通信原理實驗

31、掌握單極性碼、雙極性碼、歸零碼、非歸零碼等基帶信號波形特點。334、掌握集中插入幀同步碼同步時分復用信號的幀結構特點。本實驗使用數(shù)字信源模塊和AMI/HDB編譯碼模塊。3信源模塊本模塊是整個實驗系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內部使用+5V電壓，其原理方框圖如圖1.1所示，電原理圖ps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”碼。并并行碼產(chǎn)生器八選一八選一分CLK晶振NRZ一BS-OUT樣NRZ-OUT電路抽器頻定義位本模塊有以下信號測試點及輸出點：LKBS-OUTSNRZ-OUT(AK)晶振信號測試點信源位定時信號測試點/輸出點信源幀定時信號測試點0140ES1LU4711640CS01LU475k1RC21YRC31F1U21KLC31SF40L47D91U2140SL47L741TUO-ZRN654340SL47A02U40SL47F02U-S2121311S2S3SM16789014534411112222LMPEIIIIIIIILMPENNLL1CLL1CCEEOOOOOOOOOOOOOOIIIIIIIIIIIIIIIU456789123444222211113232432324CBAZCBAZCBAZ52XXXXXXXSHDINDI62XXXXXXXSHDINDI72XXXXXXXSHDINDI123456795101123456790112345679517LS6LS8L7L61L51L5LS6L41LLL5LK1X8K1X831L21LK1X82LS3L11LP19IDW-S1K12345678CCV1LS0LS2LPL8191PLIDW-S2K12345678CCV01LPL8199PLIDW-S3K12345678CCV28頁腳內容并行碼產(chǎn)生器選一K1、K2、K3：8位手動開關，從左到右依次與幀同步碼、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)、三選一、倒相器、抽樣等單元由一片CPLD(Altera公司的EPM7064芯片或其全兼容芯片－ATMEL公司的ATF1504AS)完成。下面對其工作過程進一步說明。(1)分頻器(2)八選一CBADISZ0000000100010000110010000101001100011100ΦΦΦ100ΦΦΦΦ1(3)三選一用信號，此信號為單極性非歸零信號(NRZ)。(4)倒相與抽樣有一個將絕對碼變?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定時信號的上升沿對齊，而這兩個信號由數(shù)字信源提供。倒相與抽樣就是為此而設計的，它們使NRZ-OUT及BS-OUT信號滿足數(shù)字調制模塊中碼變換電路的要求。幀同步碼數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2NRZ-OUTSFS號，以便觀察實驗1~實驗8中的有關信號。2.AMI/HDB編譯碼模塊3本模塊的原理框圖如圖1.6所示，電原理圖如圖1.7所示，圖中NRZ-IN接信源模塊的輸出信號NRZ-OUT，BS-IN接信源模塊的輸出位定時信號BS-OUT，它們已在印刷電路板上連通。模塊內部使用+5VNRZ譯碼器輸出信號測試點BS-R鎖相環(huán)輸出的位同步信號測試點AMI-HDB3BPF編碼器輸出信號測試點帶通濾波器輸出信號測試點DET整流器輸出信號測試點NRZBS-R鎖相環(huán)限幅放大BPF帶通濾波器DET雙單極性變換器單雙極性變換器NRZ-INBS-INAMI-HDBAMI/HDB相加器+H-OUT3圖1.6AMI/HDB編譯碼方框圖3本模塊上的開關K4用于選擇編譯碼對應的碼型，K4置于左邊時選擇AMI碼，置于右邊選擇HDB碼。3本模塊核心單元AMI/HDB編譯碼器是和信源部分單元共用一片CPLD完成的，其設計實現(xiàn)方法在附3錄中有詳細介紹。