1、通信原理实验指导书使用资料实验一 信号源实验一、实验目的1、了解频率连续变化的各种波形的产生方法。2、了解NRZ码、方波、正弦波等各种信号的频谱。3、理解帧同步信号与位同步信号在整个通信系统中的作用。4、熟练掌握信号源模块的使用方法。二、实验内容1、观察频率连续可变信号发生器输出的各种波形及7段数码管的显示。2、观察点频方波信号的输出。3、观察点频正弦波信号的输出。4、拨动拨码开关，观察码型可变NRZ码的输出。5、观察位同步信号和帧同步信号的输出。6、观察NRZ码、方波、正弦波、三角波、锯齿波的频谱。三、实验仪器1、信号源模块2、20M双踪示波器 一台3、频率计（可选） 一台4、PC机（可选）
2、 一台5、连接线 若干四、实验原理信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分，分别产生模拟信号和数字信号。1、模拟信号源部分模拟信号源部分可以输出频率和幅度任意改变的正弦波（频率变化范围100Hz10KHz）、三角波（频率变化范围100Hz1KHz）、方波（频率变化范围100Hz10KHz）、锯齿波（频率变化范围100Hz1KHz）以及32KHz、64KHz的点频正弦波（幅度可以调节），各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。该部分电路原理框图如图1-1所示。在实验前，我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U04,并存放在固定的地址中。当单片机U03检测到波形选择开关和频率调节
3、开关送入的信息后，一方面通过预置分频器调整U01中分频器的分频比(分频后的信号频率由数码管SM01SM04显示)；另一方面根据分频器输出的频率和所选波形的种类，通过地址选择器选中数据存储器U04中对应地址的区间，输出相应的数字信号。该数字信号经过D/A转换器U05和开关电容滤波器U06后得到所需模拟信号。图1-1 模拟信号源部分原理框图2、数字信号源部分数字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码（可通过拨码开关SW01、SW02、SW03改变码型）以及位同步信号和帧同步信号。绝大部分电路功能由U01来完成，通过拨码开关SW04、SW05可改变整个数字信号源位同步信号和帧同步信号的速率，
4、该部分电路原理框图如图1-2所示。图1-2 数字信号源部分原理框图晶振出来的方波信号经3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器分频，前一分频器分频后可得到1024KHz、256KHz、64KHz、32KHz、8KHz的方波。可预置分频器的分频值可通过拨码开关SW04、SW05来改变，分频比范围是19999。分频后的信号即为整个系统的位同步信号（从信号输出点“BS”输出）。数字信号源部分还包括一个NRZ码产生电路，通过该电路可产生以24位为一帧的周期性NRZ码序列，该序列的码型可通过拨码开关SW01、SW02、SW03来改变。在后继的码型变换、时分复用、CDMA等实验中，NRZ码将起到十分重
5、要的作用。五、实验步骤1、将信号源模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下开关POWER1、POWER2，发光二极管LED01、LED02发光，按一下复位键，信号源模块开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、模拟信号源部分 观察“32K正弦波”和“64K正弦波”输出的正弦波波形，调节对应的电位器的“幅度调节”可分别改变各正弦波的幅度。 按下“复位”按键使U03复位，波形指示灯“正弦波”亮，波形指示灯“三角波”、“锯齿波”、“方波”以及发光二极管LED07灭，数码管SM01SM04显示
6、“2000”。 按一下“波形选择”按键，波形指示灯“三角波”亮（其它仍熄灭），此时信号输出点“模拟输出”的输出波形为三角波。逐次按下“波形选择”按键，四个波形指示灯轮流发亮，此时“模拟输出”点轮流输出正弦波、三角波、锯齿波和方波。 将波形选择为正弦波时（对应发光二极管亮），转动“频率调节”的旋转编码器，可改变输出信号的频率，观察“模拟输出”点的波形，并用频率计查看其频率与数码管显示的是否一致。转动对应电位器“幅度调节”可改变输出信号的幅度，幅度最大可达5V以上。（注意:发光二极管LED07熄灭，转动旋转编码器时，频率以1Hz为单位变化；按一下旋转编码器，LED07亮，此时旋转旋转编码器，频率以
