK信號中提取相干載波。本實驗用平方環(huán)，其原理方框圖及電原理圖如圖2-1、圖2-2所示。PSK/N嚴方放大整形+壓控振蕩器、VCO移相器濾波器CAR-OUT圖2-1載波同步方框圖載波同步模塊上有以下測試點及輸入輸出點:?2DPSK-IN2DPSK言號輸入點?MU平方器輸出測試點，VP-P>1V?COMP鎖相環(huán)輸入信號測試點?Ud鎖相環(huán)壓控電壓測試點?VCO鎖相環(huán)輸

24、出信號測試點，Vp-p>0.2V?CAR-OUT相干載波信號輸出點/測試點圖理原電步同波載2-2圖Z>-工4'-士廠j隹一7第MfrBE-ut氣；-Is-!E塔自口一電7ts詈一豎価筈弋KIfc-ihs-蠱-=-A-j_“三II-!3d=»-T'|11V=e)TAF_l.<吝出01-cN；fa.2yk1<rT-4-m-.鎖相環(huán)由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)及壓控振蕩器(VCO組成，如圖2-3所示。圖2-3鎖相環(huán)方框圖模擬鎖相環(huán)中，PD是一個模擬乘法器，LF是一個有源或無源低通濾波器。鎖相環(huán)路是一個相位負反饋系統(tǒng)，PD檢測Ui(t)與uo(

25、t)之間的相位誤差并進行運算形成誤差電壓Ud(t)，LF用來濾除乘法器輸出的高頻分量(包括和頻及其他的高頻噪聲)形成控制電壓uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。設u(t)=Uisinwit+0i(t),Uo(t)=UoCOSWit+0o(t)，則Ud(t)=UdSin0e(t),0e(t)=0i(t)-0o(t)，故模擬鎖相環(huán)的PD是一個正弦PD。設Uc(t)=ud(t)F(P),F(P)為LF的傳輸算子，VCO的壓控靈敏度為Ko，則環(huán)路的數(shù)學模型如圖2-4所示。i(t)o(t)圖2-4模擬環(huán)數(shù)學模型當e(t)云時，e(t)，令為PD的線性化鑒相靈敏度、單

26、位為V/rad，則環(huán)路線性化數(shù)學模型如圖2-5所示。o(t)圖2-5環(huán)路線性化數(shù)學模型由上述數(shù)學模型進行數(shù)學分析，可得到以下重要結論：?當uI(t)是固定頻率正弦信號(0I(t)為常數(shù))時，在環(huán)路的作用下，VCC輸出信號頻率可以由固有振蕩頻率wo(即環(huán)路無輸入信號、環(huán)路對VCC無控制作用時VCC的振蕩頻率)，變化到輸入信號頻率3I,此時Bo(t)也是一個常數(shù)，Ud(t)、Uc(t)都為直流。我們稱此為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義厶3o=3I-3o為環(huán)路固有頻差，厶3p表示環(huán)路的捕捉帶，3H表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中厶3p<A3缶當|厶3o|<A3P時，環(huán)路可以進入鎖定狀態(tài)。當|A3o|

27、<A3H時環(huán)路可以保持鎖定狀態(tài)。當|A3o|>A3P時，環(huán)路不能進入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若A3o發(fā)生變化使|A3o|>A3H,環(huán)路不能保持鎖定狀態(tài)。這兩種情況下,環(huán)路都將處于失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下ud(t)是一個上下不對稱的差拍電壓,當3I>3o,ud(t)是上寬下窄的差拍電壓；反之ud(t)是一個下寬上窄的差拍電壓。?環(huán)路對0i(t)呈低通特性，即環(huán)路可以將Bi(t)中的低頻成分傳遞到輸出端，Bi(t)中的高頻成分被環(huán)路濾除?；蛘哒f，0o(t)中只含有0i(t)的低頻成分，0i(t)中的高頻成分變成了相位誤差0e(t)。所以當Ul(t)是調(diào)角信號時，環(huán)路對Ul(t)等效

