通信原理课程设计报告时分复用通信系统设计与实现

计算机与通信学院通信原理课程设计报告 通信原理教程 设计说明书时分复用通信系统设计与实现起止日期： 2011 年 1 月 3 日 至 2011 年 1 月 7 日学生姓名班 级学 号成 绩指导教师(签字)计算机与通信学院（部）年 月 日目 录1. 时分复用原理分析11.1. 时分复用原理11.2. 时分复用中的同步技术原理11.2.1. 位同步21.2.2. 帧同步21.2.3. 载波同步21.3. 数字信源的工作原理21.4. 数字终端模块工作原理42. 总体设计62.1. 时分复用数字基带通信系统62.2. 时分复用2DPSK、2FSK通信系统63. 实验详细设计73.1. 2DPSK及2FSK调制73.2. 解调104. 实验数据与实验过程144.1. 数据设计144.2. 实验过程144.2.1. 时分复用数字基带通信系统实验144.2.2. 时分复用2DPSK，2FSK通信系统164.2.3. 时分复用2DPSK通信系统各点测试波形图164.2.4. 时分复用2FSK通信系统各点测试波形图175. 实验中的问题及解决方法176. 总结17131. 时分复用原理分析1.1. 时分复用原理为了提高信道利用率，使多路已抽样的信号组合起来沿同一信道传输而互相不干扰，称时分多路复用（TDM）。为了实现 TDM传输，要把传输时间分成若干个时隙，在每个时隙内传输一路信号，将若干个原始的脉冲调制信号在时间上进行交错排列，从而形成一个复合脉冲串，该脉冲串扰码后经信道传输到达接收端。1.2. 时分复用中的同步技术原理在通信系统中，同步具有相当重要的地位。通信系统能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依赖有无良好的同步系统。同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类型。他们在通信系统中都具有相当重要的作用。时分复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。时分复用的电路原理就是先通过位同步信号和帧同步信号把各路信号数据在复接器中复接,然后通过码型变换发送滤波器发送使之能够在适合信号的特性，顺利通过信道传输。1.2.1. 位同步位同步的目的是确定数字通信中的个码元的抽样时刻，即把每个码元加以区分，使接受端得到一连串的码元序列，这一连串的码元列代表一定的信息。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。因此,接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列.1.2.2. 帧同步在传输时把若干个码元组成一个个的码组，即一个个的字或句，通常称为群或帧。群同步又称帧同步。帧同步的主要任务是把字或句和码区分出来。在时分多路传输系统中，信号是以帧的方式传送。每一个帧中包含多路。接收端为了把各路信号区分开来，也需要帧同步系统。帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。1.2.3. 载波同步不论在模拟通信还是数字通信中。只要采用同步解调时，在接受端都需要提供一个与发送端完全同频同相的载波信号。一般把接受端载波信号与发送端载波信号保持同频、同相称为载波同步。通常接受端载波信号是从接收到的信号中提取出来的，这个过程称为载波提取。载波同步的方法可以分为大类：插入导频法和直接提取法；直接提取法又可以分为平方法和科斯塔斯环法。1.3. 数字信源的工作原理本模块是整个实验系统的发终端，模块内部只使用+5V电压，其原理方框图如图2所示。本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图3所示。帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号，实验电路中数据码用红色发光二极管指示，帧同步码及无定义位用绿色发光二极管指示。发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示0码。