北邮通原硬件实验报告

信息与通信工程学院题目: 通信原理硬件实验班级班序号学号联系2013年11月目录振幅调制与调制4实验目的4实验原理4方法一4方法二5实验设备6实验过程7AM信号的产生7AM 信号的解调8实验结果9调制系数0.79调制系数111调制系数1.512实验分析14思考题14问题总结14SSB 信号的调制与解调15实验目的15实验原理15实验设备16实验过程16实验结果18实验分析19思考题19问题总结19实验3 调频波（FM）的产生20实验目的20实验原理20实验设备21实验过程21实验结果22实验分析23思考题23问题总结23ASK 调制与解调24实验目的24实验原理24实验设备27实验过程27实验结果27实验分析30思考题30问题总结31相位连续FSK信号调制31实验目的31实验原理31实验设备32实验步骤32实验结果33实验分析34思考题34问题总结34BPSK的调制（BPSK Modulation）34实验目的34实验原理35实验设备35实验过程35实验结果36实验分析37思考题37问题总结37振幅调制与调制实验目的对双边带抑制载波调幅信号的解调必须采用相干解调，因而在收端应有载波提取电路，这对于广播调幅是不经济的，为此人们想出在发端双边带抑制载波调幅基础上再加上离散的大载波分量，使得接收机的解调可用包络检波器，使得更加经济实用。了解TIMS 实验的软硬件环境和基本的软件调试方式。掌握具有离散大载波（AM）调制的基本原理。通过仪器平台，掌握包络检波器的基本构成和原理，掌握调幅波调制系数的意义和求法，测试AM 调制器的特性。实验原理具有离散大载波（AM）调制的基本原理：方法一其中m(t) 为一均值为零的模拟基带信号（低频）； c(t) 为一正弦载波信号（高频）； DC 为一直流分量。 方法二具体的公式推导（采用一方法来解释）：AM信号的调制：对于单音频信号进行AM调制的结果为其中调幅系数，要求以免过调引起包络失真。 由和分别表示AM信号波形包络最大值和最小值，则AM信号的调幅系数为如图2.1所示为AM调制的过程和频谱示意图。 图2.1调幅过程的波形与频谱图2、 AM信号的解调 解调框图如下：AM信号由于具有离散大载波，故可以采用载波提取相干解调的方法。其实现类似于实验一中的DSB-SC AM信号加导频的载波提取和相干解调的方法。AM的主要优点是可以利用包络检波器进行非相干解调，可以使得接收设备更加简单。实验设备音频振荡器（Audio Oscillator），可变直流电压（Variable DC），主振荡器（Master Signals），加法器（Adder）和乘法器（Multiplier），移相器（Phase Shifer）实验过程AM信号的产生若调制信号为单音频信号：M(t)=Amcos(2fmt)；则单音频调幅的AM信号表达式为：SAM(t)=Ac(A+Amcos2fmt)cos2fct = Ac A(1+acos2fmt)cos2fct；调幅系数 a= Am /A；AM 信号的包络与调制信号M(t)成正比，为避免产生过调制（过调会引起包络失真），要求a1。Am信号的振幅频谱具有离散的大载波，这是与DSB-SC AM信号的振幅频谱的不同之处。若用Amax与Amin分别表示单音频振幅频谱AM信号波形包络的最大值与最小值，则此AM信号的调幅系数为：a=(Amax-Amin)/( Amax+Amin)本实验采用包络检波方案产生AM波。1）按图进行各模块之间的连接；2）音频振荡器输出为1KHz，主振荡器输出为100KHz，乘法器输入耦合开关置于DC状态；3）分别调整加法器的增益G与g均为1；4）逐步增大可变直流电压，使得加法器数出波形是正的；5）观察乘法器输出波形是否为AM波形；6）测量AM信号的调幅系数a值，调整可变直流电压，使a=0.5、1、1.5；7）观察不同a的调制信号和解调信号的波形的变化。 