實(shí)驗(yàn)二數(shù)字基帶信號(hào)

1、實(shí)驗(yàn)二 數(shù)字基帶信號(hào)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解單極性碼、雙極性碼、歸零碼、不歸零碼等基帶信號(hào)波形特點(diǎn)。2、掌握ami、hdb3碼的編碼規(guī)則。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、用示波器觀察單極性非歸零碼（nrz）、傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)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(hào)的電路中有關(guān)波形。3、用示波器觀察hdb3、ami譯碼輸出波形。三、 基本原理 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源模塊和hdb3編譯碼模塊。 1、數(shù)字信源 本模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)終端，模塊內(nèi)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(jiàn)附錄）。本單元產(chǎn)生nrz信號(hào)，信號(hào)碼速率約為170.5kb，幀結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。幀長(zhǎng)為24位，其中首位無(wú)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(shù)據(jù)信號(hào)，每路8位。此nrz信號(hào)為集中插入幀同步碼時(shí)分復(fù)用信號(hào)，實(shí)驗(yàn)電路中數(shù)據(jù)碼用紅色發(fā)光二極管指示，幀同步碼及無(wú)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(cè)試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： · clk晶振信號(hào)測(cè)試點(diǎn) · bs-out信源位同步信號(hào)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn)（2個(gè)） · fs信源幀同步信號(hào)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn) · nrz-out(ak)nrz信號(hào)(

3、絕對(duì)碼)輸出點(diǎn)/測(cè)試點(diǎn)（4個(gè)） 圖1-1中各單元與電路板上元器件對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： · 晶振cry：晶體；u1：反相器7404· 分頻器u2：計(jì)數(shù)器74161；u3：計(jì)數(shù)器74193；u4：計(jì)數(shù)器40160· 并行碼產(chǎn)生器k1、k2、k3：8位手動(dòng)開(kāi)關(guān)，從左到右依次與幀同步碼、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2相對(duì)應(yīng)；發(fā)光二極管：左起分別與一幀中的24位代碼相對(duì)應(yīng) · 八選一u5、u6、u7：8位數(shù)據(jù)選擇器4512 · 三選一u8：8位數(shù)據(jù)選擇器4512 · 倒相器u20：非門(mén)74hc04· 抽樣u9：d觸發(fā)器74hc74圖1-1 數(shù)字信源方框圖圖

4、1-2 幀結(jié)構(gòu)下面對(duì)分頻器，八選一及三選一等單元作進(jìn)一步說(shuō)明。 （1）分頻器 74161進(jìn)行13分頻，輸出信號(hào)頻率為341khz。74161是一個(gè)4位二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，預(yù)置在3狀態(tài)。 74193完成÷2、÷4、÷8、÷16運(yùn)算，輸出bs、s1、s2、s3等4個(gè)信號(hào)。bs為位同步信號(hào)，頻率為170.5khz。s1、s2、s3為3個(gè)選通信號(hào)，頻率分別為bs信號(hào)頻率的1/2、1/4和1/8。74193是一個(gè)4位二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器，當(dāng)cpd= pl =1、mr=0時(shí)，可在q0、q1、q2及q3端分別輸出上述4個(gè)信號(hào)。 40160是一個(gè)二一十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，預(yù)置在7狀

5、態(tài)，完成÷3運(yùn)算，在q0和q1端分別輸出選通信號(hào)s4、s5，這兩個(gè)信號(hào)的頻率相等、等于s3信號(hào)頻率的1/3。 分頻器輸出的s1、s2、s3、s4、s5等5個(gè)信號(hào)的波形如圖1-4（a）和1-4（b）所示。 （2）八選一 采用8路數(shù)據(jù)選擇器4512，它內(nèi)含了8路傳輸數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)、地址譯碼器和三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，其真值表如表1-1所示。u5、u6和u7的地址信號(hào)輸入端a、b、c并連在一起并分別接s1、s2、s3信號(hào)，它們的8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端x0 x7分別k1、k2、k3輸出的8個(gè)并行信號(hào)連接。由表1-1可以分析出u5、u6、u7輸出信號(hào)都是碼速率為170.5kb、以8位為周期的串行信號(hào)。（3）三選一

6、三選一電路原理同八選一電路原理。s4、s5信號(hào)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(hào)分別輸入到u8的數(shù)據(jù)端x3、x0、x1，u8的輸出端即是一個(gè)碼速率為170.5kb的2路時(shí)分復(fù)用信號(hào)，此信號(hào)為單極性不歸零信號(hào)（nrz）。圖1-4 分頻器輸出信號(hào)波形 （4）倒相與抽樣 圖1-1中的nrz信號(hào)的脈沖上升沿或下降沿比bs信號(hào)的下降沿稍有點(diǎn)遲后。在實(shí)驗(yàn)二的數(shù)字調(diào)制單元中，有一個(gè)將絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼的電路，要求輸入的絕對(duì)碼信號(hào)的上升沿及下降沿與輸入的位同步信號(hào)的上升沿對(duì)齊，而這兩個(gè)信號(hào)由數(shù)字信源提供。倒相與抽樣電路就是為了滿(mǎn)足這一要求而設(shè)計(jì)的，它們使nrz-out及bs-out