本模块有以下测试点及输入输出点： CLK晶振信号测试点 BS-OUT信源位同步信号输出点/测试点（2个） FS信源帧同步信号输出点/测试点 NRZ-OUT(AK)NRZ信号(绝对码)输出点/测试点（4个） 图2中各单元与电路板上元器件对应关系如下： 晶振CRY：晶体；U1：反相器7404 分频器U2：计数器74161；U3：计数器74193；U4：计数器40160 并行码产生器K1、K2、K3：8位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据1、数据2相对应；发光二极管：左起分别与一帧中的24位代码相对应 八选一U5、U6、U7：8位数据选择器4512 三选一U8：8位数据选择器4512 倒相器U20：非门74HC04 抽样U9：D触发器74HC74图1-1 数字信源方框图1-2 帧结构图1.4. 数字终端模块工作原理它输入单极性非归零信号、位同步信号和帧同步信号，把两路数据信号从时分复用信号中分离出来，输出两路串行数据信号和两个8位的并行数据信号。两个并行信号驱动16个发光二极管，左边8个发光二极管显示第一路数据，右边8个发光二极管显示第二路数据，二极管亮状态表示“1”，熄灭状态表示“0”。两个串行数据信号码速率为数字源输出信号码速率的1/3。在数字终端模块中，有以下测试点及输入输出点： S-IN时分复用基带信号输入点 SD抽样判后的时分复用信号测试点 BD延迟后的位同步信号测试点 FD整形后的帧同步信号测试点 D1分接后的第一路数字信号测试点 B1第一路位同步信号测试点 F1第一路帧同步信号测试点 D2分接后的第二路数字信号测试点 B2第二路位同步信号测试点 F2第二路帧同步信号测试点图4-1 数字终端原理方框图图4-1中各单元与电路板上元器件对的应关系如下： 延迟1U63：单稳态多谐振荡器4528 延迟2U62:A：D触发器4013 整形U64:A：单稳态多谐振荡器4528；U62:B：D触发器4013 延迟3U67、U68、U69：移位寄存器40174 3U72：内藏译码器的二进制寄存器4017 串/并变换U65、U70：八级移位寄存器4094 并/串变换U66、U71：八级移位寄存器4014(或4021) 显示 三极管9013；发光二极管数字通信系统模型信源：把消息转换成电信号。信源可分为模拟信源和数字信源。区分模拟信号和数字信号的准绳是看其取值是连续的还是离散的，而不是看时间。信源编码：主要是利用信源的统计特性，解决信源的相关性，去掉信源冗余信息，提高系统有效性的目的。信道编码：保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰。调制：其主要目的是使经过编码的信号特性与信道的特性相适应，使信号经过调制后的信号能够顺利通过信道传输。信道：是指传输信号的通道。解调：从已调制信号中恢复出原始信号的过程叫解调。信宿：是传输信息的归宿，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。同步：发送端和接收端之间需要有共同的时间标准。包括位同步，帧同步，载波同步等。2. 总体设计2.1. 时分复用数字基带通信系统 图4-5为时分复用数字基带通信系统原理方框图。复接器输出时分复用单极性不归零码（NRZ码），码型变换器将NRZ码变为适于信道传输的传输码（如HDB3码等），发滤波器主要用来限制基带信号频带，收滤器可以滤除一部分噪声，同时与发滤波器、信道一起构成无码间串扰的基带传输特性。复接器和分接器都需要位同步信号和帧同步信号。图4-5 时分复用数字基带通信系统2.2. 时分复用2DPSK、2FSK通信系统图5-1给出了传输两路数字信号的时分复用2DPSK通信系统原理框图（2FSK通信系统与此类似）。图中m(t)为时分复用数字基带信号，为NRZ码，发滤波器及收滤波器的作用与基带系统相同。假设信道是理想的，收、发端都无带通滤波器。m(t)由数字信源提供，即为NRZ信号。图5-1 2DPSK时分复用通信系统3. 实验详细设计3.1. 2DPSK及2FSK调制数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供数字基带信号（NRZ码）和位同步信号BS（已在实验电路板上连通，不必手工接线）。调制模块将输入的绝对码AK（NRZ码）变为相对码BK、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。调制模块内部只用+5V电压。