《通信原理》實驗指導書薛禮妮編華北電カ大學（北京）

二零零八年十二月、ハ 1—.刖 S.實驗總體目標通信原理是通信工程、電子信息工程等信息類專業最重要的專業基礎課程,通過實驗課程的學習,可以加強學生對理論課程中的基本定理、調制/解調方法以及通信系統整體調試等知識的學習和認識,提高學生認識電路原理圖的能力,學習常用測試儀器的使用,學習測試結果的分析方法，為今后專業課的學習打下良好的基礎。.適用專業通信工程本科.先修課程模擬電子電路、數字電子電路、高頻電子電路、通信原理.實驗課時分配實驗項目學時實驗一PAM編譯碼實驗2實驗二PCM編譯碼實驗2實驗三FSK傳輸實驗2實驗四BPSK傳輸實驗2實驗五AMI/HDB3碼型變換實驗2實驗六電話交換呼叫處理通信系統綜合實驗2實驗七時分復用（TDM）通信系統綜合實驗2實驗ハHDB3線路編碼通信系統綜合測試實驗2實驗九MSK傳輸系統實驗2實驗十16QAM傳輸系統實驗2.實驗環境通信實驗室.實驗總體要求實驗前應認真閱讀實驗指導書,明確實驗目的，了解實驗原理、內容，掌握實驗步驟及注意事項,做實驗時記錄實驗數據，實驗結束后對實驗數據進行整理、實驗現象進行分析,并寫出實驗報告。緒論通信系統概述1.1概述通信原理綜合實驗系統中,涉及有數字調制解調技術、糾錯編譯碼技術、語音編碼技術、數字復接技術、基帶傳輸技術、電話接口技術、數字接口技術等。該系統將當今的核心技術和新器件融入通信原理課程,其具有以下特點:.先進性:數字信號處理（DSP）技術+PFGA技術。.全面性:通過這些測試接口，可以對每ー種電路模塊的功能和性能有一個全面的了解。.系統性：每個電路測試模塊可以放入多個系統中進行綜合實驗。.基礎性:與當今通信原理課程和教學大綱結合緊密。.使用性:便于老師對實驗內容的組織和實施。1.2電路組成概述在通信原理綜合實驗系統中，主要由下列功能模塊組成：I、顯示控制模塊2、FPGA初始化模塊3、信道接口模塊4、DSP+FPGA處理模塊5、D/A模塊6、中頻調制模塊7、中頻解調模塊8、A/D模塊9、測試模塊10、漢明編碼模塊11、漢明譯碼模塊12、噪聲模塊13、電話接口（1、2）模塊14、DTMF（1、2）模塊15、PAM模塊16、ADPCM（1、2）模塊17、CVSD發模塊18、CVSD收模塊19、幀傳輸復接模塊20、幀傳輸解復接模塊21、AMI/HDB3碼模塊22、CMI編碼模塊23、CMI譯碼模塊24、模擬鎖相環模塊25、數字鎖相環模塊在該硬件平臺中,模塊化功能較強,其電路布局見圖1.2.1所示。對于每ー個模塊,在PCB板上均由白色線條將其明顯分割開來，每個測試模塊都能單獨開設實驗,便于教學與學習。在通信原理綜合實驗系統中,電源插座與電源開關在機箱的后面,電源模塊在該實驗平臺電路板的下面,它主要完成交流~220V到+5V、+12V、ー12V的直流變換，給整個硬件平臺供電。在平臺上具有友好的人機接口界面設計，學生可以通過鍵盤選擇相應的工作模式與設置有關參數。菜單可選擇方式及設置參數1.3ー節。通信原理綜合實驗系統通過下面幾個端口與外部進行連接:JH02（實驗箱左端同步口模塊內）:同步數據接口方式。該接口電平特性為RS422.通過該端口接收外部來的發送數據，并送入調制器中:同時將解調器解調之后的數據通過該端口送往外部設備。在該接口中，還包括調制解測試模塊D/A模塊調制模塊噪聲模塊解調模塊電源終端B終端A漢明編碼漢ひ譯碼DSP+FPC從模塊A/D模塊DC/DC模塊同步接口;數字鎖相環!電話1模塊ADPCM1模塊PAM模塊CVSD發模塊DTMF1接續控制DTMF2CVSD收模塊ADPCM2模塊電話2模塊液晶顯示與鍵盤輸入復接模塊HDB3碼模塊CMI編碼模塊模擬鎖相環模塊CMI譯碼模塊解復接模塊圖121通信原理綜合實驗系統布局圖調器提供的收發時鐘信號。在使用RS422接口時需要通過菜單設置,選擇調制器輸入信號為“外部數據信號”。K002（實驗箱中上部左端的中頻Q9連接器）:為中頻發送信號連接器,調制后的中頻信號通過該ロ對外輸出，一般通過中頻同軸電纜送入信道仿真平臺（ZH6001）或自環送到接收端設備。JL02（實驗箱中上部右端的中頻Q9連接器）:從信道中來的中頻信號（如加噪后的中頻信號、無線衰落后的低中頻信號）由該端口輸入，送入解調模塊中進行解調。J007（數字測試信號輸入）、J005（模擬測試信號輸入）、J006（地）（在實驗箱左端的信號輸入接頭）：為測試信號輸入湍，用于向通信原理綜合實驗系統中送入各種測試信號。測試信號的輸入能否加入測試模塊還與測試模塊的跳線器設置有關,具體見測試步驟。JF01,JG01:標準異步數據端口A（JF01）和B（JG01）.A到B的異步傳輸經過信道傳輸，B到A為直通方式。通信原理綜合實驗系統接口布局見圖1.2.2所示。終端數據端口終端數據端口B圖1.2.2 通信原理綜合實驗系統接口布局示意圖在通信原理綜合實驗系統中，為便于學習和實驗,各項實驗內容是以模塊進行劃分,每個測試模塊可以單獨開設實驗。各模塊之間的系統連接見圖1.2.3所示。由圖可以看出,

