通信原理实验指导(13-9)

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目 录

实验1 模拟信号源实验 .............................................................................................. 5 实验2 PCM编译码系统实验 ..................................................................................... 8 实验3 CVSD编译码系统实验 ................................................................................. 12 实验4 FSK（ASK）调制解调实验 ......................................................................... 18 实验5 PSK(DPSK)调制解调实验 ............................................................................ 22 实验6 数字同步技术实验 ........................................................................................ 28 实验7 眼图观察测量实验 ........................................................................................ 32 实验8 数字频率合成实验 ........................................................................................ 36 实验9 基带信号的常见码型变换实验..................................................................... 42 实验10 AMI/HDB3编译码实验 .............................................................................. 47 实验11 线路成形与频分复用实验 ........................................................................... 51 实验12 码分复用解复用实验 .................................................................................. 55 实验13 PCM、HDB3传输系统实验 ....................................................................... 59 实验14 CVSD、PSK传输系统实验（单工） ........................................................ 60 实验15 CVSD、PSK传输系统实验（双工） ........................................................ 62 实验16 软件无线电技术实验之一（FSK调制解调） .......................................... 65 实验17 接收滤波放大器实验 .................................................................................. 69 实验18 抽样定理及其应用实验 .............................................................................. 72

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前 言

本通信原理实验平台由实验平台底板和实验模块组成，根据教学大纲对通信原理课程性质的定位，为广大学生提供了良好的教学实验条件。整个实验平台，扩展了实验模块的功能，加强了模块间的系统性实验，大大增加了实验内容的同时，突出体现理论知识的系统性和教学内容的稳定性，使学生能够掌握分析研究通信系统各种部件的基本方法，强调培养学生理论联系实际和研究、开发、创新的能力。

本实验平台要求示波器最低配置为20M双踪模拟示波器，示波器的幅度档一般设置在2V档，探头1X无衰减。测量时黑色的接地夹子应先接地。

一般情况下，本实验平台上元器件的标号都是按照模块划分的。如标号58TP01， “58TP01”中的“58”表示模块的标号，即“XXX模块”；“01”表示编号，“TP”表示常规测试点；“位:A”表示此模块需要安置在底板的标号为“A”位置，合起来即表示 “XXX模块”需安置在底板的标号为“A”位置，其中一个标号58TP01波形测量点（镀银测试针）。

另外，如标号为58P01，即表示一个信号输入（输出）连接点（铜质铆孔），如铆孔边的箭头背离铆孔，即表示是信号输出连接点；如箭头指向铆孔，即表示信号输入连接点。本实验平台中，所有通信信号都是通过铆孔开放出来的，实验时需在了解实验结构的基础上，用铆孔连接线连接构成所需实验系统。进行铆孔连接时，连接线接头插入铆孔后，轻轻旋转一个小角度，接头将和铆孔锁死；拔出时，回转一个小角度即可轻松拔出，切勿使用莽力拉扯，以免插头针断在铆孔中。实验操作前，务必预习实验内容，在弄清楚实验要求和各模块功能的基础上，进行实验系统的连接构建。

电子元器件标号首字母的意思：TP表示信号波形测量点，P表示信号输入输出铜铆孔，U表示芯片集成电路，R表示电阻，C表示普通电容，E表示电解电容，J表示接插件，JZ表示晶振或晶体，K表示选择开关等。

东北大学通信实验室

2012年9月

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拨码器开关设置一览表

在本实验平台上，采用了红色的拨码器来设置各种实验的参数。拨码器的白色开关：往上，记为1；往下，记为0。

一、“时钟与基带数据产生模块”5位拨码开关4SW02：

S1：00000：4P01铆孔，PN15 2K，15位m序列111101011001000 S2：00001：4P01铆孔，PN15 32K，15位m序列111101011001000

S3：00010：4P01铆孔，PN31 2K，31位m序列31位1111100110100100001010111011000 S4：00011：4P01铆孔，PN31 32K，31位m序列31位1111100110100100001010111011000 S5：00100：CVSD，编码速率8K S6：00101：CVSD，编码速率16K S7：00110：CVSD，编码速率32K S8：00111：CVSD，编码速率64K S9：01000：PCM，线路编码速率64K

S10：01001：PCM，线路编码速率128K（或标准E1速率） S11：01010：接收滤波器截止频率2.65K S12：01011：接收滤波器截止频率5.3K S13：01100：接收滤波器截止频率10.6K S14：01101：待用

S15：01110：4SW01拨码器设置数据（8bit数据）64K

S16：01111：时分复用（4SW01拨码器设置数据64K， PCM编码64K、CVSD编码64K、

滤波器2.65K）。

下面是常见码型变换的开关设置： S17：1X000：单极性归零编码 S18：1X001：双极性不归零 S19：1X010：双极性归零 S20：1X011：CMI S21：1X100：曼彻斯特 S22：1X101：密勒 S23：1X110：PST

注：1. 4P01为原始基带数据。X=0时为4SW01拨码器设置8bit数据，X=1时为15位m

序列。4TP01为码型变换后输出数据。

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2.以上实验设置的各参数可根据学校要求定制。

二、“汉明、交织、循环编码模块”，“汉明、交织、循环传输模块”，“汉明、交织、循环译码模块”的拨码开关设置：

编码：24SW01：0XXX外部输入数据，64K

1XXX读取SW02设置数据，往上为1，往下为0 X001 汉明，可外部输入数据。24SW02四位数有效 X010 交织，可外部输入数据。24SW02四位数有效

1100 循环，不可外部输入数据。24SW02后三位数有效 X000卷积，可外部输入数据。24SW02四位数有效

传输：23SW01：开关往上，原编码数据取反；开关往下，原编码数据不变 译码：25SW01：开关设置与编码端24SW01后三位设置相同即可，第一位待用。

三、“复接/解复接、同步技术模块”的4位拨码器开关39SW01 1．同步、时钟提取和码型转换功能。数据从39P01输入 0001 2K时钟提取。

0010 32K DPSK时钟提取、相对码绝对码转换（对应于“时钟与基带数据产生模块”

中生成的绝对码4P01、相对码4P03）。39P06输出同步时钟，39P07输出位同步和码型转换后信号。

0011 32K PSK时钟提取、位同步。39P06输出提取时钟，39P07输出位同步信号。

2．时分复接/解复接功能

1111 实现4SW01拨码器（8bit数据）、PCM编码、CVSD编码等数据的时分复接解

复接功能。

3．码分复接/解复接功能

0111 实现4SW01拨码器（8bit数据）、PCM编码等数据的码分复接解复接功能。

4．外部数据的绝对码与相对码转换功能

0100 绝相转换：基带绝对码输入铆孔39P02；相对码输出铆孔39P06;

相绝转换：相对码输入铆孔39P01；基带绝对码输出铆孔39P07; 基带绝对码速率为：2K左右（可为计算机串口数据：波特率2400）

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实验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：G 2．频率计1台

3．20M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0～10V，可由W03调节；频率范围约500HZ～5KHZ，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1-1。

U02 U01 K01 三角波 正弦波 方波 XR2206 电 路 跟随放大器 P03

图1-1 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

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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1-2。

