實驗二數字基帶信號

1、實驗二 數字基帶信號一、 實驗目的 1、了解單極性碼、雙極性碼、歸零碼、不歸零碼等基帶信號波形特點。2、掌握ami、hdb3碼的編碼規(guī)則。二、 實驗內容 1、用示波器觀察單極性非歸零碼（nrz）、傳號交替反轉碼（ami）、三階高密度雙極性碼（hdb3）、整流后的ami碼及整流后的hdb3碼。 2、用示波器觀察從hdb3碼中和從ami碼中提取位同步信號的電路中有關波形。3、用示波器觀察hdb3、ami譯碼輸出波形。三、 基本原理 本實驗使用數字信源模塊和hdb3編譯碼模塊。 1、數字信源 本模塊是整個實驗系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內部只使用+5v電壓，其原理方框圖如圖1-1所示，電原理圖如圖1-3所示（

2、見附錄）。本單元產生nrz信號，信號碼速率約為170.5kb，幀結構如圖1-2所示。幀長為24位，其中首位無定義，第2位到第8位是幀同步碼（7位巴克碼1110010），另外16位為2路數據信號，每路8位。此nrz信號為集中插入幀同步碼時分復用信號，實驗電路中數據碼用紅色發(fā)光二極管指示，幀同步碼及無定義位用綠色發(fā)光二極管指示。發(fā)光二極管亮狀態(tài)表示1碼，熄狀態(tài)表示0碼。 本模塊有以下測試點及輸入輸出點： · clk晶振信號測試點 · bs-out信源位同步信號輸出點/測試點（2個） · fs信源幀同步信號輸出點/測試點 · nrz-out(ak)nrz信號(

3、絕對碼)輸出點/測試點（4個） 圖1-1中各單元與電路板上元器件對應關系如下： · 晶振cry：晶體；u1：反相器7404· 分頻器u2：計數器74161；u3：計數器74193；u4：計數器40160· 并行碼產生器k1、k2、k3：8位手動開關，從左到右依次與幀同步碼、數據1、數據2相對應；發(fā)光二極管：左起分別與一幀中的24位代碼相對應 · 八選一u5、u6、u7：8位數據選擇器4512 · 三選一u8：8位數據選擇器4512 · 倒相器u20：非門74hc04· 抽樣u9：d觸發(fā)器74hc74圖1-1 數字信源方框圖圖

4、1-2 幀結構下面對分頻器，八選一及三選一等單元作進一步說明。 （1）分頻器 74161進行13分頻，輸出信號頻率為341khz。74161是一個4位二進制加計數器，預置在3狀態(tài)。 74193完成÷2、÷4、÷8、÷16運算，輸出bs、s1、s2、s3等4個信號。bs為位同步信號，頻率為170.5khz。s1、s2、s3為3個選通信號，頻率分別為bs信號頻率的1/2、1/4和1/8。74193是一個4位二進制加/減計數器，當cpd= pl =1、mr=0時，可在q0、q1、q2及q3端分別輸出上述4個信號。 40160是一個二一十進制加計數器，預置在7狀

5、態(tài)，完成÷3運算，在q0和q1端分別輸出選通信號s4、s5，這兩個信號的頻率相等、等于s3信號頻率的1/3。 分頻器輸出的s1、s2、s3、s4、s5等5個信號的波形如圖1-4（a）和1-4（b）所示。 （2）八選一 采用8路數據選擇器4512，它內含了8路傳輸數據開關、地址譯碼器和三態(tài)驅動器，其真值表如表1-1所示。u5、u6和u7的地址信號輸入端a、b、c并連在一起并分別接s1、s2、s3信號，它們的8個數據信號輸入端x0 x7分別k1、k2、k3輸出的8個并行信號連接。由表1-1可以分析出u5、u6、u7輸出信號都是碼速率為170.5kb、以8位為周期的串行信號。（3）三選一