数字调制单元的原理方框图如图所示图2-1 数字调制方框图 本单元有以下测试点及输入输出点： CAR2DPSK信号载波测试点 BK相对码测试点 2DPSK2DPSK信号测试点/输出点，VP-P0.5V 2FSK2FSK信号测试点/输出点，VP-P0.5V 2ASK2ASK信号测试点，VP-P0.5V 用图中晶体振荡器与信源共用，位于信源单元，其它各部分与电路板上主要元器件对应关系如下： A U8：双D触发器74LS74 B U9：双D触发器74LS74 滤波器A V6：三极管9013，调谐回路 滤波器BV1：三极管9013，调谐回路 码变换U18：双D触发器74LS74；U19：异或门74LS86 2ASK调制U22：三路二选一模拟开关4053 2FSK调制U22：三路二选一模拟开关4053 2PSK调制U21：八选一模拟开关4051 放大器V5：三极管9013 射随器V3：三极管9013将晶振信号进行2分频、滤波后，得到2ASK的载频2.2165MHZ。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是2PSK、2DPSK的两个载波，2FSK信号的两个载波频率分别为晶振频率的1/2和1/4，也是通过分频和滤波得到的。 2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图2-3所示图2-3 2PSK、2DPSK波形图中假设码元宽度等于载波周期的1.5倍。2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK信号相位变化180，相同时2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”。2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180。码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。2FSK信号（相位不连续2FSK）可看成是AK与调制不同载频信号形成的两个2ASK信号相加。时域表达式为式中m(t)为NRZ码。图 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信号功率谱 设码元宽度为TS，fS =1TS在数值上等于码速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率谱密度如上图所示。可见，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率谱是数字基带信号m(t)功率谱的线性搬移，故常称2ASK、2PSK（2DPSK）为线性调制信号。多进制的MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。系统中m(t)是一个周期信号，故m(t)有离散谱，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有离散谱。3.2. 解调 可用相干解调或差分相干解调法（相位比较法）解调2DPSK信号。在相位比较法中，要求载波频率为码速率的整数倍，当此关系不能满足时只能用相干解调法。系统中，2DPSK载波频率等码速率的13倍，两种解调方法都可用。实际工程中相干解调法用得最多。2FSK信号的解调方法有：包络括检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。图 数字解调方框图（a） 2DPSK相干解调 （b）2FSK过零检测解调 本设计采用相干解调法解调2DPSK信号、采用过零检测法解调2FSK信号。2DPSK模块内部使用+5V、+12V和-12V电压，2FSK模块内部仅使用+5V电压。上图为两个解调器的原理方框图。 2DPSK解调模块上有以下测试点及输入输出点：l MU相乘器输出信号测试点l LPF低通、运放输出信号测试点l Vc比较器比较电压测试点l CM比较器输出信号的输出点/测试点l BK解调输出相对码测试点l AK-OUT解调输出绝对码的输出点/测试点（3个）l BS-IN位同步信号输入点 2FSK解调模块上有以下测试点及输入输出点：l FD2FSK过零检测输出信号测试点l LPF 低通滤波器输出点/测试点l CM整形输出输出点/测试点l BS-IN位同步信号输入点l AK-OUT解调输出信号的输出点/测试点（3个） 2DPSK解调器方框图中各单元与电路板上元器件的对应关系如下：l 相乘器U29：模拟乘法器MC1496l 