U04

4U01 U03 南京润众科技有限公司CPLD 器 件 低通 滤波器 跟随放大器 P04

图1-2 同步函数信号源结构示意图

3. 模拟电话输入电路

本模块提供了两路用户模拟电话接口，图1-3是其电路结构示意图。J02A/ J02B是电话机的水晶头接口，U01是PBL38614专用电话集成电路。它的工作原理是：

当对电话机的送话器讲话时，该话音信号从PBL38614的TR对应的引脚输入，经U01内部二四线转换处理后从T端输出。T端的模拟电话输出信号经P05/ P07铜铆孔送出，可作为语音信号输出用。

当接收对方的话音时，送入U01芯片R端的输入信号可由P06/P08铜铆孔送入。此时，在电话听筒中即可听到送入信号的声音。

P05/P07 J02A\\B U01 TR T R P06/P08 PBL38614 南京润众科电话接口 技有限公司芯片

图1-3 用户电话结构示意图

四、各可调元件及测量点的作用

K01：非同步函数信号类型选择，正弦波、三角波、方波。

W01：非同步函数信号的直流电平调节，调节范围至少为0～2V，视信号幅度而定，一般调节为0V（出厂前已调好，该电位器学生可不调节）。

W02：非同步函数信号的频率调节，一般使用频率值范围为1～4KHZ。 W03：非同步函数信号的幅度调节，一般使用峰峰值范围为0～4V。 P03：非同步函数信号的输出连接铆孔。

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W04: 同步函数信号的幅度调节，一般使用峰峰值范围为0～4V。 P04：同步正弦波信号的输出连接铆孔。 J02A：用户电话A的水晶头接口。 P05: 用户电话A语音发送信号输出铆孔。 P06: 用户电话A语音接收信号输入铆孔。 J02B：用户电话B的水晶头接口。 P07: 用户电话B语音发送信号输出铆孔。 P08: 用户电话B语音接收信号输入铆孔。

五、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．用户电话测试：

1）电话模块接上电话单机，说话或按住某个数字键不放，用示波器测试其发端波形。 2）用信号连接线连接P03与P06（或P08）铆孔，即将函数信号送入电话的接收端，调节信号的频率和幅度，听听筒中发出的声音。 6. 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。

六、实验报告要求

1．记录非同步函数信号和同步信号的幅度、频率等参数，画出测试的波形图。 2．记录电话数字键波形，了解电话拨号的双音多频的有关技术。

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实验2 PCM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

1．PCM/ADPCM编译码模块，位号：H 2．时钟与基带数据产生器模块，位号:G 3．20M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。

PCM通信系统的实验方框图如图2-1所示。

工作时钟 P04 34P01 TP3057 抽 样 量 化 A/D D/A 低 通 滤 波 译 码 再 生 编 码 34P02 模拟 信号 P15 P14 34P04 信 道 收端 功放 34P03 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

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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2=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200HZ～4000HZ，所以输入的模拟信号频率只能在这个范围内有效。

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四、各测量点的作用

34TP01：发送时序FSX和接收时序FSR输入测试点，频率为8KHz的矩形窄脉冲； 34TP02：PCM线路编译时钟信号的输入测试点； 34P01：模拟信号的输入铆孔； 34P02：PCM编码的输出铆孔； 34P03：PCM译码的输入铆孔；

34P04：译码输出的模拟信号铆孔，波形应与34P01相同。

注：一路数字编码输出波形为8比特编码(一般为7个半码元波形,最后半个码元波形被芯片内部移位寄存器在装载下一路数据前复位时丢失掉)，数据的速率由编译时钟决定，其中第一位为语音信号编码后的符号位，后七位为语音信号编码后的电平值。

五、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。

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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．PCM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。

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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。

六、实验报告要求

1．当输入的模拟信号的幅度调节为0时，画出实验过程中各测量点的波型图，注意对应相位、时序关系。

2．观察同步正弦波（峰峰值0V～10V）的编码波形，读出正弦波的峰峰值、编码数据（至少12个编码数据）；设计表格，峰峰值每增加0.5V，记录一次有关数据并做分析，得出你的结论。

3．写出本次实验的心得体会，以及对本次实验有何改进意见。

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实验3 CVSD编译码系统实验

一、实验目的

1．掌握增量调制编译码的基本原理，并理解实验电路的工作过程； 2．了解不同速率的编译码，以及低速率编译码时的输出波形； 3．学习增量调制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

1．增量调制编译码模块，位号：D 2．时钟与基带数据产生器模块，位号:G 3．20M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

增量调制编码每次取样只编一位码，这一位编码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还在减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的幅值。

MC34115是单片增量调制大规模集成电路芯片。其内部组成框图分别如图3-1所示， MC34115集成电路内部电路由下列八个部分组成：模拟输入运算放大器、数字输入运算放大器、V—I电压/电流转换运算放大器、积分运算放大器、斜率过载检测电路、斜率极性控制电路、工作状态选择开关电路、Vcc/2稳压电源。

(1) 编码电路工作过程

由图3-1可知，音频模拟输入信号，经过低通滤波器至MC34115的模拟信号输入端，第1引脚。其编码、译码工作方式由MC34115芯片的第15引脚的电平决定（高电平为编码方式、低电平为译码方式）。此时芯片内的模拟输入运算放大器与移位寄存器接通，从第1引脚(ANI)输入的音频模拟信号与2脚(ANF)输入的本地解码信号相减并放大得到误差信号，然后根据该信号极性编成数据信码从第9引脚(DOT)输出。该信码在片内经过3级或4级移位寄存器及检测逻辑电路。检测过去的3位或4位信码中是否为连续“1”或连续“0”的出现。一旦当移位寄存器各级输出为全“1”码或全“0”码时，表明积分运算放大器增益过小，检测逻辑电路从第11引脚(COIN端)输出负极性一致脉冲，经过外接音节平滑滤

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波器后得到量阶控制电压输入到第3引脚(SYL端)，由内部电路决定，GC端电压与SYL端相同，这相当于量阶控制电压加到第4引脚GC端。该端外接调节电位器，改变此电位器即可改变GC端的输入电流，以此控制积分量阶的大小，从而改变环路增益，展宽动态范围。

第4引脚(GC)输入电流经过V—I变换运算放大器，再经量阶极性控制开关送到积分运算放大器，极性开关则由信码控制。外接积分网络(由电阻、电容组成)与芯片内部积分运算放大器相连，在二次积分网络上得到本地解码信号送回ANF端与输入信号再进行比较，以完成整个编码过程。

该芯片的外围辅助电路由三大部分组成:音节平滑滤波器电路、二次积分网络电路和直流放大器。

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自CPU控制15电源16话音输入低 通滤波器编 码比较器反相驱动器9编码出参考电平1312音节解 码比较器判决器与斜率过载检测11平滑滤波二次积分网络7－运放＋斜率极性控制－3运放＋电路6Vcc/2参考电压64KHz 132KHz 316KHz 48KHz 62514时钟5104直流放大器K201