在系統中通信雙方的傳輸信道是不對稱的。從用戶電話1向用戶電話2的信號支路是以無線信道傳輸技術為主,信號流程為:用戶電話接口1f話音編碼漢明糾錯編碼ー信道調制f加噪信道一信道解調ー漢明譯碼ー話音解碼2f用戶電話接口2〇從用戶電話2向用戶電話1的信號支路是以有線信道傳輸技術為主,信號流程為:用戶電話接口2f話音編碼2f信道復接ー線路編碼（HDB3/CMI）f線路譯碼ー信道解復接ー話音解碼用戶電話接口!o話音編碼數據地址碼m序列幀標志話音編碼數據地址碼顯示mー話音解碼用戶電話接口!o話音編碼數據地址碼m序列幀標志話音編碼數據地址碼顯示m序列輸出幀標志同步BPSKDBPSKADPCMCVSDDTMF檢測丨載波傳輸信道基帶傳輸信道這樣設計實驗系統的目的是為了在不增加成本的條件卜一最大限度的增加系統實驗內容,加強學生的動手能力,便于將各測試模塊放在不同系統中進行測試、比較,加強學生對各模塊在系統中的地位、作用、性能的掌握,使學生對通信系統有一個較全面的了解,同時老師可以根據實驗實際課時對實驗項目進行組織和優化。在每一個模塊中,都有測試點與測試插座對應信號點的定義。1.3通信原理實驗箱用戶使用說明書在通信原理綜合實驗系統中,各模塊的功能實現,需初始化不同的FPGA程序與數字信號處理DSP程序,并對它們進行ー定的管理。這些都是通過操作界面，讓學生進行選擇、控制。在系統加電之后,系統按照上次關機前選擇的模式進行初始化，在這期間DSP+FPGA模塊中的初始化燈（DV01）熄火。當初始化完成之后，初始化燈亮。在這之后大約經過5秒鐘之后，完成相應模式參數的設置。在這過程中，液晶顯示器一直顯示以下內容:通信原理實驗完成初始化與參數設定后，液晶顯示:調制方式選擇之后，將等待學生的輸入，學生必須按下箭頭鍵（除復位鍵外,其它鍵將不起作用）,將進入前一次學生選擇的界面。學生通過上、下箭頭鍵進行下列菜單的選擇：菜單1： ?制方式選擇!（該菜單上只有下箭頭和右箭頭起作用）菜單2: 另SK傳輸系統菜單3： Rpsk傳輸系統菜單4： DBPSK傳輸系統菜單5: 崎ス數據ー擇菜單6: 外部數據信號菜單7： -1碼菜単8： !全〇碼菜單9： 0/1碼|菜單10： 特殊碼序列菜單11：Im序列菜單］2: 工作方式選擇菜單］3：?配濾波菜單14：［PCM］（在該菜單上只有上箭頭和左箭頭起作用）菜單15：1DPCM通過上下箭頭,學生可以在菜單1到菜單15之間移動,對已選擇的模式或參數的菜單打勾,否則顯示小手。如耍選擇某ー種模式,當移至該菜單時按確認鍵即可。當學生可在菜單2到菜單4任一菜單上進行確認時，系統對學生選擇的模式進行初始化，在這期間左邊的初始化燈（DV01）熄滅。當初始化完成之后，初始化燈亮。在這之后大約經過5秒鐘，完成相應模式參數的設置，并且在該菜單上打勾。菜單2—4是調制方式選擇;菜單6—11是輸入數據選擇;菜單13是ー個復選菜單：第一次確認選擇，第二次按確認則取消該參數的設置：菜單14—15是語音編碼方式選擇。實驗ーPAM編譯碼器系統ー、實驗目的1、驗證抽樣定理2、觀察了解PAM信號形成的過程3、了解混迭效應形成的原因二、實驗類型驗證型三、實驗儀器1、ZH5001通信原理綜合實驗系統 ー臺2、20MHz雙蹤示波器 一臺3、函數信號發生器 一臺四、實驗原理和電路說明抽樣定理在通信系統、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。抽樣過程是模擬信號數字化的第一步,抽樣性能的優劣關系到通信設備整個系統的性能指標。利用抽樣脈沖把ー個連續信號變為離散時間樣值的過程稱為抽樣,抽樣后的信號稱為脈沖調幅（PAM）信號。抽樣定理指出,ー個頻帶受限信號m（t）,如果它的最高頻率為f”則可以唯一地山頻率等于或大于2fh的樣值序列所決定。在滿足抽樣定理的條件下，抽樣信號保留了原信號的全部信息。并且，從抽樣信號中可以無失真地恢復出原始信號。