低通滤波器R31；C2l 运放U30：运算放大器UA741l 比较器U31：比较器LM710l 抽样器U32:A：双D触发器7474l 码反变换器U32:B：双D触发器7474；U33:A：异或门7486 2FSK解调器方框图中各单元与电路板上元器件对应关系如下：l 整形1U34:A：反相器74HC04l 单稳1、单稳2U35：单稳态触发器74123l 相加器U36：或门7432l 低通滤波器U37：运算放大器LM318；若干电阻、电容l 整形2U34:B：反相器74HC04l 抽样器U38:A：双D触发器7474 本系统中为简化实验设备，发端即数字调制的输出端没有带通滤波器、信道是理想的，故解调器输入端就没加带通滤波器。下面对2DPSK相干解调电路中的一些具体问题加以说明。1) 信源是周期为24bit的周期信号，当24bit的相对码BK中“1”码和“0”码个数不相等时，相乘器U29的输出信号MU及低通滤波器输出信号LPF是正负不对称的信号。在实际的2DPSK通信系统中，抽样判决器输入信号是一个均值为0且正负对称的信号，因此最佳判决电平为0。本系统中，Vc决定判决电平。当Vc=0而相对码BK中“1”码和“0”码个数差别太大时，可能出现误判决，即解调器出现误码。因为此时LPF信号的正电平或负电平非常接近0电平，抽样脉冲（位同步信号）稍不理想就会造成误码。电位器R39用来调节判决电平，当BK中“1”码与“0”码个数差别比较大时出现误码时，可调节R39使Vc等于LPF信号的中值（最佳判决门限）。实际通信系统中的2DPSK相干解调器（或差分相干解调器）不需要调节判决电平。2) 比较器的输出CM为TTL电平信号，它不能作为相对码直接送给码反变器，因为它并不是一个标准的单极性非归零码，其单个“1”码对应的正脉冲的宽度可能小于码元宽度、也可能大于码元宽度。另外，当LPF中有噪声时，CM中还会出现噪声脉冲。3) 异或门74LS86输出的绝对码波形的高电平上叠加有小的干扰信号，经U34整形后即可去掉。DPSK相干解调器模块各点波形示意图如下图所示。图 2DPSK相干解调波形示意图2FSK解调器工作原理及有关问题说明如下：l 下图为2FSK过零检测解调器各点波形示意图，图中设“1”码载频等于码速率的两倍，“0”码载频等于码速率。l 整形1和整形2的功能与比较器类似，在其输入端将输入信号叠加在2.5V上。74HC04的状态转换电平约为2.5V，可把输入信号进行硬限幅处理。整形1将正弦2FSK信号变为TTL电平的2FSK信号。整形2和抽样电路共同构成一个判决电平为2.5V的抽样判决器。l 单稳1、单稳2分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，它们与相加器一起共同对TTL电平的2FSK信号进行微分、整流处理。电位器R43和R44决定上升沿脉冲宽度及下降沿脉冲宽度（应基本相等）。l R48可以调节滤波器的频率特性及LPF信号幅度，LPF不是TTL电平信号且不是标准的非归零码，必须进行抽样判决处理。U34对抽样判决输出信号进行整形。图 2FSK过零检测解调器各点波形示意图4. 实验数据与实验过程4.1. 数据设计K1使用7位巴克码X1110010,两路数据分别是K2:11110000,K3:00111100则数字信源输出波形为 K1 K2 K3 11 11 00 1011 11 00 0000 11 11 00改变两路数据，观察数字终端输出。观察帧同步时,改变K1为1110010X,两路数据不变。（此时同步码左移一位，数据输出时，两路信号都左移一位，此时不能正常通信）4.2. 实验过程4.2.1. 时分复用数字基带通信系统实验本系统使用数字信源、位同步、帧同步、数字终端这四个单元。它们的信号连接关系如下图所示，其中实线表示实验板上已经布好，虚线表示实验中要手工连接的信号线（共四根）。1) 按照下图将这四个模块连在一起，接通实验箱电源。图 数字基带系统连接图2) 用示波器CH1观察数字信源单元NRZ-OUT波形，判断信源单元是否工作正常。3) 用示波器CH2观察位同步单元BS-OUT，调节位同步单元的可变电容，使位同步信号BS-OUT对准信源的NRZ信号中间位置并且相位抖动最小。正常工作，波形如图4-34) 将数字信源单元的K1置于1110010，用示波器CH2观察帧同步单元FS信号与信源NRZ信号的相位关系，判断帧同步单元是否工作正常。