28、為一個帶通濾波器，離3I較遠的頻率成分將被環(huán)路濾掉。?環(huán)路自然諧振頻率3n及阻尼系數(shù)Z(具體公式在下文中給出)是兩個重要參數(shù)。3 n越小，環(huán)路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；Z越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。?當環(huán)路輸入端有噪聲時，0I(t)將發(fā)生抖動，3n越小，環(huán)路濾除噪聲的能力越強。實驗一中的電荷泵鎖相環(huán)4046的性能與模擬環(huán)相似，所以它可以將一個周期不恒定的信號變?yōu)橐粋€等周期信號。有關鎖相環(huán)理論的詳細論述，請讀者參閱文獻。對2DPSK言號進行平方處理后得222S2(t)m2(t)cos2ct(1cos2ct)/2，此信號中只含有直流和23c頻率成分，理論上對此信號再進行隔直流和二

29、分頻處理就可得到相干載波。鎖相環(huán)似乎是多余的，當然并非如此。實際工程中考慮到下述問題必須用鎖相環(huán)：?平方電路不理想，其輸出信號幅度隨數(shù)字基帶信號變化，不是一個標準的二倍頻正弦信號。即平方電路輸出信號頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。?接收機收到的2DPSK信號中含有噪聲(本實驗系統(tǒng)為理想信道，無噪聲)，因而平方電路輸出信號中也含有噪聲，必須用一個窄帶濾波器濾除噪聲。?鎖相環(huán)對輸入電壓信號和噪聲相當于一個帶通濾波器，我們可以選擇適當?shù)沫h(huán)路參數(shù)使帶通濾波器帶寬足夠小。當固有頻差為0時，模擬環(huán)輸出信號的相位超前輸入相位90，必須對除2電路輸出信號進行移相才能得到相干載波。移相電路由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U

30、56:A和U56:B構成。U56:A被設置為上升沿觸發(fā)，U56:B為下降沿觸發(fā)，故改變U56:A輸出信號的寬度即可改變U56:B輸出信號的相位，從而改變相干載波的相位。此移相電路的移相范圍小于90?？蓪ο喔奢d波的相位模糊作如下解釋。在數(shù)學上對cos23ct進行除2運算的結果是cos3ct或-cos3ct。實際電路也決定了相干載波可能有兩個相反的相位，因二分頻器的初始狀態(tài)可以為“0”也可以是“1”。在本套實驗裝置中，鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器采用數(shù)字集成瑣相環(huán)芯片CD4046現(xiàn)對此芯片介紹如下：CD4046是一數(shù)字集成鎖相環(huán)，它包括鑒相器和壓控振蕩器。它的組成框圖如上圖所示。該片內(nèi)有兩個鑒相

31、器供選擇，一個是異或門鑒相器，一個是鑒頻-鑒相器。四、實驗步驟本實驗使用數(shù)字信源、數(shù)字調(diào)制、載波同步及模擬鎖相環(huán)三個模塊。1. 熟悉上述四個模塊的工作原理。2. 將信源模塊的BS-OUTNRZ-OUTCLK分別連接到數(shù)字調(diào)制模塊的BS-IN、NRZ-IN和CLK再將調(diào)制模塊的2DPSK連接到載波同步模塊的2DPSK-IN。將模擬鎖相環(huán)及載波同步單元的KEY波動開關撥到上方，用示波器順序觀察2DPSKMU,VCO,COMP,U0CAR-OUT信號，結合原理圖理解從2DPSK信號中提取載波的過程。3用示波器觀察鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)。環(huán)路鎖定時，環(huán)路輸入信號頻率等于反饋信號頻率，即COMP與V