AM信号调制连接图AM 信号的解调由于AM信号的振幅频谱具有离散大载波，所以收端可以从AM信号中提取载波进行相干解调，其实现类似于DSB-SC AM信号加导频的载波提取与相干解调的方法。AM的主要优点时可以实现包络检波器进行非相干解调。本实验就采用非相干解调方案。1）输入的AM信号的调幅系数a；2）用示波器观察整流器（RECTIFIER）的输出波形；3）用示波器观察低通滤波器（LPF）的输出波形；4）改变输入AM信号的调幅系数，观察包络检波器输出波形是否随之变化；5）改变发端调制信号的频率，观察包络检波器的输出波形的变化。AM信号解调连接图实验结果调制系数0.7原信号与AM信号比较AM信号与解调信号解调（下）和原来信号（上）比较调制系数1原信号与AM信号比较AM信号与解调信号解调（下）和原来信号（上）比较调制系数1.5原信号与AM信号比较AM信号与解调信号解调（下）和原来信号（上）比较实验分析思考题（1） 若用同步检波，如何完成实验？比较同步检波和包络检波的优缺点。用同步检波则在承受AM调制信号端乘一个恢复载波信号，再经过低通滤波器就完成同步解调了。同步检波要求恢复载波于承受信号载波同频同相，一般要在发端加一离散的载频分量即导频，则在发端要分配一部分功率给导频；或者在收端提取载波分量，复杂且不经济。线形良好，增益高，对调制系数没要求。包络检波不需要提取载波分量，比较简单经济；但要求调制系数小于等于1，抗干扰差。（2） 若调制系数大于1，是否可以用包络检波来还原信号。不可以，这时已经出现失真现象。（如解调系数为1.5时已经出现失真）（3） 调制系数分别“1”，“=1”时，如何计算已调信号的调制系数？ 调制系数通过公式给出，可以利用输出波形计算出包络的最大与最小幅值，带入后求得。问题总结我们第二次，也就是真正的实验，第一个做的就是AM，一开始就陷入了泥潭，线插进去了为什么不出图像，我们是不是插错了，重插，重插之后图像还是不对，于是我们拐回了原理去计算参数。调制系数通过公式给出，可以利用输出波形计算出包络的最大与最小幅值，带入后求得。计算a是小于1，等于1以与大于1的情况一定要严谨。本来老师要求的是拿系数等于0.5的情况，结果我们最小到0.7，然后老师后来也说小于1就好，没有什么区别。这个实验是与其考验耐心以与配合熟练度的实验，所幸，我们组配合默契。失真是可以预料到的，当加法器对直流或输入信号的幅度增益过大时，就有可能出现系统超调的现象。此时经乘法器输出的调制调制信号有可能因为幅度过大而超出了线性区间，造成调制信号的失真现象。最后的总结就是虽然之前有过很仔细地预习，但是实际操作的时候还是会有很多不足与手忙脚乱，相信下次实验会变得好点，体会逆境才能增长能力。SSB 信号的调制与解调实验目的双边带抑制载波调幅要求信道带宽B=2w，从信息论角度看次双边带是有剩余度的，因而只要利用双边带的任一边带来传输，仍能在接收机解调出原基带信号。目的如下：（1）掌握单边带（SSB）调制的基本原理（2）掌握单边带（SSB）解调的基本原理（3）测试SSB 调制器的特性实验原理双边带抑制载波调幅要求信道带宽，其中是模拟基带信号带宽。从信息论观点来看，此双边带是有声誉度的，因而只要利用双边带中的任一边带来传输，仍能在承受机解调出原基带信号，这样可减少传送已调信号的信道带宽。SSB 信号调制原理框图SSB 信号解调原理框图基本公式推导：实验设备乘法器，加法器，音频振荡器，示波器，计算器，连线，实验过程采用如下参考器件：音频振荡器（Audio Oscillator ），主振荡器（Master Signals ），加法器（Adder ），乘法器（Multiplier），移相器（Phase Shifer），正交分相器（QuadraturePhase Splitter），可调低通滤波器（Tunable LPF）。