通信原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、通信原理湖南文理學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院2012 年2月目錄實(shí)驗(yàn)一數(shù)字基帶與頻帶信號實(shí)驗(yàn)4實(shí)驗(yàn)二同步控制實(shí)驗(yàn)13實(shí)驗(yàn)三模擬信號數(shù)字化及其調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)32實(shí)驗(yàn)四通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)38實(shí)驗(yàn)一數(shù)字基帶與頻帶信號實(shí)驗(yàn)第一部分?jǐn)?shù)字基帶信號部分一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 、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(diǎn)。2 、掌握 AMI 、HDB 3 的編碼規(guī)則。3 、掌握從 HDB 3 碼信號中提取位同步信號的方法。4 、掌握集中插入幀同步碼時分復(fù)用信號的幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。5 、了解 HDB 3 （ AMI ）編譯碼集成電路 CD22103 。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 、用示波器觀察單極性非歸零碼（NRZ ）、傳號交替反轉(zhuǎn)

2、碼（AMI ）、三階高密度雙極性碼（ HDB 3 ）、整流后的AMI 碼及整流后的HDB 3 碼。2 、用示波器觀察從HDB 3 碼中和從AMI 碼中提取位同步信號的電路中有關(guān)波形。3 、用示波器觀察HDB 3 、 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、HDB 3 編譯碼模塊和可編程邏輯器件模塊。1 、數(shù)字信源本模塊是整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)終端。 本單元產(chǎn)生 NRZ 信號，信號碼速率約為 170.5KB 幀結(jié)構(gòu)如圖 1-1 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（位巴克碼 1110010 ），另外 16 位為 2 路數(shù)據(jù)信號，每路 8 位。此 N

3、RZ 信號為集中插入幀同步碼時分復(fù)用信號。發(fā)光二極管亮狀態(tài)表示 1 碼，熄狀態(tài)表示 0 碼。，7無定義位幀同步碼數(shù)據(jù) 1數(shù)據(jù) 2×11 1 00 1 0 ××××××××××××××××圖 1-1 幀結(jié)構(gòu)本模塊有以下測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)：CLK晶振信號測試點(diǎn)BS-OUTFS信源位同步信號輸出點(diǎn)信源幀同步信號輸出點(diǎn)/ 測試點(diǎn)/ 測試點(diǎn)NRZ-OUTNRZ 信號輸出點(diǎn) / 測試點(diǎn)FS 信號可用作示波器的外同步信號，以便觀察2DPSK

4、等信號。FS 信號、 NRZ-OUT信號之間的相位關(guān)系如圖1-2 所示，圖中NRZ-OUT的無定義位為 0 ，幀同步碼為1110010，數(shù)據(jù) 1 為 11110000，數(shù)據(jù) 2 為 00001111。FS 信號的低電平、高電平分別為4 位和 8 位數(shù)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。幀同步碼數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2NRZ-OUTFS圖 1-2FS 、 NRZ-OUT波形2. HDB3 編譯碼原理框圖如圖1-3 所示。本單元有以下測試點(diǎn)及輸出點(diǎn)：NRZ_IN編碼器輸入信號BS_IN位同步輸入信號NRZ_OUT譯碼器輸出信號BS- OUT鎖相環(huán)輸出的位同步信號（ AMI ） H

5、DB 3編碼器輸出信號（ AMI ） HDB 3 -D（ AMI ） HDB 3 整流輸出信號NRZ-IN+H-OUT+H整流器雙單3單雙BS-IN(AMI)HDB- H相加器編譯碼器-H-OUT 變換HDB變換3(AMI)NRZ-OUT鎖相環(huán)限幅放大帶通BS-OUT(AMI)HDB -D3圖 1-3HDB 3 編譯碼方框圖本模塊上的開關(guān)K1 用于選擇碼型， K1 位于左邊（A 端）選擇 AMI 碼，位于右邊 （ H端）選擇HDB 3 碼。下面簡單介紹AMI 、 HDB 3 碼編碼規(guī)律。AMI 碼的編碼規(guī)律是： 信息代碼1 變?yōu)閹в蟹柕? 碼即+1或 -1 ，1 的符號交替反轉(zhuǎn)；信息代碼 0

6、 的為 0 碼。 AMI 碼對應(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=0.5T S 。HDB 3 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(dāng)兩個相鄰 V 碼中間有奇數(shù)個信息 1碼時取代節(jié)為000V ，有偶數(shù)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?1 碼即 +1 或-1 ； HDB3 碼中 1 、B 的符號符合交替反轉(zhuǎn)原則，而V 的符號破壞這種符號交替反轉(zhuǎn)原則，但相鄰V 碼的符號又是交替反轉(zhuǎn)的；HDB 3碼是占空比為0.5 的雙極性

