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1、 通信系统原理实验指导书（必修）第二版 电子与信息工程学院 巩荣芬 储茂祥 主编 通信系统原理实验指导书 前前 言言 通信系统原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课。如何加强理论课程的学习，加深学生对本课程中的基本理论知识及其基本概念的理解，提高学生理论联系实际的能力，如何培养学生实践动手能力和分析解决通信工程中实际问题的能力是通信系统原理教学的当务之急。而通信系统原理实验课程就是一种重要的教学手段和途径。本通信系统原理实验指导书将通信系统原理的基础知识灵活地运用在实验教学环节中。本实验指导书力求讲解的电路原理清楚，重点突出；其实验内容的安排合理、丰富，并具有一定的代表性。同时，注重理
2、论分析与实际动手相结合，以理论指导实践，以实践来验证基本原理，旨在提高学生分析问题、解决问题的能力及动手能力，并通过有目的地选择完成综合性实验和设计性实验项目及二次开发，使学生进一步巩固理论基本知识，建立完整的通信系统的概念。总之，不论是基本原理的验证性实验还是通信系统的综合性实验都会加深学生对基本知识的理解和渗透，提高他们的动手操作能力，以更好的适应时代发展的需要。本实验要求同学在做完每个实验后，要认真书写实验报告，对实验数据的正确性进行分析，并写出心得和体会。1 通信系统原理实验指导书 目目 录录 前前 言言.1 目目 录录.2 实验一 移频键控调制与解调实验实验一 移频键控调制与解调实验
3、.3 实验二 移相键控调制与解调实验实验二 移相键控调制与解调实验.7 实验三 自适应差分脉冲编码调制与解调实验实验三 自适应差分脉冲编码调制与解调实验.11 实验四 增量调制与解调实验实验四 增量调制与解调实验.15 实验五 同步信号提取实验实验五 同步信号提取实验.19 实验六 TDM-PCM系统实验（综合性实验）实验六 TDM-PCM系统实验（综合性实验）.23 参考文献参考文献.27 2 通信系统原理实验指导书 实验一 移频键控调制与解调实验 实验一 移频键控调制与解调实验 一、实验目的 一、实验目的 1、掌握 FSK 调制与解调的原理。2、掌握 FSK 调制与解调的方法。二、实验内容
4、二、实验内容 1、观察 NRZ 码信号波形。2、观察 FSK 调制过程信号波形。3、观察 FSK 解调过程信号波形。三、实验仪器三、实验仪器 1、信号源模块 2、数字调制模块 3、数字解调模块 4、20M 双踪示波器 一台 5、频率计 一台 6、信号发生器 一台 7、连接线 若干 四、实验原理四、实验原理 1、2FSK 调制原理 1、2FSK 调制原理 2FSK 信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列 0、1 状态而变化，即载频为0f时代表传 0，载频为1f时代表传 1。显然，2FSK 信号完全可以看成两个分别以0f和1f为载频、以和nana为被传二进制序列的
5、两种 2ASK信号的合成。2FSK 信号的典型时域波形如图 1-1 所示，其一般时域数学表达式为 tnTtgatnTtgatSnsnnsnFSK102cos)(cos)()(+=（11）式中，002 f=，112 f=，na是的反码，即 na=PPan概率为概率为110=PPan概率为概率为101 3 通信系统原理实验指导书 S2FSK(t)A-A00 Ts 2Ts 3Ts 4Ts1 0 1 1ar 2tt 图 1-1 2FSK 信号的典型时域波形 图 1-1 2FSK 信号的典型时域波形 2FSK 信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。由于频率选择法产生的 2FSK
6、信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（或）时刻，2FSK 信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生 2FSK 信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图 1-2 所示。10 01载波2基带信号载波1相加器倒相器开关1开关22FSK信号 图 1-2 2FSK 调制原理框图 图 1-2 2FSK 调制原理框图 2、2FSK 解调原理 2、2FSK 解调原理 2FS
