通信原理实验02641

通信原理仿真实验报告班 级: K0311418 姓 名： 学 号： K0311418 指导老师：李时东老师 时 间：2014.6.11 实验一一、实验目的：1. 任意产生一个调制信号，画出其波形及其频谱；2. 产生一个余弦载波信号，画出其波形及其频谱；3. 分别采用AM，DSB，SSB的方式对调制信号进行调制，画出已调信号的波形及频谱；4. 采用适当的方式，分别对3中得到的已调信号进行解调，画出解调信号的波形；5. 产生一个高斯白噪声，叠加在已调信号上，然后进行解调，画出解调信号的波形；6. 比较4和5中的结果；二、 实验原理调幅（AM）如图1所示为调幅调制基本模型，假设调制信号m(t)平均值为0，将其叠加一个直流偏量0A后与载波相乘，即可形成调幅信号。调幅信号时域表达式为：若m(t)为确知信号，则AM信号频谱为：其典型波形和频谱如图2所示：由图2中时域波形可以看出，当满足条件时，调幅波的包络与调制信号波形完全一致，因此用包络检波法将会很容易恢复出原始调制信号。如未满足前述条件，将出现“过调幅”现象，此时用包络检波将发生失真、无法准确恢复原始波形，应当采用其他的解调方法解调，如同步检波。 由图2中频域波形可看出AM信号频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成。上边带的频谱结构与原调制信号频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波分量的双边带信号，带宽是基带信号带宽最大值的2倍，即。双边带调制（DSB）如图3所示，在AM调制模型中将直流分量A0去掉，即可输出抑制载波双边带信号、简称DSB信号，其时域和频域表达式如下：对应的典型DSB信号波形和频谱图如图4所示：同AM调幅信号相比，DSB信号有以下三点特点： a) 需采用相干解调(同步检波)，不能采用简单的包络检波;b) 节省了载波功率，全部功率都用于信号传输，调制效率为100；c) DSB信号功率利用率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍。单边带调制（SSB）双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱()Mw的所有频谱成分，因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率，还可节省一半传输频带，这种方式称为SSB单边带调制。如图5所示滤波法产生SSB信号，先产生一个双边带信号，再让其通过一个边带滤波器滤除不要的边带，即可得到单边带信号。图中，()Hw为单边带滤波器的传输函数，若它具有如下理想高通特性：则可滤除下边带，保留上边带(USB)；若H（）具有如下理想低通特性：则可滤除上边带，保留上边带(LSB)：因此，SSB信号频谱可表示为，边带滤波器H（）滤波特性存在如图6所示a、b两种情况。 相对应的，SSB信号频谱也存在两种情况如图7。通常情况下选取保留上边带。除了滤波法还可使用相移法产生SSB信号。 SSB信号具备以下两点特点： a) 不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为= ； b) SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，需采用相干解调。三、实验结果：1.2.3.4.5.6.7.8.实验二一、 实验目的：1.编写A律13折线PCM编码的程序，能够对任意输入信号输出其PCM编码；2.产生一个随机数字信号，分别进行ASK，FSK，PSK调制解调，画出解调前后的波形。二、实验原理：A律13折线原理：实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是m压缩律和A压缩律。美国采用m压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。 所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：其中87.6A=。 在实际中，A律13折线应用比律13折线用得广泛。表3列出了计算x值与13折线时的x值的比较。表3中第二行的x值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A=87.6曲线十分逼近，同时x按2的幂次分割有利于数字化。 A律压扩特性是连续曲线，A律不同压扩特性也不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，。本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来编码的。PCM编码原理：脉冲编码调制(PCM，Pulse Code Modulation)在通信系统中完成将语音信号数字化功能。是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。PCM 对信号每秒钟取样 8000 次；每次取样为8个位，总共64kbps。