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通信原理实验指导书1实验一数字信号发生实验一、实验目的1．了解多种时钟信号的产生方法；2．了解PCM编码中的收、发帧同步信号的产生过程；3．掌握3级、4级、5级伪随机码的编码方法和伪随机码性质。二、实验仪器与设备1．THEXZ-2B型实验箱、数字信号发生模块；2．20MHz双踪示波器。三、实验原理时钟信号乃是数字通信各级电路的重要组成部分，在数字通信电路中，若没有时钟信号，则电路基本工作条件将得不到满足而无法工作。（一）电路组成时钟与伪码发生实验是供给PCM、PSK、FSK、HDB3等实验所需时钟和基带信号，由以下电路组成：1．内时钟信号源，图18-1。2．多级分频及脉冲编码调制系统收、发帧同步信号产生电路，图18-1。3．三级伪随机码发生电路，图18-2；4．四级伪随机码发生电路，图18-3；5．五级伪随机码发生电路，图18-4。图18-1时钟及多级分频及脉冲编码调制系统收、发帧同步信号产生电原理图通信原理实验指导书2图18-2三级伪码发生电原理图图18-3四级伪码发生电原理图18-4五级伪码发生电原理图（二）电路工作原理1．时钟信号源时钟信号源由钟振Y1提供，若电路加电后，在CLK测试点输出一个比较理想的方波信通信原理实验指导书3号，输出振荡频率为4.096MHz，经过D触发器进行二分频，输出为2.048MHz方波信号。2．三级基准信号分频及PCM编码调制收发帧同步信号产生电路该电路的输入时钟信号为2.048MHZ的方波，由可预置四位二进制计数器（带直接清零）组成的三级分频电路组成，逐次分频变成1K方波，由第一级分频电路产生的P128KHZ窄脉冲和由第二级分频电路产生的Q8KH窄脉冲进行与非后输出，即为PCM编译码中的收、发分帧同步信号P8K。3．三级伪随机码发生器电路伪随机序列，也称作m序列，它的显著特点是：（a）随机特性；（b）预先可确定性；（c）可重复实现。本电路采用带有两个反馈的三级反馈移位寄存器，示意图见图18-5。若设初始状态为111（Q2Q1Q0=111），则在CP时钟作用下移位一次后，由Q1与Q0模二加产生新的输入Q=Q0○+Q1=1○+1=0，则新状态为Q2Q1Q0=011。当移位二次时为Q2Q1Q0=001；当移位三次为Q2Q1Q0=100；移位四次后为Q2Q1Q0=010；移位五次后为Q2Q1Q0=101；移位六次后为Q2Q1Q0=110；移位七次后为Q2Q1Q0=111；即又回到初始状态Q2Q1Q0=111。该状态转移情况可直观地用“状态转移图”表示。见图18-6。图18-2是实验系统中3级伪随机序列码发生器电原理图。从图中可知，这是由三级D触发器和异或门组成的三级反馈移存器。在测量点PN处的码型序列为1110010周期性序列。若初始状态为全“零”则状态转移后亦为全“零”，需增加U8A三输入与非门“破全零状态”。图18-5具有两个反馈抽头的3级伪随机序列码发生器图18-6状态转移图4．四级伪随机码发生电路图18-3是实验系统中4级伪随机序列码发生器电原理图。从图中可知，这是由4级D触发器和异或门组成的4级反馈移位寄存器。本电路是利用带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，其示意图见图18-7，状态转移图见表18-1，在测量点PN处的码序列为111100010011010。图18-7具有两个反馈抽头的4级伪随机序列码发生器5．五级伪随机码发生电路图18-4是实验系统中5级伪随机序列码发生器电原理图，从图中可知，这是由5级D触发器和异或门组成的5级反馈移位寄存器。本电路是利用带有两个反馈抽头（注意，反馈点是Q0与Q2）的5级反馈移位寄存器，其示意图见图18-8，状态转移图见表18-1，在测量点PN处的码序列为1111100011011101010000100101100。