32、CC的頻率相等，這時如觀察Ud為近似鋸型波的穩(wěn)定波形。環(huán)路失鎖時環(huán)路輸入信號頻率與反饋信號頻率不相等，即此時COM與VCC的頻率不相等，這時如觀察Ud為不穩(wěn)定波形。根據(jù)上述特點可判斷環(huán)路的工作狀態(tài)，具體實驗步驟如下：1）觀察鎖定狀態(tài)與失鎖狀態(tài)向下?lián)軇娱_關KEY,接通電源后用示波器觀察Ud,若Ud為穩(wěn)定波形，則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的電位器R26,Ud隨R26減小而減小，隨R26增大而增大，這說明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。用示波器兩路探頭同時觀察COMPVCO可以看到兩個信號頻率相等。也可以用頻率計分別測量COMP口VCO頻率。在鎖定狀態(tài)下，向某一方向變化R26,可使Ud由穩(wěn)定的波形變?yōu)椴环€(wěn)定，COMP口V

33、CC頻率不再相等，環(huán)路由鎖定狀態(tài)變?yōu)槭фi。接通電源后Ud也可能是不穩(wěn)定的差拍信號，表示環(huán)路已處于失鎖狀態(tài)。失鎖時Ud的最大值和最小值就是鎖定狀態(tài)下Ud的變化范圍（對應于環(huán)路的同步范圍）。環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時，COMPVCQ頻率不相等。調(diào)節(jié)R26使ud的差拍頻率降低，當頻率降低到某一程度時Ud會突然變成穩(wěn)定的信號，環(huán)路由失鎖狀態(tài)變?yōu)殒i定狀態(tài)。2）測量同步帶與捕捉帶將雙蹤示波器兩路探頭分別接在COMR鎖相環(huán)輸入頻率fi）和VCO端，調(diào)節(jié)R26,使環(huán)路處于良好的鎖定狀態(tài)，即示波器上兩路波形不但清晰穩(wěn)定，而且要盡可能地保持很小的相位差。 同步帶測量：緩慢調(diào)節(jié)R26使COM端的頻率fi向下，直到剛好出現(xiàn)失

34、鎖現(xiàn)象時停止調(diào)節(jié)R26,記下此時的鎖相環(huán)輸入頻率fi1;緩慢調(diào)節(jié)R26使COMP端的頻率fi向上，使環(huán)路重新鎖定,直到再次出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時停止調(diào)節(jié)R26，記下此時的信號源輸出頻率fi2,則環(huán)路的同步帶為fi1-fi2。 捕捉帶測量：緩慢調(diào)節(jié)R26,使COMP端的頻率fi向下出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，向上緩慢調(diào)節(jié)fi,直到環(huán)路剛好入鎖，記下此時的信號源輸出頻率fi3;然后向上調(diào)節(jié)fi,使環(huán)路重新失鎖后,再向下緩慢調(diào)節(jié)fi直到環(huán)路剛好入鎖,記下此時的信號源輸出頻率fi4則環(huán)路的捕捉帶為fi4-fi3。五、實驗報告要求1. 總結鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)及失鎖狀態(tài)的特點。2. 根據(jù)實驗結果計算環(huán)路同步帶厶fH及捕捉帶厶fp。

35、3. 總結用平方環(huán)提取相干載波的原理及相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。4. 設VCC固有振蕩頻率fo不變，環(huán)路輸入信號頻率可以改變，試擬訂測量環(huán)路同步帶及捕捉帶的步驟。第二部分全數(shù)字鎖相環(huán)與位同步實驗一、實驗目的1. 掌握數(shù)字鎖相環(huán)工作原理以及微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)的快速捕獲原號理。2. 掌握用數(shù)字環(huán)提取位同步信號的原理及對信息代碼的要求。3. 掌握位同步器的同步建立時間、同步保持時間、位同步信號同步抖動等概念。二、實驗內(nèi)容1. 觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài)、鎖定狀態(tài)。2. 觀察數(shù)字環(huán)鎖定狀態(tài)下位同步信號的相位抖動現(xiàn)象及相位抖動大小與固有頻差、信息代碼的關系。3. 觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時間與固有頻差之間

