通原实验报告

实验一：双边带抑制载波调幅（DSB-SC AM）

一、实验目的：

*了解DSB-SC AM信号的产生及相干解调的原理和实现方法。 *了解DSB-SC AM信号波形及振幅频谱特点，并掌握其测量方法。

*了解在发送DSB-SC AM信号加导频分量的条件下，收端用锁相环提取载波的原理及其实现方法。

*掌握锁相环的同步带和捕捉带的测量方法，掌握锁相环提取载波的测试方法。 二、实验原理： DSB-SC AM信号的产生及相干解调原理：

增益G

m(t) S(t) m(t) LPF 输出 DSB-SC AM信号

恢复载波

载波 导频 增益g 90 °

VCO

LPF

将均值为零的模拟基带信号m(t)与正弦载波相乘得到DSB-SC AM信号，其频谱不包含载波分量。 DSB-SC AM信号的解调只能采用相干解调。为了能在接收端获取载波，在发端加导频。收端用窄带锁相环来提取导频信号作为恢复载波。锁定后的VCO输出信号与导频同频且几乎同相。 相干解调是将发来的信号s(t)与恢复载波相乘，再经过低通滤波后输出模拟基带号。

三、实验步骤

(A) DSB-SC AM信号的产生

1、实验步骤：

（1） 调整音频振荡器输出的模拟信号频率为10KHZ，作为均值为零的调制信号m(t)。主

振荡器输出100KHZ的模拟载波信号。如下图：

主振荡器输出 音频振荡器输出

将两路信号连接到乘法器的两个输入端。

（2） 乘法器输出波形如下图，波形在调制信号半周期的整数倍处的过零点存在相位翻转。

（3） 已调信号的振幅频谱如下图：

该频谱具有以下特点：没有单独的载波分量，在载波频率的两侧有相互对称的两个冲击信号，分别称为上、下边带。该频谱是将基带信号线性搬移到载波频率上得到的。

（4）将DSB-SC AM信号和导频分别连接到加法器的输入端，调整加法器的增益G和g （a）调整G=1

（b）调整g=0.8，即为：频谱中导频信号幅度为已调信号边带幅度的0.8倍。

2、思考题

（1）说明DSB-SC AM信号波形的特点。 答：1、波形的包络按调制信号的规律变化； 2、瞬时变化频率为载波频率； 3、波形在调制信号半周期的整数倍处的过零点存在相位翻转。 （2）已调信号加导频的振幅频谱图如下：

答：此导频信号幅度为已调信号边带幅度的0.8倍，导频信号功率与已调信号功率之比 为0.32。

(B) DSB-SC AM信号的相干解调及载波提取

1、锁相环的调试：

（1）单独测量VCO的性能

VCO的中心频率范围约为70~130KHZ，将可变直流电压加入VCO的Vin端后得到-2V~+2V范围内VCO的鉴频特性如下图：

VCO鉴频特性13012011010090807060-3-2-10直流电压/V

如图，直流电压在-2V~与+2V之间时，VCO并没有超出线性范围。由于仪器的可变直流模块提供的电压约在-2V~与+2V之间，而且实验中VCO也不需要太大的直流输入，所以仅考虑此范围内的VCO鉴频特性即可。

