通信系统实验指导-通信原理实验指导书

通信系统实验通信教研室编青岛科技大学电子信息工程系二ＯＯ三年十二月·2·目录实验箱使用简介..................................................................................................1实验一数字基带信号.......................................................................................5实验二数字调制.............................................................................................14实验三模拟锁相环与载波同步.....................................................................18实验四数字解调与眼图.................................................................................23实验五数字锁相环与位同步.........................................................................28实验六帧同步.................................................................................................34实验七时分复用数字基带通信系统.............................................................38实验八时分复用2DPSK、2FSK通信系统.................................................43实验九PCM编译码.......................................................................................45实验十时分复用通话与抽样定理.................................................................53附录通信原理实验各单元电路原理图.........................................................55·1·实验箱使用简介为配合《通信原理》课程的理论教学，我们采购了华中科技大学(原华中理工大学)研制的TX-5通信原理教学实验系统。现代通信包括传输、复用、交换、网络等四大技术。《通信原理》课程主要介绍传输及复用技术。本实验系统涵盖了数字频带传输的主要内容及时分复用技术,其设计思路是如下图所示的两路PCM/2DPSK数字电话系统。图中STA、STB分别为发端的两路模拟话音信号，BS为时钟信号，SLA、SLB为抽样信号，F为帧同步码，AK为绝对码，BK为相对码。在收端CP为位同步信号，FS为帧同步信号，F1、F2为两个路同步信号，SRA、SRB为两个PCM译码器输出的模拟话音信号。图中发滤波器用来限制进入信道的信号带宽，提高信道的频带利用率。收滤波器用来滤除带外噪声并与发滤波器、信道相配合满足无码间串扰条件。由于系统的频率特性、码速率与码间串扰之间的关系比较适合于软件仿真实验，再考虑到收端有关信号波形的可观测性，我们在本实验系统中省略了发滤波器、信道及收滤波器，而直接将2PSK调制器输出信号连接到载波提取单元和相干解调单元。信道编译码实验也比较易于用软件仿真，所以本系统设计中也不考虑。FSTABSSLAPCM-APCMAK’STBBSSLBPCM-BBSBKcosctPCM编码PCM编码同步复接码变换2PSK调制发滤波器信道cosctBKAKPCM收滤波器载波同步低通位同步抽样判决码反变换CPCPFSF1F2F1CPCPSRASRB帧同步PCM译码PCM译码aabb信道编码信道译码AK’延迟AK·2·对普通语音信号进行编码而产生的PCM信号是随机信号，不适于用示波器观察信号传输过程中的变化。所以我们用24比特为一帧的周期信号取代实际的数字语音信号作为发端的AK信号，该周期信号由两路数据（每路8比特）和7比特帧同步码以及一未定义比特复接而成。在收端对两路数据进行分接，形成两路并行码和两路串行码，发端的24比特信号可根据实验需要任意设置。由两路实际的话音信号(或两路正弦信号)形成的PCM时分复用信号则不再经过调制、解调而直接送给PCM译码器，实验者可以观察到PCM话音（或正弦信号）波形、量化噪声、过载噪声，从而理解PCM编译码原理。HDB3码及AMI码是基带传输中的重要码型，其编码规律、位同步提取原理是课堂教学中的重点和难点，因此也是本实验系统重点考虑的内容。目前ΔM应用不广泛且无统一的国际标准，故本实验系统中没有考虑。TX-3B型通信原理教学实验系统由下面十一个单元构成，其印刷电路板布局图见后。1.数字信源单元该单元产生码速率约为170.5KB的单极性不归零码（NRZ码），数字信号帧长为24bit，其中包括两路数字信息，每路8bit，另外8bit中的7bit为集中插入帧同步码，1bit无定义。本单元还产生了M序列信号。2.HDB3编译码单元本单元用CD22103芯片完成HDB3或AMI码的编译码，用带通滤波器及电荷泵锁相环提取位同步信号。信源部分的分频器、三选一、倒相器、抽样以及(AMI)HDB3编译码专用集成芯片CD22103等电路的功能可以用一片EPLD完成，具体见附录四。