7、50Hz为单位变化；再按一下旋转编码器，LED07熄灭，频率再次以1Hz为单位变化） 将波形分别选择为三角波、锯齿波、方波，重复上述实验。 电位器W02用来调节开关电容滤波器U06的控制电压，电位器W01用来调节D/A转换器U05的参考电压，这两个电位器在出厂时已经调好，切勿自行调节。4、数字信号源部分 拨码开关SW04、SW05的作用是改变分频器的分频比（以4位为一个单元，对应十进制数的1位，以BCD码分别表示分频比的千位、百位、十位和个位），得到不同频率的位同步信号。分频前的基频信号为2MHz，分频比变化范围是19999，所以位同步信号频率范围是200Hz2MHz。例如，若想信号输出点“B
8、S”输出的信号频率为15.625KHz，则需将基频信号进行128分频，将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，就可以得到15.625KHz的方波信号。拨码开关SW01、SW02、SW03的作用是改变NRZ码的码型。1位拨码开关就对应着NRZ码中的一个码元，当该位开关往上拨时，对应的码元为1，往下拨时，对应的码元为0。 将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，SW01、SW02、SW03设置为01110010 00110011 10101010，观察BS、2BS、FS、NRZ波形。 改变各拨码开关的设置，重复观察以上各点波形。4 观察1
9、024K、256K、64K、32K、8K各点波形（由于时钟信号为晶振输出的24MHz方波，所以整数倍分频后只能得到的1000K、250K、62.5K、31.25K、7.8125K信号，电路板上的标识为近似值，这一点请注意）。5 将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，观察伪随机序列PN15、PN31、PN511的波形。6 改变拨码开关SW04、SW05的设置，重复观察以上各点波形。六、输入、输出点参考说明1、输出点说明模拟部分输出： 24M： 晶振24MHz时钟信号输出点，峰峰值约为2.3V。模拟输出：波形种类、波形幅度、波形频率均可调。正弦波：100Hz10KH
10、z，幅度最大可达4V；三角波：100Hz1KHz，幅度最大可达4V；锯齿波：100Hz1KHz，幅度最大可达4V；方 波：100Hz10KHz，幅度最大可达4V；数字部分输出：方波占空比：50% 8K： 7.8125KHz方波输出点。32K： 31.25KHz方波输出点。64K： 62.5KHz方波输出点。256K： 250KHz方波输出点。1024K： 1000KHz方波输出点。BS： 位同步信号输出点，方波，频率可通过拨码开关SW04、SW05改变。2BS： 2倍位同步信号频率的方波输出点，频率可通过拨码开关SW04、SW05改变。FS： 帧同步信号输出点，窄脉冲，频率是位同步信号频率的1
11、/24。NRZ： 24位NRZ码输出点，码型可通过拨码开关SW01、SW02、SW03改变，码速率和位同步信号频率相同。PN15： N24115的m序列输出点。PN31： N25131的m序列输出点。PN511： N291511的m序列输出点。32KHz正弦波： 31.25KHz正弦波输出点。（幅度最大可达4V）64KHz正弦波： 62.5KHz正弦波输出点。（幅度最大可达4V）七、实验报告要求1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。实验二 常规双边带调幅与解调实验一、实验目的1、掌握常规双边带调幅与解调的原理及实现方法
12、。2、掌握二极管包络检波原理。3、掌握调幅信号的频谱特性。4、了解常规双边带调幅与解调的优缺点。5、了解抑制载波双边带调幅和解调的优缺点。二、实验内容1、观察常规双边带调幅的波形。2、观察常规双边带调幅波形的频谱。3、观察抑制载波双边带调幅波形。4、观察常规双边带解调的波形。三、实验仪器1、信号源模块2、PAM&AM模块3、频谱分析模块（可选）4、20M双踪示波器 一台5、频率计（可选） 一台6、音频信号发生器（可选） 一台7、立体声单放机（可选） 一台8、立体声耳机（可选） 一副9、连接线 若干四、实验原理（A）常规双边带调幅与解调1、常规双边带调幅所谓调制，就是在传送信号的一方（发送端）将
13、所要传送的原始信号（其频率一般是较低的）“附加”在高频振荡信号上。所谓将原始信号“附加”在高频振荡上，就是利用原始信号来控制高频振荡的某一参数，使这个参数随原始信号的变化而变化。这里，高频振荡波就是携带原始信号的“运载工具”，所以也叫载波。而原始信号我们一般称之为调制信号。在接收信号的一方也就是接收端再经过解调（反调制）把载波所携带的信号取出来，得到原有的信息，解调过程也叫检波。调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。通常调制的载波可以分为两类：用连续振荡波形（正弦型信号）作为载波；用脉冲串或一组数字信号作为载波。连续波调制是用调制信号来控制正弦型载波的振幅、频率或相位，因而分