采用音频振荡器产生一个基带信号，记录信号的幅度和频率。载波可由主振荡器输出一个高频信号。QPS 为正交分相器，其输出为两路正交信号，通过移相器使载波相移/2 ，注意检查移相器的性能。SSB调制部分SSB解调部分调整好乘法器和加法器的参数，从示波器中观察调制和输出波形。实验结果以下图为SSB调制输出波形，原图。以下图为反色后，SSB调制输出波形。实验分析思考题1、请判断SSB调制信号是上边带还是下边带，若输出为另一边带，如何连接？答：下边带信号。如果要产生上边带信号，只需要将正交移相器的其中一路输出再加上一个反向后与另一路输出相加即可。2、 分析观察信号的时域、频域波形特点 答：时域波形又图可以看出信号比较平坦，频域信号中，只有原信号的上边带或者下边带，也就是一半的频谱。问题总结SSB是我们组遇到的很棘手的一个实验，虽然老师要求的很简单，但是SSB调制波形的起伏一直都太大，以致于我们拔线插线都来了三次，但是这个实验也很好的锻炼了我们。首先在团队协作方面，一人拔线插线一人看波形变化，一人拧旋钮一人不停的auto波形，我们两个合作默契而有成效，终于，我注意到，我们组是周围第一个做出来这个SSB的，也是起伏最小的，虽然我知道我们也存在瑕疵。其次是耐心方面，调钮，移相器的参数跟示波器需要同时进行，不停的检验才能出最完美的结果，而这，也锻炼了我们的耐心。最后是原理知识方面，理论上，输出的调制信号应该是一个幅度恒定的信号，这是我们最后可以真正体会得到的。实验3 调频波（FM）的产生实验目的（1）掌握调频波（FM）调制的基本原理（2）测试FM 调制器的特性实验原理FM信号的产生单音频信号经FM调制后的表达式为其中调制指数。由卡松公式可知FM信号的带宽为FM信号的产生框图如以下图所示。VCO的输入为，当输入电压为0时，VCO输入频率为；当输入模拟基带信号的电压变化时，VCO的振荡频率作相应的变化。实验设备示波器，音频振荡器，连线，缓冲放大器实验过程按如下连接图连接好调节VCO，使其中心频率为10KHz。观察调制后的输出。实验步骤：1、FM信号的产生（1） 单步调试VCOa.将VCO模块的印刷电路板上的拨动开关置于VCO模式。将VCO板块前面板上的频率选择开关置于“HI”状态。然后，将VCO模块插入系统机架的插槽。b.将可变直流电压模块的输出端与VCO模块的Vin端相连接，示波器接于VCO输出端： 直流电压为零时，调节VCO模块的f0旋钮，使VCO的中心频率为100赫兹 。在-2V至于+2围改变直流电压，测量VCO的频率与线性工作围。 调节VCO模块的GAIN旋钮，使得直流电压在+/-2V围变化时，VCO的频率在+/-5HZ变化。（2）将音频振荡器的频率调到2Hz，作为调制信号输入于VCO的Vin输入端。（3）测量图2.4.4中各点信号波形。（4）测量FM信号的振幅频谱。实验结果以下图为FM信号，原图。以下图为FM信号，反色后的结果。稀疏明显。实验分析思考题分析频偏对时域频域波形的影响？答：频偏会导致时域波形疏密的改变，同时会导致波形幅度出现变化，问题总结由预习报告的原理分析，在调频系统中调制指数=aKffm由此可见，最大频偏与调制系数有关，增大基带信号的放大倍数或增大，FM 信号的变化会加剧。这次实验需要连接的部分比较简单，就几根线。总体调波形更没遇到什么困难，跟之前的SSB跟AM比较相差很多。ASK 调制与解调实验目的a) 掌握2ASK 信号的调制方法。b) 掌握2ASK 信号的解调方法。c) 掌握TIMS 系统的实验方法。实验原理二进制振幅监控（2ASK）又名二进制通断键控（OOK：on-off keying），以单极性归零序列来控制正弦载波的导通与关闭。