3.数字调制单元该单元将NRZ码对频率约为2.216MHZ的正弦载波进行调制，产生2DPSK及2ASK信号。将NRZ码对2.216MHZ及1.608MHZ的正弦信号进行调制产生2FSK信号。4.载波同步单元该单元采用平方环从2DPSK信号中提取相干载波。5.2DPSK解调单元该单元采用相干解调方法解调2DPSK信号。6.2FSK解调单元该单元采用过零检测方法解调2FSK信号。7.位同步单元该单元用全数字锁相环从信源的NRZ信号中或从2DPSK解调单元（或2FSK解调单元）的比较器输出信号中提取位同步信号。8.帧同步单元该单元从信源的NRZ信号或从2DPSK解调单元（或2FSK解调单元）解调输出的NRZ信号中提取帧同步信号。9.数字终端单元该单元输入NRZ信号、位同步信号、帧同步信号，在位同步及帧同步信号控制下，将两路数字信息从时分复用NRZ信号分接出来，并用发光二极管显示。·3·10.PCM编译码单元本单元采用TP3057芯片对两路模拟音频信号进行PCM编码和译码。时分复用PCM信号码速率为2.048MB，帧结构类似于PCM基群信号，但只传输两路数字音频信号，其中一路信号放在第2个时隙，另一路可放在第1、2、5、7任何一个时隙内，第0个时隙中有7位帧同步码，其余29个时隙为全0码。11.两人通话单元该单元包含音频放大和衰减电路，与PCM编译码单元连接可进行两人时分复用通话实验。话音抽样频率可选择为8K/4K/2KHz。用上述前8个单元可构成一个理想信道2DPSK或者2FSK通信系统，用1、6、7、8单元可构成一个理想信道数字基带通信系统。利用TX-5型实验设备，可开设数字基带信号、数字调制、模拟锁相环与载波同步、数字解调与眼图、数字锁相环与位同步、帧同步、时分复用数字基带通信系统、时分复用2DPSK/2FSK通信系统、PCM编译码、时分复用通话与抽样定理等十一个实验。通过这些实验，同学们可以获得数字通信时分复用技术及传输技术的感性认识、巩固课堂上所学的理论知识。在学习《通信原理》这门课之前，同学们已基本具备了模拟电路及数字电路的分析、设计及调试能力，通信实验的主要目的是帮助大家理解通信系统的整体概念及基本理论。因此在实验指导书中，不必详细地分析各个单元电路的工作过程，只说明了它们的作用。TX-5型实验设备所需三输出直流稳压电源（+5V、3A，+12V、0.5A，12V、0.5A）已内置，实验时只需将交流220V通过电源线接到实验箱左侧的插座内。电源开关在实验板左下角，开关中带指示灯。实验其他必备20MHZ双踪示波器，万用表等。在某些实验步骤中，需用频率计、低失真度低频信号源、失真仪、频谱仪等,但无这些仪器时绝大部分实验内容仍可完成。本实验设备还有待进一步完善，实验指导书中也难免有不当之处，期望同学们及有关老师提出宝贵意见。·5·实验一数字基带信号一、实验目的1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点。2、掌握AMI、HDB3码的编码规则。3、掌握从HDB3码信号中提取位同步信号的方法。4、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。5、了解HDB3（AMI）编译码集成电路CD22103。二、实验内容1、用示波器观察单极性非归零码（NRZ）、传号交替反转码（AMI）、三阶高密度双极性码（HDB3）、整流后的AMI码及整流后的HDB3码。2、用示波器观察从HDB3码中和从AMI码中提取位同步信号的电路中有关波形。3、用示波器观察HDB3、AMI译码输出波形。三、基本原理本实验使用数字信源模块和HDB3编译码模块。1、数字信源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1-1所示，电原理图如图1-3所示（见附录）。本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图1-2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1-1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·6·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74HC74BSS5S4S3S2S1BS-OUTNRZ-OUTCLK并行码产生器八选一八选一八选一分频器三选一NRZ抽样晶振FS倒相器图1-1数字信源方框图010×0111××××××××××××××××数据2数据1帧同步码无定义位图1-2帧结构下面对分频器，八选一及三选一等单元作进一步说明。（1）分频器74161进行13分频，输出信号频率为341kHz。74161是一个4位二进制加计数器，预置在3状态。74193完成÷2、÷4、÷8、÷16运算，输出BS、S1、S2、S3等4个信号。BS为位同步信号，频率为170.5kHz。S1、S2、S3为3个选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2、1/4和1/8。74193是一个4位二进制加/减计数器，当CPD=PL=1、0MR时，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分别输出上述4个信号。40160是一个二一十进制加计数器，预置在7状态，完成÷3运算，在Q0和Q1端分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-4（a）、（b）所示。（2）八选一采用8路数据选择器4512，它内含了8