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和m律方式，本设计采用了A律方式。 由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码，采用非均匀量化PCM编码示意图如图1所示。1. 抽样 所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。2. 量化 从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图2所示，量化器Q输出L个量化值yk，k=1,2,3,L。 yk常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在xk与xk+1之间时，量化器输出电平为yk。这个量化过程可以表达为：这里xk称为分层电平。通常：,其中k称为量化间隔。3.编码所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。 在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加说明。4.译码 PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。其中各模块功能如下： D/A转换器：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码的步骤。 瞬时扩张器：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A 律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。 低通滤波器：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时 也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。二进制数字调制技术原理 数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。通常使用键控法来实现数字调制，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控。 2.1 2ASK 2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制和键控法。解调有相干解调和非相干解调。P=1时f(t)=Acoswt；p=0时f(t)=0；其功率谱密度是基带信号功率谱的线性搬移。 2.2 2FSK 一个FSK信号可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加。其解调和解调方法和ASK差不多。2FSK信号的频谱可以看成是f1和f2的两个2ASK频谱的组合。 2.3 2PSK 2PSK以载波的相位变化作为参考基准的，当基带信号为0时相位相对于初相位为0，当基带信号为1时相对于初始相位为180。三、实验结果：1.11.22.1222.3实验三3.1模拟信号源实验一、实验目的1了解本模块中函数信号产生芯片的技术参数；2了解本模块在后续实验系统中的作用；3熟悉本模块产生的几种模拟信号的波形和参数调节方法。二、实验仪器1时钟与基带数据发生模块，位号：G2频率计1台320M双踪示波器1台 4小电话单机1部三、实验原理本模块主要功能是产生频率、幅度连续可调的正弦波、三角波、方波等函数信号（非同步函数信号），另外还提供与系统主时钟同源的2KHZ正弦波信号（同步正弦波信号）和模拟电话接口。在实验系统中，可利用它定性地观察通信话路的频率特性，同时用做PAM、PCM、ADPCM、CVSD（M）等实验的音频信号源。本模块位于底板的左边。1非同步函数信号它由集成函数发生器XR2206和一些外围电路组成，XR2206芯片的技术资料可到网上搜索得到。函数信号类型由三档开关K01选择，类型分别为三角波、正弦波、方波等；峰峰值幅度范围010V，可由W03调节；频率范围约500HZ5KHZ，可由W02调节；直流电平可由W01调节（一般左旋到底）。非同步函数信号源结构示意图，见图2-1。K01U01U02跟随放大器XR2206电 路三角波正弦波方波P03 图2-1 非同步函数信号源结构示意图2同步正弦波信号它由2KHz方波信号源、低通滤波器和输出放大电路三部分组成。2KHz方波信号由“时钟与基带数据发生模块”分频产生。U03及周边的阻容网络组成一个截止频率为2KHZ的低通滤波器，用以滤除各次谐波,只输出一个2KHz正弦波，在P04可测试其波形。用其作为PAM、PCM、ADPCM、CVSD（M）等模块的音频信号源，其编码数据可在普通模拟示波器上形成稳定的波形，便于实验者观测。W04用来改变输出同步正弦波的幅度。同步信号源结构示意图，见图2-2。U04南京润众科技有限公司整理U034U01跟随放大器P04CPLD器 件低通滤波器 图2-2 同步函数信号源结构示意图四、实验内容及步骤1插入有关实验模块：在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”，插到底板“G”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。