通信原理实验讲义

通信原理实验周洪萍编中国传媒大学南广学院传媒技术学院二Ｏ一五年九月修订传媒技术学院通信原理实验讲义1目录实验箱介绍...................................................................................................1实验一PAM实验........................................................................................4实验二PCM编译码实验...........................................................................10实验三AMI/HDB3码型变换实验.............................................................14实验四帧成形及其传输实验......................................................................22实验五基带传输系统实验.........................................................................28实验六BPSK传输系统实验......................................................................36实验七DBPSK传输系统实验...................................................................47实验八电话交换呼叫处理通信系统综合实验.............................................53附：MATLAB仿真——A、U压缩律.........................................................58传媒技术学院通信原理实验讲义1实验箱介绍为配合《通信原理》课程的理论教学，我们采购了南京捷辉科技有限公司推出的JH5001（Ⅲ）通信原理实验系统。该实验系统采用模块化设计，系统的基本模块有9个功能模块，每个模块分别实现通信系统的各关键技术，每个功能模块都可单独安排实验，通过实验，可以对通信原理课程的各关键知识点有一个全面的了解。每个模块都设计有标准接口，通过连接线，可进行系统实验。同时采用扩展模块或自己设计电路，还可任意设计通信系统。JH5001（Ⅲ）通信原理实验系统由信号源模块、用户接口模块、交换和DTMF模块、PCM/PAM模块、复接解复接模块、线路编解码模块、CVSD编解码模块、基带成形模块、调制解调模块等9个基本模块组成，各模块在系统中的安排如图1所示。传媒技术学院通信原理实验讲义2图一JH5001（Ⅲ）通信原理实验系统系统布局图1JH5001（Ⅲ）通信原理实验系统系统布局PCM/PAM模块复接解复接模块用户接口模块交换和DTMF模块线路编解码模块CVSD编解码模块基带成形模块调制解调模块信号源传媒技术学院通信原理实验讲义3通过信号线的连接，各基本模块可接入系统进行系统实验，其系统连接关系如图2所示。在系统中通信双方的传输信道是不对称的：（1）从用户电话1向用户电话2的信号支路是以无线信道传输技术为主，信号流程为：用户电话接口1→CVSD话音编码→信道调制→噪声→信道解调→CVSD话音译码→用户电话接口2。（2）从用户电话2向用户电话1的信号支路是以有线信道传输技术为主，信号流程为：用户电话接口2→PCM话音编码→信道复接→线路编码（HDB3/CMI）→线路译码→信道解复接→PCM话音译码→用户电话接口1。信号源模块输出正弦波和方波，TPAO1S、TPAO2S分别为输出端口，VS102调节方波输出大小，调节范围：0～5V。VS103调节正弦波输出大小，调节范围：0～5V；信号输出有高低两个频段：JS01跳线插入、JS02跳线不插输出高频信号，输出信号频率范围20KHz～350KHz；JS01跳线不插、JS02跳线插入，输出低频信号，输出信号频率范围300Hz～2KHz。实验系统电源完成交流220V到+5V、+12V、-12V的直流变换，给整个硬件平台供电。信号复接信号解复接线路译码编码位同步恢复PCM译码PCM编码无线传输信道有线传输信道有线传输信道交换处理模块DTMF检测1DTMF检测2电话接口1电话接口2数据终端数据终端2#1#图2各电路测试模块间连接框图CVSD译码编码信道解调信道调制噪声CVSD编码编码BPSKDBPSKHDB3CMI传媒技术学院通信原理实验讲义4实验一PAM实验一、实验目的1、验证抽样定理；2、观察PAM信号形成的过程；3、了解混迭效应产生的原因；4、学习低通信号抽样的基本方法。二、实验仪器1、JH5001(Ⅲ)通信原理基础实验箱一台2、20MHz双踪示波器一台3、函数信号发生器一台三、实验原理抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。通常将语音信号通过一个3400Hz低通滤波器（或通过一个300～3400Hz的带通滤波器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这样可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。语音信号的频谱和语音信号抽样频谱见图1.1和图1.2所示。从语音信号抽样频谱图可知，用截止频率为fh的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m(t)。