通常將語音信號通過ー個3400Hz低通濾波器（或通過一個30〇?3400Hz的帶通濾波器）,限制語音信號的最高頻率為3400Hz,這樣可以用頻率大于或等于6800Hz的樣值序列來表示。語音信號的頻譜和語音信號抽樣頻譜見圖1.1和圖1.2所示。從語音信號抽樣頻譜圖可知,用截止頻率為fh的理想低通濾波器可和語音信號抽樣頻譜見圖1.1和圖1.2所示。從語音信號抽樣頻譜圖可知,用截止頻率為fh的理想低通濾波器可以無失真地恢復原始信號m(t)o圖1.3留出防衛帶(fs>2fh)的語音信號的抽樣頻譜圖1.1語音信號頻譜理想低通濾波器圖1.2fs=2fh時語音信號的抽樣頻譜fs+fh 2fs+fh實際低通濾波器圖1.4fs<2fh時語音信號的抽樣頻譜實際上,設計實現的濾波器特性不可能是理想的,對限制最高頻率為3400Hz的語音信號,通常采用8KHz抽樣頻率。這樣可以留出一定的防衛帶（1200Hz）,參見圖1.3所示。當抽樣頻率fs低于2倍語音信號的最高頻率カ，就會出現頻譜混迭現象，產生混迭噪聲，影響恢復出的話音質量，原理參見圖1.4所示。在抽樣定理實驗中，采用標準的8KHz抽樣頻率,并用函數信號發生器產生一個頻率為れ的信號來代替實際語音信號。通過改變函數信號發生器的頻率れ,觀察抽樣序列和低通濾波器的輸出信號，檢驗抽樣定理的正確性。抽樣定理實驗各點波形見圖1.5所示。圖1.5抽樣定理實驗原理框圖圖1.6是通信原理綜合實驗系統所設計的抽樣定理實驗電路組成框圖。電路原理描述:輸入信號首先經過信號選擇跳線開關K701,當K701設置在N位置時(左端),輸入信號來自電話接口1模塊的發送話音信號;當K701設置在T位置時(右端),輸入信號來自測試信號。測試信號可以選擇外部測試信號或內部測試信號，當設置在交換模塊內的跳線開關KQ01設置在1_2位置(左端)時，選擇內部IKHz測試信號;當設置在2.3位置(右端)時選擇外部測試信號，測試信號從J005模擬測試端口輸入。抽樣定理實驗采用外部測試信號輸入。運放U701A、U701B(TL084)和周邊阻容器件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器,用于限制最高的語音信號頻率。信號經運放U701C緩沖輸出，送到U703(CD4066)模擬開關。模擬開關U7O3(CD4066)通過抽樣時鐘完成對信號的抽樣，形成抽樣序列信號。信號經運放U702B(TL084)緩沖輸出。運放U702A、U702C(TL084)和周邊阻容器件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用來恢復原始信號。跳線開關K702用于選擇輸入濾波器，當K702設置在F位置時(左端),送入到抽樣電路的信號經過3400Hz的低通濾波器;當K7O2設置在NF位置時（右端）,信號不經過抗混迭濾波器直接送到抽樣電路,其目的是為了觀測混迭現象。設置在交換模塊內的跳線開關KQ02為抽樣脈沖選擇開關:設置在H位置為平頂抽樣（左端），平頂抽樣是通過采樣保持電容來實現的,且t=Ts;設置在NH為理想抽樣（右端）,為便于恢復出的信號觀測，此抽樣脈沖略寬,近似于自然抽樣。平頂抽樣有利于解調后提高輸出信號的電平,但卻會引入信號頻譜失真,丁為抽樣脈沖寬度。（ot/2通常在實際設備里,收端必須采用頻率響應為一絲ワ—的濾波器來進行頻譜校準，抵Sin（a）T/2）消失真。這種頻譜失真稱為孔徑失真。該電路模塊各測試點安排如下:1>TP701;輸入模擬信號2、TP7021經濾波器輸出的模擬信號3、TP703!抽樣序列4、TP704;恢復模擬信號五、實驗內容準備工作:將交換模塊內的抽樣時鐘模式開關KQ02設置在NH位置（右端），將測試信號選擇開關KQ01設置在外部測試信號輸入2_3位置（右端）。.近似理想抽樣脈沖序列測量首先將輸入信號選擇開關K701設置在T（測試狀態）位置，將低通濾波器選擇開關K702設置在F（濾波位置），為便于觀測,調整函數信號發生器正弦波輸出頻率為200?1000Hz、輸出電平為2Vp-p的測試信號送入信號測試端口J005和J006（地）。用示波器同時觀測正弦波輸入信號（J005）和抽樣脈沖序列信號（TP703）,觀測時以TP703做同步。調整示波器同步電平和微調調整函數信號發生器輸出頻率,使抽樣序列與輸入測試信號基本同步。測量抽樣脈沖序列信號與正弦波輸入信號的對應關系。2,理想抽樣重建信號觀測TP704為重建信號輸出測試點。保持測試信號不變,用示波器同時觀測重建信號輸出測試點和正弦波輸入信號,觀測時以J005輸入信號做同步。.