6、三選一電路原理同八選一電路原理。s4、s5信號分別輸入到u8的地址端a和b，u5、u6、u7輸出的3路串行信號分別輸入到u8的數據端x3、x0、x1，u8的輸出端即是一個碼速率為170.5kb的2路時分復用信號，此信號為單極性不歸零信號（nrz）。圖1-4 分頻器輸出信號波形 （4）倒相與抽樣 圖1-1中的nrz信號的脈沖上升沿或下降沿比bs信號的下降沿稍有點遲后。在實驗二的數字調制單元中，有一個將絕對碼變?yōu)橄鄬Υa的電路，要求輸入的絕對碼信號的上升沿及下降沿與輸入的位同步信號的上升沿對齊，而這兩個信號由數字信源提供。倒相與抽樣電路就是為了滿足這一要求而設計的，它們使nrz-out及bs-out

7、信號滿足碼變換電路的要求。表1-1 4512真值表cbainhdisz00000x000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻 fs信號可用作示波器的外同步信號，以便觀察2dpsk等信號。fs信號、nrz-out信號之間的相位關系如圖1-5所示，圖中nrz-out的無定義位為0，幀同步碼為1110010，數據1為11110000，數據2為00001111。fs信號的低電平、高電平分別為4位和8位數字信號時間，其上升沿比nrz-out碼第一位起始時間超前一個碼元。圖1-5 fs、nrz-out波形 2. hdb3編譯碼 原理框圖

8、如圖1-6所示。本模塊內部使用+5v和-5v電壓，其中-5v電壓由-12v電源經三端穩(wěn)壓器7905變換得到。 本單元有以下信號測試點： · nrz譯碼器輸出信號待添加的隱藏文字內容2 · bs-r鎖相環(huán)輸出的位同步信號 ·（ami）hdb3編碼器輸出信號 · bpf帶通濾波器輸出信號·（ami-d）hdb3-d（ami）hdb3整流輸出信號圖1-6 hdb3編譯碼方框圖本模塊上的開關k4用于選擇碼型，k4位于左邊（a端）選擇ami碼，位于右邊（h端）選擇hdb3碼。 圖1-6中各單元與電路板上元器件的對應關系如下： · hdb3編譯碼

9、器u10：hdb3編譯碼集成電路cd22103a · 單/雙極性變換器u11：模擬開關4052 · 雙/單極性變換器u12：非門74hc04· 相加器u17：或門74ls32 · 帶通u13、u14：運放ua741 · 限幅放大器u15：運放lm318· 鎖相環(huán)u16：集成鎖相環(huán)cd4046信源部分的分頻器、三選一、倒相器、抽樣以及(ami)hdb3編譯碼專用集成芯片cd22103等電路的功能可以用一片epld（epm7064）芯片完成，說明見附錄四。 下面簡單介紹ami、hdb3碼編碼規(guī)律。 ami碼的編碼規(guī)律是：信息代碼1變?yōu)閹в?/p>

10、符號的1碼即+1或-1，1的符號交替反轉；信息代碼0的為0碼。ami碼對應的波形是占空比為0.5的雙極性歸零碼，即脈沖寬度與碼元寬度（碼元周期、碼元間隔）ts的關系是=0.5ts。hdb3碼的編碼規(guī)律是：4個連0信息碼用取代節(jié)000v或b00v代替，當兩個相鄰v碼中間有奇數個信息1碼時取代節(jié)為000v，有偶數個信息1碼（包括0個信息1碼）時取代節(jié)為b00v，其它的信息0碼仍為0碼；信息碼的1碼變?yōu)閹в蟹柕?碼即+1或-1；hdb3碼中1、b的符號符合交替反轉原則，而v的符號破壞這種符號交替反轉原則，但相鄰v碼的符號又是交替反轉的；hdb3碼是占空比為0.5的雙極性歸零碼。 設信息碼為0000