通信原理实验指导书4图18-8具有两个反馈抽头的5级伪随机序列码发生器表18-13级、4级、5级伪随机码、状态转移图三级伪随机码四级伪随机码五级伪随机码Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0Q4Q3Q2Q1Q011111111111101101110111100100110011110000010001101010001000110101001100011000100110011110011011011001101101101110110110111001011011110100101111011010111100101011110010100010000011000001000001001001001001101001101001101001101001111001通信原理实验指导书5111001111011111通过以上三个个例的介绍，我们可将伪随机码的特性归纳如下：伪随机码是数字通信中重要信码之一，常作为数字通信中的基带信号源，应用于扰码、误码测试、扩频通信、保密通信等领域。伪随机码又称m序列，简称nrz。伪随机码的特性包括四个方面：1．由n级移位寄存器产生的伪随机序列，其周期为2n-1；2．信码中“0”、“1”出现次数大致相等，“1”码只比“0”码多一个；3．在周期内共有2n-1个游程，“1”的游程和“0”的游程个数相等；4．具有类似白噪声的自相关函数，其自相关函数为：其中n是伪随机序列的寄存器级数。例如：用4个D触发器和一个异或门构成的伪码发生器具有以下特性：1)周期为21-1=15；2)在周期内“0”出现24-1-1=7次，“1”出现24-1=8次；3)周期内共有24-1=8个游程；“1”的游程个数是4，“0”的游程个数亦是4。4)具有双值自相关特性，其自相关系数为：四、实验步骤1．电路通电，用20MHz双踪示波器观察CLK、2048K、1024K、512K、256K、128K、64K、32K、16K、8K、2K、1K、P8K、P128K、Q8K各测试点波形并记录之。2．用20MHz双踪示波器（直流档）观察“0”（全零码）、“1”（全一码）测试点的波形，并作记录。3．用一号导线连接64K及NRZ3CLK，用双踪示波器观察NRZ3CLK及NRZ3测试点，记录三级伪码波形。4．同步骤3，连接64K及NRZ4CLK，观察NRZ4CLK及NRZ4测试点，记录四级伪码波形。同上，测试五级伪码并记录。5．按照3级、4级、5级伪随机码的反馈移位寄存器示意图推算伪随机码码序，并与测量值作比较。6．验证伪随机码的四个特性。五、实验报告1．分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。2．根据实验测试记录，画出各测量点的波形图。3．按照反馈移位寄存器推算3级、4级、5级伪随机码的码序，并与测量值作比较。4．验证伪随机码的四个特性。221)12NNNNNN(101nnτ/τρ(τ)221)12(10144τ/τρ(τ)通信原理实验指导书6实验二抽样定理和脉冲调幅及解调实验一、实验目的1．学习PAM脉冲幅度解调的原理和方法；2．进一步验证抽样定理；2．观察了解PAM信号形成过程，了解抽样定理的必要性。二、实验仪器与设备1．THEXZ-2B型实验箱、PAM双路抽样脉冲发生实验模块、抽样定理和脉冲调幅实验模块、PAM脉冲幅度解调实验2．20MHz双踪示波器、万用表三、实验原理在通信技术中为了获取最大的经济效益，就必须充分利用信道的传输能力，扩大通信容量。因此，采取多路化制式是极为重要的通信手段。最常用的多路复用体制是频分多路复用（FDM）通信系统和时分多路复用(TDM)通信系统。频分多路技术是利用不同频率的正弦载波对基带信号进行调制，把各路基带信号频谱搬移到不同的频段上，在同一信道上传输。而时分多路系统中则是利用不同时序的脉冲对基带信号进行抽样，把抽样后的脉冲信号按时序排列起来，在同一信道中传输。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。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信号。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。数字通信系统是以此定理作为理论基础的。