图3-1 增量调制系统编译码器内部方框图

在没有音频模拟信号输入时，话路是空闲状态，则编码器应能输出稳定的“1”、“0”交替码，这需要一最小积分电流来实现，该电流可通过增大调节电位器来获得。由于极性开关的失配，积分运算放大器与模拟输入运算放大器的电压失调，此电流不能太小，否则无法得到稳定的“l”、“0”交替码。该芯片总环路失调电压约为1.5mv，所以量阶可选择为3mv。当本地积分时间常数1mS时，则最小积分电流取1OμA，就可得到稳定的“l”、“0”交替码。如果输出不要求有稳定的“l”、“0”交替码，量阶可减小到0.lmV，而环路仍可

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正常工作。

(2) 译码电路工作过程

连接6P03和7P01铆孔，将发端送来的编码数据信号送到7U02(MC34115)芯片的第13引脚，即接收数据输入端。对译码电路，CPU中央控制单元送出低电平至7U02 (MC34115)的15引脚，使模拟输入运算放大器与移位寄存器断开，而数字输入运算放大器与移位寄存器接通。这样，接收数据信码经过数字输入运算放大器接收后送到移位寄存器，后面的工作过程与编码时相同，只是解调信号不再送回第2引脚，而是直接送入后面的积分网络中，再通过低通滤波电路滤去高频量化噪声，然后送出话音信号，话音信号可连接至“接收端滤波放大模块”。

虽然增量调制系统的话音质量不如脉冲编码调制PCM数字系统的音质，但是增量调制电路比较简单，能以较低的数码率进行编码，通常为16～32kbit/s，而且在用于单路数字电话通信时，不需要收发端同步，故增量调制系统仍然广泛应用于数字话音通信系统中，如应用在传输数码率较低的军事，野外及保密数字电话等方面。

四、各测量点及可调元件的作用

6W01：积分量阶的大小控制电位器。 7W01：译码输出积分网络调整电位器。

6P01：模拟信号输入铆孔。输入300～3400Hz的模拟信号，若幅度过大，当信号的实

际斜率超过译码器的最大跟踪斜率时，本地译码波形跟踪不上信号的变化，将造成过载噪声。因此信号波形幅度尽量小一些。方法是：改变相应信号源输出幅度的大小。

6TP01：增量调制编码电路的本地译码信号（阶梯波形）输出测试点。波形不好可调节

6W01电位器。

6TP02：一致脉冲信号输出测试点。它随输入信号波形的变化而变化。当编码数字信号

出现三个连0（或三个连1）时，一致脉冲信号输出负电平，直至连0（或连1）现象结束，返回正电平输出。

6P02：增量调制编码时钟输出铆孔，工作频率由时钟与基带数据发生模块拨码器4SW02

控制。4SW02设置为“00100”时，时钟为8K；设置为“00101”：16K；设置为“00110”：32K；设置为“00111”：64K；另外，接收滤波器截止频率默认为2.65KHZ。

6P03：增量调制编码电路输出数字编码信号连接铆孔。 7P01：增量调制译码电路接收编码信号输入铆孔。

7P02：经过二次积分网络后的本地译码波形输出铆孔，可调节7W01电位器。

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P04 6P01 6P03 7P01 7P02 P14 P15 模拟 信号源 CVSD 编码 CVSD 译码 信号恢复 滤波器 图3-2 增量调制系统连接示意方框图

五、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”、“增量调制编译码模块”，插到底板“G、D”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P04、6P01；6P03、7P01；7P02、P14连接，如图3-2。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．增量调制的编码时钟设定：

拨码器4SW02设置“00110”，即增量调制的编译码时钟为32KHZ（也可设置其它时钟）。 5．同步正弦波幅度调节及监测：

“同步正弦波”上提供了频率2KHZ的同步正弦波，幅度由W04电位器调节。满足输入模拟信号频率在300～3400HZ语音范围内的要求，并可用频率计监测此点信号频率。 6．时钟为32KHZ，同步正弦波及阶梯波观察：

同步正弦波幅度峰峰值2V左右，双踪示波器探头分别接在测量点6P01和6TP01，观察同步正弦波及本地译码输出的阶梯波。调整6W01电位器，使阶梯波与正弦波误差越小越好（此时呈现匀称的阶梯波）。若6W01电位器调整不当或同步正弦波幅度过大，阶梯波可能变成三角波，此时为严重的过载量化失真。调整6W01电位器，使测量点6TP01为匀称的阶梯波。

7．时钟为32KHZ，同步正弦波及增量调制编码数据观察：

同步正弦波幅度峰峰值2V左右，双踪示波器探头分别接在测量点6P01和6P03，观察同步正弦波及增量调制编码器输出数据。并且，调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，增量调制编码器输出数据也作相应变化。严重过载量化失真时，增量调制编码器输出交替的长连“1”、 长连“0”码。

8. 时钟为32KHZ，阶梯波及增量调制编码数据观察：

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同步正弦波幅度峰峰值2V左右，双踪示波器探头分别接在测量点6TP01和6P03，观察阶梯波及增量调制编码器输出数据。阶梯波上升，对应“1”码；阶梯波下降，对应“0”码。并且，调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，阶梯波及增量调制编码器输出数据都作相应变化。

9. 时钟为32KHZ，增量调制编码数据及一致脉冲信号输出观察：

双踪示波器探头分别接在测量点6P03和6TP02，观察增量调制编码数据及一致脉冲信号输出。调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，当没有长连 “0”或长连“1”码时，6TP02始终为高电位；当增量调制编码数据出现3个及3个以上长连 “0” 或长连“1”码时，6TP02为低电位，即产生负极性一致脉冲，并且长连 “0” 或长连“1”个数越多，则负极性一致脉冲宽度也越宽。

10．时钟为32KHZ，编码阶梯波及译码阶梯波观察：

双踪示波器探头分别接在测量点6TP01和7P02，调整7W01电位器，使译码端测量点7P02输出阶梯波形，与编码端6TP01阶梯波形相近似。 11.时钟为32KHZ，输入同步正弦波及译码恢复正弦波观察：

双踪示波器探头分别接在测量点P04和P15观察输入同步正弦波及译码恢复正弦波，是否有明显失真（收端低通滤波器默认截止频率为2.65KHZ，P14为滤波器输入点）。 12．时钟为32KHZ，语音信号增量调制编码、译码试听：

信号连线改接如下：用专用导线将P05（用户电话A语音信号发送输出）与6P01（模拟信号的输入）连接；7P02（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P14连接，6P03（编码输出）与7P01（译码输入）相连。对着用户电话A话筒讲话或按动电话上的数字键，在用户电话B耳机或扬声器试听，直观感受增量调制编码译码的效果。

13．非同步函数信号增量调制编码、译码测量：

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，重复上述6—12步骤实验，测试此编译码系统对输入模拟信号频率、幅度等参数的要求，此时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阶梯波及编码数据波形。

14．时钟为16KHZ，增量调制编码、译码测量：

改变编、译码工作时钟为16KHZ，再重复上述6—13步骤实验，比较不同工作时钟下的通信效果。

15．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。

六、实验报告要求

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1．根据步骤2中的连线关系，画出实验方框图，并作简要叙述。 2．画出各测量各点波形，结合理论分析说明所发生的各种现象。

3．在通话的质量方面，你认为该实验系统如何改进方能提高话音的质量，及对本实验有何改进意见？

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实验4 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：G 2．FSK调制模块，位号A 3．FSK解调模块，位号C 4．噪声模块，位号B 4．20M双踪示波器1台 5．小平口螺丝刀1只 6．频率计1台（选用） 7．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4-1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。

