《数字通信原理》实验指导书

1通信原理课程实验指导书课程学时：64学时实验学时：12学时适用专业：信息工程、电子信息科学与技术编写者：审查者：编写日期：2007年4月2实验1基带传输系统实验一、实验目的1.了解Nyquist基带传输设计准则2.熟悉升余弦基带传输信号的特点3.掌握眼图信号的观察方法4.学习评价眼图信号的基本方法二、实验仪器1.ZH7001（II）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、实验原理在寻找对信号基带传输的设计过程中，Nyquist设计准则为基带传输系统信号设计提供了一个方法。利用该准则一方面可以对信号的频谱进行限制，另一方面又不会产生码间串扰。升余弦信号设计是其中的一个例子。升余弦滤波器的传递函数为：SSSSSRCTfTfTfTTffH2/)1(||02/)1(||2/)1()21|)|2(cos(1[212/)1(||01)(其中，α是滚降因子，取值范围为0到1。一般α=0.25~1时，随着α的增加，相邻符号间隔内的时间旁瓣减小，这意味着增加α可以减小位定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。对于矩形脉冲BPSK3信号能量的90%大约在1.6Rb的带宽内，而对于α=0.5的升余弦滤波器，所有能量则在1.5Rb的带宽内。为了在实际系统上可实现升余弦滤波器，一般将其进行截短，截短长度一般从中央最大点处向两边延长4个码元。截短成形的基带信号频谱一般能很好地满足实际系统的要求。图1.1Nyquist升余弦滤波基带传输频域与时域特性示意图脉冲成形滤波器可以在基带实现，也可以设置在发射机的输出端。一般说来，在基带上脉冲成形滤波器用DSP或FPGA来实现，每个码元一般需采样4个样点，并考虑当前输出基带信号的样点值与８个码元有关，使用脉冲成形的数字通信系统经常在调制器中同一时刻存储了几个符号，然后通过查询一个代表了存储符号离散时间波形来输出这几个符号（表的大小为210），这种查表法可以实现高速数字成形滤波，其处理过程如图1.2所示：成形之后的基带信号经D/A变换之后，直接对载波进行调制。4串/并变换D0D1D2D3D4D5D6D7输入码流时钟计数器Ａ０Ａ１EPROM4倍时钟样点锁存图1.2BPSK基带成形原理示意图对基带系统性能判断主要依据是图1.3中所示的眼图的主要测量指标。在实验过程中请注意对不同的基带传输性能进行测试。图1.3眼图主要的性能指标测试示意图升余弦滚降传递函数可以通过在发射机和接收机使用同样的频响为开根号升余弦响应的滤波器来实现。这种响应特性的分配为系统提供了最佳接收方案。在ZH7001（II）型通信原理基础实验箱中，基带传输的框图如图1.4所示。数据选择CVSD编码数据测试数据差分编码a=0的升余弦成形a=1的升余弦成形a=0.4的升余弦成形a=0.4的开根号升余弦成形基带传输选择同步数据D／A数据选择测试数据产生测试数据测试数据速率选TPM02TPM03TPM02KG015四、实验内容1.α＝0升余弦滤波成形信号观察（1）准备工作：将数字调制解调模块中的KG01选择在下端测试数据位置（测试数据方式），KG02设置成3级m序状态（KG02的最下面跳线器插入），数据时钟选择开关KG03置于1-2状态（32K位置），KG04置于α＝0升余弦滤波状态（所有跳线器不插入）。KP01置于1-2状态（相干解调位置）。（2）以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）6的波形。测量过零点抖动与眼皮厚度（换算成码元宽度的百分数）。（3）用KG02输入不同的测试数据（0/1码，11101010），观察TPi03的信号（主要从信号的最佳点收敛情况、过零抖动情况进行判断）。总结信号特征并解释原因。2.α＝1、α＝0.4、α＝0.4开根号升余弦滤波的眼图观察（1）准备工作：除KG04外，其余同步骤1。