平頂抽樣脈沖序列測量將交換模塊內的抽樣時鐘模式開關KQ02設置在H位置（左端）。方法同1測量,請同學自擬測量方案。記錄測量波形,與理想抽樣測量結果做比較。.平頂抽樣重建信號觀測將交換模塊內的抽樣時鐘模式開關KQ02設置在H位置（左端）。方法同2測量,請同學自擬測量方案。記錄測量波形，與理想抽樣測量結果對比分析平頂抽樣的測試結果。.信號混迭觀測當輸入信號頻率高于4KHz（1/2抽樣頻率）時,重建信號將出現混迭效應。觀測時,將跳線開關K702設置在NF（無輸入濾波器）位置。調整函數信號發生器iE弦波輸出頻率為6KHz?7KHz左右、電平為2Vp-p的測試信號送入信號測試端口J005和J006（地）。（2）用示波器觀測重建信號輸出波形。緩慢變化測試信號輸出頻率，注意觀察輸入信號與重建信號波形的變化是否對應一致。分析解釋測量結果。六、實驗報告1、整理實驗數據,畫出測試波形。2、當和fs<2fh時，低通濾波器輸出的波形是什么?總結一般規律。實驗二PCM編譯碼器系統ー、實驗目的1、了解語音編碼的工作原理,驗證PCM編譯碼原理;2、熟悉PCM抽樣時鐘、編碼數據和輸入/輸出時鐘之間的關系;3、了解PCM專用大規模集成電路的工作原理和應用;4、熟悉語音數字化技術的主要指標及測量方法；二、實驗類型驗證型三、實驗儀器1、ZH5001通信原理綜合實驗系統 ー臺2、20MHz雙蹤示波器 一臺3、函數信號發生器 一臺4、音頻信道傳輸損傷測試儀 一臺四、實驗原理和電路說明PCM編譯碼模塊將來自用戶接口模塊的模擬信號進行PCM編譯碼,該模塊采用MCI45540集成電路完成PCM編譯碼功能。該器件具有多種工作模式和功能,工作前通過顯示控制模塊將其配置成直接PCM模式（直接將PCM碼進行打包傳輸），使其具有以下功能:1、對來自接U模塊發支路的模擬信號進行PCM編碼輸出。2、將輸入的PCM碼字進行譯碼（即通話對方的PCM碼字），并將譯碼之后的模擬信號送入用戶接口模塊。在通信原理實驗平臺中，有二套完全一致的PCM編譯碼模塊,這二個模塊與相應的電話用戶接U模塊相連。本教程僅以第一路PCM編譯碼原理進行說明,另ー個模塊原理與第一路模塊相同,不再重述。PCM編譯碼器模塊電路與ADPCM編譯碼器模塊電路完全一樣,由語音編譯碼集成電路U502（MCI45540）、運放U5O1（TLO82）、晶振U5O3（20.48MHz）及相應的跳線開關、電位器組成。電路工作原理如"PCM編譯碼模塊中，由收、發兩個支路組成,在發送支路上發送信號經U501A運放后放大后，送入U5O2的2腳進行PCM編碼。編碼輸入時鐘為BCLK（256KHz）,編碼數據從U502的20腳輸出（DT一ADPCM1）,FSX為編碼抽樣時鐘（8KHz）。編碼之后的數據結果送入后續數據復接模塊進行處理,或直接送到對方PCM譯碼單元。在接收支路中,收數據是來自解數據復接模塊的信號（DT-ADPCM.MUX）,或是直接來自對方PCM編碼單元信號（DT一ADPCM2）,在接收幀同步時鐘FSX（8KHz）與接收輸入時鐘BCLK（256KHz）的共同作用下，將接收數據送入U502中進行PCM譯碼。譯碼之看的模擬信號經運放U501B放大緩沖輸出,送到用戶接口模塊中。PCM編譯碼模塊中的各跳線功能如下（測試點與ADPCM編譯碼模塊相同）：1、跳線開關K501是用于選擇輸入信號,當K501置于N（正常）位置時，選擇來自用戶接口單元的話音信號:當K501置于T（測試）位置時選擇測試信號。測試信號主要用于測試PCM的編譯碼特性。測試信號可以選擇外部測試信號或內部測試信號，當設置在交換模塊內的跳線開關KO01設置在1_2位置（左端）時，選擇內部IKHz測試信號;當設置在2.3位置（右端）時選擇外部測試信號,測試信號從J005模擬測試端口輸入。2、跳線器K502用于設置發送通道的增益選擇，當K502置于N（正常）位置時，選擇系統平臺缺省的增益設置;當K502置于T（調試）位置時可將通過調整電位器W501設置發通道的增益。3、跳線器K504用于設置PCM譯碼器的輸入數據信號選擇,當K504置于MUX（左）時處于正常狀態,解碼數據是來自解復接模塊的信號;當K504置于ADPCM2（中）時處于正常狀態,解碼數據直接來自對方PCM編碼單元信號;當K504置于LOOP（右）時PCM単元將處于自環狀態。4、跳線器K503用于設置接收通道增益選擇,當K503置于N（正常）時,選擇系統平臺缺省的增益設置；當K5O3置于T（調試）時將通過調整電位器W502設置收通道的增益。該單元的電路框圖見圖2.1。