图4-1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

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电位器16W02。

122KHZ方波2K伪随机码12316K0116U03A74LS04数字基带信号输入16P01

32KHZ16TP0116TP0321调制信号输出 1116U02B40661016K021低通f116TP021

16KHZ16P02 16TP06 1241低通f21116U02A40661316TP04321 图4-1 FSK调制解调电原理框图

（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4-2所示。FSK锁相解调器采用集成锁相环芯片 17TP02调制信号输入 17P01 17TP011 FSK调制信号 17P01 117U011439517C022200671112AINBINVCININHCACBR1R2解调信号输出 17P02 17TP03压控振荡器中心频率MC4046PCPPC1PC212131217U02A13 17P02 FSK解调输出成形电路 VCOUT4SFZEN101517R0947K17W0110K

图4-2 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

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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、各测量点和可调元件的作用

1. FSK调制模块

16K02：两ASK已调信号叠加控制跳线。用短路块将1-2脚及3-4脚都相连，则输出

FSK已调信号。

16TP01：32KHz方波信号输入测试点，由4U01芯片(EPM240)编程产生。 16TP02：16KHz方波信号输入测试点，由4U01芯片(EPM240)编程产生。 16TP03：32KHz载波信号测试点，可调节电位器16W01改变幅度。 16TP04：16KHz载波信号测试点，可调节电位器16W02改变幅度。 16P01：数字基带信码信号输入铆孔。

16P02：FSK已调信号输出铆孔，此测量点需与16P01点波形对比测量。 2．FSK解调模块

17W01：解调模块压控振荡器的中心频率调整电位器。 17P01：FSK解调信号输入铆孔。

17TP02：FSK解调电路中压控振荡器输出时钟的中心频率，正常工作时应为32KHz左

右，频偏不应大于2KHz，若有偏差，可调节电位器17W01。

17P02：FSK解调信号输出，即数字基带信码信号输出，波形同16P01。 3．噪声模块

3W01:噪声电平调节。 3W02：加噪后信号幅度调节。

3TP01:噪声信号测试点，电平由3W01调节。 3P01:外加信号输入铆孔。 3P02:加噪后信号输出铆孔。

五、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

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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。 6．FSK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。 8．FSK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。 11．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。

六、实验报告要求

1．根据实验步骤2的连线关系，画出实验结构示意图。 2．画出FSK、ASK各主要测试点波形。

3．分析其输出数字基带信号序列与发送数字基带信号序列相比有否产生延迟，这种解调

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方式在什么情况下会出现解调输出的数字基带信号序列反向的问题?

实验5 PSK(DPSK)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：G 2．PSK调制模块，位号A 3．PSK解调模块，位号C 4．噪声模块，位号B

5．复接/解复接、同步技术模块，位号I 6．20M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5-1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

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端，在输出端即可得到一个反相的载波信号，即?相载波信号。为了使0相载波与?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?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?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。

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)。

37P01 A 37TP01 滤波器 37TP02 37P02 37TP03 B 37K02 倒相器 图5-1 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5-2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

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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5-2 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π/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0～70℃，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 = 5×10/Cext，在实验电路中，调节精密电位器38W01(10KΩ)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 = 5×10/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π/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：

-4

-4

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①该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。

②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、各测量点及可调元件的作用

1．PSK调制模块

37K02：两调制信号叠加。1-2脚连，输出“1”的调制信号；2-3脚连，输出“0”的调制信号。

37W01：调节0相载波幅度大小，使37TP02峰峰值2～4V。 37W02：调节π相载波幅度大小，使37TP03峰峰值2～4V。

37P01：外加数字基带信号输入铆孔。

37TP01：频率为1.024MHz方波信号，由4U01芯片(EPM240)编程产生。

37TP03：π相1.024MHZ载波正弦波信号，调节电位器37W02改变幅度（2～4V左右）。 37P02：PSK调制信号输出铆孔。由开关37K02决定。

1-2相连3-4断开时，37P02为0相载波输出； 1-2断开3-4相连时，37P02为π相载波输出；

1-2和3-4相连时，37P02为PSK调制信号叠加输出。注意两相位载波幅度需调整相同，否则调制信号在相位跳变处易失真。

2．PSK解调模块

38W01：载波提取电路中压控振荡器调节电位器。 38P01：PSK解调信号输入铆孔。

38TP01：压控振荡器输出2.048MHz的载波信号，建议用频率计监视测量该点上的频

率值有偏差时，此时可调节38W01，使其准确而稳定地输出2.048MHz的载波信号，即可解调输出数字基带信号。

38TP02：频率为1.024MHz的0相载波输出信号。

38TP03：频率为1.024MHz的π/2相载波输出信号，对比38TP02。

38P02：PSK解调输出铆孔。PSK方式的科斯塔斯环解调时存在相位模糊问题，解调

出的基带信号可能会出现倒相情况；DPSK方式解调后基带信号为相对码，相绝转换由下面的“复接/解复接、同步技术模块”完成。

37TP02：0相1.024MHZ载波正弦波信号，调节电位器37W01改变幅度（2～4V左右）。

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3．复接/解复接、同步技术模块

39SW01：功能设置开关。设置“0010”，为32K相对码、绝对码转换。 39P01：外加基带信号输入铆孔。

39P07：相绝码转换输出铆孔。

五、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。

2．PSK、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2～4V。(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π相载波幅度大小，使37TP03峰峰值2～4V。（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

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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2～4V。 9．PSK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。

六、实验报告要求

1．根据连线关系，画出实验结构示意图，并作叙述。 2．简述DPSK调制解调电路的工作原理及工作过程。

3．根据实验测试记录（波形、频率、相位、幅度以及时间对应关系）依此画出调制解调器各测量点的工作波形，并给以必要的说明。

4．运用MAX+PLUS II或quartusII软件，VDHL语言或图形法设计产生绝相转换、相绝转换电路。写出你设计过程和仿真结果。

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实验6 数字同步技术实验

一、实验目的

1．掌握数字基带信号的传输过程；

2．熟悉位定时产生与提取位同步信号的方法。

二、实验仪器

1．时钟与基带数据发生模块，位号：G 2．PSK调制模块，位号A 3．PSK解调模块，位号C 4．噪声模块，位号B

5．复接/解复接、同步技术模块，位号I 6．20M双踪示波器1台 7．频率计1台（选用） 8．信号连接线4根

三、实验原理

数字通信系统能否有效地工作，在相当大的程度上依赖于发端和收端正确地同步。同步的不良将会导致通信质量的下降，甚至完全不能工作。通常有三种同步方式：即载波同步、位同步和群同步。在本实验中主要分析位同步。实现位同步的方法有多种，但可分为两大类型：一类是外同步法；另一类是自同步法。

所谓外同步法，就是在发端除了要发送有用的数字信息外，还要专门传送位同步信号，到了接收端得用窄带滤波器或锁相环进行滤波提取出该信号作为位同步之用。

所谓自同步法，就是在发端不专门向收端发送位同步信号，而收端所需要的码元同步信号是设法从接收信号中或从解调后的数字基带信号中提取出来。这种方法大致可分为滤波法和锁相法。滤波法是利用窄带滤波器对含定时信息的归零二进制序列（通常占空比为50%）进行滤波，从中滤出所要的位同步分量，并整形、移相等处理，即可得到规则的位同步脉冲信号，但对于无定时信息的非归零二进制序列，则先要进行微分和整流等变换，使之含有定时信息后，才能用窄带滤波器实施滤波。锁相法是指利用锁相环来提取位同步信号的方法，本实验平台选用锁相法进行位同步提取的。