KG04设置成α＝1、α＝0.4、α＝0.4开根号升余弦滤波状态。（2）以发送时钟（TPM01）作同步，观测发送信号（TPi03）的波形。测量过零点抖动与眼皮厚度（换算成码元宽度的百分数）。（3）用KG02输入不同的测试数据（0/1码，11101010），观察TPi03的信号（主要从信号的最佳点收敛情况、过零抖动情况进行判断）。总结信号特征并解释原因。五、实验报告1、写出眼图正确的观察方法；2、比较“α＝0升余弦滤波”与“α＝0.3升余弦滤波”基带成形传输的不同点；3、比较“α＝1升余弦滤波”与“α＝0.4升余弦滤波”的不同点4、比较“α＝0.4升余弦滤波”与“α＝0.4开根号升余弦滤波”的不同点5、叙述Nyquist滤波作用；76、画出主要测量点的工作波形；实验2FSK调制解调实验一、实验目的1、了解FSK调制的基本工作原理；2.自行设计FSK调制、解调单元；二、实验仪器1、ZH7001（II）通信原理基础实验箱一台2.20MHz示波器一台三、实验原理在ZH7001（II）型的FSK调制框图如图2.1下：输入数据WE01用于调整频率间隔；WE02用于调整中心频率FSK调制WE02+12VVCOTPE01TPE02WE018图2.1FSK调制方框图用数字基带信号的电平高低不同控制UE01(CD4046)内部的压控振荡器的振荡频率。当输入码元为0时，振荡频率为6～9KHz；当输入码元为1时，振荡频率为20～24KHz。这些频率范围的调整是通过WE01、WE02来获取的。其中WE01调整输入1、0信号的幅度，从而达到控制传号频率与空号频率的间隔。WE02是调整送入到VCO输入端信号的直流偏移，通过调整WE02达到控制FSK中心频率的作用。注意：FSK的数据输入信号来源于基带成形模块的测试序列，其通过KG02来选择不同的数据，数据速率受KG03控制，在FSK实验中KG03设置在500bps（KG03处于2-3状态）。FSK解调框图见图2.12.3：滤波VCO比较器PLL锁相环(CD4046)FSK解调TPE07TPE04TPE05TPE03TPE06接收FSK信号外部测试信号KE029图2.3FSK解调方框图FSK解调的工作原理是用一个模拟锁相环UE02(CD4046)对输入的FSK信号进行鉴频。在解调模块中采用一个PLL环，当输入的FSK频率出现变化时，锁相环也随之变化，它是通过控制环路的输入电压TPE04来达到的。这样当输入信号频率为20～24KHz时，锁相环的VCO控制电压为高电平，输出码元为1；反之当输入信号频率为6～9KHz时，锁相环的VCO控制电压为低电平，输出码元为0。压控振荡器(VCO)的控制电压直接反映了FSK信号中的码元变化。将该VCO的输入控制电压送入比较器中之后就能得到的FSK接收解调的数字信号。在ZH7001（Ⅱ）通信原理基础实验箱中，FSK调制解调实验是作为扩展模块实验来开设的，在该模块中，各测试点的定义如下：TPE01:FSK调制端的电平变换输出；TPE02:调制之后的FSK调制输出TPE03:解调端的PLL压控振荡器输出；TPE04:FSK解调的鉴频输出TPE05:锁定指示(锁定时为高电平)；TPE06:FSK解调输出TPE07:FSK解调输入信号在该模块中，各跳线的功能如下：1、KE01：跳线开关KE01用于选择UE01的鉴相输出。当KE01设置于1_2时（左端），选择异或门鉴相输出；当KE01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，详情请参见4046器件性能资料。2、KE02：跳线开关KE02是用于选择输入锁相信号：当KE0210置于2_3时（右端），输入信号来自FSK调制端；当KE02置于1_2时（左端）选择外部的测试信号。四、实验步骤1.FSK信号传号频率与空号频率的测量（1）准备工作：将选择开关KG03置于右端（数据速率为500bps），将FSK调制解调模块中的跳线开关KE01、KE02均置于右端，KG01放置在测试位置（最下端）。