2加电：打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。3. 非同步函数信号源测试：频率计和示波器监测P03测试点，按上述设置测试非同步函数信号源输出信号波形，记录其波形参数。4同步正弦波信号源测试：频率计和示波器监测P04测试点，按上述设置测试同步正弦波信号源输出信号波形，记录其波形参数。5. 关机拆线：实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。五、实验结果：实验测得： 正弦波 三角波 方波VPP=1.26V； VPP=1.85V VPP=2.23V 3.2接收滤波放大器实验一、实验目的1了解接收滤波器与功放模块的组成结构；2掌握接收滤波器与功放模块的使用方法。二、实验仪器1时钟与基带数据发生模块，位号：G220M双踪示波器1台 3信号连接线2根三、实验原理本实验模块位于底板的右边，由低通滤波器、低频功放、喇叭等组成。可作为PAM、PCM、CVSD等通信模块的接收终端。其组成结构示意图，如图4-1所示。低通滤波器功率放大器P15P14K044SW02拨码器图4-1 终端滤波放大器结构示意图外加信号通过P14铆孔送入低通滤波器电路，“时钟与基带数据发生模块”上的拨码器4SW02可设置低通滤波器的多种截止频率。经过低通滤波器滤波后的信号，可在P15测试点进行观测。滤波后的信号接着送入LM386构成的低频功率放大器，驱动小喇叭播放出声音， W09可调节喇叭音量大小。实验者通过本模块喇叭播放功能，可感性的判断音频信号经编解码信道的传输质量。四、实验内容及步骤1插入有关实验模块在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”，插到底板“G”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。2加电打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。3滤波器测试用信号源选择与调节采用非同步函数信号选择正弦波档，用示波器和频率计监测P03测试点，调节W02使其频率最低，峰峰值4V左右。如用其它音频信号源亦可。4信号线连接用专用导线将P03、P14两铆孔连接，将测试信号送入后面的“接收端滤波放大模块”。5截止频率2.65K滤波器测试设置“时钟与基带数据发生模块”上的4SW02拨码器为01010用示波器监测P15测试点，调节W02，测试其滤波器截止频率并作记录。(P15输出的信号幅度下降至P14输入信号幅度的0.707时所对应的频率为滤波器的截止频率。)6截止频率5.3K滤波器测试设置“时钟与基带数据发生模块”上的4SW02拨码器为01011用示波器监测P15测试点，调节W02，测试其滤波器截止频率并作记录。注：1）测试过程中可将喇叭关闭，避免噪声干扰；测试的数据可作为后续实验参考。2）当进行CVSD编译码和复接、解复接等后续实验时，将默认滤波器截止频率为2.65KHZ。因此，本实验中4SW02拨码器应设置为01111。7. 关机拆线实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。五、实验结果实验测得：VPP=1.33V； f1=2.215KHZ; 3.3PCM编译码系统实验一、实验目的1掌握PCM编译码原理与系统性能测试；2熟悉PCM编译码专用集成芯片的功能和使用方法；3学习PCM编译码器的硬件实现电路，掌握它的调整测试方法。二、实验仪器1PCM/ADPCM编译码模块，位号：H2时钟与基带数据产生器模块，位号:G320M双踪示波器1台4低频信号源1台（选用）5频率计1台（选用）6信号连接线3根7小平口螺丝刀1只三、实验原理脉冲编码调制（PCM）是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号在信道中传输。脉冲编码调制是对模拟信号进行抽样，量化和编码三个过程完成的。模拟信号抽 样量 化34P0234P0434P0334P01编 码信 道译 码低 通滤 波再 生工作时钟A/DD/ATP3057P04收端功放P14P15PCM通信系统的实验方框图如图2-1所示。图2-1 PCM通信系统实验方框图在PCM脉冲编码调制中，话音信号经防混叠低通滤波器后进行脉冲抽样，变成时间上离散的PAM脉冲序列，然后将幅度连续的PAM脉冲序列用类似于“四舍五入”办法划归为有限种幅度，每一种幅度对应一组代码，因此PAM脉冲序列将转换成二进制编码序列。对于电话，CCITT规定抽样率为8KHz，每一抽样值编8位码（即为28=256个量化级），因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kB。本实验应用的单路PCM编、译码电路是TP3057芯片（见图2-1中的虚线框）。此芯片采用a律十三折线编码，它设计应用于PCM 30/32系统中。