调整VCO中心频率为100KHZ，可变直流电压为±1V时VCO频率偏移为±10KHZ,如下图：

频率/kHZ123

中心频率为100KHZ

调整GAIN，加±1V直流电压VCO频率偏移为±10KHZ

（2）单独测量锁相环中的相乘、低通滤波器的工作是否正常。 VCO的开环、闭环的连接图如下： 开环： 信号源

输出

VCO LPF VCO

闭环：

信号源

输出 VCO LPF VCO

锁相环处于开环状态，乘法器相当于混频器。改变信源VCO的中心频率，观察到输出信号为输入信号与VCO输出信号的差拍信号，如下图：

（3）测量锁相环的同步带及捕捉带 将锁相环闭环连接，改变信源VCO的中心频率，锁相环依次处于失锁、锁定状态，得到各状态转换时的输入频率如下图：

F2=95KHZ，Vin=510mV F4=112KHZ，Vin=-1V

F3=107KHZ，Vin=-530mV F1=89KHZ，Vin=1.1V *失锁时VCO输出信号频谱：

如上图，VCO失锁时输出信号为交变的差拍信号 *锁定时VCO输出信号频谱：

计算得： 同步带 △F1=F4-F1=23KHZ 捕捉带 △F2=F3-F2=12KHZ

最后，将主振荡器输入锁相环，使锁相环锁定于100KHZ，此时LPF输出的直流电平约为零电平。如下图：

2、恢复载波

（1）载波提取PLL为锁定状态，使LPF输出信号是直流信号，如下图：

这时可由示波器观察到导频信号与VCO输出的信号是同步的，两者的相位差约为90°，如下图：

（2）成功的提取了载波后，利用移相器使VCO输出波形移相90°，从而使输入与相干解调的恢复载波与发来的导频信号不仅同频而且同相。如下图：

（3）分析恢复载波的振幅频谱

如图，恢复的波形频谱为单一频率的分量，该分量的频率为载波频率，说明成功的恢复了载波。

3、相干解调

（1）将发送来的信号与恢复载波分别连至相干解调的乘法器的两个输入端。观察相干解调相乘，低通滤波后的输出波形如下图：

相干解调相乘，低通滤波后的输出波形与原调制信号m(t)

解调输出波形与调制信号m(t)基本上同频同相，存在很小的相位差，这是由于仪器的误差和电路的延时造成的。

(2)改变发端音频振荡器的频率，解调输出信号也随之改变，但由于本实验系统所提供的锁相环中的RC LPF的3dB带宽为2.8KHZ，所以调制信号频率改变必须在一定范围之内，超出了这个范围解调信号就会出现失真，如下图：

8KHZ,解调输出与调制信号相同 2KHZ，调制频率太小解调输出波形出现失真 4、思考题

（1）实验中载波提取锁相环的LPF是否可用TIME系统中的“TUNEABLE LPF”？ 答：不可以。因为实验中使用的 UTILITIES 中的 RC LPF的带宽是 2.8KHz,且只 有-3db 的衰减;而 TUNEABLE LPF中 NORM 的带宽是 900Hz~5KHz,衰减 带衰减达到-50db,如果乘法器的输出(锁定时基本为 0HZ)小于 900HZ, 那么将被衰减到很小,不能起到控制 VCO 的作用,所以不能跟换。

（2）若本实验中的音频信号为1KHZ，请问实验系统所提供的PLL能否用来提取载波？ 答：不能，因为本实验系统所提供的锁相环中的RC LPF的3dB带宽为2.8KHZ，所以音频调制信号频率不能太低，否则会出现失真。如3、相干解调中的（2），音频信号为2KHZ时解调输出信号波形就出现了失真。

（3）可以采用平方环法和科斯塔斯(COSTAS)环法,下面使用平方环法进行提取载波,如下所示:

r(t) 平方 窄带滤波器 环路滤波器 VCO 恢复 二分频 移相器 载波

四、实验心得

在本次实验中,初步熟悉了 TIMS 实验系统的使用方法,了解了 TIMS 实验系统与示波器之间配合使用的一些基本技巧,学习和熟悉了各个电路模块的结构和功能,也对理论与实际之间存在的差别有了一个直观的认识。由于对于实验设备不熟悉,第一次实验遇到了一些困难。比如：如何用示波器较好的显示波形的频谱、VCO的调整与测试、同步带，捕捉带的测量等等。经过了对实验仪器的一段适应之后，以上一些问题得到了很好的解决，并最终得到了很好的实验结果。经过老师的指导之后，补充了VCO鉴频特性曲线及VCO锁定及失锁时的频谱。

实验二：具有离散大载波的双边带调幅（ AM）

一、实验目的：

*了解AM信号的产生原理及实现方法。

*了解AM信号波形及振幅频谱特点，并掌握振幅系数的测量方法。 *了解AM信号的非相干解调原理和实现方法。 二、实验原理： 1、AM信号的产生

（1）在DSB-SC AM的基础上，再加上离散的大载波分量即可得到AM信号。

增益G SAM(t) m(t)

SIN2πfc t 增益g

（2）调制信号m(t)加上直流电压后对载波进行调制。

SAM(t) m(t) AcSIN2πfct 直流 电压

本实验采用（2）产生AM信号

AM信号的包络与调制信号m(t)成正比，为避免产生过调制，要求a<=1。其中a=Am/A a也可由公式a=(Amax-Amin)/(Amax+Amin)得出 2、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，也可以用包络检波器进行非相干解调。本实验采用包络检波方案。 三、实验步骤