7、信號(hào)滿(mǎn)足碼變換電路的要求。表1-1 4512真值表cbainhdisz00000x000100x101000x201100x310000x410100x511000x611100x71001高阻 fs信號(hào)可用作示波器的外同步信號(hào)，以便觀察2dpsk等信號(hào)。fs信號(hào)、nrz-out信號(hào)之間的相位關(guān)系如圖1-5所示，圖中nrz-out的無(wú)定義位為0，幀同步碼為1110010，數(shù)據(jù)1為11110000，數(shù)據(jù)2為00001111。fs信號(hào)的低電平、高電平分別為4位和8位數(shù)字信號(hào)時(shí)間，其上升沿比nrz-out碼第一位起始時(shí)間超前一個(gè)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(nèi)部使用+5v和-5v電壓，其中-5v電壓由-12v電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器7905變換得到。 本單元有以下信號(hào)測(cè)試點(diǎn)： · nrz譯碼器輸出信號(hào)待添加的隱藏文字內(nèi)容2 · bs-r鎖相環(huán)輸出的位同步信號(hào) ·（ami）hdb3編碼器輸出信號(hào) · bpf帶通濾波器輸出信號(hào)·（ami-d）hdb3-d（ami）hdb3整流輸出信號(hào)圖1-6 hdb3編譯碼方框圖本模塊上的開(kāi)關(guān)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(duì)應(yīng)關(guān)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(kāi)關(guān)4052 · 雙/單極性變換器u12：非門(mén)74hc04· 相加器u17：或門(mén)74ls32 · 帶通u13、u14：運(yùn)放ua741 · 限幅放大器u15：運(yùn)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(zhuān)用集成芯片cd22103等電路的功能可以用一片epld（epm7064）芯片完成，說(shuō)明見(jiàn)附錄四。 下面簡(jiǎn)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(hào)的1碼即+1或-1，1的符號(hào)交替反轉(zhuǎn)；信息代碼0的為0碼。ami碼對(duì)應(yīng)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(guān)系是=0.5ts。hdb3碼的編碼規(guī)律是：4個(gè)連0信息碼用取代節(jié)000v或b00v代替，當(dāng)兩個(gè)相鄰v碼中間有奇數(shù)個(gè)信息1碼時(shí)取代節(jié)為000v，有偶數(shù)個(gè)信息1碼（包括0個(gè)信息1碼）時(shí)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?hào)的1碼即+1或-1；hdb3碼中1、b的符號(hào)符合交替反轉(zhuǎn)原則，而v的符號(hào)破壞這種符號(hào)交替反轉(zhuǎn)原則，但相鄰v碼的符號(hào)又是交替反轉(zhuǎn)的；hdb3碼是占空比為0.5的雙極性歸零碼。 設(shè)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(hào)頻率）。在通信的終端需將它們譯碼為nrz碼才能送給數(shù)字終端機(jī)或數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。在做譯碼時(shí)必須提供位同步信號(hào)。工程上，一般將ami或hdb3碼數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(hào)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(gè)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(hào)。圖1-8 nrz、ami、hd

12、b3關(guān)系圖圖1-9 ami、hdb3、rz|=0.5ts頻譜 本單元用cd22103集成電路進(jìn)行ami或hdb3編譯碼。當(dāng)它的第3腳（hdb3/ ami）接+5v時(shí)為hdb3編譯碼器，接地時(shí)為ami編譯碼器。編碼時(shí)，需輸入nrz碼及位同步信號(hào)，它們來(lái)自數(shù)字信源單元，已在電路板上連好。cd22103編碼輸出兩路并行信號(hào)+h-out和-h-out，它們都是半占空比的正脈沖信號(hào)，分別與ami或hdb3碼的正極性信號(hào)及負(fù)極性信號(hào)相對(duì)應(yīng)。這兩路信號(hào)經(jīng)單/雙極性變換后得到ami碼或hdb3。 雙/單極性變換及相加器構(gòu)成一個(gè)整流器。整流后的（ami）hdb3-d信號(hào)含有位同步信號(hào)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(hào)bpf是一個(gè)幅度和周期都不恒定的正弦信號(hào)。對(duì)此信號(hào)進(jìn)行限幅放大處理后得到幅度恒定、周期變化的脈沖信號(hào)，但仍不能將此信號(hào)作為譯碼器的位同步信號(hào)，需作進(jìn)一步處理。當(dāng)鎖相環(huán)的自然諧振頻率足夠小時(shí)，對(duì)輸入的電壓信號(hào)可等效為窄帶帶通濾波器（關(guān)于鎖相環(huán)的基本原理將在實(shí)驗(yàn)三中介紹）。本單元中采用電荷泵鎖相環(huán)構(gòu)成一個(gè)q值約為35的的窄帶帶通濾波器，它輸出一個(gè)符合譯碼器要求的位同步信號(hào)bs-r。 譯碼時(shí)，需將ami或hdb3碼變換成兩路單極性信號(hào)分別送到cd22103的第11、第13腳，此任務(wù)由雙/單變換電路來(lái)完成。 當(dāng)信息代碼連0個(gè)數(shù)太多時(shí)，從ami碼中較