它每一帧分32个时隙，采用时分复用方式，最多允许接入30个用户，每个用户各占据一个时隙，另外两个时隙分別用于同步和标志信号传送，系统码元速率为2.048MB。各用户PCM编码数据的发送和接收,受发送时序与接收时序控制,它仅在某一个特定的时隙中被发送和接收，而不同用户占据不同的时隙。若仅有一个用户，在一个PCM 帧里只能在某一个特定的时隙发送和接收该用户的PCM编码数据，在其它时隙没有数据输入或输出。本实验模块中，为了降低对测试示波器的要求，将PCM 帧的传输速率设置为64Kbit/s或128Kbit/s两种，这样增加了编码数据码元的宽度，便于用低端示波器观测。此时一个PCM 帧里，可容纳的PCM编码分别为1路或2路。另外，发送时序FSX与接收时序FSR使用相同的时序，测试点为34TP01。实验结构框图已在模块上画出了，实验时需用信号连接线连接34P02和34P03两铆孔，即将编码数据直接送到译码端，传输信道可视为理想信道。另外， TP3057芯片内部模拟信号的输入端有一个语音带通滤波器，其通带为200HZ4000HZ，所以输入的模拟信号频率只能在这个范围内有效。四、实验内容及步骤1插入有关实验模块：在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“PCM/ADPCM编译码模块”，插到底板“G、H”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。2加电：打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。3PCM的编码时钟设定：“时钟与基带数据产生器模块”上的拨码器4SW02设置“01000”，则PCM的编码时钟为64KHZ（后面将简写为：拨码器4SW02）。拨码器4SW02设置“01001”，则PCM的编码时钟为128KHZ。4时钟为64KHZ，模拟信号为同步正弦波的 PCM编码数据观察： （1）用专用铆孔导线将P04、34P01，34P02、34P03相连。（2）拨码器4SW02设置“01000”，则PCM的编码时钟为64KHZ。（3）双踪示波器探头分别接在测量点34TP01和34P02，观察抽样脉冲及 PCM编码数据。调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，并仔细观察PCM编码数据的变化。特别注意观察，当无信号输入时，或信号幅度为0时，PCM编码器编码为11010101或为01010101，并不是一般教材所讲授的编全0码。因为无信号输入时，或信号幅度为0经常出现，编全0码容易使系统失步。此时时钟为64KHZ，一帧中只能容纳1路信号。注意：（4）双踪示波器探头分别接在34P01和34P04，观察译码后的信号与输入模拟信号是否一致。5时钟为128KHZ，模拟信号为同步正弦波的PCM编码数据观察：上述信号连接不变，将拨码器4SW02设置“01001”，则PCM的编码时钟为128KHZ。双踪示波器探头分别接在测量点34TP01和34P02，观察抽样脉冲及 PCM编码数据。调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，并仔细观察PCM编码数据的变化。注意，此时时钟为128KHZ，一帧中能容纳2路信号。本PCM编码仅一路信号，故仅占用一帧中的一半时隙。用示波器观察34P01和34P04两点波形，比较译码后的信号与输入信号是否一致。6模拟信号为非同步正弦波的 PCM编码数据观察：改用非同步函数信号输入，分别改变输入模拟信号的幅度和频率，重复上列6、7步骤，观察非同步正弦波及 PCM编码数据波形。注意，频率范围不能超过4KHZ。此处由于非同步正弦波频率与抽样、编码时钟不同步，需仔细调节非同步正弦波频率才能在普通示波器上看到稳定的编码数据波形。 7语音信号PCM编码、译码试听：将拨码器4SW02设置为“01111”，此时PCM编码时钟为64KHZ，接收滤波器截止频率为2.65KHZ。用专用导线将P05（用户电话A语音信号发送输出）与34P01（模拟信号的输入）连接；34P04（译码输出的模拟信号）与P08（用户电话B语音信号接收输入）或与P4连接，34P02（编码输出）与34P03（译码输入）相连。对着用户电话A话筒讲话，在用户电话B耳机或扬声器中试听，直观感受PCM编码译码的效果。8关机拆线：实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。五、实验结果 实验四4.1 FSK（ASK）调制解调实验一、实验目的1掌握FSK（ASK）调制器的工作原理及性能测试；2掌握FSK（ASK）锁相解调器工作原理及性能测试；3. 学习FSK（ASK）调制、解调硬件实现，掌握电路调整测试方法。二、实验仪器1时钟与基带数据发生模块，位号：G2FSK调制模块，位号A3FSK解调模块，位号C4噪声模块，位号B520M双踪示波器1台6小平口螺丝刀1只7频率计1台（选用）8信号连接线3根三、实验原理数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗群时延性能较强，因此在无线中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。