7、K 有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等。这里采用的是过零检测法对 2FSK 调制信号进行解调。大家知道，2FSK 信号的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。用过零检测法对 FSK 信号进行解调的原理框图如图 1-3 所示。其中整形 1 和整形 2 的功能类似于比较器，可在其输入端将输入信号叠加在 2.5V 上。2FSK 调4 通信系统原理实验指导书 制信号从“FSK-IN”输入。U04 的判决电压设置在 2.5V，可把输入信号进行硬限幅处理。这样，整形 1 将 2FSK 信号变为 TTL 电平；整形
8、 2 和抽样电路共同构成抽样判决器，其判决电压可通过标号为“2FSK 判决电压调节”的电位器进行调节。单稳 1 和单稳 2 分别被设置为上升沿触发和下降沿触发，它们与相加器 U06 一起共同对 TTL 电平的 2FSK 信号进行微分、整流处理。电阻 R15 与 R17 决定上升沿脉冲宽度及下降沿脉冲宽度。抽样判决器的时钟信号就是 2FSK 基带信号的位同步信号，该信号应从“FSK-BS”输入，可以从信号源直接引入，也可以从同步信号恢复模块引入。单 稳 1整 形 2整 形 1低 通滤 波 器单 稳 2相 加 器抽 样判 决位 同 步 信 号解 调 信 号 输 出调 制 信 号 输 入图 1-3
9、2FSK 解调原理框图图 1-3 2FSK 解调原理框图 五、实验步骤 五、实验步骤 1、将信号源模块、数字调制模块、数字解调模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02 发光。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线电连线）2、NRZ 码产生实验 打开信号源模块电源（POWER1、POWER2）开关，并按一下“复位”键 K02（此时模块上四个数码管显示 2000，“波形选择”键
10、右侧的“正弦波”灯亮），设置“BCD 码分频值设置”为 00000001 00101000（1 表示拨码开关向上拨，表示为基频 2MHz 的 128 分频），此时用双踪示波器观察“BS”输出点波形。任意设置“24 位 NRZ 码型设置”（即 NRZ 码型），用示波器观察“NRZ”输出点波形。3、FSK 调制实验 1）将信号源模块 15.625KHz 的周期性“NRZ”码和“64K 正弦波”（调节“幅度调节”旋钮，使幅度为 3V 左右）及“32K 正弦波”（幅度为 3V 左右）分别送入数字调制模块的信号输入点“FSK 基带输入”、“FSK 载波输入 1”和“FSK 载波输入 2”。用双踪示波器同
11、时观察点“FSK 基带输入”和点“FSK 调制输出”输出的波形。2）改变“NRZ”码型，重复上述实验。4、FSK 解调实验 1）将数字调制模块“FSK 调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点“FSK-IN”，观察信号输出点“FSK-OUT”处的波形，并调节标号为“FSK 判决电压调节”的电位器，直到在该点观察到稳定的 NRZ 码为止。将信号源模块的“BS”送入数字解调模块的信号输入点“FSK-BS”，观察信号输出点“单稳输出 1”、“单稳输出 2”、“过零检测”、“滤波输出”、“FSK 解调输出”处的波形，并与信号源产生的 NRZ 码进行比较。5 通信系统原理实验指导书 2）改变信号
12、源模块产生的 NRZ 码型，重复上述观察。六、实验观察点波形 六、实验观察点波形 NRZ 输出点（FSK 基带输入）：FSK 载波输入 1：FSK 载波输入 2：FSK 调制输出（FSK-IN）：FSK-OUT：FSK-BS：单稳输出 1：单稳输出 2：过零检测：FSK 解调输出：七、实验报告要求七、实验报告要求 1、写出实验目的、实验内容及使用的仪器，分析实验原理，总结实验步骤。2、根据实验测试点记录，画出各观察点的波形。3、对实验思考题加以分析，按照要求做出回答，并作实验总结。八、实验思考题八、实验思考题 1、实验中观察“NRZ”点波形，它的频率是 15.625KHz 吗？说明原因。2、F