：單雙極性變換器雙單極性變換器相加器帶通濾波器鎖相環(huán)9K8K1H39K8K1H3KH1ACUUC4320407044V5V-471K12471K23230K0KTUHNIC434671HNIC4346715115PFPB6BCUUCUUCV5CV-74762361M51M7K87U7K87UL45-5-C2235R5-S5R5-SB61XH30TXH30TI2504EI2504CE2E3ABCE2E3ABXYXV944944C5-VZRC5-VZ4N440472D372EU1U12122424474FU1U4040BC3BCCCIIIIIIIIIIIIIIIIIIS664406644CCKENN2KK2K52KK2K555++554I3BDAI3BD5+5AMI/HDB3HDB碼的編碼規(guī)律是：4個連“0”二進制信息碼用取代節(jié)“000V”或“B00V”代替，當兩個相鄰V3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”；其它的信息碼中“0”碼編碼后仍為“0”碼；信息碼的“1”碼編碼后變?yōu)椤?1”碼或“-1”碼。HDB碼中“1”、“B”的符號與其前一個非“0”碼的符號相反，符合交替反轉原則；而“V”3的符號與其前一個非“0”碼的符號相同，破壞了符號交替反轉原則；但相鄰V碼的符號又是交替反轉3碼和“-V”碼對應負脈沖，而正脈沖和負脈沖的寬度τ與碼元周期T的關系是τ=0.5T。SS333S分析表明，AMI碼及HDB碼的功率譜如圖1.9所示，它不含有離散譜f成份(f=1/T，等于位定3SSS時信號頻率)。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)模轉換電路。在做譯碼時必須提供位同步信號。工程上，可以將AMI或HDB碼數(shù)字信號進行整流處理，得到占空比為0.5的單極3性歸零碼。這種信號的功率譜也在圖1.11中給出。由于整流后的AMI碼、HDB碼中含有離散譜f，故3S可用一個窄帶濾波器得到頻率為f的正弦波，整形處理后即可得到位同步信號。當然，也可以將整流后S的AMI碼或HDB碼直接送給數(shù)字鎖相環(huán)，從而提取位同步信號。3下面簡單說明模塊的工作過程：CPLD對輸入信號NRZ以BS為時鐘進行分析處理(詳細處理方法和過程見附錄2)，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HDB碼的正極性信號及負極性信號相對應。這兩路信號經(jīng)單雙極性變換后得到AMI碼或HDB碼。33雙單極性變換及相加器構成一個整流器。整流后的AMI或HDB(即DET)信號含有位定時信號頻率3離散譜。本模塊中帶通濾波器實際是一個正反饋放大器。當無輸入信號時，它工作在自激狀態(tài)，輸入信號將放大器的自激信號頻率向碼速率方向牽引。它的輸出信號(即BPF)是一個幅度和周期都不恒定的準周期信號。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，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。當鎖相環(huán)的自然諧振頻率足夠小時，對其輸入信號可等效為窄帶帶通濾波器。本模塊中采用電荷泵鎖相環(huán)構成一個Q值約為35的的窄帶帶通濾波器，它可以減小其輸入脈沖的周期變化，從而輸出一個符合譯碼器要求的位同步信號BS-R。譯碼時，需將AMI或HDB碼的正脈沖和負脈沖變換成兩路單極性信號送到CPLD，此任務由雙單極3當信息代碼連“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HDB中連“0”個數(shù)3最多為3，這對提取高質量的位同信號是有利的。這也是HDB碼優(yōu)于AMI碼之處。3在實際工程中的AMI與HDB編譯碼電路里，單雙極性變換器一般由變壓器完成；雙單極性變換電路3一般由變壓器、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，3故對極性變換電路作了簡化處理。1、熟悉數(shù)字信源模塊和AMI/HDB編譯碼模塊的工作原理，接好電源線，打開實驗設備電源開關。3置于外同步觸發(fā)狀態(tài)，用信源模塊的FS信號作為示波器的外同步觸發(fā)信號。