（一） FSK调制电路工作原理FSK调制电路是由两个ASK调制电路组合而成，它的电原理图，如图5-1所示。16K02为两ASK已调信号叠加控制跳线。用短路块仅将1-2脚相连，输出“1”码对应的ASK已调信号；用短路块仅将3-4脚相连，输出“0”码对应的ASK已调信号。用短路块将1-2脚及3-4脚都相连，则输出FSK已调信号。因此，本实验箱没有专门设置ASK实验单元电路。调制信号输出16P0216P01 图5-1 FSK调制解调电原理框图图5-1中，输入的数字基带信号分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经反相器去控制f2=16KHz的载频。当基带信号为“1”时，模拟开关B打开，模拟开关A关闭，此时输出f1=32KHz；当基带信号为“0”时，模拟开关B关闭，模拟开关A打开，此时输出f2=16KHz；在输出端经开关16K02叠加，即可得到已调的FSK信号。电路中的两路载频(f1、f2)由时钟与基带数据发生模块产生的方波，经射随、选频滤波变为正弦波，再送至模拟开关4066。载频f1的幅度调节电位器16W01，载频f2的幅度调节电位器16W02。（二） FSK解调电路工作原理FSK解调采用锁相解调，锁相解调的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频上，此时对应的环路滤波器输出电压为零，而对另一载频失锁，则对应的环路滤波器输出电压不为零，那末在锁相环路滤波器输出端就可以获得原基带信号的信息。FSK锁相环解调器原理图如图5-2所示。FSK锁相解调器采用集成锁相环芯片调制信号输入17P0117P01解调信号输出17P0217P02成形电路 图5-2 FSK锁相环解调器原理示意图MC4046。其中，压控振荡器的频率是由17C02、17R09、17W01等元件参数确定，中心频率设计在32KHz左右，并可通过17W01电位器进行微调。当输入信号为32KHz时，调节17W01电位器，使环路锁定，经形成电路后，输出高电平；当输入信号为16KHz时，环路失锁，经形成电路后，输出低电平，则在解调器输出端就得到解调的基带信号序列。四、实验内容及步骤1插入有关实验模块：在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“ FSK调制模块” 、“噪声模块”、“FSK解调模块”，插到底板“G、A、B、C”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。2信号线连接：用专用导线将4P01、16P01；16P02、3P01；3P02、17P01连接（注意连接铆孔的箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔）。3加电：打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。4设置好跳线及开关：用短路块将16K02的1-2、3-4相连。拨码器4SW02：设置为“00000”，4P01产生2K的 15位m序列输出。 5载波幅度调节： 16W01：调节32KHz载波幅度大小，调节峰峰值4V。 16W02：调节16KHz载波幅度大小，调节峰峰值4V。 用示波器对比测量16TP03、16TP04两波形。6FSK调制信号和巳调信号波形观察：双踪示波器触发测量探头接16P01，另一测量探头接16P02，调节示波器使两波形同步，观察FSK调制信号和巳调信号波形，记录实验数据。7噪声模块调节：调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；调节3W02，调整3P02信号幅度为4V。8FSK解调参数调节：调节17W01电位器，使压控振荡器锁定在32KHz（16 KHz行不行？），同时可用频率计监测17TP02信号频率。9无噪声FSK解调输出波形观察：调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；双踪示波器触发测量探头接16P01，另一测量探头接17P02。同时观察FSK调制和解调输出信号波形，并作记录，并比较两者波形，正常情况，两者波形一致。如果不一致，可微调17W01电位器，使之达到一致。10加噪声FSK解调输出波形观察：调节3W01逐步增加调制信号的噪声电平大小，看是否还能正确解调出基带信号。11ASK实验与上相似，这儿不再赘述。12关机拆线：实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。注：由于本实验中载波频率为16KHz、32KHz，所以被调制基带信号的码元速率不要超过4KHz。五、 实验结果 4.2 PSK(DPSK)及QPSK调制解调实验一、实验目的1. 掌握二相绝对码与相对码的码变换方法；2. 掌握二相相位键控调制解调的工作原理及性能测试；3. 学习二相相位调制、解调硬件实现，掌握电路调整测试方法。