7、歸零碼。設(shè)信息碼為 00000110000100000 ，則 NRZ碼、 AMI碼， HDB 3碼如圖 1-4所示。譯碼時，需將 AMI或 HDB 3 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(wù)由雙/ 單變換電路來完成。當(dāng)信息代碼連 0個數(shù)太多時，從 AMI 碼中較難于提取穩(wěn)定的位同步信號，而HDB3中連 0 個數(shù)最多為3 ，這對提取高質(zhì)量的位同信號是有利的。這也是HDB 3 碼優(yōu)于 AMI碼之處。 HDB 3 碼及經(jīng)過隨機(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 HDB 3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；

8、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(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆誋DB 3 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(shí)用要求。圖 1-4NRZ 、 AMI 、 HDB 3 關(guān)系圖CD22103 的引腳及內(nèi)部框圖如圖 1-5所示，引腳功能如下：HDB3/AMICTX+HDB3-OUT編碼NRZ-IN116V DDNRZ-IN-HDB3-OUTCTX215+HDB 3 -OU TLTECKRHDB3/AMI-314-HDB 3-OUTNRZ-OUT413-HDB 3 -IN+HDB3-IN譯 碼NRZ-OUTCRX512LTE-HDB3-INRAI

9、S611+HDB3-INCRX誤碼檢出ERRAIS710CKRV_89ERRAIS 檢出AISRAIS（ a） 引腳(b)內(nèi)部框圖圖 1-10 CD22103 的引腳及內(nèi)部框圖（ 1 ） NRZ-IN編碼器 NRZ 信號輸入端；（2）CTX編碼時鐘（位同步信號）輸入端；（3）HDB 3/ AMI碼型選擇端：接 TTL 高電平時，選擇HDB 3 碼；接TTL 低電平時，選擇AMI 碼；（ 4 ） NRZ-OUTHDB 3 譯碼后信碼輸出端；（5）CRX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(fù)位端，負(fù)脈沖有效；（7）AISAIS 信號輸出端，有AIS 信號為高

10、電平，無ALS 信號時為低電平；（8） VSS接地端；（9） ERR不符合 HDB 3 /AMI編碼規(guī)則的誤碼脈沖輸出端；（10 ）CKRHDB 3碼的匯總輸出端；（ 11 ） +HDB 3 -INHDB 3 譯碼器正碼輸入端；（12 ）LTFHDB 3 譯碼內(nèi)部環(huán)回控制端，接高電平時為環(huán)回，接低電平時為正常；（ 13 ） -HDB 3 -INHDB 3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

11、/s10Mb/s。兩部分功能簡述如下。發(fā)送部分：當(dāng) HDB 3 / 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 AMI 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(jīng)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(wù)的情況下進(jìn)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

12、一個周期，可用此進(jìn)行誤碼計(jì)數(shù)。（ 4 ）檢測出所接收的AIS 碼，檢測周期由外部RAIS 決定。據(jù) CCITT 規(guī)定，在 RAIS信號的一個周期（500s ）內(nèi)，若接收信號中“0 ”碼個數(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，若接收信號中“0 ”碼個數(shù)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(shí)驗(yàn)步驟1 、熟悉信源模塊， AMI&HDB3編譯碼模塊（由可編程邏輯器件模塊實(shí)現(xiàn)）和 HDB3編譯碼模塊的工作原理。2 、打開數(shù)字信號源模塊和AMI&HDB3編譯碼模塊的電源。用示波器觀察數(shù)字信源模塊上的各種信號波形。用

13、 FS 作為示波器的外同步信號，進(jìn)行下列觀察：（ 1 ）示波器的兩個通道探頭分別接 NRZ-OUT 和 BS-OUT ，對照發(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 碼對應(yīng)的發(fā)光管亮， 0 碼對應(yīng)的發(fā)光管熄） ；（ 2 ）用 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分復(fù)用信號幀結(jié)構(gòu)，和 NRZ 碼特點(diǎn)。3 、打開 AMI(HDB3)編譯碼模塊電源。將數(shù)字信源模塊的NRZ-OUT和 BS-OUT用導(dǎo)線分別連接到AMI(HDB3)編譯碼模塊的N