二個模塊電路完全相同。在該模塊中,各測試點的定義如下:1、TP501：發送模擬信號測試點2、TP502：PCM發送碼字3,TP503：PCM編碼器輸入/輸出時鐘4、TP504：PCM編碼抽樣時鐘5、TP505：PCM接收碼字6、TP506:接收模擬信號測試點圖2.1PCM模塊電路組成框圖五、實驗內容加電后,通過菜單選擇“PCM”編碼方式。此時,系統將U502設置為PCM模式。(-)PCM編碼器.輸出時鐘和幀同步時隙信號觀測用示波器同時觀測抽樣時鐘信號(TP504)和輸出時鐘信號(TP503),觀測時以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼抽樣時鐘信號與輸出時鐘的對應關系(同步沿、脈沖寬度等)。.抽樣時鐘信號與PCM編碼數據測量方法一:將跳線開關K501設置在T位置,KO01置于右端(外部信號輸入)用函數信號發生器產生一個頻率為1000Hz、電平為2Vp-p的正弦波測試信號送入信號測試端口J005和J006(地)。用示波器同時觀測抽樣時鐘信號（TP504）和編碼輸出數據信號端口（TP502）,觀測時以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼輸出數據與抽樣時鐘信號（同步沿、脈沖寬度）及輸出時鐘的對應關系。方法二:將輸入信號選擇開關K501設置在T位置,將交換模塊內測試信號選擇開關KO0!設置在內部測試信號1_2位置（左端）。此時由該模塊產生一個IKHz的測試信號,送入PCM編碼器。用示波器同時觀測抽樣時鐘信號（TP504）和編碼輸出數據信號端口（TP502）,觀測時以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼輸出數據與幀同步時隙信號、發送時鐘的對應關系。將發通道增益選擇開關K502設置在T位置（右端），通過調整電位器W501改變發通道的信號電平。用示波器觀測編碼輸出數據信號（TP502）隨輸入信號電平變化的關系。（二）PCM譯碼器將跳線開關K501設置在T（右端），K502設置在N,K504設置在LOOP位置（右端）。此時將PCM輸出編碼數據直接送入本地譯碼器,構成自環。用函數信號發生器產生一個頻率為1004Hz、電平為2Vp-p的正弦波測試信號送入信號測試端口J005和J006（地）。1.PCM譯碼器輸出模擬信號觀測（1）用示波器同時觀測解碼器輸出信號端口（TP506）和編碼器輸入信號端口（TP501）,觀測信號時以TP501做同步。定性的觀測解碼恢復出的模擬信號質量。（2）將測試信號頻率固定在1000Hz,改變測試信號電平,定性的觀測解碼恢復出的模擬信號質量。觀測信噪比隨輸入信號電平變化的相關關系。（3）將測試信號電平固定在2Vp-p,調整測試信號頻率，定性的觀測解碼恢復出的模擬信號質量。觀測信噪比與輸入信號頻率變化的相關關系。（三）系統性能指標測量注:如無音頻損傷測試儀時,可以用示波器定性的觀察模擬信號受量化噪聲及電路噪聲的影響。PCM編譯碼系統動態范圍測量圖2.2PCM編譯碼系統動態范圍樣板圖動態范圍是指在滿足一定信噪比的條件下,允許輸入信號電平變化的范圍。通常規定測試信號的頻率為1004Hz,動態范圍應滿足CCITT建議的框架（樣板值），如圖2.2所示。測試時將跳線開關K501設置在T位置、K504設置在LOOP位置,此時使PCM編碼器和譯碼器構成自環。動態范圍的測試連接見圖323,該項測量內容視配備的教學儀表來定。測量時，輸入信號由小至大調節，測量不同電平時的S/N值,記錄測量數據。為確保器件安全，不要求學生對輸入信號的臨界過載信號進行驗證,取輸入信號的最大幅度為5Vp.pOPCM編譯碼系統信噪比測量跳線開關設置同上,測試連接見圖2.3。測量時，選擇ー最佳編碼電平（通常為ー10dBr）,在此電平下測試不同頻率下的S/N值。頻率選擇在300Hz、500Hz、800Hz、1004Hz、2010Hz、3000Hz、3400Hz（直接從音頻損傷測試儀上讀取數據，記錄測量數據。該項測量視配備的教學儀表來定。頻率特性測量ヽ ■-ノ圖2.3動態范圍測試連接圖跳線開關設置同上。用函數信號發生器產生一個頻率為1004Hz,電平為2Vp-p的正弦波測試信號送入信號測試端口J005和J006（地）。用示波器（或電平表）測量輸出信號端口TP506的電平。改變函數信號發生器輸出頻率,用點頻法測量。測量頻率范圍:250Hz?4000Hz〇該項測試也可以直接通過音頻損傷測試儀測試。