二、实验仪器1时钟与基带数据发生模块，位号：G2PSK调制模块，位号A3PSK解调模块，位号C4噪声模块，位号B5复接/解复接、同步技术模块，位号I620M双踪示波器1台7小平口螺丝刀1只8频率计1台（选用）9信号连接线4根三、实验原理相位键控调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，它具有优良的抗干扰噪声性能及较高的频带利用率。在相同的信噪比条件下，可获得比其他调制方式（例如：ASK、FSK）更低的误码率，因而广泛应用在实际通信系统中。本实验箱采用相位选择法实现相位调制（二进制），绝对移相键控（PSK或CPSK）是用输入的基带信号（绝对码）选择开关通断控制载波相位的变化来实现。相对移相键控（DPSK）采用绝对码与相对码变换后，用相对码控制选择开关通断来实现。（一） PSK调制电路工作原理二相相位键控的载波为1.024MHz，数字基带信号有32Kb/s伪随机码、及其相对码、32KHz方波、外加数字信号等。相位键控调制解调电原理框图，如图6-1所示。1载波倒相器 模拟信号的倒相通常采用运放来实现。来自1.024MHz载波信号输入到运放的反相输入端，在输出端即可得到一个反相的载波信号，即p相载波信号。为了使0相载波与p相载波的幅度相等，在电路中加了电位器37W01和37W02调节。2模拟开关相乘器对载波的相移键控是用模拟开关电路实现的。0相载波与p相载波分别加到模拟开关A：CD4066的输入端（1脚）、模拟开关B：CD4066的输入端（11脚），在数字基带信号的信码中，它的正极性加到模拟开关A的输入控制端（13脚），它反极性加到模拟开关B的输入控制端（12脚）。用来控制两个同频反相载波的通断。当信码为“1”码时，模拟开关A的输入控制端为高电平，模拟开关A导通，输出0相载波，而模拟开关B的输入控制端为低电平，模拟开关B截止。反之，当信码为“0”码时，模拟开关A的输入控制端为低电平，模拟开关A截止。而模拟开关B的输入控制端却为高电平，模拟开关B导通。输出p相载波，两个模拟开关输出通过载波输出开关37K02合路叠加后输出为二相PSK调制信号。滤波器倒相器37TP0137TP0237TP0337P0237P0137K02AB另外，DPSK调制是采用码型变换加绝对调相来实现，即把数据信息源（伪随机码序列）作为绝对码序列an，通过码型变换器变成相对码序列bn，然后再用相对码序列bn，进行绝对移相键控，此时该调制的输出就是DPSK已调信号。本模块对应的操作是这样的（详细见图6-1），37P01为PSK调制模块的基带信号输入铆孔，可以送入4P01 点的绝对码信号（PSK），也可以送入相对码基带信号(相对4P01点的数字信号来说，此调制即为DPSK调制)。图6-1 相位键控调制电原理框图（二）相位键控解调电路工作原理二相PSK(DPSK)解调器的总电路方框图如图6-2所示。该解调器由三部分组成：载波提取电路、位定时恢复电路与信码再生整形电路。载波恢复和位定时提取，是数字载波传输系统必不可少的重要组成部分。载波恢复的具体实现方案是和发送端的调制方式有关的，以相移键控为例，有：N次方环、科斯塔斯环(Constas环)、逆调制环和判决反馈环等。近几年来由于数字电路技术和集成电路的迅速发展，又出现了基带数字处理载波跟踪环，并且已在实际应用领域得到了广泛的使用。但是，为了加强学生基础知识的学习及对基本理论的理解，我们从实际出发，选择科斯塔斯环解调电路作为基本实验。1二相(PSK，DPSK)信号输入电路 由整形电路，对发送端送来的二相(PSK、DPSK)信号进行前后级隔离、放大后送至鉴相器1与鉴相器2分别进行鉴相。图6-2 解调器原理方框图2科斯塔斯环提取载波原理经整形电路放大后的信号分两路输出至两鉴相器的输入端，鉴相器1与鉴相器2的控制信号输入端的控制信号分别为0相载波信号与/2相载波信号。这样经过两鉴相器输出的鉴相信号再通过有源低通滤波器滤掉其高频分量，再由两比较判决器完成判决解调出数字基带信码，由相乘器电路，去掉数字基带信号中的数字信息。得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压Ud, Ud经过环路低通滤波器滤波后，输出了一个平滑的误差控制电压，去控制VCO压控振荡器74S124。它的中心振荡输出频率范围从1Hz到60MHz，工作环境温度在070，当电源电压工作在+5V、频率控制电压与范围控制电压都为+2V时，74S124的输出频率表达式为： f0 = 510-4/Cext，在实验电路中，调节精密电位器38W01(10K)的阻值，使频率控制输入电压(74LS124的2脚)与范围控制输入电压(74LS124的3脚)基本相等，此时，当电源电压为+5V时，才符合：f0 = 510-4/Cext,再改变4、5脚间电容,使74S124的7脚输出为2.048NHZ方波信号。74S124的6脚为使能端，低电平有效，它开启压控振荡器工作；当74S124的第7脚输出的中心振荡频率偏离2.048MHz时，此时可调节38W01，用频率计监视测量点38TP02上的频率值，使其准确而稳定地输出2.048MHz的同步时钟信号。该2.048MHz的载波信号经过分频(2)电路：一次分频变成1.024MHz载波信号，并完成/2相移相。这样就完成了载波恢复的功能。