11、 0110 0001 0000 0，則nrz碼、ami碼，hdb3碼如圖1-8所示。分析表明，ami碼及hdb3碼的功率譜如圖1-9所示，它不含有離散譜fs成份（fs =1/ts，等于位同步信號頻率）。在通信的終端需將它們譯碼為nrz碼才能送給數字終端機或數模轉換電路。在做譯碼時必須提供位同步信號。工程上，一般將ami或hdb3碼數字信號進行整流處理，得到占空比為0.5的單極性歸零碼（rz|=0.5ts）。這種信號的功率譜也在圖1-9中給出。由于整流后的ami、hdb3碼中含有離散譜fs ，故可用一個窄帶濾波器得到頻率為fs的正弦波，整形處理后即可得到位同步信號。圖1-8 nrz、ami、hd

12、b3關系圖圖1-9 ami、hdb3、rz|=0.5ts頻譜 本單元用cd22103集成電路進行ami或hdb3編譯碼。當它的第3腳（hdb3/ ami）接+5v時為hdb3編譯碼器，接地時為ami編譯碼器。編碼時，需輸入nrz碼及位同步信號，它們來自數字信源單元，已在電路板上連好。cd22103編碼輸出兩路并行信號+h-out和-h-out，它們都是半占空比的正脈沖信號，分別與ami或hdb3碼的正極性信號及負極性信號相對應。這兩路信號經單/雙極性變換后得到ami碼或hdb3。 雙/單極性變換及相加器構成一個整流器。整流后的（ami）hdb3-d信號含有位同步信號頻率離散譜。由于位同步頻率比

13、較低，很難將有源帶通濾波器的帶寬做得很窄，它輸出的信號bpf是一個幅度和周期都不恒定的正弦信號。對此信號進行限幅放大處理后得到幅度恒定、周期變化的脈沖信號，但仍不能將此信號作為譯碼器的位同步信號，需作進一步處理。當鎖相環(huán)的自然諧振頻率足夠小時，對輸入的電壓信號可等效為窄帶帶通濾波器（關于鎖相環(huán)的基本原理將在實驗三中介紹）。本單元中采用電荷泵鎖相環(huán)構成一個q值約為35的的窄帶帶通濾波器，它輸出一個符合譯碼器要求的位同步信號bs-r。 譯碼時，需將ami或hdb3碼變換成兩路單極性信號分別送到cd22103的第11、第13腳，此任務由雙/單變換電路來完成。 當信息代碼連0個數太多時，從ami碼中較

14、難于提取穩(wěn)定的位同步信號，而hdb3中連0個數最多為3，這對提取高質量的位同信號是有利的。這也是hdb3碼優(yōu)于ami碼之處。hdb3碼及經過隨機化處理的ami碼常被用在pcm一、二、三次群的接口設備中。在實用的hdb3編譯碼電路中，發(fā)端的單/雙極性變換器一般由變壓器完成；收端的雙/單極性變換電路一般由變壓器、自動門限控制和整流電路完成，本實驗目的是掌握hdb3編碼規(guī)則，及位同步提取方法，故對極性變換電路作了簡化處理，不一定符合實用要求。 cd22103的引腳及內部框圖如圖1-10所示，詳細說明如下：圖1-10 cd22103的引腳及內部框圖（1）nrz-in編碼器nrz信號輸入端；（2）ctx

15、編碼時鐘（位同步信號）輸入端；（3）hdb3/ ami碼型選擇端：接ttl高電平時，選擇hdb3碼；接ttl低電平時，選擇ami碼；（4）nrz-outhdb3譯碼后信碼輸出端；（5）crx譯碼時鐘（位同步信號）輸入端；（6）rais告警指示信號（ais）檢測電路復位端，負脈沖有效；（7）aisais信號輸出端，有ais信號為高電平，無als信號時為低電平；（8）vss接地端；（9）err不符合hdb3/ami編碼規(guī)則的誤碼脈沖輸出端；（10）ckrhdb3碼的匯總輸出端；（11）+hdb3-inhdb3譯碼器正碼輸入端；（12）ltfhdb3譯碼內部環(huán)回控制端，接高電平時為環(huán)回，接低電平時為