13、SK 解调的其它方法，简述其原理。3、实验总结。6 通信系统原理实验指导书 实验二 移相键控调制与解调实验 实验二 移相键控调制与解调实验 一、实验目的 一、实验目的 1、掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。2、掌握 PSK(DPSK)信号调制与解调的原理。3、掌握 PSK(DPSK)信号调制与解调的方法。二、实验内容二、实验内容 1、观察绝对码和相对码的波形。2、观察 PSK(DPSK)信号调制波形。3、观察 PSK(DPSK)信号解调波形。三、实验仪器三、实验仪器 1、信号源模块 2、数字调制模块 3、数字解调模块 4、20M 双踪示波器 一台 5、频率计 一台 6、
14、信号发生器 一台 7、连接线 若干 四、实验原理四、实验原理 1、2PSK(2DPSK)调制原理 1、2PSK(2DPSK)调制原理 2PSK 信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定 0 相位载波和相位载波分别代表传 1 和传 0，其时域波形示意图如图 2-1 所示。0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts1 0 1 1S2PSK(t)A-A0ar2tt 图 2-1 2PSK 信号的时域波形示意图图 2-1 2PSK 信号的时域波形示意图 7 通信系统原理实验指导书 我们知道，2PSK 信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在这种绝对移相的方式中，由于发送端是以某一个相
15、位作为基准的，因而在接收系统也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为 2PSK 的“倒”现象，因此，实际中一般不采用 2PSK 方式，而采用差分移相（2DPSK）方式。2DPSK 方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移 x 表示（x 定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设 1数字信息“=”00数字信息“=”则数字信息序列与 2DPSK 信号的码元相位关系可举例表示如下：数字信息：0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 2DPSK 信号相
16、位：0 0 0 0 0 0 或：0 0 0 0 0 图 2-2 为对同一组二进制信号调制后的 2PSK 与 2DPSK 波形。0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1数字信息（绝对码）PSK波形DPSK波形相对码 图 2-2 2PSK 与 2DPSK 波形对比 图 2-2 2PSK 与 2DPSK 波形对比 从图中可以看出，2DPSK 信号波形与 2PSK 的不同。2DPSK 波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调8 通信系统原理实验指导书 2DPSK 信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值。只要前后码元的相
17、对相位关系不破坏，则鉴别这个关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了 2PSK 方式中的“倒”现象发生。2DPSK 的调制原理与 2FSK 的调制原理类似，也是用二进制基带信号作为模拟开关的控制信号轮流选通不同相位的载波，完成 2DPSK 调制，其调制的基带信号和载波信号分别从“PSK 基带输入”和“PSK 载波输入”输入，差分变换的时钟信号从“PSK-BS输入”点输入，其原理框图如图 2-3 所示：图 2-3 2DPSK 调制原理框图图 2-3 2DPSK 调制原理框图 2、2PSK（2DPSK）解调原理 2、2PSK（2DPSK）解调原理 2DPSK 解调最常用的方法是极性比较法和相位比较法