从图中可看出该解调环路的优点是： 该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。 该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可用模拟和数字集成电路实现。但该解调环路的缺点是：存在相位模糊，即解调的数字基带信号容易出现反向问题。DPSK调制解调就可以解决这个问题，相绝码转换在“复接/解复接、同步技术模块”上完成。四、实验内容及步骤1插入有关实验模块：在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“ PSK调制模块” 、“噪声模块”、“PSK解调模块”、“同步提取模块”，插到底板“G、A、B、C、I”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。2PSK、DPSK信号线连接：绝对码调制时的连接（PSK）：用专用导线将4P01、37P01；37P02、3P01；3P02、38P01连接。相对码调制时的连接（DPSK）：用专用导线将4P03、37P01；37P02、3P01；3P02、38P01；38P02、39P01连接。注意连接铆孔的箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔。3加电：打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。4基带输入信号码型设置：拨码器4SW02设置为“00001 “，4P01产生32K的 15位m序列输出；4P03输出为4P01波形的相对码。5. 跳线开关设置：跳线开关37K02 1-2、3-4相连。6载波幅度调节： 37W01：调节0相载波幅度大小，使37TP02峰峰值24V。(用示波器观测37TP02的幅度，载波幅度不宜过大，否则会引起波形失真) 37W02：调节相载波幅度大小，使37TP03峰峰值24V。（用示波器观测37TP03的幅度）。7.相位调制信号观察：（1）PSK调制信号观察：双踪示波器，触发测量探头测试4P01点，另一测量探头测试37P02，调节示波器使两波形同步，观察BPSK调制输出波形，记录实验数据。（2）DPSK调制信号观察：双踪示波器，触发测量探头测试4P03点，另一测量探头测试37P02，调节示波器使两波形同步，观察DPSK调制输出波形，记录实验数据。8噪声模块调节：调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；调节3W02，使3P02信号峰峰值24V。9PSK解调参数调节：调节38W01电位器，使压控振荡器工作在2048KHZ，同时可用频率计鉴测38TP01点。注意观察38TP02和38TP03两测量点波形的相位关系。10相位解调信号观测：（1）PSK调制方式观察38P02点PSK解调输出波形，并作记录，并同时观察PSK调制端37P01的基带信号，比较两者波形相近为准（可能反向，如果波形不一致，可微调38W01）。（2）DPSK调制方式“同步提取模块”的拨码器39SW01设置为“0010”。观察38P02和37P01的两测试点，比较两相对码波形，观察是否存在反向问题；观察39P07和4P01的两测试点，比较两绝对码波形，观察是否还存在反向问题。作记录。11加入噪声相位解调信号观测：调节3W01逐步增加调制信号的噪声电平大小，看是否还能正确解调出基带信号。12. 关机拆线：实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。五、实验结果 4.3 眼图观察测量实验一、实验目的学会观察眼图及其分析方法，调整传输滤波器特性。二、实验仪器1时钟与基带数据发生模块，位号：G2PSK调制模块，位号A3噪声模块，位号B4PSK解调模块，位号C5复接/解复接、同步技术模块，位号：I620M双踪示波器1台三、实验原理 在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善（通过调整）传输系统性能。 我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。 眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。 什么是眼图? 所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元时钟作为同步信号，基带信号一个或少数码元周期反复扫描在示波器屏幕上显示的波形称为眼图。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。因为对于二进制信号波形，它很像人的眼睛故称眼图。 在图8-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。图8-1中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。当波形有失真时，“眼睛”部分闭合，取样时刻信号取值就分布在小于+1或大于-1附近。这样，保证正确判决所容许的噪声电平就减小了。