36、的關系。三、基本原理位同步電路的原理框圖、波形圖和電路圖分別如圖2-6、圖2-7和圖2-8所示。一、位同步模塊有以下測試點及輸入輸出點：?S-IN基帶信號輸入、測試點?BS-OUT位同步信號輸出、測試點圖2-6中各單元與圖2-7中兀器件的對應關系如下：?晶振XI：晶體；?微分器U1DLF347?放大器U1CLF347?整流器U1BU1ALF347?單穩(wěn)電路U2、U3:74LS123?分頻器U4:EPM7064?門電路U4:EPM7064三、工作原理在本系統(tǒng)中采用的是微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)，它主要由波形轉換電路及數(shù)字鎖相器組成。1. 波形轉換電路波形轉換電路主要由一微分、整流電路組成，碼元信號經(jīng)微

37、分、整流后就可以提出位同步信號分量，其波形如圖2-9所示，原理框圖如圖2-6所示。J.1aIkhfT圖2-9基帶信號微分、整流波形2. 數(shù)字鎖相數(shù)字鎖相的原理方框圖如圖2-6所示，它由穩(wěn)定度振蕩器、分頻器、相位比較器和控制器組成。其中，控制器包括圖中的扣除門、附加門和“或門”。高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)整形電路變成周期性脈沖，然后經(jīng)控制器再送入分頻器，輸出位同步脈沖序列。若接收碼元的速率為F（波特），則要求位同步脈沖的重復速率也為F（赫）。這里晶振的圖2-6位同步器方框圖振蕩頻率設計在nF（赫），由晶振輸出經(jīng)整形得到重復頻率為nF（赫）的窄脈沖（圖2-7中的b（b'）。如果接收端晶振輸

38、出經(jīng)n次分頻后，不能準確地和收到的碼元信號同頻同相，這時就要根據(jù)相位比器輸出的誤差信號，通過控制器對分頻器進行調(diào)整。從經(jīng)微分、整流后的碼元信息中就可以獲得接收碼元所有過零點的信息，其工作波形如圖2-9所示。得到接收碼元的相位后，再將它加于相位比較器去比較。首先，先不管圖中的單穩(wěn)3,設接收信號為不歸零脈沖（波形a），我們將每個碼元的寬度分兩個區(qū)，前半碼元稱為“滯后區(qū)”，即若位同步脈沖波形b落入此區(qū)，表示位同步脈沖的相位滯后于接收碼元的相位；同樣，后半碼元稱為“超前區(qū)”。接收碼元經(jīng)微分整流，并經(jīng)單穩(wěn)4電路后，輸出如波形e所示的脈沖。當位同步脈沖波形b（它是由n次分頻器d端的輸出，取其上升沿而形成的

39、脈沖）位于超前區(qū)時，波形e和分頻器d端的輸出波形d使與門A有輸出，該輸出再經(jīng)過單穩(wěn)1就產(chǎn)生一超前脈沖（波形f）。若位同步脈沖波形b'（圖中的虛線表示）落于滯后區(qū)，分頻器c端的輸出波形（c端波形和d端波形為反相關系）如波形c'所示，則與門B有輸出，再經(jīng)過單穩(wěn)2產(chǎn)生一滯后脈沖（波形g）。這樣，無論位同步脈沖超前或滯后，都會分別送出超前或滯后脈沖對加于分頻器的脈沖進行扣除或附加，因而達到相位調(diào)整的目的。超前區(qū)I滯號區(qū)|超前區(qū)|滯后區(qū)|.圖2-7波形圖現(xiàn)在討論圖中的單穩(wěn)3的作用。同波形圖看到，位同步脈沖帥分頻器d端輸出波形（波形d）的正沿而形成的，所以相位調(diào)整的最后結果應該合波形d的正

40、沿對齊窄脈沖e（即d的正沿位于窄脈沖之內(nèi)）。若d端產(chǎn)輸出波形最后調(diào)整到如波形圖d'所示的位置，則A、B兩個與門都有輸出；先是通過與門B輸出一個滯后脈沖，后是通過與門A輸出一超前脈沖。這樣調(diào)整的結果使位同步信號的相位穩(wěn)定在這一位置，這是我們所需要的。然而，如果d端的輸出波形調(diào)整到波形圖d'的位置，這時，AB兩個與門出都有輸出，只是這時是先通過A門輸出一超前脈沖，而后通過B門輸出一滯后脈沖。如果不采取措施，位同步信號的相位也可以穩(wěn)定在這一位置，則輸出的位同步脈沖（波形b）就會與接收碼元的相位相差180°?？朔@種不正確鎖定的辦法，是利用在這種情況下A門先有輸出的這一特點。