18、，这里采用的是极性比较法对2DPSK 信号进行解调，原理框图如图 2-4 所示。2DPSK 调制信号从“PSK-IN”输入，位同步信号从“PSK-BS”输入，同步载波从“载波输入”点输入。调制信号经过 U09（MC1496）与载波信号相乘后，去掉了调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，对此信号进行抽样判决（抽样判决器由 U12（74HC74）构成，其时钟为基带信号的位同步信号），那么可以得到 2PSK 的解调信号。再经过逆差分变换电路（由 U12（74HC74）、U13（74HC86）组成），就可以得到 2DPSK 的解调信号了。图 2-4 2PSK（
19、2DPSK）解调原理框图 图 2-4 2PSK（2DPSK）解调原理框图 五、实验步骤 五、实验步骤 1、验证各模块通电是否成功。（方法见实验一）2、DPSK 调制实验 1）将信号源模块的信号输出点“BS”与数字调制模块的信号输入点“PSK 位同步输入”相连接，将信号源模块的 15.625KHz 周期性“NRZ”码（设置“BCD 码分频值设置”实现 128 分频）和“64K 正弦波”（幅度为 3V 左右）分别送入数字调制模块的信号输入点“PSK 基带输入”和“PSK 载波输入”。用双踪示波器同时观察点“PSK 基带输入”与“差分编码输出”输出的波形，观察点“差分编9 通信系统原理实验指导书 码
20、输出”和“PSK 调制输出”的波形。2）改变送入的 NRZ 码型和载波信号，重复上述实验。3、DPSK 解调实验 1）将数字调制模块的“PSK 调制输出”的输出信号送入数字解调模块的信号输入点“PSK-IN”，数字调制模块的“PSK 载波输入”与数字解调模块的信号输入点“载波输入”连接，观察信号输出点“PSK-OUT”处的波形，并调节标号为“PSK判决电压调节”的电位器，直到在该点观察到稳定的 NRZ 码为止。将信号源模块的“BS”送入数字解调模块的信号输入点“PSK-BS”，观察信号输出点“OUT4”、“OUT5”、“PSK 解调输出”处的波形，并与信号源产生的 NRZ 码进行比较。2）改变
21、送入的 NRZ 码型和载波信号，重复上述实验 六、实验观察点波形六、实验观察点波形 PSK 基带输入：PSK 载波输入：PSK 位同步输入（PSK-BS）：PSK 调制输出（PSK-IN）：差分编码输出：PSK-OUT：PSK-OUT4：PSK-OUT5：PSK 解调输出：七、实验报告要求七、实验报告要求 1、写出实验目的、实验内容及使用的仪器，分析实验原理，总结实验步骤。2、根据实验测试点记录，画出各观察点的波形。3、对实验思考题加以分析，按照要求做出回答，并作实验总结。八、实验思考题八、实验思考题 1、PSK 调制与 DPSK 调制的区别。2、简述 2DPSK 相位比较法的原理。3、PSK
22、-OUT 观察点信号产生的原因。4、实验总结。10 通信系统原理实验指导书 实验三 自适应差分脉冲编码调制与解调实验 实验三 自适应差分脉冲编码调制与解调实验 一、实验目的 一、实验目的 1、加深对差分脉冲编码调制工作原理的理解。2、掌握自适应差分脉冲编码调制的工作方式。3、了解大规模集成电路 MC145540 的电路组成及工作原理。二、实验内容二、实验内容 1、观察差分脉冲编码调制与解调过程信号波形。2、观察自适应差分脉冲编码调制与解调过程信号波形。3、在有可能的情况下，编写程序并在此电路板上进行调试。三、实验仪器三、实验仪器 1、信号源模块 2、模拟信号数字化模块 3、终端模块（可选）4、
23、20M 双踪示波器 一台 5、立体声耳机（可选）一副 6、信号发生器 一台 7、频率计 一台 8、连接线 若干 四、实验原理 四、实验原理 1、PCM 工作原理 1、PCM 工作原理 所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码。脉码系统原理框图如图 3-1 所示。抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。国际标准化的 PCM 码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。编码后的 PCM 码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重