锁相法的基本原理是，在接收端采用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，如两者相位不一致，则鉴相器输出误差信号去控制本地位同步信号的相位，直至本地的位同步信号的相位与接收信号的相位一致为止。

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数字锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号不是模拟信号，因而受控的输出相位的改变是离散的而不是连续的；常用的数字锁相环的原理方框图如图6-1所示。

滞后脉冲 窄 脉 添门 冲 形 成 晶 体 振 窄 荡 器 脉 冲 形 成 鉴相器 接收码元输入 m分频器 或门 扣门 超前脉冲 脉冲形成 同步脉冲输

图6-1 数字锁相法同步时钟提取原理框图

框图说明：

1．设要提取的同步时钟频率为f，则要求晶体振荡器的振荡频率为mf赫兹，其中m为分频器的分频系数。

2．窄脉冲形成器的作用是将振荡波形变成窄脉冲。图中两个窄脉冲形成电路的输出信号要求刚好相差180。

3．添门为常闭门，在没有滞后脉冲控制时，此门始终关闭，输出低电平；扣门为常开门，若无超前脉冲控制时，则来自晶体振荡器的脉冲信号顺利通过扣门。晶振信号（频率为mf赫兹）经过或门到达m分频器，输出频率为f赫兹的脉冲信号。该信号再经过脉冲形成电路，输出规则的位同步脉冲信号。

4． 比相器的功能是比较接收码元与m分频器输出信号（即本地时钟信号）之间的相位关系，若本地时钟信号超前于接收码元的相位，则比相器输出一个超前脉冲，加到扣门，扣除一个晶振脉冲，这样分频器的输出脉冲的相位滞后了1/m周期。若本地时钟信号的相位滞后于接收码元的相位，比相器输出一个滞后脉冲，加到添门，控制添门打开，加入一个晶振脉冲到或门。由于加到添门的晶振信号与加到扣门的晶振信号的相位相差Л，即这两路晶振信号脉冲在时间上是错开的，因此当从添门加入一个晶振脉冲到或门时，相当于在扣门输出的晶振信号中间插入了一个窄脉冲，也就使分频器输入端添加了一个脉冲，这样分频器输出相位就提前了1/m周期。整个数字锁相环路按上述方式，反复调整本地时钟相位，以实现位同步。

。 30

从图6-2中，可清楚地理解添扣脉冲的原理。

晶体振荡器 窄脉冲形成 添门 扣 添 或门 输出

窄脉冲形成 扣门

图6-2 添扣脉冲原理框图

至于数字锁相环的种类，目前比较统一的做法是按数字鉴相器的实现方法来对数字锁相环进行分类，通常分为下面四类

[10]

：触发器型数字锁相环（FF-DPLL）、奈奎斯特型数字

锁相环（NR、DPLL）、过零检测式数字锁相环（ZC-DPLL）、超前滞后型数字锁相环（LL、DPLL）。若从取样或者等效取样观点看，在第一、三、四类中输入信号相位是以受控的本地时钟相位为基准而确定的，本地时钟在受控过程中是变化的，因而属于非均匀取样的形式。而在第二类中则不同，鉴相器输入信号相位是以固定速率的时钟信号为基准来确定的，属于均匀取样的形式。

位同步系统的性能通常是用相位误差、建立时间、保持时间等指标来衡量。具体内容这里不详细解释，请查看有关资料。

本实验中运用CPLD芯片EPM240编程实现数字锁相环功能，待提取同步时钟的基带信号由39P01铆孔输入。其结构框图如下图6-3：

39SW01设置 39P01 39U01 数字锁相环 39P06 再 生 电 路

图6-3 位同步时钟提取实验结构框图

如图6-3所示，上述基带信号由39P01输入后，至位同步恢复与信码再生电路，进行位同步提取、信码再生功能。测量点有39P06、39P07，其中39P06是同步时钟提取输出铆孔，39P07是信码再生基带信号输出铆孔。

39P07

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四、各测量点和可调元件作用

39SW01：功能设置开关。设置“0001”，为2K基带数据的同步时钟提取、再生功能。

设置“0011”，为32K基带数据的同步时钟提取、再生功能

39P01：外加基带信号输入铆孔。 39P06：提取同步时钟输出铆孔。 39P07：再生基带数据输出铆孔。

五、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”、“复接/解复接、同步技术模块”，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。 2．BPSK信号连接线连接：

用专用导线将4P01、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； 根据数字基带信号速率，39SW01开关设置“0011”，此时提取时钟为32KHZ。 5. 跳线开关设置：

跳线开关37K02 1-2、3-4相连。 6．数字同步各测量点信号波形观察：

按前面PSK实验，调整好电路状态，特别注意使37P01与38P02两点波形一致（可以反相），若不一致应调整38W01电位器，然后再观察39P01、39P06、39P07各测量点的波形，并同时测量39P06、39P07两点波形，看两者相位是否一致，以达到位同步。 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。

六、实验报告要求

1．简述它的工作原理及工作过程。 2．根据测量结果，画出各点波形。

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3．MS-51单片机编程实验，实现一个固定速率数字基带序列的同步时钟提取功能。

实验7 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：G 2．PSK调制模块，位号A 3．噪声模块，位号B 4．PSK解调模块，位号C

5．复接/解复接、同步技术模块，位号：I 6．20M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7-1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7-1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

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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7-2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7-3所示。

衡量眼图质量的几个重要参数有： 1．眼图开启度(U-2ΔU)/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%。

1 0 -1 +110信号波形100眼图01T(a)无失真时

(a)有失真时图7-1 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

最佳取样时间 ΔT(最佳取样点)

ΔU

U+

零点位置的失真U-

噪声容限

对定时误差的灵敏度 Ta取样失真 34

图7-2 眼图的重要性质

其中U=U++U-

2．“眼皮”厚度2ΔU/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ΔT/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7-3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7-3 实验室理想状态下的眼图

四、各测量点和可调元件作用

底板右边“眼图观察电路” W06：接收滤波器特性调整电位器。 P16：眼图观察信号输入点。

P17：接收滤波器输出升余弦波形测试点（眼图观察测量点）。

五、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。 2．BPSK信号线连接：

用专用导线将4P01、37P01；37P02、3P01；3P02、38P01；38P02、P16连接（底板右

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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Hr(?)（这里可视为整个信道传输滤波器H(?)）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H(?)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。

六、实验报告要求

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1．分析电路的工作原理，叙述其工作过程。 2．叙述眼图的产生原理以及它的作用。