信道自環增益測量跳線開關設置同上。用函數信號發生器產生一個頻率為1004Hz、電平為2Vp-p的正弦波測試信號送入信號測試端口J005和J006。用示波器（或電平表）輸出信號端口（TP506）的電平。將收發電平的倍數（增益）換算為dB表示。該項測試也可以直接通過音頻損傷測試儀測試。PCM編譯碼系統信道空閑噪聲測量跳線開關設置同上,測試連接見圖323。空閑噪聲指標從音頻損傷測試儀上直接讀取。該項測量視配備的教學儀表來定。六、實驗報告1、整理實驗數據，畫出相應的曲線和波形。2、對PCM和△N!系統的系統性能進行比較,總結它們各自的特點。3、思考在通信系統中PCM接收端應如何獲得接收輸入時鐘和接收幀同步時鐘信號?實驗三FSK傳輸系統實驗ー、實驗目的1、熟悉FSK調制和解調基本工作原理:2、掌握FSK數據傳輸過程;3、掌握FSK正交調制的基本工作原理與實現方法;4、掌握FSK性能的測試;5、了解FSK在噪聲下的基本性能；二、實驗類型綜合型三、實驗儀器1、ZH5001通信原理綜合實驗系統 ー臺2、20MHz雙蹤示波器 一臺3、ZH9001型誤碼測試儀（或GZ9001型） 一臺4、頻譜測量儀 一臺四、實驗原理和電路說明（-）FSK調制在二進制頻移鍵控中,幅度恒定不變的載波信號的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱為高音和低音,代表二進制的1和0）。通常,FSK信號的表達式為:SFSK=|也cos（2グ.+2皿）f0<r<7；VTb （二進制1）

cos（2/一2cos（2/一2曲）r 0</<T,（二進制〇）其中2nAf代表信號載波的恒定偏移。產生FSK信號最簡單的方法是根據輸入的數據比特是〇還是1,在兩個獨立的振蕩器中切換。采用這種方法產生的波形在切換的時刻相位是不連續的,因此這種FSK信號稱為不連續FSK信號。不連續的FSK信號表達式為:圖3.1非連續相位圖3.1非連續相位FSK的調制框圖其實現如圖由于相位的不連續會造頻譜擴展,這種FSK的調制方式在傳統的通信設備中采用較多。隨著數字處理技術的不斷發展，越來越多地采用連繼相位FSK調制技術。H前較常用產生FSK信號的方法是，首先產生FSK基帶信號，利用基帶信號對單?載波振蕩器進行頻率調制。因此，FSK可表示如下:2￡Sfsk?）=」ゴcos[2福メ+8（り]tcos[2機tcos[2機f+2*應當注意,盡管調制波形m(t)在比特轉換時不連續,但相位函數。(t)是與m(t)的枳分成比例的,因而是連續的,其相應波形如圖3.2所示:圖3.2連續相位FSK的調制信號由于FSK信號的復包絡是調制信號m(t)的非線性函數，確定一個FSK信號的頻譜通常是相當困難的,經常采用實時平均測量的方法。二進制FSK信號的功譜密度由離散頻率分量fc、fc+nAf、fc-nAf組成，其中n為整數。相位連續的FSK信號的功率譜密度函數最終按照頻率偏移的負四次暴衰落。如果相位不連續，功率譜密度函數按照頻率偏移的負二次哥衰落。FSK的信號頻譜如圖3.3所示。圖3.3FSK的信號頻譜FSK信號的傳輸帶寬Br,由Carson公式給出:B匸2Af+2B其中B為數字基帶信號的帶寬。假設信號帶寬限制在主瓣范圍,矩形脈沖信號的帶寬B=R。因此，FSK的傳輸帶寬變為:Br=2(Af+R)如果采用升余弦脈沖濾波器,傳輸帶寬減為:Br=2Af+(1+a)R其中a為濾波器的滾降因子。在通信原理綜合實驗系統中,FSK的調制方案如下:FSK信號:s(t)=cos(w0Z+2はげ)其中:/,當輸入碼為1

'-f2當輸入碼為〇因而有:s(t)=coswQtcos2ガ?r-sinwQtsin2寸「t

=coswotcos0(t)-sinwatsin0(t)其中:08=2情,t+2兀K-L如果進行量化處理,采樣速率為fs,周期為Ts,有下式成立:。(〃)=0(n-1)+2ガz+2兀=0(n-1)+2*+Km(n)]=6(〃ー1)+2/7,按照上述原理，FSK正交調制器的實現為如圖3.4結構: cosw()tP輸入碼流］ 圖3.4FSK正交調制器結構圖如時發送〇碼,則相位累加器在前ー碼元結束時相位伏〃）基礎上,在每個抽樣到達時刻相位累加2グT,,直到該信號碼元結束;如時發送1碼,則相位累加器在前一碼元結束時的相位取〃）基礎上,在每個抽樣到達時刻相位累加2ゴ2，，直到該碼元結束。在通信信道FSK模式的基帶信號中傳號采用fH頻率，空號采用/L頻率。在FSK模式下,不采用采用漢明糾錯編譯碼技術。