41、當A門先有輸出時，這個輸出一方面產(chǎn)和超前脈沖對鎖相環(huán)進行調(diào)整；另一方面，這個輸出經(jīng)單穩(wěn)3產(chǎn)生一脈沖將與門B封閉，不會再產(chǎn)生滯后脈沖。這樣通過A六不斷輸出超前脈沖，就可以高速分頻器的輸出的相位，直到波形d的正沿對齊窄脈沖（波形e）為止。2-8位同步器電路圖3. 數(shù)字鎖相抗干擾性能的改善由圖2-7可見，若干擾很小，它使波形e中窄脈沖左右擺動的幅度不大，那么，波形d的正沿位置可能仍在波形e的窄脈沖寬度之內(nèi)。這時，由于送出的超前、滯后脈沖相互抵消，因而位同步脈沖的相位仍穩(wěn)定不變。若干擾較大，使波形圖b的位同步脈沖忽落入超前區(qū)，忽落入?yún)^(qū)滯后，鎖相環(huán)就要進行調(diào)整了，這就會引起不希望的相位抖動。此時，我們可

42、以仿照模擬鎖相環(huán)鑒相器后加有環(huán)路濾波器的方法，在數(shù)字鎖相環(huán)的鑒相器后也可加一個數(shù)字式濾波器。圖2-10顯示了這種方案的原理框圖。在圖中包含了一個計超前脈沖數(shù)和一個計滯后脈沖數(shù)的N計數(shù)器，超前脈沖或滯后脈沖還通過或門加于一M計數(shù)器。選擇（N<M<2）無論哪個計數(shù)器計滿，都會使所有的計數(shù)器重新置0'當鑒相器送出超前脈沖或滯后脈沖時，濾波器并不馬上就將它送去進行相位調(diào)整，而是要分別對輸入的超前或滯后脈沖進行計數(shù)。如果位同步信號的相位確實是超前或滯后了，則連續(xù)輸入的超前或滯后脈沖就會使超前滯后脈沖的N計數(shù)器先計滿。這時，濾波器就輸出一超前或滯后脈沖，使觸發(fā)器C1或C2輸出高電平打開

43、與門1或與門2，輸入的超前或滯后脈沖就通過這兩個與門加到相位調(diào)整電路，若連續(xù)輸入超前或滯后脈沖，那么，由于這時觸發(fā)器的輸出已使與門打開，這些脈沖就可以連續(xù)送到相位調(diào)整電路，同時將三個計數(shù)器都置0'如果是同于干擾的作用，使鑒相器輸出零星的超前或滯后脈沖，而且這兩種脈沖是隨機出現(xiàn)，那么，當兩個N計數(shù)器中的任何一個都沒有計滿時，M計數(shù)器就可能已經(jīng)計滿了，并將三個計數(shù)器又置0'因此濾波器沒有輸出，就樣就消除了隨機干擾對同步信號相位的調(diào)整。圖2-10數(shù)字濾波器方案四、實驗步驟本實驗使用數(shù)字信源模塊和位同步模塊。1 、熟悉數(shù)字信源模塊和位同步模塊。將數(shù)字信源的輸出信號NRZ-OUT連接到位

44、同步模塊NRZIN端，打開電源開關、數(shù)字信源模塊和位同步模塊開關。調(diào)整信源模塊的K1、K2、K3,使NRZ-OUT勺連“0”和連“1”個數(shù)較少。2 、觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。將示波器的兩個探頭分別接數(shù)字信源模塊的NRZ-OUT和位同步模塊的BS-OUT調(diào)節(jié)位同步模塊上的可變電阻R1,觀察數(shù)字環(huán)的鎖定狀態(tài)和失鎖狀態(tài)。鎖定時BS-OUT信號上升沿位于NRZ-OUT言號的碼元中間且在很小范圍內(nèi)抖動；失鎖時，BS-OUT的相位抖動很大，可能超出一個碼元寬度范圍，變得模糊混亂。3 、觀察位同步信號抖動范圍與位同步器輸入信號連“1”或連“0”個數(shù)的關系。調(diào)節(jié)可變電阻環(huán)路鎖定且BS-OUT信號相位抖