（A）AM信号的产生

1、产生过程

（1）音频振荡器输出为5KHZ，主振荡器输出为100KHZ。 （2） 调整G和g均为1

四、实验心得

在本次实验中, 巩固了 AM 信号的产生原理和实现的方法,通过示波器观察AM信号的波形和频谱的特点,并掌握了调幅系数的测量的方法。在此基础上, 理解了 AM 信号的非相干解调, 也就是采用包络检波器+LPF 的经典组合来实现AM信号的解调。本实验要注意调幅系数的限制,不能出现过调幅的现象,否则将不能通过包络检波器来实现解调。在观察整流器输出波形时，出现了削峰失真现象，这将导致信号经过LPF后不能正常得到原基带信号。经分析知其原因是AM信号幅度太大，超过了整流器的限制。所以只好从加法器下手减小增益，从而使信号幅度符合要求，使整流器输出波形正常不失真。在实验的过程中,由于对 AM 信号的知识点比较熟悉,所以较为顺利的完成了实验。经老师指导补充了整流器输出波形及频谱、解调输出波形及频谱等内容。

实验三：调频（FM）

一、实验目的：

*了解用VCO作调频器的原理及实现方法。 *测量FM信号的波形及振幅频谱。

*了解利用锁相环作FM解调的原理和实现方法。 二、实验原理：

产生FM信号的方法之一是利用VCO，如图：

m(t) VCO SFM(t)

m(t)输入于VCO，当输入电压为0时，VCO输出频率为fc。当输入模拟基带信号的电压变化时，VCO的振荡频率作相应变化。

FM信号的解调方案之一是利用锁相环进行FM解调。锁相环解调的原理框图如图： S(t) 输出 鉴相器 环路滤波器

G(f)

VCO

锁相环锁定时，VCO输出的FM信号与接收到的输入FM信号之间是同频关系，相位也几乎相同。

锁相环作FM解调时有两个关键点：一是开环增益（即锁相环开环的增益）要足够大，二是环路滤波器的带宽要与基带信号的带宽相同。

三、实验步骤

（A）FM信号的产生

1、产生过程

（1）单独调测VCO

*直流为零，VCO中心频率为100KHZ。

*VCO鉴频特性：

VCO鉴频特性13012011010090807060-3-2-10直流电压/V 在直流在-2V～+2V之间时VCO在线性工作范围 *直流在-2V～+2V之间时VCO的频率在±5KHZ内变化：

频率/kHZ123

直流为2V，VCO输出95KHZ 直流为-2V，VCO输出105KHZ

（2）将音频振荡器的频率调到2KHZ，作为调制信号输入于VCO的Vin输入端。

（3）测量各点信号波形：

音频输出2KHZ 调频输出波形

由于原音频信号幅度不大，使得示波器显示的FM信号并没有表现出明显的频率变化，为了观察更明显的信号波形，现将原音频信号经过缓冲放大器放大后进行FM调制，给出此时的FM信号波形：

原调制信号经过缓冲放大器放大 放大后的调制信号调制后的FM 由上图可观察到FM信号波形明显的频率变化，使FM信号的变化规律更加明显。 （4）测量FM信号的振幅频谱

根据卡松公式，单音频FM信号的带宽为B≈2(β+1)fm，由上图可观察到FM信号的频谱并不是基带信号频谱的简单线性搬移，而是由非线性变换产生的。而且产生了其他的频率分量。 2、思考题

（1）本实验的FM信号的调制指数是多少？FM信号的带宽是多少？

答：音频信号m(t)的幅度a为2.2V，由VCO的直流输入变化2V时VCO输出频率变化5KHZ知Kf为2.5 KHZ/V，基带信号带宽fm为2KHZ，由公式β=a2Kf／fm得β=2.75。根据卡松公式， FM信号的带宽为B≈2(β+1)fm=15KHZ。

（2）用VCO产生FM信号的优点是可以产生大频偏的FM信号，缺点是VCO中心频率稳定性差。为了解决FM大频偏及中心频率稳定度之间的矛盾，可采用什么方法来产生FM信号？ 答：可以使用\倍频+混频\的技术来产生 FM 信号,如下所示: m(t) 分频÷N 低通 晶振 fosc/N fosc VCO 分频÷M fo fosc/N= fo/M fosc/M N