調制器提供的數據源有:1、外部數據輸入:可來自同步數據接口、異步數據接口和m序列:2、全1碼:可測試傳號時的發送頻率（高）；3、全。碼;可測試空號時的發送頻率（低）；4、0/1碼;0101…交替碼型，用作一般測試；5、特殊碼序列:周期為7的碼序列，以便于常規示波器進行觀察；6、m序列:用于對通道性能進行測試;（-）FSK解調對于FSK信號的解調方式很多：相干解調、濾波非相干解調、正交相乘非相干解調。1、FSK相干解調FSK相干解調要求恢復岀傳號頻率5）與空號頻率（ん）,恢復出的載波信號分別與接收的FSK中頻信號相乘,然后分別在一個碼元內積分,將積分之后的結果進行相減,如果差值大于。則當前接收信號判為1,否則判為。。相干FSK解調框圖如圖3.6所示:圖3.6相干FSK的解調框圖相干FSK解調器是在加性高斯白噪聲信道ド的最佳接收，其誤碼率為:相干FSK解調在加性高斯白噪聲下具有較好的性能,但在其它信道特性下情況則不完全相同,例如在無線衰落信道下,其性能較差,一般采用非相干解調方案。2、FSK濾波非相干解調圖3.7非相干FSK接收機的方框圖對于FSK的非相干解調?般采用濾波非相干解調,如圖3.7所示。輸入的FSK中頻信號分別經過中心頻率為ノ.、ル的帶通濾波器，然后分別經過包絡檢波,包絡檢波的輸出在t=kTb時抽樣（其中k為整數）,并且將這些值進行比較。根據包絡檢波器輸出的大小,比較器判決數據比特是1還是〇。使用非相干檢測時FSK系統的平均誤碼率為）：り=駟（協）在高斯白噪聲信道環境下FSK濾波非相干解調性能較相干FSK的性能要差，但在無線衰落環境下,FSK濾波非相干解調卻表現出較好的穩健性。FSK濾波非相干解調方法?般采用模擬方法來實現，該方法不太適合對FSK的數字化解調。對于FSK的數字化實現方法一般采用正交相乘方法加以實現。3ヽFSK的正交相乘非相干解調FSK的正交相乘非相干解調框圖如圖3.8所示:圖3.8FSK正交相乘非相干解調示意圖輸入的信號為/?(/)=cos(w0Z±Aw?/)傳號頻率為:w0+Aw空號頻率為:w0—Aw在上圖中,延時信號為:/?(/)=cos(w0±Aw)-(Z-r)其中r為延時量。相乘之后的結果為:2R(t)?R(t)=2cos(w0±Aw)-t*cos[(w0±Aw)?(/-r)]=cos[2(w0±Aw)-t-(w0±Aw)-r]+cos[(w0±Aw)?r]在上式中,第一項經過低通濾波器之后可以濾除。當Wo"=t/2時,上式可簡化為:2/?(/)?7?(r)?sin(±Aw)?r=±sinAwr因而經過積分器(低通濾波器)之后,輸出信號大小為:±7；sinAwr,從而實現了FSK的正交相乘非相干解調。AB兩點的波形如圖3.9所示:

在FSK中位定時的恢復見BPSK解調方式。通信原理實驗的FSK模式中,采樣速率為96KHz的采樣速率（每一個比特采16個樣點），FSK基帶信號的載頻為24KHz,因而在DSP處理過程中,延時取1個樣值。FSK的解調框圖如圖3.10所示:（三）FSK系統性能對于FSK采用非相干解調,在高斯白噪聲信道環境下的平均誤碼率為:”かP（一恭對于ー個實際通信設備,其性能一般較理論性能在馬?上要惡化幾個dBI一般可達（2?3dB）。因而,對于ー個調制方式已確定的信道設備,對于其誤碼率的測量是一個十分重要的環節。一方面可以衡量其在實際信道環境下的性能,比理論值所惡化的程度:另ー方面,通過測量設備的信道誤碼率指標，可以判斷當前設備是否工作正常。對設備信道誤碼率指標的測量，不僅僅對該設備的性能有所了解,同時它也是通信系統工程方面（系統建立、維護）重要的工具。1、信道な的測量:N。對于FSK信道員的測量一般可采用功率測量。功率計］FSK調制器 k2 ：FSK解調器ノ信道仿真設備/ 高斯臼噪聲圖3.11采用功率計測量且連接示意圖N。首先,測量高斯白噪聲譜密度N。。按圖3.11連接,在A點將調制信號斷開,這樣在

B點處將測量得信道上高斯噪聲的能量E.,根據高斯噪聲所占據的帶寬Bn可計算出高斯白噪聲的譜密度:N。*然后在C點處斷開,測量信號功率Eい計算出信號的每比特能量:E=ら

廠&這樣通過功率測量即可測量岀FSK在實際信道環境下的互。N。如果定性測量可通過通信原理綜合實驗系統的TPJ05進行：首先斷開發信號,在示波器上測量接收的噪聲大小En,然后在沒有噪聲時在示波器上觀察信號的大小Es,通過這兩項估計當前も的大致情況。基帶等效帶寬為76.8KHZ,信息速率為8KBPS,因而有下N。式成立：瓦N。_らe_