45、動范圍最?。垂逃蓄l差最?。?，增大NRZ-OUTW號的連“0”或連“1”個數(shù)，觀察BS-OUT信號的相位抖動變化情況。4、觀察位同步器的快速捕捉現(xiàn)象、位同步信號相位抖動大小及同步保持時間與環(huán)路固有頻差的關系。使BS-OUT信號的相位抖動最小，斷開位同步單元的輸入信號，觀察NRZ-OUT與BS-OUT信號的相位關系變化快慢情況，接通位同步單元的輸入信號，觀察快速捕捉現(xiàn)象（位同步信號BS-OUT的相位一步調(diào)整到位）。再微調(diào)位同步單元上的可變電路（即增大固有頻差）當BS-OUT相位抖動增大時斷開位同步單元的輸入信號，觀察NRZ-OUT言號與BS-OUT信號的相位關變化快慢情況并與固有頻差最小時進行定

46、性比較。五、實驗報告要求1 、數(shù)字環(huán)位同步器輸入NRZ碼連“1”或連“0”個數(shù)增加時，提取的位同步信號相位抖動增大，試解釋此現(xiàn)象。2 、設數(shù)字環(huán)固有頻差為厶f,允許同步信號相位抖動范圍為碼元寬度Ts的n倍，求同步保持時間tc及允許輸入的NRZ碼的連“1”或“0”個數(shù)最大值。3 、數(shù)字環(huán)同步器的同步抖動范圍隨固有頻差增大而增大，試解釋此現(xiàn)象。4、若將AMI碼或HDB碼整流后作為數(shù)字環(huán)位同步器的輸入信號，能否提取出位同步信號？為什么？對這兩種碼的連“1”個數(shù)有無限制？對AMI碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制？對HDB碼的信息代碼中連“0”個數(shù)有無限制？為什么？5、提出一種新的環(huán)路濾波器，使環(huán)路具

47、有更好的抗噪能力。7、設計出一種新的鎖相環(huán)，并且使用CPLD來實現(xiàn)。第三部分幀同步實驗一、實驗目的1. 掌握巴克碼識別原理。2. 掌握同步保護原理。3. 掌握假同步、漏同步、捕捉態(tài)、維持態(tài)概念。二、實驗內(nèi)容1. 觀察幀同步碼無錯誤時幀同步器的維持態(tài)。2. 觀察幀同步碼有一位錯誤時幀同步器的維持態(tài)和捕捉態(tài)。3. 觀察同步器的假同步現(xiàn)象和同步保護作用。三、基本原理在時分復用通信系統(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，可以集中插入、也可以分散插入。本實驗系統(tǒng)中幀同步碼為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及電原理圖分別如圖2-11、圖2

48、-12所示。本模塊有以下測試點及輸入輸出點：?S-IN數(shù)字基帶信號輸入點?BS-IN位同步信號輸入點?GAL巴克碼識別器輸出信號測試點?-2424分頻器輸出信號測試點?FS-OUT幀同步信號輸出點/測試點圖2-11中各單元與圖2-12中元器件的對應關系如下：?相加器?判決器?單穩(wěn)?與門1?與門2?與門3?與門4?或門?3分頻器U52:可編程邏輯器件GAL20V8U53:可編程邏輯器件GAL20V8U59:A:單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123U56:D:與門7408U56:B:與門4708U56:A:與門7408U56:C:與門7408U58:A:或門74LS32U54:計數(shù)器74LS393U55:A