所用模块：LINE-CODE ENCODER(线路码) SEQUENCE GENERATOR(序列码发生器) MASTER SIGNALS(主信号发生器) MULTIPLIER(乘法器) UTILITIES(共享模块) TUNABLE LPF(可调低通滤波器) DECISION MAKER(判决器)1、 2ASK信号波形：2、 2ASK信号的产生：方法一采用开关电路实现方法二采用乘法器来实现信号的产生框图3、 2ASK信号的解调a) 非同步的不提取载波的解调方式b) 同步的提取载波的解调方式连线图如下：实验设备音频振荡器（Audio Oscillator），主振荡器（Master Signals），序列码产生器（Sequence Generator），双模开关（Dual Analog Switch）和加法器（Adder），乘法器（Multiplier），可变直流电压（Variable DC）。实验过程1. 产生数字信号：利用主振荡器模块的8.3kHzTTL信号加到线路码产生2.083kHz的TTL电平，再加到序列码产生器的时钟控制端（CLK）产生二进制振幅键控信号，2. 按照设计好的接线图连线，3. 测量并且记录已调信号和原信号的波形，4. 测量记录接收信号和解调信号的波形。实验结果以下图是调制波形，可看出疏密对应关系。反色后更加清楚：以下图是解调波形：反色后的样子：以下图是输入和解调的对比，由于一些相移误差，导致了视觉上的不规：反色后如下：实验分析思考题1、比较相干解调和非相干解调方案的相同点、不同点？答：相同点是都可以对2ASK进行解调，不同点则是相干解调法需要载波提取电路，而非相干法则不需要提取载波，另外相干解调法的抗噪声性能大于非相干解调法。2、该系统在高斯白噪声环境下应加入哪些模块？由于高斯白噪声的影响，如果直接采用比较器进行解调所得到的信号会和原输入信号有有较大的差别。并且信号的宽度不严格地相等或者是固定值的整数倍。所以应当采取有时钟提取电路的解调方式。需要在不使用提取时钟电路的解调方案基础上增加比特时钟重建器（BIT CLOCK REGENERATION）,缓冲放大器（BUFFER AMPLIFIER）,移相器（PHASE SHIFTER）,共享模块(UTILITIES)来组成时钟提取电路。和判决器（DECISION MAKER）。问题总结今天的实验普遍简单，第一个也就是fsk是最麻烦的一个，其实也没多麻烦。最开始我们连错了一根线导致结果出不来，后来纠正了以后发现满意的结果还是得不到，于是我们小组配合调整音频震荡跟主信号的频率才得到了相对完美的序列与调制波形相对照应的关系，另外由于我们对这些实验的理论课程还没有先修，所以波形并没有很了解，只是经过了详细的预习才可以判断波形是否正确。最后就是我们解调输出波形相差的问题，这个可能也是我们的一个小疏忽吧，因为急着做下面的实验，所以没有认真地调完美就进行下一个实验，后面我们会针对问题加以改善的。相位连续FSK信号调制实验目的理解移频键控系统调制原理，与测试方案。1、设计中心频率为5KHz。2、掌握2FSK信号的调制方法。3、掌握TIMS系统的实验方法。实验原理调制原理图方法一：相位连续的FSK方法二：相位不连续的FSK实验设备主振荡器（Master Signals），序列码产生器（Sequence Generator），电压控制振荡器（VCO）和音频振荡器（Audio Oscillator），加法器（Adder），双模开关（Dual Analog Switch），可变直流电压（Variable DC）。实验步骤（1）相位连续FSK调制系统中，使VCO的输出中心频率为5KHz；（2）二进制数字序列信号利用主振荡器的2KHz正弦信号加到序列码产生器的时钟控制端（CLK）；实验结果上课只要求一FSK调制的波形图：以下图为反色后的样子：实验分析思考题1、在FSK信号调制中，双模开关起什么作用，可由哪个模块代替？