14、为调幅、调频和调相三种方式；脉冲波调制是先用信号来控制脉冲波的振幅、宽度、位置等，然后再用这已调脉冲对载波进行调制，脉冲调制有脉冲振幅、脉宽、脉位、脉冲编码调制等多种形式。本实验模块所要进行的实验是连续波的振幅调制与解调，即常规双边带调幅与解调和抑制载波双边带调幅与解调。我们已经知道，调幅波的特点是载波的振幅受调制信号的控制作周期性的变化，这变化的周期与调制信号的周期相同，振幅变化与调制信号的振幅成正比。为简化分析，假定调制信号是简谐振荡，即为单频信号，其表达式为：图4-1 常规调幅波形如果用它来对载波（）进行调幅，那么，在理想情况下，常规调幅信号为： （41）其中调幅指数为比例系数。图4-1
15、给出了，和的波形图。从图中并结合式（41）可以看出，常规调幅信号的振幅由直流分量和交流分量迭加而成，其中交流分量与调制信号成正比，或者说，常规调幅信号的包络（信号振幅各峰值点的连线）完全反映了调制信号的变化。另外还可得到调幅指数Ma的表达式：显然，当Ma1时，常规调幅波的包络变化与调制信号不再相同，产生了失真，称为过调制，如图4-2所示。所以，常规调幅要求Ma必须不大于1。图4-2 过调制波形式（41）又可以写成 （42）可见，的频谱包括了三个频率分量：（载波）、（上边频）和（下边频）。原调制信号的频带宽度是（或），而常规调幅信号的频带宽度是2（或2F），是原调制信号的两倍。常规调幅将调制信号
16、频谱搬移到了载频的左右两旁，如图4-3所示。被传送的调制信息只存在于边频中而不在载频中，携带信息的边频分量最多只占总功率的三分之一（因为Ma1）。在实际系统中，平均调幅指数很小，所以边频功率占的比例更小，功率利用率更低。为了提高功率利用率，可以只发送两个边频分量而不发送载频分量，或者进一步仅发送其中一个边频分量，同样可以将调制信息包含在已调制信号中。这两种调制方式分别称为抑制载波的双边带调幅（简称双边带调幅）和抑制载波的单边带调幅（简称单边带调幅）。图4-3 常规调幅波的频谱2、双边带调幅实验电路双边带调幅信号产生的具体电路原理图如图4-4所示。图中MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。通常振
17、幅调制、同步检波、鉴频、混频、倍频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程，所以都可以采用集成模拟乘法器实现上述功能。而且采用模拟乘法器比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，性能也要更优越。所以目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。本实验就是采用MC1496作为振幅调制器。高频载波信号从“载波输入”点输入，经高频耦合电容C08输入至U02（MC1496）的10脚。低频基带信号从“音频输入”点输入，经低频耦合电容E05输入至U02的1脚。C08为高频旁路电容，E06为低频旁路电容。调幅信号从MC1496的12脚输出。引脚2与3外接反馈电阻R19，用来扩展调制信号的电压
18、的线性动态范围，R19增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减少。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时）。图中MC1496芯片引脚1和引脚4接两个100和两个750电阻及47K电位器用来调节输入馈通电压，调节P01，可以引入一个直流补偿电压，由于调制电压与直流补偿电压相串联，相当于给调制信号叠加了某一直流电压后与载波电压相乘，从而完成普通调幅。实际上，从此12脚输出的调幅信号接有一个U04组成的射随电路，来增加电路的带负载能力。输出后的调幅信号还要经过滤波，这样才能保证调幅信号的质量。双边带调幅的滤波电路如图4-5所示。图4-4 双边带调幅信号产生电路原理图图4-5 双边带
19、调幅信号的滤波3、常规双边带解调在解调电路中，采用二极管包络检波对调幅信号进行解调。包络检波是利用常规双边带调幅信号在时域内包络变化能反映调制信号变化规律这一特点形成的检波。调幅信号还可以采用相干解调的方法进行解调。但是包络检波电路比较简单，所以在工程中常常用到。包络检波器可以由一个整流器也就是检波器和一个低通滤波器组成。因为二极管D02的作用是实现高频包络检波，所以要求二极管的正向导通压降越小越好，在这里采用的是锗型二极管1N60，其正向导通电压UF0.3V，可以很好的满足要求。R28为负载电阻，C14为负载电容，它的值应该选取在高频时，其阻抗远小于R，可视为短路；而在调制频率（低频）时，其