实验8 数字频率合成实验

一、实验目的

1．加深对基本锁相环工作原理的理解；

2．熟悉锁相式数字频率合成器的电路组成与工作原理。

二、实验仪器

1．数字频率合成模块，位号：B 2．时钟与基带数据发生模块，位号：G 3．20M双踪示波器1台 4．频率计1台 5．信号连接线2根

三、实验原理

1．4046锁相环芯片介绍

4046锁相环的功能框图如图8-1所示。外引线排列管脚功能简要介绍: 第1引脚（PDO3）：相位比较器2输出的相位差信号，为上升沿控制逻辑。

第2引脚（PDO1）：相位比较器1输出的相位差信号，它采用异或门结构，即鉴相特性 为PDO1=PDI1?PDI2

第3引脚（PDI2）：相位比较器输入信号，通常PD为来自VCO的参考信号。 第4引脚（VCOO）：压控振荡器的输出信号。

第5引脚（INH）： 控制信号输入，若INH为低电平，则允许VCO工作和源极跟随器输 出：若INH为高电平，则相反，电路将处于功耗状态。 第6引脚（CI）： 与第7引脚之间接一电容，以控制VCO的振荡频率。 第7引脚（CI）： 与第6引脚之间接一电容，以控制VCO的振荡频率。 第8引脚（GND）：接地。

第9引脚（VCOI）：压控振荡器的输入信号。 第10引脚（SFO）：源极跟随器输出。

第11引脚（R1）： 外接电阻至地，分别控制VCO的最高和最低振荡频率。 第12引脚（R2）： 外接电阻至地，分别控制VCO的最高和最低振荡频率。

第13引脚（PDO2）：相位比较器输出的三态相位差信号，它采用PDI1、PDI2上升沿控制

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逻辑。

第14引脚（PDI1）：相位比较器输入信号，PDI1输入允许将0.1V左右的小信号或方波信

号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。

第15引脚（VI ）：内部独立的齐纳稳压二极管负极，其稳压值V≈5～8V，若与TTL电 路匹配时，可以用来作为辅助电源用。 第16引脚（VDD ）：正电源，通常选+5V，或+10V，+15V。

PD1114VDDPD12VCO1GNDVZINH16398155自偏电压相位比较器1相位比较器2VCO压控振荡器2131411126710PD01PD02PD03VCOoR1R2C1SF0振荡跟随器图8-1 4046锁相环逻辑框图

2．锁相环的构成及工作原理 （1）锁相环的基本组成

图8-2是锁相环的基本组成方框图，它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。

Vi(t)鉴 相 器PDVD(t)环路滤波器L FVc(t)压控振荡器VCOVo(t)图8-2 基本锁相环组成框图

① 压控振荡器（VCO）

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VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压。所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。

② 鉴相器（PD）

PD是一个相位比较器，用来检测输出信号V0（t）与输入信号Vi（t）之间的相位差? (t)，并把?(t)转化为电压Vd(t)输出，Vd(t)称为误差电压，通常Vd(t)作为一直流分量或一低频交流量。

③ 环路滤波器（LF）

LF作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD的非线性而在Vd(t)中产生的无用组合频率分量及干扰，产生一个只反映?(t)大小的控制信号VC(t)。

4046锁相环芯片包含鉴相器（相位比较器）和压控振荡器两部分，而环路滤波器由外接阻容元件构成。 （2）锁相环锁相原理

锁相环是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使VO(t)与Vi(t)的相位差?(t)发生变化，该相位差经过PD转换成误差电压Vd(t)。此误差电压经过LF滤波后得到Vc(t)，由Vc(t)去改变VCO的振荡频率，使其趋近于输入信号的频率，最后达到相等。环路达到最后的这种状态就称为锁定状态。当然由于控制信号正比于相位差，即Vd(t)正比于?（t），因此在锁定状态，?（t）不可能为零，换言之，在锁定状态VO(t)与Vi(t)仍存在相位差。虽然有剩余相位误差存大，但频率误差可以降低到零，因此环路锁定时，压控振荡器输出频率FO与外加基准频率（输入信号频率）Fi相等，即压控振荡器的频率被锁定在外来参考频率上。

3．数字频率合成器的基本工作原理

频率合成技术是现代通信对频率源的频率稳定度与准确度，频谱纯度及频带利用率提出越来越高的要求的产物。它能够利用一个高稳标准频率源（如晶体振荡器）合成出大量具有同样性能的离散频率。

直接式锁相频率合成器构成如图8-3所示。图中fR为高稳定的参考脉冲信号（如晶体振荡器输出的信号），压控振荡器（VCO）输出经N次分频后得到频率为fN的脉冲信号。fR和fN在鉴相器（PD）进行比较，当环路处于锁定状态时，则：

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fR?fN

因为：fN?fV/N 所以：fV?NfN?NfR

35P01鉴 相 器(PD)35TP01可变分频器(÷N)fv压控振荡器(VCO)35P02fRfN环路滤波器(LF) 图8-3 直接式锁相环频率合成器功能框图

显然，只要改变分频比N，即可达到改变输出频率fv的目的，从而实现了由fR合成fV的任务。这样，只要输入一个固定参考频率fR，即可得到一系列所需要的频率。在该电路中，输出频率点间隔?f?fR。选择不同的fR，可以获得不同fR的频率间隔。

在数字频率合成器模块中，由35U02（MC14522）、35U03（MS14522）构成二级可预置分频器，35U02、35U03分别对应着总分频比N的十位、个位分频器。模块上的两个4位红色拨动开关35SW01、35SW02分别控制十位数、个位数的分频比，它们以8421BCD码形式输入。拨动开关往上拨为“1”，往下拨为“0”。使用时按所需分频比N预置好35SW01、35SW02的输入数据，例如N=7时，35SW01置“0000”，35W02置“0111”；N=17时，35SW01置“0001”，35SW02置“0111”。但是应当注意，当35SW02置“1111”时，个位分频比N1=15，如果35SW01置“0001”时，此时的总分频比为N=25。因此为了计算方便，建议个位分频比的预置不要超过9。

当程序分频器的分频比N置成1，也就是把35SW01置“0000”，35SW02置成“0001”状态。这时，该电路就是一个基本锁相环电路。当二级程序分频器的N值可由外部输入进行编程控制时，该电路就是一个锁相式数字频率合成器电路。

四、各测量点及可调元件的作用

35SW01：分频比的十位数设置开关，以8421 BCD码形式输入。 35SW02：分频比的个位数设置开关，以8421 BCD码形式输入。 35P01：VCO输入参考信号铆孔，即相位比较器输入信号。

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35TP01：相位比较器输入信号，通常PD为来自VCO的参考信号。 35P02：VCO压控振荡器的输出信号铆孔。

五、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”、“ 数字频率合成模块” 、，插到底板“G、B”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： P09、35P01连接；P09在底板左下角“抽样脉冲形成电路”中。可通过K02选择8KHZ或选择555可调脉冲波形。 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．锁相环锁定测试：

35U02、35U03分别对应着总频比N的十位、个位分频器，设35U02为0000、35U03为0001，则程序分频器的分频比N＝1。双踪示波器探头分別接至35P01、35P02，若两波形一致，则表示锁相环锁定

5．数字频率合成器及频率调节：

双踪示波器探头分別接至35P01（输入信号）、35P02（频率合成器输出信号），改变程序分频器的分频比，使N分別等于2、3、5、10、20等情况下，若35P01、35P02处两波形同步，则表示锁相环锁定。并从示波器显示的波形，或用频率计测量35P02处信号频率，它应为输入信号频率的N倍。锁相环锁定时，fR?fN，即35P01和35TP01两侧量点的频率应相同，但两波形的占空比不相同。