24、建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。发送端 接收端 模拟 信源 抽样器 预滤 波器 模拟 终端 波形编码器 量化、编码 数字 信道 波形 解码器 重建滤波器 抽样保持、低通 图 3-1 PCM 系统原理框图 图 3-1 PCM 系统原理框图 11 通信系统原理实验指导书 2、ADPCM 原理 2、ADPCM 原理 自适应差分脉码调制（）是语音压缩编码中复杂度较低的一种方法，它能在 32kb/s 数码率上达到符合 64kb/s 数码率的语音质量要求，也就是符合长途电话的质量要求。是在差分脉冲调制基础上逐步发展起来的，的主要改进是量化器与预测器均采用自适应方式，即量化器与预测器的参数能
25、根据输入信号的统计特性自适应于最佳或接近最佳参数状态。ADPCMADPCMDPCMADPCMADPCM编解码系统的原理方框图如图 3-2 所示。+-ADPCM 码输出 非线性至线性 PCM变换()lS k()I k自适应量化器定标因子自适应自适应速度控制器()y k()la k自适应逆量化器自适应 预测器()rS k()eS k()qd k+（a）编码器+()I k自适应逆量化器()y k自适应速度控制器自适应预测器定标因子自适应()y k()qd k()eS k()la k()rS k非线性至线性 PCM变换()pS k同步编码 调整单元()dS k（b）解码器 图 3-2 图 3-2 AD
26、PCM编解码系统原理图编解码系统原理图 3、电路原理 3、电路原理 本实验模块中实现自适应差分脉码调制 ADPCM 采用的是大规模集成电路专用芯片MC145540。MC145540 的量化器与预测器均为自适应方式。当以高于奈奎斯特速率对话音或视频信号抽样时，在前后样值间可以看到有明显的相关性，将这些相关样值按通常 PCM系统的方式加以编码时会使得编码信号含有多余信息。如果在编码前将这种多余信息去12 通信系统原理实验指导书 掉，则可得到效率较高的编码信号。为此，可先利用信号()snTX的相关性对未来样值进行预测，预测器通常为抽头延时滤波器（即 FIR 滤波器）。线性预测器的预测值为：=10)(
27、)(nissisiTnTxanTX 其中为预测系数，在 DPCM 中为常数，在 ADPCM 中为自适应变量。N 为预测阶数。可以根据预测误差能量最小的准则求出预测系数。这样，PCM 编码器就只是对差值信号iaia()()()sssnTXnTXnTe=进行量化和编码，以达到 DPCM 或 ADPCM 编码的目的。模拟信号从“S-IN”点输入，经电容E09（10F）、电阻R31（10K）后到运放的反相输入TI-端，运放的输出端一方面送至增益调整电路和滤波器电路，另一方面，经过TG端至反馈电阻R32（10K）到运放的反相输入TI-端，运放的输出端一方面送至增益调整电路和滤波器电路，放大倍数=R31/
28、R32=10K/10K=1，故为 1:1，没有放大作用。滤波器的输出信号一方面送至侧音增益调整电路，另一方面送至模/数转换电路，变成数字信号，进入PCM编码电路，输出PCM信号，再经过ADPCM编码电路，输出到发送串行移位寄存器电路中，最后ADPCM数据从第 20 引脚（DT端）输出。ADPCM数据信号从第 25引脚（DR端）进入，串行输入至接收串行移位寄存器电路中，经过ADPCM译码器进行译码，输出PCM数据码，再经过接收数字增益调整电路后从第 5 引脚（RO端）输出模拟信号。特别强调的是，该芯片的工作是由外部CPU对其内部 16 个字节的RAM进行编程，由程序进行控制。五、实验步骤五、实验