14、RZ-IN和 BS-IN上。用示波器觀察HDB 3編譯單元的各種波形。用信源模塊的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 NRZ-OUT和（ AMI ）HDB 3 ，將信源模塊 K1 、K2 、 K3 的每一位都置1 ，觀察并記錄全1 碼對應(yīng)的AMI碼和 HDB 3 碼；再將 K1 、K2 、K3 置為全 0 ，觀察全 0 碼對應(yīng)的 AMI 碼和 HDB 3 碼。觀察 AMI 碼時將開關(guān)置于 A 端，觀察 HDB3碼時將 K1 置于 H 端，觀察時應(yīng)注意編碼輸出（ AMI ）HDB 3比輸入 NRZ-OUT延遲了 4 個碼元。（ 2 ）將 K1

15、、K2 、 K3 置于 0111 0010 0000 1100 0010 0000態(tài)，觀察并記錄對應(yīng)的 AMI 碼和 HDB 3 碼。（ 3 ）將 K1 、K2 、K3 置于任意狀態(tài)， K1 置 A 或 H 端，CH1 接 NRZ-OUT ，CH2分別接（ AMI ） HDB3-D、 BPF 、BS-R 和 NRZ，觀察這些信號波形。觀察時應(yīng)注意：NRZ 信號（譯碼輸出）遲后于NRZ-OUT信號（編碼輸入）8 個碼元。AMI 、 HDB 3 碼是占空比等于0.5 的雙極性歸零碼，AMI-D 、 HDB 3 -D 是占空比等于 0.5 的單極性歸零碼。BS-OUT是一個周期基本恒定（等于一個碼元

16、周期）的TTL 電平信號。本實(shí)驗(yàn)中若24 位信源代碼中只有1 個“ 1 “碼，則無法從AMI 碼中得到一個符合要求的位同步信號，因此不能完成正確的譯碼。若24 位信源代碼全為“0 ”碼，則更不可能從AMI 信號（亦是全0 信號）得到正確的位同步信號。信源代碼連0 個數(shù)越多，越難于從 AMI 碼中提取位同步信號 （或者說要求帶通濾波的Q 值越高，因而越難于實(shí)現(xiàn)） ，譯碼輸出NRZ 越不穩(wěn)定。而HDB 3 碼則不存在這種問題。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察和紀(jì)錄回答：（ 1 ）不歸零碼和歸零碼的特點(diǎn)是什么？（ 2 ）與信源代碼中的“ 1”碼相對應(yīng)的 AMI 碼及

17、 HDB 3 碼是否一定相同？為什么？第二部分?jǐn)?shù)字頻帶信號部分一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 、掌握絕對碼、相對碼概念及它們之間的變換關(guān)系。2 、掌握用鍵控法產(chǎn)生 2ASK 、 2FSK 、 2PSK 、 2DPSK 信號的方法。3 、掌握相對碼波形與 2PSK 信號波形之間的關(guān)系、 絕對碼波形與 2DPSK 信號波形之間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 、用示波器觀察絕對碼波形、相對碼波形。2 、用示波器觀察 2ASK 、 2FSK 、2PSK 、2DPSK 信號波形。三、基本原理本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源模塊和數(shù)字調(diào)制模塊。信源模塊向調(diào)制模塊提供位同步信號和數(shù)字基帶信號（NRZ碼）。調(diào)制模塊將輸入的NRZ絕對碼變?yōu)橄鄬Υa、

18、用鍵控法產(chǎn)生2ASK、2FSK、 2DPSK信號。調(diào)制單元的原理方框圖如圖1-11所示。÷2CAR2PSK調(diào)制2DPSK-OUTCLK濾波器 A放大器射隨器÷2濾波2FSK-OUT(B)器 B2FSK 調(diào)制NRZ-IN2ASK碼變換2ASK 調(diào)制AKBKBS-IN圖 1-11數(shù)字調(diào)制方框圖本單元有以下測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)：BS-IN位同步信號輸入點(diǎn)NRZ-IN數(shù)字基帶信號輸入點(diǎn)CAR2DPSK信號載波測試點(diǎn)AK( 即NRZ-IN)絕對碼測試點(diǎn)（與NRZ-IN相同）BK相對碼測試點(diǎn)2DPSK（ 2PSK） -OUT2DPSK（2PSK）信號測試點(diǎn)/ 輸出點(diǎn)，V P-P >