答：如我们在图上所连，双模开关是通过输入的数字信号来控制载波的输出的选择。可以使用双模开关来产生相位不连续的2FSK信号，这就是双模开关的作用。实验中可以用VCO代替双模开关来产生相位连续的2FSK信号。2、 分析频偏对时域频域波形的影响？ 答：频偏会使波形产生相位的偏差，同时会对波形的疏密产生影响，即 频率产生影响。3、理解中心频率、频偏的概念中心频率是vco在输入电压为0时输出信号的频率。而频偏是输出信号相对于中心频率的偏移量。频偏的大小和输入信号的大小有关系。输入信号绝对值和0相差越大，频偏越大。4、设计2FSK 调制系统中遇到的问题。由于在模拟部分使用过了VCO模块，在这次实验中可以使用上次得到的好用的VCO，就得到了理想的波形。问题总结此实验相对简单，电路连好频率调正确波形就出来了，唯一的疏漏是真实的示波器与讲义上标注有偏差，导致了一些纠。BPSK的调制（BPSK Modulation）实验目的理解移相键控系统调制解调原理，与测试方案。1. 产生基带、双极性不归零码与频带信号。2. 掌握BPSK 信号的调制方法。3. 掌握BPSK 信号的解调方法。4. 掌握TIMS 系统的实验方法。实验原理二进制移相键控（BPSK）调制的基本原理BPSK 信号波形实验设备音频振荡器（Audio Oscillator），移相器（Phase Shiter），序列码产生器（Sequence Generator），线性编码器（Line-code Encode）和乘法器（Multiplier）。实验过程1.按照设计好的BPSK调制连线图连线。2.用示波器观察二进制序列和数字调制信号的波形。3.按照设计好的BPSK解调连线图连线。4.用示波器观察对比调制信号和解调信号的波形。二进制移相键控（BPSK）调制的连接框图实验结果BPSK调制，可以看出在1,0变换沿误差明显：反色后如下：实验分析思考题1、该系统在高斯白噪声环境下应加入哪些模块？答：由于有高斯白噪声的存在，应该在只使用比较器的方案中加入时钟，由于BPSK时钟提取不太方便，使用输入时钟。在加入判决模块（DECISION MAKER）和线性码解码器（LINE-CODE DECODE）。 2、分析移相键控系统的相位模糊现象？ 答：用平方环或者科斯塔斯环进行载波提取的时候，由于两方案都是用锁相环，而锁相环在工作时可能锁定在任一平衡点上，这就意味着恢复载波与承受载波的相位差可能是0，也可能是，这种相位的不确定关系叫做相位模糊，两者同频同相时，相干解调后再生的数据流与发送的一致，若恢复载波与接收载波反响的时候，则解调后的数据流极性与发送的数据流的极性整个反相，这种情况是不允许的。问题总结与建议BPSK的实验也算很费心，因为照应PPT连出来的并不能很好的显示对照完美的波形，照应课本还是不行，最后我们借鉴了别的同学的方法，调整了解码器的输出，以与比较的时候序列发生器的尝试，最后才得出看起来比较理想的图形的样子。这次实验的完成也就意味着本次通原硬件实验的完毕，通过这次实验，我们更为直观了解了ASK，FSK，BPSK信号产生原理。由于已经有了两次实验经历，所以一切做起来都可以说是得心应手的，不过，实验过程中，我们也发现实验中有些器材是有些许问题的，比如有的示波器显示不正确，还麻烦实验室管理人员留意。回顾这几个星期以来的实验历程，我们所有人都成长了不少，无论是对理论知识的理解，还是动手实践能力的提高。整个实验过程中我们勤于思考，勇于实践，不断探索，之前很多不太明白甚至是不能理解的东西，现在也都有了很好的理解、认识。最后，感老师这几个星期以来的指导与帮助，也感老师耐心的回复！38 / 38