29、步骤 1、验证各模块通电是否成功。（方法见实验一）2、PCM 调制与解调实验 1）打开信号源模块电源（POWER1、POWER2）开关，并按一下“复位”键 K02，设置“BCD 码分频值设置”为 00000000 00000001。将信号源模块“模拟输出”（频率为 2KHz，峰-峰值为 3V 左右）输入模拟信号数字化模块输入点“S-IN”，将信号源模块的信号输出点“64K”、“8K”“BS”分别与模拟信号数字化模块的信号输入点“CLKB-IN”、“FRAMEB-IN”、“2048K-IN”连接，观察信号输出点“PCMB-OUT”的波形。2）连接模拟信号数字化模块的“CLKB-IN”和“CLK2
30、-IN”，“FRAMEB-IN”和“FRAME2-IN”，连接信号输出点“PCMB-OUT”和信号输入点“PCM2-IN”，用示波器同时观察信号输入点“S-IN”和输出点“JPCM”的波形，观察这两个信号波形是否相同。3）改变“模拟输出”的幅度，分别使其峰-峰值等于和大于 5V，将示波器探头分别接在信号输出点“JPCM”和“PCMB-OUT”上，观察满载和过载时的脉冲幅度调制和解调的波形。改变“模拟输出”的频率，使其频率值大于 3400Hz 或小于 300Hz，观察信号输出点“JPCM”和“PCMB-OUT”波形。3、ADPCM 调制与解调实验 1）将信号源模块“模拟输出”（频率为 2KHz，
31、峰-峰值为 1V 左右）输入模拟信号数字化模块输入点“S-IN”，将信号源模块的信号输出点“256K”、“8K”分别与模拟信号数字化模块的信号输入点“256K”、“Z8K”连接，按一下模拟信号数字化模块的“复位”键，观察信号输出点“ADPCM”的波形，观察信号输出点“LS-OUT”“RS-OUT”输出的波形，调节模拟信号数字化模块上标号为“幅13 通信系统原理实验指导书 度调节”的电位器可以改变信号输出点“LS-OUT”“RS-OUT”输出的信号幅度。2）改变输入正弦信号的频率（大于 3400Hz 或小于 300Hz）和幅度，重复观察上述各点波形。3）对着终端模块中话筒说话，将输出的信号代替信
32、号源模块的“模拟输出”，从点“S-IN”输入模拟信号数字化模块，将信号输出点“LS-OUT”“RS-OUT”输出的信号引入终端模块，用耳机听还原出来的声音，与人直接说话的声音比较，判断该通信系统性能的优劣。（选做）六、实验观察点波形 六、实验观察点波形 1、PCM 调制与解调实验 S-IN：CLKB-IN（CLK2-IN）：FRAMEB-IN（FRAME2-IN）：2048K-IN：PCMB-OUT（PCM2-IN）：JPCM：2、ADPCM 调制与解调实验 S-IN：256K：Z8K：ADPCM：LS-OUT：RS-OUT：七、实验报告要求七、实验报告要求 1、写出实验目的、实验内容及使用的
33、仪器，分析实验原理，总结实验步骤。2、根据实验测试点记录，画出各观察点的波形。3、对实验思考题加以分析，按照要求做出回答，并作实验总结。八、实验思考题八、实验思考题 1、PCM 编码输出的码速率是多少？试解释原因。2、描述改变“模拟输出”的幅度或频率时观察到的现象，并解释原因。3、实验总结。14 通信系统原理实验指导书 实验四 增量调制与解调实验 实验四 增量调制与解调实验 一、实验目的 一、实验目的 1、掌握增量调制的基本原理。2、理解增量调制实验电路的工作原理。二、实验内容二、实验内容 1、观察增量调制编码各点处的波形。2、观察增量调制译码各点处的波形。三、实验仪器三、实验仪器 1、信号源
34、模块 2、模拟信号数字化模块 3、终端模块（可选）4、20M 双踪示波器 一台 5、立体声耳机（可选）一副 6、信号发生器 一台 7、频率计 一台 8、连接线 若干 四、实验原理 四、实验原理 1、增量调制原理 1、增量调制原理 增量调制简称为M，它是继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字化方法。增量调制编码基本原理是只用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还是减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号