19、0.5V2FSK-OUT2FSK信號測試點(diǎn)/ 輸出點(diǎn)，V P-P >0.5V2ASK2ASK信號測試點(diǎn)，V P-P >0.5V下面重點(diǎn)介紹2PSK 、2DPSK 。2PSK 、2DPSK波形與信息代碼的關(guān)系如圖1-12所示。圖 1-12 2PSK 、 2DPSK 波形圖中假設(shè)碼元寬度等于載波周期的1.5 倍。2PSK 信號的相位與信息代碼的關(guān)系是：前后碼元相異時， 2PSK信號相位變化180，相同時 2PSK 信號相位不變，可簡稱為“異變同不變” 。2DPSK信號的相位與信息代碼的關(guān)系是：碼元為“1 ”時， 2DPSK信號的相位變化 180。碼元為“ 0 ”時， 2DPSK 信號的

20、相位不變，可簡稱為“1 變 0不變”。應(yīng)該說明的是，此處所說的相位變或不變，是指將本碼元內(nèi)信號的初相與一碼元內(nèi)信號的末相進(jìn)行比較，而不是將相鄰碼元信號的初相進(jìn)行比較。實(shí)際工程中，2PSK或2DPSK 信號載波頻率與碼速率之間可能是整數(shù)倍關(guān)系也可能是非整數(shù)倍關(guān)系。但不管是那種關(guān)系，上述結(jié)論總是成立的。本單元用碼變換2PSK 調(diào)制方法產(chǎn)生 2DPSK信號，原理框圖及波形圖如圖1-14 所示。相對于絕對碼AK 、2PSK調(diào)制器的輸出就是2DPSK 信號，相對于相對碼、2DPSK 調(diào)制器的輸出是2PSK 信號。圖中設(shè)碼元寬度等于載波周期，已調(diào)信號的相位變化與 AK 、BK 的關(guān)系當(dāng)然也是符合上述規(guī)律的

21、，即對于AK 來說是“ 1 變 0 不變”關(guān)系，對于 BK 來說是“異變同不變”關(guān)系，由AK 到 BK 的變換也符合“1 變 0 不變”規(guī)律。圖 1-13 中調(diào)制后的信號波形也可能具有相反的相位，BK 也可能具有相反的序列即 00100 ，這取決于載波的參考相位以及異或門電路的初始狀態(tài)。2DPSK 通信系統(tǒng)可以克服上述2PSK系統(tǒng)的相位模糊現(xiàn)象，故實(shí)際通信中采用2DPSK 而不用 2PSK （多進(jìn)制下亦如此，采用多進(jìn)制差分相位調(diào)制MDPSK ），此問題將在數(shù)字解調(diào)實(shí)驗(yàn)中再詳細(xì)介紹。A K+B K2DPSK(AK)2PSK 調(diào)制2PSK(BK)BK-1TS圖 1-132DPSK調(diào)制器2PSK 信

22、號的時域表達(dá)式為S(t)= m(t)Cosc t式中 m(t) 為雙極性不歸零碼BNRZ ，當(dāng)“ 0 ”、“ 1 ”等概時 m(t) 中無直流分量，S(t) 中無載頻分量，2DPSK信號的頻譜與2PSK相同。2ASK信號的時域表達(dá)式與2PSK相同，但m(t)為單極性不歸零碼NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK 信號中有載頻分量。2FSK 信號（相位不連續(xù) 2FSK ）可看成是 AK 與 AK 調(diào)制不同載頻信號形成的兩個 2ASK 信號相加。時域表達(dá)式為S(t)m(t) cosc1tm(t ) cosc 2t式中 m(t) 為 NRZ 碼。ffc-fsfcfc+f sffc-f sfcfc+f

23、 s2ASK2PSK （ 2DPSK ）ffc1-fsfc1f c2fc2+f s2FSK圖 1-14 2ASK 、 2PSK （ 2DPSK ）、2FSK 信號功率譜設(shè)碼元寬度為 Ts ，fS =1 Ts 在數(shù)值上等于碼速率， 2ASK 、2PSK（ 2DPSK ）、2FSK的功率譜密度如圖 1-14 所示?？梢?， 2ASK 、2PSK （ 2DPSK ）的功率譜是數(shù)字基帶信號 m(t) 功率譜的線性搬移，故常稱 2ASK 、 2PSK （2DPSK ）為線性調(diào)制信號。多進(jìn)制的 MASK 、 MPSK （ MDPSK ）、 MFSK 信號的功率譜與二進(jìn)制信號功率譜類似。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中m(t)