6．测量并观察最小分频比与最大分频比：

锁相环有一个捕捉带宽，当超过这个带宽时，锁相环就会失锁。本模块的最大输出频率fvmax约等于350KHZ，当NfR大于350KHZ时，锁相环路将失锁。在测定最大分频比时，与输入的参考频率fR有关。

测出fR=3KHZ和 fR=8KHZ的最大分频比，其方法是：

改变程序分频器的分频比，使它不断增大，若35P01、35P02处两波形仍然同步，则表示锁相环锁定，求出最大的分频比N。（最小分频比N=1） 7．锁相环性能测试：

锁相环性能指标包括同步带宽，捕捉带宽，相位噪声等，这些指标的测试，要求35P01处（输入信号）外接频率可连续改变的信号源。测量方法请参考《现代通信原理习题解答

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及实验教程》一书(电子工业出版社 2008年) 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。

六、实验报告要求

1．画出实验框图,根据实验内容，画出N＝1、10、100三种情况下相应波形，并作分析。 2．查找4046芯片资料，画出其常用电路，标明影响其振荡频率的外围器件，列出计算公式。

3．查找4046芯片在5V工作电压下的最高振荡频率，改变输入参考信号的频率，验证你查得的资料数据。

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实验9 基带信号的常见码型变换实验

一、实验目的

1．熟悉RZ、BNRZ、BRZ、CMI、曼彻斯特、密勒、PST码型变换原理及工作过程； 2．观察数字基带信号的码型变换测量点波形。

二、实验仪器

1．时钟与基带数据发生模块，位号：G 2．20M双踪示波器1台

三、实验工作原理

在实际的基带传输系统中，传输码的结构应具有下列主要特性： 1) 相应的基带信号无直流分量，且低频分量少； 2) 便于从信号中提取定时信息；

3) 信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰； 4) 不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化； 5) 编译码设备要尽可能简单 1.1 单极性不归零码（NRZ码）

单极性不归零码中，二进制代码“1”用幅度为E的正电平表示，“0”用零电平表示，单极性码中含有直流成分，而且不能直接提取同步信号。

?E10100110

0图9-1 单极性不归零码

1.2 双极性不归零码（BNRZ码）

二进制代码“1”、“0”分别用幅度相等的正负电平表示，当二进制代码“1”和“0”等概出现时无直流分量。

?E101001100?E

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图 9-2 双极性不归零码

1.3 单极性归零码（RZ码）

单极性归零码与单极性不归零码的区别是码元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在下一个码元到来之前回到零电平。单极性码可以直接提取定时信息，仍然含有直流成分。

?E10100110

0图 9-3 单极性归零码

1.4 双极性归零码（BRZ码）

它是双极性码的归零形式，每个码元脉冲在下一个码元到来之前回到零电平。

?E101001100?E图 9-4 双极性归零码

1.5 曼彻斯特码

曼彻斯特码又称为数字双相码，它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。

例如：

消息代码： 1 1 0 0 1 0 1 1 0? 曼彻斯特码：10 10 01 01 10 01 10 10 01?

曼彻斯特码只有极性相反的两个电平，因为曼彻斯特码在每个码元中期的中心点都存在电平跳变，所以含有位定时信息，又因为正、负电平各一半，所以无直流分量。

?E101001100?E图 9-5 曼彻斯特编码

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1.6 CMI码

CMI码是传号反转码的简称，与曼彻斯特码类似，也是一种双极性二电平码，其编码规则：

“1”码交替的用“11“和”“00”两位码表示； “0”码固定的用“01”两位码表示。 例如：

消息代码：1 0 1 0 0 1 1 0? CMI码： 11 01 00 01 01 11 00 01? 或： 00 01 11 01 01 00 11 01?

?E101001100?E图 9-6 CMI码

1.7 密勒码

密勒码又称延迟调制码，它是曼彻斯特码的一种变形，编码规则： “1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。

“0”码有两种情况：单个“0”码时，在码元间隔内不出现电平跃变，且相邻码元的边界处也不跃变；连“0”时，在两个“0”码边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。

例如：

消息代码：1 1 0 1 0 0 1 0? 密勒码： 10 10 00 01 11 00 01 11? 或： 01 01 11 10 00 11 10 00?

?E110100100?E图9-7 密勒编码

1.8 成对选择三进码（PST码）

PST码是成对选择三进码，其编码过程是：先将二进制代码两两分组，然后再把每一

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码组编码成两个三进制码字（＋、－、0）。因为两个三进制数字共有9种状态，故可灵活的选择其中4种状态。表格 1列出了其中一种使用广泛的格式，编码时两个模式交替变换。

表格 1 PST码

二进制代码

0 0 0 1 1 0 1 1

＋模式 － ＋ 0 ＋ ＋ 0 ＋ －

－模式 － ＋ 0 — － 0 ＋ －

PST码能够提供的定时分量，且无直流成分，编码过程也简单，在接收识别时需要提供“分组”信息，即需要建立帧同步，在接收识别时，因为在“分组”编码时不可能出现00、++和—的情况，如果接收识别时，出现上述的情况，说明帧没有同步，需要重新建立帧同步。

例如：

消息代码：01 00 11 10 10 11 00? PST码： 0+ -+ +- -0 +0 +- -+? 或:： 0- -+ +- +0 -0 +- -+?

01001110101100

图 9-8 PST码

四、实验设置

1．拨码器4SW01、4SW02（时钟与基带数据发生模块）使用说明：

（1）4SW01为8比特基带信号设置开关，每位拨上为1，拨下为0。如下图设置：

即表示为11100110的数字基带信号。

（2）4SW02为系统功能设置开关，每位拨上为1，拨下为0，设置不同码型，详细设置见表格5： 4SW02 4SW01: 上上上下下上上下

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表格 2 4SW02开关码型选择表

1XXXX 1X000 1X001 1X010 1X011 码型

RZ

BNRZ BRZ

1X100

1X101 1X110 密勒

PST

CMI 曼彻斯特

注：第2位，X=0时基带数据为4SW01拨码器设置数据，X=1时基带数据为15位m序列，设置的基带数据可以在4P01铆孔测试。

（3）码型变换内部结构组成框图如下图（4TP01为编码输出，4TP02为编码时钟）。

4SW01拨码器 15位伪随机码 4SW02 码型变换单元 4TP01 变换的码型输出

编码时钟4TP02 4SW02 图9-9 码型变换内部结构组成框图

五、实验步骤

1．在关闭系统电源的条件下，“时钟与基带数据产生器模块”插到底板插座上（位号为： G），具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”。本模块的CPLD中集成了数字基带信号的码型的各种变换功能。

2．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．根据前面介绍，设置不同的基带数据和编码类型，用示波器观测4TP01测量点码型变换后的波形，并与4P01（变换前）的波形进行比较。 4．实验完毕关闭电源，整理好实验器件。

六、实验报告要求

1．根据实验结果，画出各种码型变换的测量点波形图。 2．写出各种码型变换的工作过程。

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实验10 AMI/HDB3编译码实验

一、实验目的

1．熟悉AMI / HDB3码编译码规则； 2．了解AMI / HDB3码编译码实现方法。

二、实验仪器

1．AMI/HDB3编译码模块，位号：F 2．时钟与基带数据发生模块，位号：G 3．20M双踪示波器1台 4．信号连接线1根

三、实验原理

AMI码的全称是传号交替反转码。这是一种将消息代码0（空号）和1（传号）按如下规则进行编码的码：代码的0仍变换为传输码的0，而把代码中的1交替地变换为传输码的＋1、－1、＋1、－1?