在工作设备中，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整个系统的性能指标。图20-1单路PCM系统示意图作为例子，图20-1示意地画出了传输一路语音信号的PCM系统。从图中可以看出要实现对语音的PCM编码，首先就要对语音信号进行抽样，然后才能进行量化和编码。因此，抽样过程是语音信号数字化的重要环节，也是一切模拟信号数字化的重要环节。为了让实验者形象地观察抽样过程，加深对抽样定理的理解，本实验提供了一种典型的抽样电路。除此，本实验还模拟了两路PAM通信系统，从而帮助实验者初步了解时分多路的通信方式。（一）抽样定理抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)如果它的最高频率为fH（即m(t)的频谱中没有fH以上的分量），可以唯一地由频率等于或大于2fH的样值序列所决定。因此，对于一个最通信原理实验指导书7高频率为3400Hz的语音信号m(t)，可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。抽样频率fs和语音信号m(t)的频谱如图20-2和图20-3所示。由频谱可知，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)，这就说明了抽样定理的正确性。实际上，考虑到低通滤波器特性不可能理想，对最高频率为3400Hz的语音信号，通常采用8KHz抽样频率，这样可以留出1200Hz的防卫带，见图20-4。如果fs＜2fH，就会出现频谱混迭的现象，如图20-5所示。0fHMf0fHMffs2fsfHfs+fHfs+2理想低通滤波器图20-2语音信号的频谱图20-3语言信号的抽样频谱和抽样信号的频谱0fHMffs2fsfHfs+fHfs+2一般低通滤波器0fHMffs2fsfHfs+fHfs+2图20-4留出防卫带的语音信号的抽样频谱图20-5fs＜2fH时语音信号的抽样频谱在验证抽样定理的实验中，我们用单一频率fH的正弦波来代替实际的语音信号，采用标准抽样频率fs=8KHz，改变音频信号的频率fH，分别观察不同频率时，抽样序列和低通滤波器的输出信号，体会抽样定理的正确性。验证抽样定理的实验方框如图20-6所示。多路抽样脉冲调幅实验框图如图20-7所示，图20-8是调制部分的实验电原理图，在图20-8中，BG1和BG2完成抽样定理调制部分的实验电路。抽样电路采用场效应晶体管开关电路。抽样门在抽样脉冲的控制下以每秒八千次的速度开关。BG1为结型场效应晶体管，BG2为驱动三极管。当抽样脉冲没来时，驱动三极管处于截止状态，-5V电压加在场效应晶体管栅极G，只要G极电位负于源极S的电位，并且|UGS||UP|，则场效应晶体管处于夹断状态，输出信号为“0”。抽样脉冲来时，驱动三极管导通，发射极+5V电压加到驱动二极管，使之反向偏置。从截止到导通的跳变电压经跨接在二极管两端的电容加到场效应晶体管的G极。使栅极、源极之间的电压迅速达到场效应晶体管导通的数值，并一直达到使源极电压等于漏极上的模拟电压。这样，抽样脉冲期间模拟电压经场效应晶体管开关加到负载上。由于抽样电路的负载是一个电阻，因此抽样的输出端能得到一串脉冲信号。此脉冲信号的幅度与抽样时输入信号的瞬时值成正比例，脉冲的宽度与抽样脉冲的宽度相同。这样，脉冲信号就是脉冲调幅信号。当抽样脉冲宽度远小于抽样周期时，电路输出的结果接近于理想抽样序列。由图20-6可知，用一低通滤波器即可通信原理实验指导书8实现模拟信号的恢复。为便于观察，解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成，低通滤波器的截止频率为3400Hz。音频信号抽样门低通滤波抽样脉冲图20-6抽样定理实验方框图（二）抽样定理和脉冲调幅实验电原理图R121620R1224.3KR1237.5KC1161uC1171uR119100R120100R1246.2KBG13DJ6FR1253.3KR127330R1261.5KC11951PBG29012BG33DJ6FR128620R1294.3KC12151PBG49012R133330