示波器探頭的地線接在信源模塊的GND點，進行下列觀察：(1)示波器的兩個通道探頭分別接信源模塊的測試點NRZ-OUT和BS-OUT，對照發(fā)光二極管的發(fā)光；信息代碼，觀察NRZ碼特點(只有正脈沖且“1”碼的脈沖寬度等于位時鐘周期)以及集中插入幀同步碼同步時分復用信號幀結構特點(幀同步碼被集中插入到每一幀的固定位置，各路數(shù)據(jù)占有各自固定的時隙)。3、用示波器觀察并記錄AMI/HDB編譯碼模塊的各種波形。3CHCH接信源模塊的測試點NRZ-OUT和AMI/HDB3模塊的測試點AMI-HDB，將信源模塊的K1、K2、K3每一位都置1，觀察并記錄全1碼對應的AMI碼(開關K4置于左3方AMI端)波形和HDB碼(開關K4置于右方HDB端)波形。再將K1、K2、K3置為全0，觀察并記錄全3333 (2)將K1、K2、K3置于011100100000110000100000態(tài)，觀察并記錄對應的AMI碼和HDB333AMI/HDB模塊的NRZ信號(譯碼輸出)滯后于信源模塊的NRZ-OUT信號(編碼輸入)約8個碼3R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HDB碼則不存在這種問題。本實驗中若24位信源代碼中連“0”很多時，3則難以從AMI碼中得到一個符合要求的穩(wěn)定的位同步信號，因此不能完成正確的譯碼(由于分離參數(shù)的影響，各實驗設備所能觀察到的現(xiàn)象可能不同。一般可將信源代碼置成只有1個“1”碼的狀態(tài)來觀察(1)非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？33式為P(f)=fP(1P)G2(f)+f2P2G2(mf)6(fmf)sssssm=式中f=1/T，P為“1”碼的概率，G(f)=0.5TSa(0.5f/f)。試用此公式說明：為什么信息代ssss碼中的連“0”碼越長，越難于從AMI碼中提取位同步信號，而HDB碼則不存在此問題。31、掌握絕對碼(AK)、相對碼(BK)的概念以及它們之間的關系。原理基礎。在HUSTTX系列實驗設備中只包含二進制數(shù)字調制，多進制調制實驗由仿真軟件實現(xiàn)，需要仿真軟件的讀者可以向作者索取，當然也可以使用有關商業(yè)軟件或自己開發(fā)。本實驗使用數(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)字基帶信號和位定時信號。的輸出信號CLK，NRZ-IN(AK)接信源模塊的輸出信號NRZ-OUT(AK)，BS-IN接信源模塊的輸出位定時信CLK-IN(A)CLK-IN(A)(A)器NRZ-器NRZ-IN(AK)KBS-IN數(shù)字調制模塊上有以下信號測試點：ARBKK2FSK2ASK相對碼測試點2DPSK信號測試點，V>0.5VP-P2FSK信號測試點，V>0.5VP-P2ASK信號測試點，V>0.5VP-P4.7K4.7K4.7K5KL14.7KBS-IN3U18ADQ25014KLC13U19U19AU21X4X7X0ABINHB9C89NRZ-IN(AK)37621359U22Y0Y1ABC4.7KY4Z6INH7VEEVCC2DPSK2FSK2ASK0U909DDDSCLKQDQC31L2VCC1.5K0U18B174LS7499QDDQS4.7K4.7KQQCCLK-IN315K5K碼變換器放大器射隨器U4053U4053波信號，頻率為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，這兩個信應該說明的是，此處所說的相位變或不變，是指將本碼元內信號的初相與上一碼元內信號的末相進之間可能是整數(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。號。圖中設碼元寬度等于載波周期，已調信號的相位與AK的關系是“1”變“0”不變，與BK的關系是波的參考相位以及異或門電路的初始狀態(tài)。BKAKBKAK(a)S(t)=m(t)Cosct(2.1)信號中有載頻分量。SKfc-fsfc-fsfcfc+fsf(b)2PSK(2DPSK)功率譜tc1c2設碼元寬度為T，f=1／T在數(shù)值上等于碼速率，2ASK、2PSK(2DPSK)、2FSK的功率譜密度如圖SSS2PSK(2DPSK)為線性已調信號。