通信原理实验讲义

通信原理实验指导书

物理与电子信息学院电子技术实验室编

2009年9月

通信原理实验指导书 目录

目 录

目 录............................................................................................................................ I 实验一 数字基带信号................................................................................................ 1 实验二 数字调制.................................................................................................... 11 实验三 模拟锁相环与载波同步.............................................................................. 16 实验四 数字解调.................................................................................................... 23 实验五 数字锁相环与位同步.................................................................................. 29 实验六 帧同步........................................................................................................ 37 实验七 时分复用数字基带通信系统...................................................................... 42 实验八 时分复用2DPSK 、2FSK通信系统 ...................................................... 48 实验九 PCM编译码 ................................................................................................ 50 附录.............................................................................................................................. 59 参考文献...................................................................................................................... 76

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通信原理实验指导书 实验一 数字基带信号

实验一 数字基带信号

一、实验目的

l 、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 ( HDB3、）、整流后的 AMI 码及整流后的 HDB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，其原理方框图如图 l—1 所示。本单元产生入 NRZ 信号，信号码速率约为 170 . 5KB ，帧结构如图 l—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111 0010 ) ，另外 16 位为 2 路数据信号，每位 8位。此NRZ信号为集中插入帧同步时分复用信号，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：

· ＋5 十5V 电源输入点（2个） · CLK 晶振信号测试点

· BS 一 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 一 OUT NRZ 信号输出点／测试点（4个）

图 l—3 为数字信源模块的电原理图。图 1—l 中各单元与图1—3中的元器

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件对应关系如下：

· 晶振 CRY ：晶体： Ul ：反相器 7404

· 分频器 UZ ：计数器 74161 ; U3 ：计数器 74193 ; U4 ：计数器 40160 ·并行码产生器 Kl 、KZ 、K3 ；8 位手动开关，从左到右依次与帧同步码

数据 l 、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 U2O ：非门 74HCO4 ·抽样 U9： D触发器 74HC74

图1-1 数字信源方框图

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。 ( l ) 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 l / 2 、 l / 4 和 l / 8 。 74193 是一个 4 位

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二进制加／减计数器，当CPD= PL = l ，MR= 0 时，可在 Q 0、Q 1、Q 2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

各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 l—4 ( a )和 l—4 ( b )所示。

( 2 ) 八选一

采用 8 路数据选择器 4512 ，它内含了 8 路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1-1所示． U5 、U6 和U7的地址信号输入端A、 B、C并连在一起并分别接 Sl 、S2、 S3信号，它们的 8 个数据信号输入端 x0 —x7 分别 Kl 、K2 、K3 输出的 8 个并行信号连接。由表 1—l 可以分析出 U5 、U6 、U7 输出信号都是码速率为 170 .5KB 、以 8 位为周期的串行信号。

( 3 ) 三选一

三选一电路原理同八选一电路原理 。 S4 、S5 信号分别输入到 U8 的地址端 A 和 B ，U5 、 U6 、U7 输出的 3 路串行信号分别输入到 U8 的数据端 x3 、x0 、xl ， U8 的输出端即是一个码速率为170 .5KB 的2路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ）。

图 1-3 数字信源电路原理图

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图1-4 分频器输出信号波形

( 4 ) 倒相与抽样

图 l-1 中的NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比 BS 信号的下降沿稍有点迟后。在实验二的数字调制单元中，有一个将绝对码变为相对码的电路，要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号的上升沿对齐，而这两个信号由教字信源提供。倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的，它们使 NRZ—OUT 及 BS－OUT 信号满足码变换电路的要求。

FS 信号可用作示波器的外同步信号，以便观察 ZDPSK 等信号。

FS 信号、 NRZ—OUT 信号之间的相位关系如图 1—5 所示，图中 NRZ —OUT 的无定义位为0，帧同步码为 1110010 ，数据1为 11110000 ，数据2 为 00001111 。 FS 信号的低电平、高电平分别为 4 位和 8 位数字信号时间，其上升沿比 NRZ—OUT 码第一位起始时间超前一个码元。

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图1—5 FS﹑NRZ—OUT波形 2 . HDB3编译码 原理框图、电原理图分别如图 l—6 和图 l—7 所示。本单元有以下测试点及输出点：

·—12V -12V电源输入点 （2个）， ·十5V +5V电源输入点 · NRZ 译码器输出信号

· BS—R 锁相环输出的位同步信号 ·（AMI）HDB3 编码器输出信号

·BPF 带通滤波器输出信号 ·（AMI）HDB3 — D ( AMI ) HDB3 整流输出信号

应说明的是，本单元并不直接使用-12V 电源，-12V 电源经三端稳压器7905变换为-5V 电压供有关电路使用。

图 1 -6 HDB3 编译码方框图

本模块上的开关 K4 用于选择码型，K4位于左边（A端）选择AMI 码，位于右边（ H 端）选择HDB3码．

图 1—6 中各单元与图 1—7 各单元器件的对应关系如下：

· HBD3 编译码器 Ul0 : HDB3 编译码集成电路 CD22103A · 单／双极性变换器 Ul l ：模拟开关 · 4052双／单极性变换器 U12 ：非门 74HC04 · 相加器 U17 ：或门 74LS32