24、是一個周期信號，故m(t) 有離散譜，因而2ASK 、 2PSK（ 2DPSK ）、 2FSK也具有離散譜。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 、熟悉數(shù)字信源單元及數(shù)字調(diào)制單元的工作原理。2 、連線：數(shù)字調(diào)制單元的 CLK 、 BS-IN 、 NRZ-IN 分別連至數(shù)字信號源單元的CLK 、 BS-OUT 、 NRZ-OUT。3 、打開數(shù)字信源模塊與數(shù)字調(diào)制模塊得電源。用數(shù)字信源模塊的FS 信號作為示波器的外同步信號，示波器CH1接 AK ， CH2接 BK ，信源模塊的K 1、 K 2 、K 3 置于任意狀態(tài)（非全0），觀察 AK 、BK 波形，總結(jié)絕對碼至相對碼變換規(guī)律以及從相對碼至絕對碼的變換規(guī)律。4 、示

25、波器CH1接 2DPSK-OUT， CH2 分別接 AK 及 BK ，觀察并總結(jié)2DPSK信號相位變化與絕對碼的關(guān)系以及2DPSK信號相位變化與相對碼的關(guān)系（此關(guān)系即是2PSK信號相位變化與信源代碼的關(guān)系）。注意： 2DPSK信號的幅度可能不一致，但這并不影響信息的正確傳輸。5 、示波器CH1 接 AK 、 CH2 依次接 2FSK-OUT和 2ASK-OUT；觀察這兩個信號與 AK 的關(guān)系（注意“1 ”碼與“ 0”碼對應(yīng)的2FSK信號幅度可能不相等，這對傳輸信息是沒有影響的） 。應(yīng)該注明的是：由于示波器的原因，實(shí)驗(yàn)中可能看不到很理想的2FSK 、 2DPSK波形。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1 、設(shè)絕對

26、碼為全1 、全 0 或 1001 1010，求相對碼。2 、設(shè)相對碼為全1 、全 0 或 1001 1010，求絕對碼。3 、設(shè)信息代碼為1001 1010，載頻分別為碼元速率的1 倍和 1 .5 倍，畫出 2DPSK及 2PSK 信號波形。4 、總結(jié)絕對碼至相對碼的變換規(guī)律、相對碼至絕對碼的變換規(guī)律并設(shè)計(jì)一個由相對碼至絕對碼的變換電路。5 、總結(jié) 2DPSK信號的相位變化與絕對碼的關(guān)系以及2DPSK信號的相位變化與相對碼的關(guān)系（即2PSK 的相位變化與信息代碼之間的關(guān)系）。實(shí)驗(yàn)二同步控制實(shí)驗(yàn)第一部分模擬鎖相環(huán)與載波同步實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握模擬鎖相環(huán)的工作原理，以及環(huán)路的鎖定狀態(tài)、失鎖狀

27、態(tài)、同步帶、捕捉帶等基本概念。2. 掌握用平方環(huán)法從 2DPSK 信號中提取相干載波的原理及模擬鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 觀察模擬鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)及捕捉過程。2. 觀察環(huán)路的捕捉帶和同步帶。3. 用平方環(huán)法從 2DPSK 信號中提取載波同步信號，觀察相位模糊現(xiàn)象。三、基本原理常用平方環(huán)或同相正交環(huán)（科斯塔斯環(huán)）從2DPSK信號中提取相干載波。本實(shí)驗(yàn)用平方環(huán)，其原理方框圖及電原理圖如圖2-1 、圖 2-2 所示。2DPSK-IN 平方放大MUU d環(huán)路濾波器壓控振蕩器鑒相器整形VCOCAR÷ 2移相濾波 - OUT器器圖 2-1載波同步方框圖載波同步模塊上有以下測試

28、點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)：2DPSK-IN2DPSK 信號輸入點(diǎn)MU平方器輸出測試點(diǎn)，V P-P 1VCOMP鎖相環(huán)輸入信號測試點(diǎn)Ud鎖相環(huán)壓控電壓測試點(diǎn)VCO鎖相環(huán)輸出信號測試點(diǎn)，V P-P0 .2VCAR-OUT相干載波信號輸出點(diǎn)/ 測試點(diǎn)圖理原電步同波載2-2圖鎖相環(huán)由鑒相器（PD ）、環(huán)路濾波器（LF ）及壓控振蕩器（VCO ）組成，如圖2-3所示。ui(t)ud(t)uc(t)uo(t)PDLFVCO圖 2-3鎖相環(huán)方框圖模擬鎖相環(huán)中， PD 是一個模擬乘法器，路是一個相位負(fù)反饋系統(tǒng)， PD 檢測 u i (t) 與壓 u d (t) ，LF 用來濾除乘法器輸出的高頻分量壓 u c(t) ，在