而2FSK的功率譜與m(t)的功率譜之間不是線性搬移關系，稱為非線性應特別說明的是，在現(xiàn)代通信中，常將矩形數(shù)字基帶信號進行低通濾波器處理后與載波信號相乘，從而構成二進制或多進制線性已調信號，低通濾波器的頻率特性為余弦滾降特性或其開平方。為了方便用示波器觀察已調信號波形，HUSTTX系列實驗設備中仍采用矩形信號作為調制器的基帶信號。另外在ffc-fsfcfc+fsf(a)2ASK功率譜ffc1-fsfc1fcfc1-fsfc1(c)2FSK功率譜(fc2-fc1>2fs)ASKPSKDPSK2FSK信號功率譜容及實驗步驟1、熟悉數(shù)字調制模塊的工作原理。接通電源，打開實驗箱電源開關。將數(shù)字調制模塊單刀雙擲開步觸發(fā)狀態(tài)，用數(shù)字信源模塊的FS信號作為示波器的外同步觸發(fā)信號。示波若用模擬示波器觀察，帶衰減探頭的靈敏度應置于X10檔，以減小探頭輸入電容對信號波形的接已調信號的示波器探頭(CH1)的地線應接在數(shù)字調制模塊的GND點，以免已調信號相位不連續(xù)幾種已調信號幅度遠小于基帶信號的幅度，觀察時要適當調節(jié)示波器CH1通道的幅度旋鈕，增題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。2DPSK信號的相位變化與信息代碼(即絕對碼)之間的關系以及2DPSK信號的相位變化與相對碼之間的關系(即2PSK的相位變化與信息代碼之間的關系)。實驗目的驗原理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K法有：包絡檢波法、相干解調法、鑒頻法、過零檢測法等。T器器器器KOUT2DPSK-IN比較CM器相乘MU低通濾器波器器CAR-INVCBS-IN整形整形CMKOUT2FSK-INKOUT2FSK-IN器器(b)2FSK過零檢測解調BS-IN在實際應用的通信系統(tǒng)中，解調器的輸入端都有一個帶通濾波器用來濾除帶外的信道噪聲并確保系統(tǒng)的頻率特性符合無碼間串擾條件。在TX系列實驗設備中為了簡化實驗設備，方便觀察信號波形，數(shù)字調制的輸出端沒有帶通濾波器，信道是理想的，解調器輸入端也沒有帶通濾波器。2DPSK解調模塊上有以下信號測試點及輸入輸出點：MUPFVCBKAK-OUT相乘器輸出信號測試點低通、運放輸出信號測試點比較器比較電壓測試點比較器輸出信號測試點/輸出點解調輸出相對碼測試點解調輸出絕對碼測試點/輸出點VRR526AVRR526A7U704H4H22k407kTUO-K56A564C3U4375AA2L4QDSDKLC5223MC117UL44+8+2FPL3cV+29229+292932300.NI4-4RR1PD2KBDC2-03U70.0NI-RAC43HU4716147ML323285533L29QDSDCCCCCV4B7U47LDC21CCV309307C17.8K8R03R04-2K4-2K33202R1R1C0.261592U6941CM21--46047011R5k8k1RC109C109.TUO-KANI-SB21-60600UM21-40EC4H4D3U437CCV2110198CCVC6.40R40NI-KSF2CCV4DS5QVI-S4A7DLC73273MC440BC4H33kR53kR5R555.FP6L6871UM3UML47C47CV6k6kR434k39R4k39k4k40塊模調解420C20DFRBR42311V240AC4H4k4k100.25QRBR601911220C20CCV2231U321SL47R32QR510153k43k40CVCCV74400144k224kR4kVCBKAK-OUTBS-IN比較器比較電壓測試點比較器輸出信號測試點/輸出點解調輸出相對碼測試點解調輸出絕對碼測試點/輸出點位同步信號輸入點DPFBS-INAK-OUT低通濾波器輸出信號測試點比較器輸出信號測試點/輸出點位同步信號輸入點解調輸出信號的測試點/輸出點相乘器低通濾波器R31；C2運算放大器抽樣器碼反變換器相加器低通濾波器U運算放大器LM318；若干電阻、電容抽樣器DPSK圖中假設絕對碼為1101011，下面對一些具稍不理想就會造成誤碼。電位器R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39現(xiàn)誤碼時，可調節(jié)R使VC接近LPF信號的中值。