35、的绝对值。2、实验电路工作原理 2、实验电路工作原理 在语音通信中应用较为广泛的是音节压扩自适应增量调制，它是在数字码流中提取脉冲控制电压，经过音节平滑，按音节速率（也就是语音音量的平均周期）去控制量化阶距的。在各种音节压扩自适应增量调制中，连续可变斜率增量调制（CVSD）系统用得较多。在实验箱中，也以连续可变斜率增量调制作为实验内容进行。连续可变斜率增量调制（Continuously Variable Slope Delta Modulation），其英文缩写为 CVSD，有专用集成芯片，其型号有：MC34115，MC3417，MC3418，MC3517，MC3518，MC35115 等等。
36、以 MC3418 芯片为例，它是美国摩托罗拉（Motorola）公司生产，只需要一个时钟信号，在集成芯片的外围适当接上一些分立元器件作为辅助电路，即可实现音节压扩自适应增量调制。若在该芯片管脚的第 15 端接上不同的电平（高电平或低电平）即可作发送端的编码器，也可作接收端的译码器。图 4-1 为 CVSD 编码器、解码器的方框图。15 通信系统原理实验指导书()e t()p t()m t （a）发送端的编码器（a）发送端的编码器 （b）接收端的解码器（b）接收端的解码器 图 4-1 CVSD 编码器、解码器方框图 图 4-1 CVSD 编码器、解码器方框图 它由三个部分组成：斜率过载检测电路：
37、用来检测过载状态，它是由一个 4 比特移位寄存器构成的输出四连“1”码或四连“0”码，其电路由 D 触发器作移位寄存器，电路辅有与门、或门。斜率过载检测电路也称为电平检测电路。斜率量值控制电路：用来转换量化阶距的大小。其电路由 RC 音节平滑滤波器、电压电流转换器和非线性网络组成。斜率极性控制电路：用来转化量化阶距的极性，当时，输出为正极性，当，输出为负极性，其电路由脉冲幅度调制器和积分网络组成。()0e t()0e t 其电路的工作过程是这样的：在输入端，话音信号与话音信号进行比较，将其比较的结果值进行判决，若，则输出“1”码，若，则输出为“0”码，这同简单增量调制器编码方式是相同的。当输入
38、话音信号中，连续出现上升沿或连续出现下降沿，或者说输入信号中正斜率增大或负斜率增大，在编码()m t()m t()e t()0e t()p t()0e t()p t()m t音节压扩控制电路（扩张）()m t()p t量化电路斜率极性控制电路译码器低通滤波器 斜率过载检测电路斜率量值控制电路时钟语音信号()m t话音信号 发送数字信号 音节压扩控制电路（压缩）斜率极性控制电路斜率量值控制电路 斜率过载检测电路 时钟本地译码器 相减器 判决器 16 通信系统原理实验指导书 器的输出端中将出现连续的“1”码或“0”码，这样，如果不增加自适应控制电路，则将会出现无法跟踪信号，而出现过载现象。()p
39、t()m t()m t若电路中增加自适应控制电路，则当中出现连续“1”码或“0”码时，斜率过载检测电路则立即工作，当 出现连续的四个“1”码或四个“0”码时，斜率过载检测器从的返回信号中即输出码流中按四连“1”或四连“0”检测，其输出是一些不同宽度的正脉冲，其宽度为()p t()p t()tp()sTKT2=，K是连码的个数，是取样信号周期，它们输入到斜率量值控制电路，因斜率量值器是由音节滤波器、电压电流转换器和非线性网络组成，因而音节平滑滤波器把正脉冲序列进行平滑滤波，变成连续缓慢变化和直流控制电压，其变化的周期等于一个音节时间（约 10ms），当出现“1”码增多时，斜率过载检测器输出的正脉
40、冲数就相对增多，通过对的充电时间相对增长放电时间相对缩短，因此，直流控制电压升高，电压电流转换器把音节平滑滤波器输出的控制电压转换为控制电流，非线性网络使控制电流的变化规律能更好地跟随输入信号斜率的变化，提高自适应能力，扩大其动态范围。另外，斜率过载检测电路内部的输出信号还接至斜率极性控制电路内的脉幅调制器的输入端，与来自斜率量值控制电路的输出信号一起加到脉幅调制器的另一输入端，因斜率极性控制电路由脉幅调制器和积分网络组成，经过脉幅调制电路和积分网络后就形成了有正负极性的量阶；二是根据音节平滑滤波器输出的电压来改变量阶，使量阶的变化为自适应的变化，其量阶值由自适应逻辑控制。此时，当检测到三连“