注:倍频后载波和频偏均放大了 N 倍,使用混频使调频于中心频率。

输出 （B）FM信号的锁相环解调

1、步骤

（1）单独调测VCO

*直流为零，VCO中心频率为100KHZ。

*直流在-1V～+1V之间时VCO的中心频率在±10KHZ内变化：

直流为-1V，VCO输出110KHZ 直流为1V，VCO输出90KHZ （2）将另一个VCO作信源，接入于锁相环，测试锁相环的同步带和捕捉带。 将锁相环闭环连接，改变信源VCO的中心频率，锁相环依次处于失锁、锁定状态，得到各状态转换时的输入频率如下图：

F2=94KHZ，Vin=600mV F4=113KHZ，Vin=-1V

F3=107KHZ，Vin=-560mV F1=87KHZ，Vin=1.1V *失锁时VCO输出信号频谱：

如上图，VCO失锁时输出信号为交变的差拍信号 *锁定时VCO输出信号频谱：

数字基带信号与判决器输出

（3）用示波器同时观察眼图及采样脉冲，调节判决模块前面板上的判决点旋钮，使得在眼图睁开最大处进行采样、判决。对于NRZ-L码的最佳判决电平时零，判决输出的是TTL电平的数字信号。

眼图睁开最大处进行采样、判决

由图可见，采样脉冲恰好在眼图睁开最大处。

数字基带信号与判决器输出

由图可见，判决其输出的结果与数字基带信号相同，只存在较小的相差。说明采样、判决系统正确得到了正确的结果。 2、思考题

对于滚降系数为α=1升余弦滚降的眼图，画出示意图，标出最佳取样时刻和最佳判决门限。 示意图如下图：

最佳采样时刻

判决门限

四、实验心得

通过本次实验,我了解了采样,判决在数字通信系统中的作用及其实现方法. 在数字通信系统中的接收端, 需要从接收滤波器输出的基带信号中提取时钟,用以对接收滤波器输出的基带信号在眼图睁开最大处进行周期性的瞬时采样, 然后将各采样值分别与最佳判决门限进行比较作出判决,输出数据序列.。由于在前几次实验中对提取时钟、眼图都有了比较深刻的理解，所以在本次实验中没有遇到太大困难。通过本次试验，我对采样和判决的具体流程，以及眼图的应用有了更深刻和更形象的理解。.

以下是一些经老师指导后补充在实验报告中的图，在上面的实验报告中已经包含了这些图，现集中列出如下： 1、VCO

锁定时频谱 失锁时频谱

-2V~2V之间VCO鉴频特性：

VCO鉴频特性13012011010090807060-3-2-10直流电压/V 频率/kHZ1232、FM：

原调制信号调制后的FM

由于原音频信号幅度不大，使得示波器显示的FM信号并没有表现出明显的频率变化，为了观察更明显的信号波形，现将原音频信号经过缓冲放大器放大后进行FM调制，给出此时的FM信号波形：

原调制信号经过缓冲放大器放大 放大后的调制信号调制后的FM

AM:

整流器输出波形及频谱 解调输出波形及频谱

时钟恢复：

恢复时钟频谱

2、恢复时钟与发端时钟：

3、译码器输出与原发送的伪随机序列：

（C）从UNI-RZ码恢复时钟

从UNI-RZ码恢复时钟的原理： 其功率谱不仅含有离散直流分量及连续谱，而且还包含离散的时钟分量及其奇次谐波分量，所以可以利用窄带滤波器或者锁相环从单极性归零码中提取时钟分量。然后再通过比较器得到TTL方波，和移相器得到与发送时钟同相的恢复时钟。 1、UNI-RZ码：

2、恢复时钟与发端时钟：

3、译码器输出与原发送的伪随机序列：

2、思考题

（1）如何从分相码中提取时钟？ 答：从分相码(Manchester)提取时钟不能简单的经过一个全波的整流器, 这样的话出现的是一个直流的信号,正确的方法如下: 先微分,成为一种双极性的 RZ 码,然后全波整流可以实现,框图如下:

分相码输入 时钟输出 微分 全波整流 窄带滤波 二分频

（2）对于双极性不归零码，如果发送数据中‘1’出现的概率为90%，请问如何从这样的信号中提取时钟？

答：对于 NRZ 码来说,不能直接提取时钟,也不能直接相乘分离出离散的时钟分量。可以先经过一个相移器,使相移后的信号与原信号相差 90 °, 然后两者相乘再通过窄带滤波器。由于是相乘,对于双极性码来说,发 \和\对于相乘后的效果是一样的,故概率的不同并不会