16、正常；（13）-hdb3-inhdb3譯碼器負碼輸入端；（14）-hdb3-outhdb3編碼器負碼輸出端；（15）+hdb3-outhdb3編碼器正碼輸出端；（16）vdd 接電源端（+5v） cd22103主要由發(fā)送編碼和接收譯碼兩部分組成，工作速率為50kb/s10mb/s。兩部分功能簡述如下。 發(fā)送部分： 當hdb3/ ami 端接高電平時，編碼電路在編碼時鐘ctx下降沿的作用下，將nrz碼編成hdb3碼（+hdb3-out、-hdb3-out兩路輸出）；接低電平時，編成ami碼。編碼輸出比輸入碼延遲4個時鐘周期。 接收部分： （1）在譯碼時鐘crx的上升沿作用下，將hdb3碼（或am

17、i碼）譯成nrz碼。譯碼輸出比輸入碼延遲4個時鐘周期。 （2）hdb3碼經邏輯組合后從ckr端輸出，供時鐘提取等外部電路使用； （3）可在不斷業(yè)務的情況下進行誤碼監(jiān)測，檢測出的誤碼脈沖從err端輸出，其脈寬等于收時鐘的一個周期，可用此進行誤碼計數。 （4）可檢測出所接收的ais碼，檢測周期由外部rais決定。據ccitt規(guī)定，在rais信號的一個周期（500s）內，若接收信號中“0”碼個數少于3，則ais端輸出高電平，使系統(tǒng)告警電路輸出相應的告警信號，若接收信號中“0”碼個數不少于3，ais端輸出低電平，表示接收信號正常。（5）具有環(huán)回功能四、 實驗步驟 本實驗使用數字信源單元和hdb3編譯碼

18、單元。1、 熟悉數字信源單元和hdb3編譯碼單元的工作原理。接好電源線，打開電源開關。2、 用示波器觀察數字信源單元上的各種信號波形。 用信源單元的fs作為示波器的外同步信號，示波器探頭的地端接在實驗板任何位置的gnd點均可，進行下列觀察： （1）示波器的兩個通道探頭分別接信源單元的nrz-out和bs-out，對照發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，判斷數字信源單元是否已正常工作（1碼對應的發(fā)光管亮，0碼對應的發(fā)光管熄）； （2）用開關k1產生代碼×1110010（×為任意代碼，1110010為7位幀同步碼），k2、k3產生任意信息代碼，觀察本實驗給定的集中插入幀同步碼時分復用信號幀結

19、構，和nrz碼特點。3、 用示波器觀察hdb3編譯單元的各種波形。仍用信源單元的fs信號作為示波器的外同步信號。（1）示波器的兩個探頭ch1和ch2分別接信源單元的nrz-out和hdb3單元的（ami）hdb3，將信源單元的k1、k2、k3每一位都置1，觀察全1碼對應的ami碼和hdb3碼；再將k1、k2、k3置為全0，觀察全0碼對應的ami碼和hdb3碼。觀察ami碼時將hdb3單元的開關k4置于a端，觀察hdb3碼時將k4置于h端，觀察時應注意ami、hdb3碼是占空比等于0.5的雙極性歸零碼。編碼輸出hdb3（ami）比輸入nrz-out延遲了4個碼元。（2）將k1、k2、k3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000態(tài)，觀察并記錄對應的ami碼和hdb3碼。（3）將k1、k2、k3置于任意狀態(tài)，k4先置a（ami）端再置h（hdb3）端，ch1接信源單元的nrz-out，ch2依次接hdb3單元的（ami-d）hdb3-d、bpf、bs-r和nrz ，觀察這些信號波形。觀察時應注意： · hdb3單元的nrz信號（譯碼輸出）滯后于信源模塊的nrz-out信號（編碼輸入）8個碼元。 · ami-d、hdb3-d是占空比等于0.5的單極性歸零碼。