瓦N。_らe_

瓦/76.8區

E.+9.8(4B)這樣通過改變噪聲大小,可測量FSK的誤碼性能。2、誤碼率測量對信道誤碼率的測量?般需通過誤碼測試儀進行。誤碼測試儀首先發送一串偽碼給信道設備,信道設備將FSK信號發送，并經信道返回（主要是完成加噪功能）,然后解調。將解調之后的數據再送入誤碼測試儀進行比較，將誤碼進行計數。而后將誤碼率顯示出來:接收的誤碼數"ー發送的總碼數五、實驗內容測試前檢査：首先將通信原理綜合實驗系統調制方式設置成“FSK傳輸系統”:用示波器測量TPMZ07測試點的信號,如果有脈沖波形,說明實驗系統已正常工作:如果沒有脈沖波形,則需按面板上的復位按鈕市新對硬件進行初始化。(-)FSK調制.FSK基帶信號觀測TPiO3是基帶FSK波形(D/A模塊內)。通過菜單選擇為1碼輸入數據信號,觀測TPiO3信號波形,測量其基帶信號周期。(2)通過菜單選擇為0碼輸入數據信號，觀測TPiO3信號波形，測量其基帶信號周期。將測量結果與1碼比較。.發端同相支路和正交支路信號時域波形觀測TPiO3和TPiO4分別是基帶FSK輸出信號的同相支路和正交支路信號。測量兩信號的時域信號波形時將輸入全1碼(或全〇碼),測量其兩信號是否滿足正交關系。思考:產生兩個正交信號去調制的目的。.發端同相支路和正交支路信號的李沙育(x-y)波形觀測將示波器設置在(x-y)方式，可從相平面上觀察TPiO3和TPiO4的正交性，其李沙育應為ー個圓。通過菜單選擇在不同的輸入碼型下進行測量。.連續相位FSK調制基帶信號觀測TPM02是發送數據信號(DSP+FPGA模塊左下腳)，TPiO3是基帶FSK波形。測量時，通過菜單選擇為0/1碼輸入數據信號,并以TPM02作為同步信號。觀測TPM02與TPiO3點波形應有明確的信號對應關系。并且，在碼元的切換點發送波形的相位連續。思考:非連續相位FSK調制在碼元切換點的相位是如何的。)通過菜單選擇為特殊序列碼輸入數據信號，重復上述測量步驟。記錄測量結果。FSK調制中頻信號波形觀測在FSK正交調制方式中，必須采用FSK的同相支路與正交支路信號;不然如果只采一路同相FSK信號進行調制，會產生兩個FSK頻譜信號，這需在后面采用較復雜的中頻窄帶濾波器，如圖3.12所示:帶通濾波器圖3.12FSK的頻譜調制過程(1)調制模塊測試點TPK03為FSK調制中頻信號觀測點。測量時,通過菜單選擇為0/1碼輸入數據信號,并以TPM02作為同步信號。觀測TPM02與TPK03點波形應有明確的信號對應關系。(2)通過菜單選擇為特殊序列碼輸入數據信號，重復上述測量步驟。(3)將正交調制輸入信號中的一路基帶調制信號斷開(D/A模塊內的跳線器KiOl或Ki02),重復上述測量步驟。觀測信號波形的變化，分析變化原因。FSK調制信號頻譜觀測此項測量視學校儀表情況而定。測量時,用一條中頻電纜將頻譜儀連結接到調制器的KO02端口。調整頻譜儀中心頻率為1.024MHz,扌I描頻率為lOKHz/DIV,分辨率帶寬為1?lOKHz左右,調整頻率儀輸入信號衰減器和掃描時間為合適位置。(1)通過菜單選擇不同的輸入數據，觀測FSK信號頻譜。(2)將正交調制輸入信號中的一路基帶調制信號斷開(D/A模塊內的跳線器KiOl或Ki02),重復上述測量步驟。觀測信號頻譜的變化，記錄測量結果。思考:結合圖3.12分析頻譜變化的原因。(-)FSK解調1.解調基帶FSK信號觀測首先用中頻電纜連結KO02和JL02,建立中頻自環（自發自收）。測量FSK解調基帶信號測試點TPJ05的波形,觀測時仍用發送數據（TPM02）作同步,比較其兩者的對應關系。（1）通過菜單選擇為1碼（或0碼）輸入數據信號,觀測TPJO5信號波形，測量其信號周期。（2）通過菜單選擇為0/1碼（或特殊碼）輸入數據信號，觀測TPJ05信號波2,解調基帶信號的李沙育（x-y）波形觀測將示波器設置在（x-y）方式，從相平面上觀察TPJ05和TPJ06的李沙育波形。（1）通過菜單選擇為1碼（或〇碼）輸入數據信號，仔細觀測其李沙育信號波形。（2）通過菜單選擇為W1碼（或特殊碼）輸入數據信號,仔細觀測李沙育信號波形。將跳線開關KL01設置在2一3位置，調整電位器WL01（改變接收本地載頻——即改變收發頻差），繼續觀察。分析波形的變化與什么因素有關。.接收位同步信號相位抖動觀測用發送時鐘TPM01（DSP+FPGA模塊左下腳）信號作同步，選擇不同的測試碼序列測量接收時鐘TPMZ07（DSP芯片左端）的抖動情況。思考:為什么在全〇或全1碼下觀察不到位定時