20、阻抗则远大于R，可视为开路。利用二极管的单向导电性和检波负载RC的充放电过程，就可以还原出与调幅信号包络基本一致的信号。具体电路如图4-6所示。图4-6 二极管包络检波解调电路（B）抑制载波双边带调幅调幅信号中的大部分功率被载波占用，而载波本身并不含有基带信号的信息。所以，可以不传输此载波。这样就得到我们接下来要讨论的抑制载波双边带调制。如果输入的原始信号没有直流分量，则得到的输出信号便是无载波分量的抑制载波双边带调制信号。这样可以节省发送载波的功率，也可以提高信号的传输速率。实现的方法与常规双边带调幅方法相同，也是采用模拟乘法器实现的。如果需要产生抑制载波双边带调幅波，则仔细调节引脚1与引脚
21、4之间的P01，使MC1496输入端电路平衡，输出信号 的幅度逐渐增大，最后出现如图47所示的抑制载波的调幅信号。 图4-7 乘法器输出的调幅波五、实验步骤1、将信号源模块、PAM&AM模块、频谱分析模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，三个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、使信号源模块的信号输出点“模拟输出”输出频率为3.125KHz、峰-峰值为0.5
22、V左右的正弦波, 旋转“64K幅度调节”电位器使“64K正弦波”处信号的峰-峰值为1V。4、用连接线连接信号源模块的信号输出点“模拟输出”和PAM&AM模块的信号输入点“AM音频输入”，以及信号源模块的信号输出点“64K正弦波”和PAM&AM模块的信号输入点“AM载波输入”，调节PAM&AM模块的电位器“调制深度调节”，同时用示波器观察测试点“调幅输出”处的波形，可以观察到常规双边带调幅波形和抑制载波的双边带调幅波形。5、观察“AM载波输入”、“AM音频输入”、“调幅输出”、“滤波输出”、“解调幅输出”各点处输出的波形。6、用频谱分析模块（用法请参考实验三）分别观察常规双边带调幅时“AM载波输
23、入”、“AM音频输入”、“调幅输出”、“滤波输出”、“解调幅输出”各点频谱，以及抑制载波的双边带调幅时各点频谱并比较之。（可选）7、改变“AM音频输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。8、改变“AM载波输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。六、输入、输出点参考说明1、输入点参考说明AM音频输入：模拟信号输入点，输入的信号即为基带信号。AM载波输入：载波信号输入点，频率应远高于基带信号。2、输出点参考说明调幅输出： 常规双边带调幅与抑制载波双边带调幅信号的输出点。滤波输出： 调幅信号经低通滤波器后的信号输出点。解调幅输出： 调幅信号解调输出点。七、实验报告要求1、分析实验电路的工作原理，叙述其工
24、作过程。2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。3、对实验思考题加以分析，按照要求做出回答，并尝试画出本实验的电路原理图。八、实验思考题1、为什么常规双边带调幅的信息传输速率较低，应该采用什么样的方法加以解决？2、单边带、双边带、残留边带和抑制载波双边带调幅这几种调制方式各有什么优点和缺点？ 实验三 脉冲编码调制与解调实验一、实验目的 1、掌握脉冲编码调制与解调的基本原理。2、定量分析并掌握模拟信号按照13折线A律特性编成八位码的方法。3、通过了解大规模集成电路TP3067的功能与使用方法，进一步掌握PCM通信系统的工作流程。二、实验内容1、观察脉冲编码调制与解调
25、的整个变换过程，分析PCM调制信号与基带模拟信号之间的关系，掌握其基本原理。2、定量分析不同幅度的基带模拟正弦信号按照13折线A律特性编成的八位码，并掌握该编码方法。三、实验仪器1、信号源模块2、模拟信号数字化模块3、20M双踪示波器 一台4、连接线 若干四、实验原理1、PCM工作原理所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码。脉码系统原理框图如图6-1所示。 图6-1 PCM 系统原理框图上图中，抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码