29、 u c(t) 的作用下、 u o (t) 的相位向LF 是一個有源或無源低通濾波器。鎖相環(huán)u o(t) 之間的相位誤差并進(jìn)行運(yùn)算形成誤差電（包括和頻及其他的高頻噪聲）形成控制電u i(t) 的相位靠近。設(shè)u i (t)=U i sin it+ i(t) ，u(t)=Uocos t+ (t) ，則 u(t)=Udsin (t) ， (t)= (t)-(t) ，故模擬鎖相環(huán)的PD 是一oiodeeio個正弦 PD 。設(shè) u c (t)=u d (t)F(P) ， F(P) 為 LF 的傳輸算子， VCO 的壓控靈敏度為K o，則環(huán)路的數(shù)學(xué)模型如圖2-4 所示。i (t)+e(t)ud(t)uc(

30、t) Ko+dF(P)o(t)U sin( )P-圖 2-4模擬環(huán)數(shù)學(xué)模型當(dāng) e(t )時， U d sin e (t )U de ，令 K d =U d 為 PD 的線性化鑒相靈敏度、單位為 V/rad62-5 所示。，則環(huán)路線性化數(shù)學(xué)模型如圖i(t)+ +e(t)F(P)Koo(t)K dP-圖 2-5 環(huán)路線性化數(shù)學(xué)模型由上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，可得到以下重要結(jié)論：當(dāng) u I(t) 是固定頻率正弦信號 (I(t) 為常數(shù) )時，在環(huán)路的作用下， VCO 輸出信號頻率可以由固有振蕩頻率 o（即環(huán)路無輸入信號、環(huán)路對 VCO 無控制作用時 VCO 的振蕩頻率），變化到輸入信號頻率 I ，此

31、時o (t) 也是一個常數(shù)， u d (t) 、 u c(t) 都為直流。我們稱此為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義o= I- o 為環(huán)路固有頻差，p 表示環(huán)路的捕捉帶，H表示環(huán)路的同步帶，模擬鎖相環(huán)中 p <H。當(dāng) |o|<P 時，環(huán)路可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)。當(dāng) |o|<H 時環(huán)路可以保持鎖定狀態(tài)。當(dāng)|o|>P 時，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，環(huán)路鎖定后若 o發(fā)生變化使|o|>H，環(huán)路不能保持鎖定狀態(tài)。這兩種情況下，環(huán)路都將處于失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下u d (t) 是一個上下不對稱的差拍電壓，當(dāng)I>o ， u d (t) 是上寬下窄的差拍電壓；反之u d (t) 是一個下寬上窄的差

32、拍電壓。環(huán)路對I (t) 呈低通特性，即環(huán)路可以將I (t) 中的低頻成分傳遞到輸出端，I (t)中的高頻成分被環(huán)路濾除?；蛘哒f，o(t) 中只含有 I (t) 的低頻成分，I(t) 中的高頻成分變成了相位誤差 e (t) 。所以當(dāng)u I(t) 是調(diào)角信號時， 環(huán)路對 u I (t) 等效為一個帶通濾波器，離I 較遠(yuǎn)的頻率成分將被環(huán)路濾掉。環(huán)路自然諧振頻率n 及阻尼系數(shù)(具體公式在下文中給出)是兩個重要參數(shù)。n越小，環(huán)路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。當(dāng)環(huán)路輸入端有噪聲時，I(t) 將發(fā)生抖動，n 越小，環(huán)路濾除噪聲的能力越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)一中的電荷泵鎖相環(huán)40

33、46的性能與模擬環(huán)相似，所以它可以將一個周期不恒定的信號變?yōu)橐粋€等周期信號。有關(guān)鎖相環(huán)理論的詳細(xì)論述，請讀者參閱文獻(xiàn)。對 2DPSK信號進(jìn)行平方處理后得S 2 ( t )m2( t ) cos2c t(1cos 2ct ) / 2，此信號中只含有直流和 2 c 頻率成分，理論上對此信號再進(jìn)行隔直流和二分頻處理就可得到相干載波。鎖相環(huán)似乎是多余的，當(dāng)然并非如此。實(shí)際工程中考慮到下述問題必須用鎖相環(huán)：平方電路不理想，其輸出信號幅度隨數(shù)字基帶信號變化，不是一個標(biāo)準(zhǔn)的二倍頻正弦信號。即平方電路輸出信號頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。接收機(jī)收到的 2DPSK 信號中含有噪聲（本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為理想信道，無噪