换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图8-2的形状。由此图可以看出：(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感；(3)在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量；(4)在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；(5)阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。实验室理想状态下的眼图如图8-3所示。衡量眼图质量的几个重要参数有： 1眼图开启度(U-2U)/U指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。 图8-1 无失真及有失真时的波形及眼图 (a) 无码间串扰时波形；无码间串扰眼图 (b) 有码间串扰时波形；有码间串扰眼图 图8-2 眼图的重要性质 其中U=U+U- 2“眼皮”厚度2U/U 指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度应等于0。 3交叉点发散度T/T 指眼图过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散度应为0。 4正负极性不对称度 指在最佳抽样点处眼图正、负幅度的不对称程度。无畸变眼图的极性不对称度应为0。最后，还需要指出的是：由于噪声瞬时电平的影响无法在眼图中得到完整的反映，因此，即使在示波器上显示的眼图是张开的，也不能完全保证判决全部正确。不过，原则上总是眼睛张开得越大，误判越小。在图8-3中给出从示波器上观察到的比较理想状态下的眼图照片。本实验主要是完成PSK解调输出基带信号的眼图观测实验。 (a) 二进制系统 (b) 随机数据输入后的二进制系统图8-3 实验室理想状态下的眼图四、实验步骤1插入有关实验模块：在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“ PSK调制模块” 、“噪声模块”、“PSK解调模块”，插到底板“G、A、B、C”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。2BPSK信号线连接：用专用导线将4P01、37P01；37P02、3P01；3P02、38P01；38P02、P16连接（底板右边“眼图观察电路”）。注意连接铆孔的箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔。3加电：打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。4跳线开关设置：“PSK调制模块”跳线开关37K02的1-2、3-4相连。“时钟与基带数据发生模块”的拨码器4SW02：设置为“00001“，4P01产生32Kb/s的 15位m序列输出。5无噪声眼图波形观察：（1）噪声模块调节：调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；（2）调节3W02，调整3P02信号幅度为4V。（3）调整好PSK调制解调电路状态，即37P01与38P02波形一致（可以反相），若不一致，可调整38W01电位器。（4）调整接收滤波器（这里可视为整个信道传输滤波器）的特性，使之构成一个等效的理想低通滤波器。（5）用示波器的一根探头CH1放在4P02（码元时钟）上，另一根探头CH2放在P17（数字基带信号的升余弦波）上，选择示波器触发方式为CH1，调整示波器的扫描旋纽，则可观察到若干个并排的眼图波形。眼图上面的一根水平线由连1引起的持续正电平产生，下面一根水平线由连0码引起的持续的负电平产生，中间部分过零点波形由1、0交替码产生。观看眼图，调整电位器W06直到眼图波形的过零点位置重合、线条细且清晰，此时的眼图为无码间串扰、无噪声时的眼图。在调整电位器W06过程中，可发现眼图波形过零点线条有时弥散，此时的眼图为有码间串扰、无噪声时的眼图，并且线条越弥散，表示码间串扰越大；在调整过程中，还可发现W06在多个不同位置，眼图波形的过零点都重合，由于W06不同位置，对应的不同特性，它正好验证了无码间串扰传输特性不是唯一的。6有噪声眼图波形观察：调节3W01，增加噪声电平。因为噪声的影响，PSK解调输出的基带信号中将出现干扰的毛刺信号（实为电平毛刺，在后续再生信号中容易引起判决错误，出现误码），此时的眼图线条变粗、变模糊并且呈毛刺状。噪声越大，线条越粗，越模糊。7另外，噪声也可直接与基带眼图信号混合，然后观测眼图。此时用专用导线将4P01与P16及P17与3P01相连。即将基带眼图信号直接接入“噪声模块”，调节3W01，增加噪声电平，此时需在3P02铆孔观测眼图波形。8. 关机拆线：实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。注：本实验电路要求输入的基带信号为32Kb/s速率。五、实验截图