實際通信系統(tǒng)中的2DPSK相干解調器(或差分相干解39調器)是針對隨機信號，不需要調節(jié)判決電平。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和單個“0”碼對應的零電平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(由于在TX系列實驗設備中信道是理想的，接收機輸入信號中無噪聲，故實驗時觀察不到此脈沖噪聲)。速率，信息代碼為101。V單穩(wěn)電路1、單穩(wěn)電路2分別被設置為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，它們與相加器一起共同對TTLFSKRR決定上升沿脈沖寬度及下降沿脈沖寬度(它們應4344用R可以調節(jié)濾波器的頻率特性及LPF信號幅度，LPF不是TTL電平信號且不是標準的非歸零484.3實驗內容及實驗步驟之間的信號連接方式如圖4.5所示,其中實線是指已在印刷電路板上布好的，虛線是在實驗過程中由實驗者自己連接的。實際通信系統(tǒng)中，解調器需要的位同步信號來自位同步提取模塊。本實驗中位同步信BSBS-INBS-INCAR-OUTKBS-OUTNRZ-OUT(AK)信源模塊調制模塊2.檢查數(shù)字信源、數(shù)字調制及載波同步模塊是否工作正常，載波同步模塊的鎖相環(huán)應處于鎖定狀(1)將數(shù)字信源模塊的BS-OUT用信號連線連接到2DPSK解調模塊的BS-IN處。將示波器置于外同(3)示波器的CH1接VC，調節(jié)電位器R，使VC為LPF的中值電平(當BK中“1”與“0”等概時UT(5)斷開、接通電源若干次，改變數(shù)字調制模塊的CAR信號與載波同步模塊的CAR-OUT信號的相位關系，重新進行步驟(4)中的觀察并記錄差別。關K7置于右方M序列端，此時數(shù)字調制器輸入的基帶信號是m序DPSKLPF：T都有倒相作用)。實驗思考題1.設絕對碼為1001101，根據(jù)實驗觀察得到的規(guī)律，畫出當相干載波頻率等于碼速率的1.5倍，的1.掌握集中插入式幀同步碼識別器工作原理。原理。3.掌握假同步、漏同步、捕捉態(tài)(失步態(tài))、維持態(tài)(同步態(tài))等概念。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。幀同TTX單穩(wěn)電路與門3與門4或門S觸移位寄存器R器Q與2與1GAL發(fā)信號測試點及輸入點：S-INBS-INALS數(shù)字基帶信號輸入點位同步信號輸入點巴克碼識別器輸出信號測試點判決門限電平測試點幀同步信號測試點HT3RkDELw52P1P2R1RkkCCV81567LAG15U571SL47RKLL42CCDD1935C1CV3342QDQQ025711135U8V80L2LAGT210ULLLO012NNNIII432CCV530592511912431243QDDQLLQCCUDUDL7QDQ437431U4Q418V80L2LAG987111012YYYQQ26543210QQ2DDDDDDD2345678R4747NI-SNI-SBCCVBU7104AN1E6U31317A1NEKL0C6U412P5452511CCAR8254RLCBQ31011212TRQSRKL3CQ47198QQTSR515414177TSF0077TSF0044K4K4LCUNE113327433271DU480SL4721318901C8605SUL47B85U170456AU2140SL479898U47BU3BU312L74560128頁腳內容QQ移位寄存器相加器判決器單穩(wěn)電路觸發(fā)器UU1：四位移位寄存器74175ALVALV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3423406端為高電平的個數(shù)，若YYY=100，則表示輸入端有4個高電平，依此類推。判決器U53有6個輸入端。2100指示燈P1、P2、P3與判決門限控制電壓相對應，即從左到右與L2、L1、L0一一對應，燈亮對應高電平，燈熄對應低電平。判決電平測試點TH就是信號L，它與最右邊的指示燈P3狀態(tài)相對應。當LLL=1110