34、聲） ，因而平方電路輸出信號中也含有噪聲，必須用一個窄帶濾波器濾除噪聲。鎖相環(huán)對輸入電壓信號和噪聲相當(dāng)于一個帶通濾波器，我們可以選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)路參數(shù)使帶通濾波器帶寬足夠小。當(dāng)固有頻差為0 時，模擬環(huán)輸出信號的相位超前輸入相位90出信號進(jìn)行移相才能得到相干載波。移相電路由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器成。 U56:A被設(shè)置為上升沿觸發(fā)，U56:B為下降沿觸發(fā)，故改變，必須對除2 電路輸U(kuò)56:A和 U56:B構(gòu)U56:A輸出信號的寬度即可改變小于 90U56:B 。輸出信號的相位，從而改變相干載波的相位。此移相電路的移相范圍可對相干載波的相位模糊作如下解釋。在數(shù)學(xué)上對cos2ct進(jìn)行除2 運(yùn)算的結(jié)果是 cos

35、ct 或-cos ct 。實(shí)際電路也決定了相干載波可能有兩個相反的相位，因二分頻器的初始狀態(tài)可以為“ 0 ”也可以是“ 1”。在本套實(shí)驗(yàn)裝置中，鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器采用數(shù)字集成瑣相環(huán)芯片CD4046，現(xiàn)對此芯片介紹如下：CD4046是一數(shù)字集成鎖相環(huán)，它包括鑒相器和壓控振蕩器。它的組成框圖如上圖所示。該片內(nèi)有兩個鑒相器供選擇，一個是異或門鑒相器，一個是鑒頻- 鑒相器。四、實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字信源、數(shù)字調(diào)制、載波同步及模擬鎖相環(huán)三個模塊。1.熟悉上述四個模塊的工作原理。2.將信源模塊的BS-OUT 、NRZ-OUT、CLK 分別連接到數(shù)字調(diào)制模塊的BS-IN 、NRZ-IN和 CLK

36、 ，再將調(diào)制模塊的2DPSK連接到載波同步模塊的2DPSK-IN。將模擬鎖相環(huán)及載波同步單元的KEY波動開關(guān)撥到上方，用示波器順序觀察2DPSK，MU,VCO,COMP,Ud,CAR-OUT信號，結(jié)合原理圖理解從2DPSK信號中提取載波的過程。3 用示波器觀察鎖相環(huán)的鎖定狀態(tài)、失鎖狀態(tài)。環(huán)路鎖定時，環(huán)路輸入信號頻率等于反饋信號頻率，即COMP與 VCO的頻率相等，這時如觀察u d 為近似鋸型波的穩(wěn)定波形。環(huán)路失鎖時環(huán)路輸入信號頻率與反饋信號頻率不相等，即此時COMP與VCO的頻率不相等，這時如觀察u d 為不穩(wěn)定波形。根據(jù)上述特點(diǎn)可判斷環(huán)路的工作狀態(tài)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：1 ）觀察鎖定狀態(tài)與失鎖

37、狀態(tài)向下?lián)軇娱_關(guān)KEY,接通電源后用示波器觀察u d ，若u d 為穩(wěn)定波形，則調(diào)節(jié)載波同步模塊上的電位器R26 ， u d 隨R26減小而減小，隨R26增大而增大，這說明環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。用示波器兩路探頭同時觀察COMP和VCO，可以看到兩個信號頻率相等。也可以用頻率計(jì)分別測量COMP和VCO頻率。在鎖定狀態(tài)下，向某一方向變化R26，可使u d 由穩(wěn)定的波形變?yōu)椴环€(wěn)定，COMP和VCO頻率不再相等，環(huán)路由鎖定狀態(tài)變?yōu)槭фi。接通電源后d也可能是不穩(wěn)定的差拍信號，表示環(huán)路已處于失鎖狀態(tài)。失鎖時d的最大值和最小值就是鎖定狀態(tài)下u d的變化范圍（對應(yīng)于環(huán)路的同步范圍）。環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時，COMP和