· 带通 U13 、 U14 ：运放 UA741 · 限幅放矢器，锁相环 U15运放 LM318

· 锁相环 U16 ：集成锁相环 CD4046

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图 l-7 HDB3 编译码电路图

图1-7 HDB3编译码电路图 下面简单介绍 AMI 、 HDB3码编码规律。

AMI 码的编码规律是：信息代码 1 变为带有符号的 1 码即+ 1 或-1，1 的符号交替反转；信息代码0的为0码．AMI 码对应的波形是占空比为0.5的双极性归零码，即脉冲宽度 ?与码元宽度（码元周期、码元间隔）TS的关系是：

?=0.5TS。

HDB3码的编码规律是：4个连0信息码用取代节 000V 或B00V 代替，当两个相邻 V 码中间有奇数个信息 l 码时取代节为 000V ．有偶数个信息 1 码（包括 0个信息1 码）时取代节为 B00V ，其它的信息0码仍为0码：信息码的 1 码变为带有符号的 l 码即+1 或—1 ：HDB3 码中 1 、B 的符号符合交替反转原则，而 V 的符号破坏这种符号交替反转原则，但相邻V 码的符号又是交替反转的：HDB3码是占空比为 0 .5 的双极性归零码。

设信息码为0000 0110 0001 0000 0，则NRZ码、 AMI码，HDB3码如图 l -8 所示。

分析表明，AMI码及HDB3，码的功率谱如图 1-9 所示，它不含有离散谱fs成份(fs= l / Ts ，等于位同步信号频率）．在通信的终端需将它们译码为 NRZ 码才能送给数字终端机或数模转换电路。在做译码时必须提供位同步信号。工程上，一般将胡AMI 或HDB3码数字信号进行整流处理，得到占空比为0.5的单极性归零码（ Rz |?= 0 .5 Ts）。这种信号的功率谱也在图 1 - 9 中给出。由于整流后的 AMI 、HDB3 码中含有离散谱fs，故可用一个窄带滤波器得到频率为fs的正弦波，整形处理后即可得到位同步信号。

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图 1-8 NRZ 、 AMI 、HDB3关系图

图 1 - 9 AMI﹑HDB3﹑Rz |?= 0 . 5 Ts关系图

本单元用 CD22103 集成电路进行AMI或HDB3 编译码．当它的第 3 脚（ HDB3／AMI）接巧+5V时为 HDB3 编译码器，接地时为脚 1 编译码器．编码时，需输入 NRZ 码及位同步信号，它们来自数字信源单元，己在电路板上连好。 CD22103 编码输出两路并行信号 + H—OUT 和—H—OUT ，它们都是半占空比的正脉冲信号，分别与 AMI 或 HDB3 码的正极性信号及负极性信号相对应。这两路信号经单／双极性变换后得到 AMI 码或HDB3。

双/单极性变换及相加器构成一个整流器．整流后的（AMI）HDB3—D 信号含有位同步信号频率离散谱。由于位同步频率比较低，很难将有源带通滤波器的带宽做得很窄，它输出的信号 BPF 是一个幅度和周期都不恒定的正弦信号。对此信号进行限幅放大处理后得到幅度恒定、周期变化的脉冲信号，但仍不能将此信号作为译码器的位同步信号，需作进一步处理。当锁相环的自然谐振频率足够小时，对输入的电压信号可等效为窄带带通滤波器（关于锁相环的基本原理将在实验三中介绍）．本单元中采用电荷泵锁相环构成一个 Q 值约为 35 的的窄带带通滤波器，它输出一个符合译码器要求的位同步信号 BS—R。

译码时，需将AMI或HDB3码变换成两路单极性信号分别送到 CD22103 的第11、第13脚，此任务由双／单变换电路来完成。

当信息代码连0个数太多时，从AMI 码中较难于提取稳定的位同步信号，而HDB3中连 0个数最多为 3 ，这对提取高质量的位同信号是有利的。这也是 HDB3码优AMI 码之处。HDB3码及经过随机化处理的AMI 码常被用在 PCM 、、二次群的接口设备中。

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在实用的HDB3编译码电路中，发端的单／双极性变换器一般由变压器完成：收端的双／单极性变换电路一般由变压器、自动门限控制和整流电路完成，本实验目的是掌握 HDB3 编码规则，及位同步提取方法，故对极性变换电路作了简化处理，不一定符合实用要求。

CD22103 的引脚及内部框图如图 1-10 所示，引脚功能如下：

图 1-10 CD22103 的引脚及内部框图

图1-10CD22103的引脚及内部框图

( 1 ) NRZ—IN 编码器伙NRZ 信号输入端；

( 2 ) CTX 编码时钟（位同步信号）输入端；

( 3 ) HDB3／AMI 码型选择端：接TTL 高电平时，选择HDB3； 码；接TT L-低电平时，选择 AMI码； ( 4 ) NRZ—OUT HDB3 译码后信码输出端；

( 5 ) CRX 译码时钟（位同步信号）输入端；

( 6 ) RATS 告警指示信号（AIS）拉测电路复位端，负脉冲有效；

( 7 ) AIS AIS 信号输出端，有AIS信号为高电平，无

AIS信号时为低电平；

( 8 ) VSS 接地端；

( 9 ) ERR 不符合HDB3／AMI编码规则的误码脉冲输出

端；

( 10 ) CKR HDB3 码的汇总输出端； ( 11 ) ＋HDB3-IN HDB3 译码器正码输入端；

( 12 ) LTF HDB3 译码内部环回控制端，接高电平时为

环回，接低电平时为正常；

( 13 )-HDB3—IN HDB3 译码器负码输入端； ( 14 )-HDB3—OUT HDB3编码器负码输出端； ( 15 ) + HDB3—OUT HDB3编码器正码输出端； ( 16 ) VDD 接电源端（+5V)；

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