正常工作，波形如图4-35) 当位同步单元、帧同步单元已正确地提取出位同步信号和帧同步信号时，通过发光二极管观察两路8bit数据已正确地传输到收终端。6) 用示波器观察分接出来的两路8bit周期信号D1(对应位同步B1)和D2(对应B2)。7) 观察位同步抖动对数据传输的影响。用示波器观察数字终端单元的D1或D2信号，然后缓慢调节位同步单元上的可变电容C2（增大位同步抖动范围），观察D1或D2信号波形变化情况和发光二极管的状况（C2在某一范围变化时，D1或D2无误码，C2变化太大时出现误码）。D1或D2信号波形有抖动，发光二极管有误码。8) 观察帧同步对数据传输的影响。9) 还原位同步单元到正确的状态，将数字信源单元的K1置为1110 010X，观察数字终端分接出来的两路信号和数字信源单元的对应关系。波形相似，只是有相对的延迟图 变换后的信号波形4.2.2. 时分复用2DPSK，2FSK通信系统1. 进行2DPSK通信系统实验。接通实验箱电源，调整需要调节的电位器及可变电容，使信源的两路数据正确地传输到终端。数字信源数字调制2DPSK/2FSK解调数字终端位同步帧同步NRI-OUTOUTS-INBS-OUTBS-OUT2.进行2FSK通信系统实验。使信源的两路数据正确地传输到终端3.在系统连接时位同步单元的输入信号S-IN应为解调器的CM信号，而帧同步单元和终端单元的输入信号S-IN应来自解调器的AK-OUT点，位帧同步单元BS-IN信号来自位同步单元BS-OUT，解调器BS-IN信号来自数字信源BS-OUT。4.2.3. 时分复用2DPSK通信系统各点测试波形图4.2.4. 时分复用2FSK通信系统各点测试波形图5. 实验中的问题及解决方法1.从上述波形发现帧同步模块的FS-IN引脚输出的信号经过数字终端整形之后输出的信号码元持续时间变短，即FD引脚输出的信号波形脉冲变窄，不知道原因为何？经过查找资料，得出是整形电路中含有脉冲缩小模块，所以脉冲宽度变窄。2. 从上述波形发现BS位同步信号经过延迟之后BD引脚的波形脉冲在BS波形脉冲的前面？经过老师的分析，得出可能是仪器的问题。4.当改变K2 K3为01110010 00111100时，输出有时不能正确还原原信号？经过讨论，得出是传输数据恰合巴克码一致时，会出现一定几率的假识别现象。3.位同步脉冲的波形本应该对准基带信号码元的中间位置并且相位抖动最小，但是实际输出波形却对准码元的后面位置？经过调整位同步模块单元上的可变电容解决了这个问题。6. 总结一周的课程设计过去了，刚开始的时候，无从下手啊。还是认真看课本和实验指导书吧，我们这个课题两个人做，但是主要还是自己做啊，虽然团队精神很重要。尤其在现在社会，一件工作一个人是很难完成的，或者说是根本不可能完成，它需要大家的合作，要求我们要有很强的团队精神，可是自己的大脑里也要有东西才谈得上合作，无论是C语言课程设计到数电课程设计，还是实习，我都学到很多实用的技术和设计理念，一个周的设计，在时间上来说是很短的，可是它恰好可以让我们更明白，其实知识是要适应社会发展，我们要学会的不仅是现在的知识，更重要的是以后我们在短时间内如何获得我们所要的知识。也许时间会让我们忘记我们现在所学的知识，可是我们不会忘记这种学习方法和思想。世上很多事情，不是因为难以做到，我们才失去信心；相反，是因为我们失去了信心，事情才显得难以做到。是的，我们得承认，我们还很多很多的东西不知道，但我们可以努力，努力可能得到我们想要的，但是不努力一定得不到；优秀的人到处是，努力的人也随时可以看到，我们可以通过努力使自己变得更优秀。努力是希望的代价，希望是努力的动力。实理论是实践的基础，不懂理论进行实验对我们学习是没有作用。这次实验巩固了我对课堂老师所讲的知识的理解，同时通过这次课程设计，我学到了一些书本以外的知识。总之，这次课程设计可谓是受益匪浅。通过这次实验，我基本上掌握了时分复用通信系统的工作原理及其运用，并对它的各个部分能熟知，可以对一些基本的数据进行设计，以及对各端口进行数据测试。对2DPSK、FSK调制解调原理进一步熟知，掌握了对用它实现数字通信的方法；对基带数字通信系统更进一步了解；同时对同步的概念有了更深的认识.对同步的概念理解更加深刻，了解了位同步，帧同步两者的区别通过这次课程设计，我学到了很多，通过整个小组成员的努力也学会了团结与合作，我们积极讨论，在愉快中很好的完成了自己的任务，成功地设计出了我们的时分复用数字通信系统。在课程设计期间也让自己学会了很多知识掌握的必要性，学会和各个成员的协作能力，对自己起到了很好的锻炼作用。