38、 VCO 頻率不相等。調(diào)節(jié)R26使 u d 的差拍頻率降低，當(dāng)頻率降低到某一程度時u d 會突然變成穩(wěn)定的信號，環(huán)路由失鎖狀態(tài)變?yōu)殒i定狀態(tài)。2 ）測量同步帶與捕捉帶調(diào)節(jié)將雙蹤示波器兩路探頭分別接在COMP （鎖相環(huán)輸入頻率fi）和 VCOR26,使環(huán)路處于良好的鎖定狀態(tài)，即示波器上兩路波形不但清晰穩(wěn)定，端，而且要盡可能地保持很小的相位差。同步帶測量：緩慢調(diào)節(jié)鎖現(xiàn)象時停止調(diào)節(jié)R26R26使 COMP端的頻率，記下此時的鎖相環(huán)輸入頻率fi向下，直到剛好出現(xiàn)失fi ； 緩慢調(diào)節(jié)R26使COMP端的頻率fi向上，使環(huán)路重新鎖定, 直到再次出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象時停止調(diào)節(jié) R26 ，記下此時的信號源輸出頻率 fi

39、 ，則環(huán)路的同步帶為 fi fi 。捕捉帶測量：緩慢調(diào)節(jié) R26 ，使 COMP 端的頻率 fi 向下出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，向上緩慢調(diào)節(jié) fi ，直到環(huán)路剛好入鎖，記下此時的信號源輸出頻率 fi ; 然后向上調(diào)節(jié) fi ，使環(huán)路重新失鎖后，再向下緩慢調(diào)節(jié) fi 直到環(huán)路剛好入鎖，記下此時的信號源輸出頻率 fi 則環(huán)路的捕捉帶為 fi fi 。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 總結(jié)鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)及失鎖狀態(tài)的特點(diǎn)。2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算環(huán)路同步帶fH 及捕捉帶fP 。3. 總結(jié)用平方環(huán)提取相干載波的原理及相位模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。4. 設(shè) VCO 固有振蕩頻率 f0 不變，環(huán)路輸入信號頻率可以改變，試擬訂測量環(huán)路同步帶及

40、捕捉帶的步驟。第二部分全數(shù)字鎖相環(huán)與位同步實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握數(shù)字鎖相環(huán)工作原理以及微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)的快速捕獲原號理。2. 掌握用數(shù)字環(huán)提取位同步信號的原理及對信息代碼的要求。3. 掌握位同步器的同步建立時間、同步保持時間、位同步信號同步抖動等概念。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài)、鎖定狀態(tài)。2. 觀察數(shù)字環(huán)鎖定狀態(tài)下位同步信號的相位抖動現(xiàn)象及相位抖動大小與固有頻差、信息代碼的關(guān)系。3. 觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時間與固有頻差之間的關(guān)系。三、基本原理位同步電路的原理框圖、波形圖和電路圖分別如圖2-6 、圖 2-7 和圖 2-8 所示。一、位同步模塊有以下測試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)：

41、S-IN基帶信號輸入、測試點(diǎn)BS-OUT位同步信號輸出、測試點(diǎn)二、圖 2-6 中各單元與圖2-7 中元器件的對應(yīng)關(guān)系如下：晶振X1 ：晶體；微分器U1D ： LF347放大器U1C ： LF347整流器U1B 、 U1A ： LF347單穩(wěn)電路U2 、U3 ：74LS123分頻器U4 ： EPM7064門電路U4 ： EPM7064三、工作原理在本系統(tǒng)中采用的是微分整流型數(shù)字鎖相環(huán)，它主要由波形轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字鎖相器組成。1. 波形轉(zhuǎn)換電路波形轉(zhuǎn)換電路主要由一微分、整流電路組成，碼元信號經(jīng)微分、整流后就可以提出位同步信號分量，其波形如圖2-9 所示，原理框圖如圖2-6 所示。圖 2-9基帶信號微

42、分、整流波形2. 數(shù)字鎖相數(shù)字鎖相的原理方框圖如圖2-6 所示，它由穩(wěn)定度振蕩器、分頻器、相位比較器和控制器組成。其中，控制器包括圖中的扣除門、附加門和“或門”。高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)整形電路變成周期性脈沖，然后經(jīng)控制器再送入分頻器，輸出位同步脈沖序列。若接收碼元的速率為F（波特），則要求位同步脈沖的重復(fù)速率也為F（赫）。這里晶振的晶振接 收 碼微分整流單穩(wěn)4元A單穩(wěn)1非門整形單穩(wěn)位同步脈脈沖形3扣除沖CHENB門單穩(wěn)2附加門N 次分或頻門圖 2-6位同步器方框圖振蕩頻率設(shè)計(jì)在nF（赫），由晶振輸出經(jīng)整形得到重復(fù)頻率為nF （赫）的窄脈沖（圖2-7中的b(b )。）如果接收端晶振輸出經(jīng)n 次分頻后， 不能準(zhǔn)確地和收到的碼元信號同頻同相，這時就要根據(jù)相位比器輸出的誤差信號