14、難于提取穩(wěn)定的位同步信號(hào)，而hdb3中連0個(gè)數(shù)最多為3，這對(duì)提取高質(zhì)量的位同信號(hào)是有利的。這也是hdb3碼優(yōu)于ami碼之處。hdb3碼及經(jīng)過(guò)隨機(jī)化處理的ami碼常被用在pcm一、二、三次群的接口設(shè)備中。在實(shí)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(dòng)門(mén)限控制和整流電路完成，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆説db3編碼規(guī)則，及位同步提取方法，故對(duì)極性變換電路作了簡(jiǎn)化處理，不一定符合實(shí)用要求。 cd22103的引腳及內(nèi)部框圖如圖1-10所示，詳細(xì)說(shuō)明如下：圖1-10 cd22103的引腳及內(nèi)部框圖（1）nrz-in編碼器nrz信號(hào)輸入端；（2）ctx

15、編碼時(shí)鐘（位同步信號(hào)）輸入端；（3）hdb3/ ami碼型選擇端：接ttl高電平時(shí)，選擇hdb3碼；接ttl低電平時(shí)，選擇ami碼；（4）nrz-outhdb3譯碼后信碼輸出端；（5）crx譯碼時(shí)鐘（位同步信號(hào)）輸入端；（6）rais告警指示信號(hào)（ais）檢測(cè)電路復(fù)位端，負(fù)脈沖有效；（7）aisais信號(hào)輸出端，有ais信號(hào)為高電平，無(wú)als信號(hào)時(shí)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(nèi)部環(huán)回控制端，接高電平時(shí)為環(huán)回，接低電平時(shí)為

16、正常；（13）-hdb3-inhdb3譯碼器負(fù)碼輸入端；（14）-hdb3-outhdb3編碼器負(fù)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(jiǎn)述如下。 發(fā)送部分： 當(dāng)hdb3/ ami 端接高電平時(shí)，編碼電路在編碼時(shí)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(shí)，編成ami碼。編碼輸出比輸入碼延遲4個(gè)時(shí)鐘周期。 接收部分： （1）在譯碼時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期。 （2）hdb3碼經(jīng)邏輯組合后從ckr端輸出，供時(shí)鐘提取等外部電路使用； （3）可在不斷業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè)，檢測(cè)出的誤碼脈沖從err端輸出，其脈寬等于收時(shí)鐘的一個(gè)周期，可用此進(jìn)行誤碼計(jì)數(shù)。 （4）可檢測(cè)出所接收的ais碼，檢測(cè)周期由外部rais決定。據(jù)ccitt規(guī)定，在rais信號(hào)的一個(gè)周期（500s）內(nèi)，若接收信號(hào)中“0”碼個(gè)數(shù)少于3，則ais端輸出高電平，使系統(tǒng)告警電路輸出相應(yīng)的告警信號(hào)，若接收信號(hào)中“0”碼個(gè)數(shù)不少于3，ais端輸出低電平，表示接收信號(hào)正常。（5）具有環(huán)回功能四、 實(shí)驗(yàn)步驟 本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源單元和hdb3編譯碼

18、單元。1、 熟悉數(shù)字信源單元和hdb3編譯碼單元的工作原理。接好電源線，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。2、 用示波器觀察數(shù)字信源單元上的各種信號(hào)波形。 用信源單元的fs作為示波器的外同步信號(hào)，示波器探頭的地端接在實(shí)驗(yàn)板任何位置的gnd點(diǎn)均可，進(jìn)行下列觀察： （1）示波器的兩個(gè)通道探頭分別接信源單元的nrz-out和bs-out，對(duì)照發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)，判斷數(shù)字信源單元是否已正常工作（1碼對(duì)應(yīng)的發(fā)光管亮，0碼對(duì)應(yīng)的發(fā)光管熄）； （2）用開(kāi)關(guān)k1產(chǎn)生代碼×1110010（×為任意代碼，1110010為7位幀同步碼），k2、k3產(chǎn)生任意信息代碼，觀察本實(shí)驗(yàn)給定的集中插入幀同步碼時(shí)分復(fù)用信號(hào)幀結(jié)

19、構(gòu)，和nrz碼特點(diǎn)。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(hào)作為示波器的外同步信號(hào)。（1）示波器的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的ami碼和hdb3碼；再將k1、k2、k3置為全0，觀察全0碼對(duì)應(yīng)的ami碼和hdb3碼。觀察ami碼時(shí)將hdb3單元的開(kāi)關(guān)k4置于a端，觀察hdb3碼時(shí)將k4置于h端，觀察時(shí)應(yīng)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(gè)碼元。（2）將k1、k2、k3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000態(tài)，觀察并記錄對(duì)應(yīng)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(hào)波形。觀察時(shí)應(yīng)注意： · hdb3單元的nrz信號(hào)（譯碼輸出）滯后于信源模塊的nrz-out信號(hào)（編碼輸入）8個(gè)碼元。 · ami-d、hdb3-d是占空比等于0.5的單極性歸零碼。