引起提取方案的改变。

（3）从限带基带信号中提取时钟的原理是什么？ 答：从限带基带信号中提取时钟的原理是利用基带信号直接或进行非线性变化后产生出离散的时钟分量或时钟分量的多倍频。RZ 码采用全波整流，也就是进行非线性变换，从而得到含有载波分量的时钟，所以可以采用窄带滤波器来提取时钟； 但是如 Manchester 码滤波后信号的频率是时钟分量的二倍，所以需要二分频。简单来说，就是利用非线性变换分离出离散的时钟分量。 四、实验心得 通过本次实验,我理解了从从线路码中提取时钟的原理。了解从 RZ-AMI 码和 BIP-RZ 或 UNI-RZ 码中提取时钟的实现方法。对于不同线路码提取时钟的方法，需要我们正确分析各码型的特点后进行选择，要从信号波形和频谱两方面综合考虑。例如单极性归零码的频谱含有离散的载波分量,所以我们可以用一个窄带滤波器把时钟恢复出来。 而分相码提取时钟不能简单的经过一个全波的整流器,正确的方法是先微分,成为一种双极性的 RZ 码,然后再经过全波整流。经过老师指导，补充了恢复时钟的频谱等内容。

实验六：眼图

一、实验目的：

*了解数字基带传输系统中“眼图”的观察方法及其作用。 二、实验原理： 对于实际的数字通信传输系统，可用实验手段以波形观察方式来评价传输系统的性能。用示波器显示基带传输系统接收滤波器的输出基带信号波形，在示波器显示屏上可观察到类似人眼的图案，称其为眼图。从眼图的张开程度，可以观察码间干扰和加性噪声对接收基带信号波形的影响，从而能对系统性能做出定性的判断。 三、实验步骤：

（1）将主信号发生器的8.33KHZ TTL电平的方波输入于线路码编码器的M.CLK端，经四分频，由B.CLK端输出2.083KHZ的时钟信号，如图：

8.33KHZ TTL电平的方波和2.083KHZ的时钟信号

（2）用双踪示波器同时观察可调低通滤波器的输出波形及2.083KHZ的时钟信号。并适当调节，得到合适的限带基带信号波形，观察眼图，如下：

眼图

眼图及2.083KHZ的时钟信号 四、实验心得

眼图提供了关于数字通信系统大量有用信息：

*在“眼睛”张开度最大时刻，是最好的采样时刻；

*眼图斜边斜率决定定时误差的灵敏度，斜边越陡，对定时误差越敏感，即要求定时越准； *“眼睛”在特定采样时刻的张开度决定了系统的噪声容限； *眼图中央的横轴位置对应于判决门限； *当码型干扰十分严重，“眼睛”会完全闭合，系统误码严重。 通过本实验，我们亲手调试系统用示波器得到了“眼图”，使我们对眼图的原理和产生过程有了形象的认识。本实验的重点在于调整示波器的扫描周期使其符合产生眼图的要求；调整可调低通滤波器的输出波形，从而得到清晰的眼图。实验刚开始的时候，调整出的眼图出现波峰截止现象，这是可调低通滤波器的增益没有调整好的缘故，后来经老师的指导重新对系统进行调整，最终得到了清晰正确的眼图波形。

实验七：采样、判决

一、实验目的：

*了解采样、判决在数字通信系统中的作用及其实现方法。

*自主设计从限带基带信号中提取时钟、并对限带信号进行采样、判决、恢复数据的实验方案，完成实验任务。 二、实验原理： 在数字通信系统中的接收端，设法从接受滤波器输出的基带信号中提取时钟，用以对接收滤波器输出的基带信号在眼图睁开最大处进行周期性的瞬时采样，然后将各采样值分别与最佳判决门限进行比较作出判决、输出数据。 三、实验步骤： 1、步骤：

（1）自主设计提取时钟方案，完成恢复时钟（TTL电平）的实验任务。调节恢复时钟的相移，使恢复时钟的相位与发来的数字基带信号的时钟相位一致。提取时钟的电路如下：

接收信号 平方 窄带滤波器 缓冲放大器 接收滤波器

恢复时钟 比较器 移相器

按上框图连接电路，最后可得到恢复的时钟信号：

可调低通滤波器输出与恢复时钟信号 发端时钟信号与恢复时钟信号同相

（2）将恢复时钟输入于判决模块的B.CLK时钟输入端。将可调低通滤波器输出的基带信号输入于判决模块。得到此时的数字基带信号与判决器输出如图：

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