26、组输出。国际标准化的PCM码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号。解调过程中，一般采用抽样保持电路。同时，在对模拟信号抽样之前一般要进行预滤波，预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300Hz3400Hz内，所以预滤波会引入一定的频带失真。在整个PCM通信系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码。我们定义信号与量化噪声的功率比为信噪比S/N。国际电报电话咨询委员会（ITU-T）详细规定了信噪比的指标。下面将详细介绍PCM编码的整个过程，由于抽样原理已在前面实验中详细讨论过，故在此只讲述量化及编码的原理。（1
27、）量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化两种，我们先讨论均匀量化。把输入模拟信号的取值域按等距离分割的量化就称为均匀量化。均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图6-2所示。图6-2 均匀量化过程示意图其量化间隔（量化台阶）取决于输入信号的变化范围和量化电平数。一旦输入信号的变化范围和量化电平数被确定后，量化间隔也随之被确定。例如，输入信号的最小值和最大值分用a和b表示，量化电平数为M，那么，均匀量化的量化间隔为： 量化器输出为： 当式中为第个量化区间的终点，可写成 为第个量化区间的量化电平，可表示为上述均匀量化的主要缺点是无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变
28、。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也很小。这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，那么，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中往往采用非均匀量化的方法。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。非均匀量化与均匀量化相比，有两个突出的优点：首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中往往是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例
29、，因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的信噪比。非均匀量化的实际过程通常是将抽样值压缩后再进行均匀量化。现在广泛采用两种对数压缩，美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律。本实验模块采用的PCM编码方式也是A压缩律。所谓A压缩律就是压缩器具有如下特性的压缩律：A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本保持连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路来实现。本实验模块用到的PCM编码芯片TP3067正是采用这种压扩特性来进行编码的，如图6-3所示。
30、图6-3 13折线表6-1列出了13折线时的值与计算得的值的比较。表 6-10101按折线分段的01段落12345678斜率16168421表中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。（2）编码所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。注意这里谈论的编码和译码与差错控制的编码和译码是完全不同的，前者属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为低速编码和高速编码两类。实际通信一般都采用高速编码。编码器的种类大体上也可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型和混合型。本实验模块中PCM编码芯片TP3067采用的是逐次比较型编码。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。表6-2 段落码 表6-3 段内码段落序号段落码量化级段内码81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010020013