传媒技术学院通信原理实验讲义5fM(f)fh0图1.1语音信号频谱fMs(f)fh02fs+fhfs+fhfs2fs理想低通滤波器图1.2语音信号的抽样频谱fMs(f)fh02fs+fhfs+fhfs2fs图1.3fs＜2fh时语音信号的抽样频谱传媒技术学院通信原理实验讲义6fMs(f)fh02fs+fhfs+fhfs2fs实际低通滤波器图1.4fs＞2fh的语音信号的抽样频谱实际上，设计实现的滤波器特性不可能是理想的，对限制最高频率为3400Hz的语音信号，通常采用8KHz抽样频率，这样可以留出一定的防卫带（1200Hz），参见图1.4所示。当抽样频率fs低于2倍语音信号的最高频率fh，就会出现频谱混迭现象，产生混迭噪声，影响恢复出的话音质量，原理参见图1.3所示。在抽样定理实验中，采用标准的8KHz抽样频率，并用函数信号发生器产生一个信号，通过改变函数信号发生器的频率，观察抽样序列和重建信号，检验抽样定理的正确性。抽样定理实验各点波形见图1.5所示。低通滤波器抽样脉冲低通滤波器抽样保持8KHz输入信号图1.5抽样定理实验原理框图图1.6是通信原理基础实验箱所设计的抽样定理实验电路组成框图。传媒技术学院通信原理实验讲义7低通滤波器抽样脉冲低通滤波器抽样/保持KB04跳线器开关K702图1.6抽样定理实验电路组成框图U701A、BU703U702A、CUB03复接解复接模块内测试信号TP701TP702TP704TP703电路原理描述：输入信号首先经过信号选择跳线开关K501，当K501设置在正常位置时（左端），输入信号来自电话接口2模块的发送话音信号；当K501设置在测试位置时（右端），由TP001输入测试信号，进行抽样定理实验。运放U701A、U701B（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽为3400Hz的低通滤波器，用于限制最高的信号频率。信号经运放U701C缓冲输出，送到U703（CD4066）模拟开关。模拟开关U703（CD4066）通过抽样时钟完成对信号的抽样，形成抽样序列信号。信号经运放U702B（TL084）缓冲输出。运放U702A、U702C（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽为3400Hz的低通滤波器，用来恢复原始信号。跳线开关K702用于选择输入滤波器，当K702设置在滤波位置时（OF端），送入到抽样电路的信号经过3400Hz的低通滤波器；当K702设置在直通位置时（NF端），信号不经过抗混迭滤波器直接送到抽样电路，其目的是为了观测混迭现象。设置在复接解复接模块内的跳线开关KB04为抽样脉冲选择开关：设置在左端为平顶抽样，平顶抽样是通过采样保持电容来实现的，且τ=Ts；设置在右端为自然抽样，为便于恢复出的信号观测，此抽样脉冲略宽，只是近似自然抽样。平顶抽样有利于解调后提高输出信号的电平，但却会引入信号频谱失真2/)2/(Sin，τ为抽样脉冲宽度。通常在实传媒技术学院通信原理实验讲义8际设备里，收端必须采用频率响应为)2/(2/Sin的滤波器来进行频谱校准，这种频谱失真称为孔径失真。该电路模块各测试点安排如下：1、TP701：输入模拟信号2、TP702：经滤波器输出的模拟信号3、TP703：抽样序列4、TP704：恢复模拟信号四、实验步骤1.自然抽样脉冲序列测量准备工作：由于PAM实验用的抽样信号由复接解复接模块提供，因此首先用10针排线连接排针插槽JK501和JKB01，以获取抽样信号；将复接解复接模块中的KB04设置在右端（自然抽样状态）；将输入信号选择开关K501设置在右端以输入测试信号。将低通滤波器选择开关K702设置在滤波位置，为便于观测，调整函数信号发生器正弦波输出频率为200～1000Hz、输出电平为2Vp-p的测试信号送入PCM/PAM模块的测试端口TP001和接地端TP002。（1）PAM脉冲抽样序列观察：用示波器同时观测正弦波输入信号（TP701）和抽样脉冲序列信号（TP703），观测时以TP701做同步。调整示波器同步电平和微调调整函数信号发生器输出频率，使抽样序列与输入测试信号基本同步。测量抽样脉冲序列信号与正弦波输入信号的对应关系。（2）PAM脉冲抽样序列重建信号观测：TP704为重建信号输出测试点。保持测试信号不变，用示波器同时观测重建信号输出测试点和正弦波输入信号，观测时以TP701输入信号做同步。2.平顶抽样脉冲序列测量准备工作：与自然抽样脉冲序列测量准备工作不同之处是将复接解复接模块内的抽样时钟模式开关KB04设置在左端进行平顶抽样。（1）PAM平顶抽样序列观察：方法同1测量，请同学自拟测量方案。记录测量波形，与自然抽样测量结果做比较。传媒技术学院通信原理实验讲义9（2）平顶抽样重建信号观测：方法同1测量，请同学自拟测量方案。与自然抽样测量结果对比分析平顶抽样的测试结果。3.信号混迭观测准备工作：同PAM脉冲抽样实验。（1）注意：将跳线开关K702设置在1-2位置（NF，无输入滤波器）。调整函数信号发生器使正弦波输出频率为7.5KHz左右、电平为2Vp-p的测试信号送入信号测试端口TP001和TP002（地）。（2）用示波器观测重建信号输出波形。缓慢变化测试信号输出频率，注意观察输入信号与重建信号波形的变化是否对应一致，分析解释测量结果。五、实验报告1、整理实验数据，画出测试波形。要求：话音信号频率范围为0.3K~3.4KHz。2、在采用抗混滤波器时输出波形的性能，并解释为什么？输入频率50010001500200025003000350037006000输出幅度3、在不采用抗混滤波器时输入与输出波形的关系，并解释为什么？输入频率1000250030005500650075008500900011000输出频率4、在不采用抗混滤波器、fs＞2fh和fs＜2fh时，低通滤波器输出的波形是什么？总结一般规律。5、完成实验小结。传媒技术学院通信原理实验讲义10