由于AMI码的信号交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。由此看出，这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。

从AMI码的编码规则看出，它已从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列，而且也是一个二进制符号变换成一个三进制符号。把一个二进制符号变换成一个三进制符号所构成的码称为1B／1T码型。

AMI码除有上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点，它是一种基本的线路码，并得到广泛采用。但是，AMI码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。

为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多改进的方法，HDB3码就是其中有代表性的一种。

HDB3码是三阶高密度码的简称。HDB3码保留了AMI码所有的优点（如前所述），还可将连“0”码限制在3个以内，克服了AMI码出现长连“0”过多，对提取定时钟不利的缺点。HDB3码的功率谱基本上与AMI码类似。由于HDB3码诸多优点，所以CCITT建议把HDB3码作为PCM传输系统的线路码型。 如何由二进制码转换成HDB3码呢？

HDB3码编码规则如下：

1．二进制序列中的“0”码在HDB3码中仍编为“0”码，但当出现四个连“0”码时，

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用取代节000V或B00V代替四个连“0”码。取代节中的V码、B码均代表“1”码，它们可正可负（即V+=＋1，V-=－1，B+=＋1，B-=－1）。

2．取代节的安排顺序是：先用000V，当它不能用时，再用B00V。000V取代节的安排要满足以下两个要求：

（1）各取代节之间的V码要极性交替出现（为了保证传号码极性交替出现，不引入直流成份）。

（2）V码要与前一个传号码的极性相同（为了在接收端能识别出哪个是原始传号码，哪个是V码？以恢复成原二进制码序列）。

当上述两个要求能同时满足时，用000V代替原二进制码序列中的4个连“0”（用000V+或000V-）；而当上述两个要求不能同时满足时，则改用B00V（B+00V+或B-00V-，实质上是将取代节000V中第一个“0”码改成B码）。

3．HDB3码序列中的传号码（包括“1”码、V码和B码）除V码外要满足极性交替出现的原则。

下面我们举个例子来具体说明一下，如何将二进制码转换成HDB3码。 二进制码序列:

1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 HDB3码码序列:

V+ -1 0 0 0 V- +1 0 –1 B+ 0 0 V 0 –1 +1 –1 0 0 0 V- B+ 0 0 V+ 0 –1 从上例可以看出两点：

（1）当两个取代节之间原始传号码的个数为奇数时，后边取代节用000V；当两个 取代节之间原始传号码的个数为偶数时，后边取代节用B00V

（2）V码破坏了传号码极性交替出现的原则，所以叫破坏点；而B码未破坏传号码极性交替出现的原则，叫非破坏点。

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包括B在内）。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个码，再将所有－1变成＋1后便得到原消息代码。

本模块是采用SC22103专用芯片实现AMI／HDB3编译码的。在该电路中，没有采用复杂的线圈耦合的方法来实现AMI／HDB3码的变换，而是采用TL084对HDB3码输出进行变换。

编码模块中，输入的码流由SC22103的1脚在2脚时钟信号的推动下输入，HDB3码与AMI码功能由20K01选择。专用芯片的14、15脚为正向编码和负相编码输出，正负编码再通过相加器变换成AMI／HDB3码。译码模块中，译码电路接收正负电平的AMI／HDB3码，整流后获得同步时钟，并通过处理获得正向编码和负向编码，送往译码电路的SC22103专用芯片的11、13脚。正确译码之后21TP01与20P01的波形应一致，但由于HDB3码的编译

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码规则较复杂，当前的输出HDB3码字与前4个码字有关，因而HDB3码的编译码时延较大。

四、各测量点及开关的作用

20K01：1-2，实现AMI功能；2-3，实现HDB3功能 20P01：数字基带信码输入铆孔。

可从“时钟与基带数据发生模块”引入不同的数字信号进行编码，如全“1”、 全“0”及其它码组等。拨码器4SW02：当设置为“01110”时，则4P01输出由4SW01拨码器设置的8比特数据，速率为64K；当设置为“00001”时，则4P01输出15位的伪随机码数据，速率为32K。

20TP01：AMI或HDB3码编译码的64KHz工作时钟测试点。 20TP02：AMI或HDB3码编码时的负向波形输出测试点。 20TP03：AMI或HDB3码编码时的正向波形输出测试点。 20TP04：AMI或HDB3码编码输出测试点。 20P02:译码数字基带信码输出铆孔。

注：20TP02、20TP03、20TP04编码输出信号，都比数字基带信号20P01延时4个编码时钟周期，20TP01作为4连0检测用；20P02译码还原输出的数字基带信号，也比数字编码信号21TP04延时4个译码时钟周期。

五、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AMI/HDB3编译码模块、时钟与基带数据发生模块，分别插到通信原理底板插座上（位号为：F、G）。（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、20P01连接。注意连接铆孔箭头指向，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．AMI码测试：

1）跳线开关20K01选择1-2脚连，即实现AMI功能。

2）拨码器4SW02：设置为“01110”， 拨码器4SW01设置“11111111”。即给AMI编码系统送入全“1”信号。观察有关测试点波形，分析实现原理，记录有关波形。

3）拨码器4SW02：设置为“01110”， 拨码器4SW01设置“00000000”。，即给AMI编码系统送入全“0”信号。观察有关测试点波形，特别注意20TP04点编码波形，分析原因。

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4）拨码器4SW02：设置为“00001”，即给AMI编码系统送入复杂信号（32K的15位m序列）。对照20TP01点时钟读出4P01点的码序列，根据AMI编码规则，画出其编码波形。再观察有关测试点波形，验证自己的想法。记录有关波形。 5．HDB3码测试：

1）跳线开关20K01选择2-3脚连，即实现HDB3功能。

2）拨码器4SW02：设置为“01110”， 拨码器4SW01设置“11111111”。即给HDB3编码系统送入全“1”信号。观察有关测试点波形，分析实现原理，记录有关波形。

3）拨码器4SW02：设置为“01110”， 拨码器4SW01设置“00000000”。，即给HDB3编码系统送入全“0”信号。观察有关测试点波形，特别注意20TP04点编码波形，分析原因。 4）拨码器4SW02：设置为“00001”，即给HDB3编码系统送入复杂信号（32K的15位m序列）。对照20TP01点时钟读出4P01点的码序列，根据HDB3编码规则，画出其编码波形。再观察有关测试点波形，验证自己的想法。记录有关波形。

6．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：因AMI或HDB3码的编码时钟固定为64KHZ，所以送入的基带数据速率必须是2的n次方，且不能超过64Kb/s。另外，低于64Kb/s码元将本编码模块识别成64Kb/s的码元。

六、实验报告要求

1．根据实验结果，画出AMI/HDB3码编译码电路的测量点波形图，在图上标上相位关系。 2．根据实验测量波形，阐述其波形编码过程。

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