49、:JK觸發(fā)器74LS109?觸發(fā)器?十24分頻器U60:計數(shù)器79LS393;U61:A,C:與門74LS08;U58:C:或門74LS32?移位寄存器U50U51:四位移位寄存器74175圖2-11幀同步模塊原理框圖從總體上看，本模塊可分為巴克碼識別器及同步保護兩部分。巴克碼識別器包括移位寄存器、相加器和判決器，圖2-11中的其余部分完成同步保護功能。移位寄存器由兩片74175組成，移位時鐘信號是位同步信號。當7位巴克碼全部進入移位寄存器時，U50的Q、Q、Q、Q及U51的Q、Q、Q都為1，它們輸入到相加器U52的數(shù)據(jù)輸入端DoD6，U52的輸出端Y。、丫1、丫2都為1,表示輸入端為7個1。

50、若Y2YYo=1OO時，表示輸入端有4個1,依此類推，丫2丫丫0的不同狀態(tài)表示了U52輸入端為1的個數(shù)。判決器U53有6個輸入端。IN2、IN1、INo分別與U52的YY、Y0相連，L2、L1、Lo與判決門限控制電壓相連，L2、L1已設置為1，而Lo由同步保護部分控制，可能為1也可能為0。在幀同步模塊電路中有發(fā)光二極管指示燈P3與判決門限控制電壓相對應，即與Lo對應，燈亮對應1,燈熄對應0。判決電平測試點TH就是Lo信號，它與指示燈P3狀態(tài)相對應。當L2L1Lo=111時門限為7,燈亮，TH為高電平；當L2LLo=11o時門限為6，P3熄，TH為低電平。當U52輸入端為1的個數(shù)（即U53的IN

51、zNINo）大于或等于判決門限于L2L1Lo,識別器就會輸出一個脈沖信號。當基帶信號里的幀同步碼無錯誤時（七位全對），把位同步信號和數(shù)字基帶信號輸入給移位寄存器，識別器就會有幀同步識別信號GAL輸出，各種信號波形及時序關系如圖2-13所示，GAL信號的上升沿與最后一位幀同步碼的結束時刻對齊。圖中還給出了十24信號及幀同步器最終輸出的幀同步信號FS-OUTFS-OUT的上升沿稍遲后于GAL的上升沿。s-in_LjinrLTLTLrLrLrLrLJl_tltlgal_+24IIFS-OUT圖2-13幀同步器信號波形flsEblIBlrLITLL匚二=JLi.Ju一二_口a-VJwwx_urn-W4

52、V4圖路電塊模步冋幀21-Ip十24信號是將位同步信號進行24分頻得到的，其周期與幀同步信號的周期相同（因為一幀24位是確定的），但其相位不一定符合要求。當識別器輸出一個GAL脈沖信號時（即捕獲到一組正確的幀同步碼），在GAL信號和同步保護器的作用下，十24電路置零，從而使輸出的十24信號下降沿與GAL信號的上升沿對齊。十24信號再送給后級的單穩(wěn)電路，單穩(wěn)設置為下降沿觸發(fā)，其輸出信號的上升沿比十24信號的下降沿稍有延遲。同步器最終輸出的幀同步信號FS-OUT是由同步保護器中的與門3對單穩(wěn)輸出的信號及狀態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出信號進行“與”運算得到的。電路中同步保護器的作用是減小假同步和漏同步。當無基

53、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（即輸出為0）,與門1關閉、與門2打開，單穩(wěn)輸出信號通過與門2后輸入到十3電路，十3電路的輸出信號使狀態(tài)觸發(fā)器置“0”，從而關閉與門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）、且關閉或門、打開與門1，同步器處于捕捉態(tài)。只要識別器輸出一個GAL信號（因為判決門限比較高，這個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十24分頻器置零，十24分頻器輸出與GAL信號同頻同相的的周期信號（見圖2-12）。識別器輸出的GAL脈沖信號通過與門1后使狀態(tài)觸發(fā)器置“1”，從而打開與門3，輸出幀同步信號FS-OUT同時使判決器門限降為6（P3燈熄）、打開或門、同步器進入維持狀態(tài)。在維持狀態(tài)下，因為判決門限較低，故識別器的漏識別概率減小，假識別概