（2）TPE02是已调FSK波形，通过开关KG02选择全1码输入数据信号，观测TPE02的信号波形，测量其基带信号周期和频率——传号频率。（3）通过开关KG02选择全0码输入数据信号，观测TPE02信号波形，测量其基带信号周期和频率——空号频率。将测量结果与1码比较。2.FSK调制基带信号观测（1）准备：同实验步骤1；（2）通过开关KG02选择为0/1码输入数据信号，TPM02是发送数据信号（数字调制解调模块中部），TPE02是已调FSK波形。并以TPM02作为同步信号，观测TPM02与TPE02点波形应有明确的信号对应关系（频率等）。3.锁相环特性观察（1）准备：与步骤1不同之处是将KE02置于1-2端，这样接收的信号来源于外部测试信号。（2）用信号源加入TTL方波测试信号。通过：J007（TTL信号）、J006（地）加入测试信号，改变测试信号的频：从5KHz～30KHz进行变化，观察PLL鉴相输出TPE04的信号波形。再观察TPE06的波形。（注意：示波器放在直流档测量）（3）反复进行上述测量，设计FSK的参数，并进行下一步实验。114.解调数据信号观测（1）准备：同步骤1；（2）测量FSK解调数据信号测试点TPE06的波形，观测时仍用发送数据（TPM02）作同步，比较其两者的对应关系。（3）通过开关KG02选择其它码，测量TPE06信号波形，观测解调数据是否与发送数据保持一致。5.不同参数的FSK基带信号观测：调节电位器WE01、WE02，分别调整频率间隔和中心频率，观测基带信号TPE02随调整的变化情况。6.不同频率下的解调数据信号观测：通过开关KG03选择码元速率在左端32K位置，观测对解调输出有什么影响，为什么？五、实验报告1、画出各测量点的工作波形；2、自行设计一个FSK（可选择不同的中心频率与频率间隔）的传输系统并进行验证。12实验3BPSK传输系统实验一、实验目的1、学习观察BPSK的调制信号；2、掌握BPSK调制原理；3、熟悉BPSK调制载波包络的变化；4、掌握BPSK解调的基本原理；5、观察BPSK解调数据反相的现象；6、掌握BPSK数据传输过程，熟悉典型电路；二、实验仪器1、ZH7001（II）通信原理基础实验箱一台2、20MHz双踪示波器一台三、实验原理理论上二进制相移键控（BPSK）幅度恒定，其载波相位随着输入数据m（1、0码）而改变，通常这两个相位相差180°。在“ZH7001(II)型通信原理基础实验箱”中，BPSK的调制工作过程如下：首先输入数据进行Nyquist滤波，滤波后的结果分别送入I、Q两路支路。因I、Q两路信号频率是一样的，相位相差90度,所以经调制合路之后仍为BPSK方式。采用直接数据（非归零码）调制与成形信号13调制的波形如图3.1所示：归零码载波直接调制成形调制Tb图3.1直接数据调制与成形信号调制的波形在接收端采用相干解调时，恢复出来的载波与发送载波在频率上是一样的，但相位存在两种关系：0０、180０。如果是0０，则解调出来的数据与发送数据一样，否则，解调出来的数据将与发送数据反相。为了对接收信号中的数据进行正确的解调，要求在接收机端知道载波的相位和频率信息，同时还要在正确时间点对信号进行判决。这就是载波恢复与位定时恢复。为了提高所提取载波的质量，一般采用锁相环来实现。判决反馈环结构如图3.2所示：14R(t)匹配滤波码字输出判决VCO900环路滤波图3.2BPSK判决反馈环结构判决反馈环具有00、1800两个相位平衡点，因而存在相位模糊点。对于接收的BPSK信号，在什么时刻对信号进行抽样、判决，这主要由位定时来决定。位定时的好坏决定误码率的大小。在刚接收到BPSK信号之后，位定时一般不处于正确的抽样位置，必须采用一定的算法对抽样点进行调整，这个过程称为位定时恢复。常用的位定时恢复有：滤波法、数字锁相环等。以2倍码元速率抽样为例：信号取样如图3.4所示。S（n-1）、S（n+1）为调整后的最佳样点，S（n）为码元中间点。首先位定时的提取时刻为其基带信号存在过零点，即如图2.4中的情况所示。位定时误差的大小按下式进行