41、1”码或者是三连“0”码，则称为 3bit 规则，若为四连“1”码或者四个连“0”码，则称为 4bit 规则。也就是说，CVSD 的量阶变化，主要是由连码检测规则决定的，因发送端的编码器是反馈方式工作，即量阶sTRCRC()p tRC()p t是从输出码流中检测的，因此，随输入信号正斜率增加，码流中连“1”码就增多；如果负斜率增加，则连“0”码增多，对 CVSD 而言，只要把包络音节时间内连“1”码或连“0”码的次数逐一检测出来，经过音节平滑，形成控制电压，就能得到不同输入信号斜率量阶值，以致于再生信号()m t能始终跟踪话音信号的变化，也就是当话音信号斜率小时，它的量阶值则小，当话音信号的斜
42、率大时，则它的量阶自适应的增大，也就是量阶值随输入信号斜率变化而做自适应和调整。这正是连续可变斜率调制（CVSD）的工作原理，如图 4-2 所示。()m t()m t 图 4-2 CVSD 编码器正常编码时的波形 图 4-2 CVSD 编码器正常编码时的波形 17 通信系统原理实验指导书 五、实验步骤五、实验步骤 1、验证各模块通电是否成功。（方法见实验一）2、将信号源模块“模拟输出”（频率为 2KHz，峰-峰值为 1V 左右）输入到模拟信号数字化模块的信号输入点“S-IN”中，然后将信号源模块中的信号输出点“64K”与模拟信号数字化模块中的信号输入点“64K”连接。调节模拟信号数字化模块标号
43、为“编码量阶”的电位器，分别观察“本地译码”、“一次积分”、“一致脉冲”、“M 调制输出”各点输出的波形。3、调节模拟信号数字化模块标号为“编码量阶”、“译码量阶”、“译码幅度”的三个电位器，观察“M 解调输出”输出波形，并对比“S-IN”端波形。4、改变输入正弦信号的频率和幅度，重复观察上述各点波形。5、对着终端模块中话筒说话，将输出的信号代替信号源模块的“模拟输出”，从 点“S-IN”输入模拟信号数字化模块，将信号输出点“M 解调输出”输出的信号引入终端模块，用耳机听还原出来的声音，与人直接说话的声音比较，判断该通信系统性能的优劣。（选做）六、实验观察点波形 六、实验观察点波形 S-IN：
44、64K:本地译码：一次积分：一次脉冲：M 调制输出：M 解调输出：七、实验报告要求七、实验报告要求 1、写出实验目的、实验内容及使用的仪器，分析实验原理，总结实验步骤。2、根据实验测试点记录，画出各观察点的波形。3、对实验思考题加以分析，按照要求做出回答，并作实验总结。八、实验思考题八、实验思考题 1、一致脉冲的含义。2、什么是过载量化噪声？3、实验总结。18 通信系统原理实验指导书 实验五 同步信号提取实验 实验五 同步信号提取实验 一、实验目的一、实验目的 1、掌握同步载波信号提取的原理与实现方法。2、掌握位同步信号提取的原理与实现方法。3、掌握帧同步信号提取得原理与实现方法。二、实验内容
45、二、实验内容 1、观察科斯塔斯环提取相干载波过程的信号波形。2、观察数字锁相环提取位同步过程的信号波形。3、观察帧同步提取过程的信号波形。三、实验仪器三、实验仪器 1、信号源模块 2、同步信号提取模块 3、数字调制模块 4、20M 双踪示波器 一台 5、频率计 一台 6、信号发生器 一台 7、频率计 一台 8、连接线 若干 四、实验原理 四、实验原理 1、同步载波信号提取 1、同步载波信号提取 当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。提取载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位
46、置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法；另一类是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的，其原理框图如图 5-1 所示。在科斯塔斯环环路中，误差信号V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经 90o移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。注意，本
47、实验模块只能从 PSK 调制信号中提取频率为 62.5KHz 的载波。2、位同步信号提取 2、位同步信号提取 位同步也称为位定时恢复或码元同步。在任何形式的数字通信系统中，位同步都是必不可少的，无论数字基带传输系统还是数字频带传输系统，无论相干解调还是非相干解调，都必须完成位同步信号的提取，即从接收信号中设法恢复出与发端频率相同的码元时钟信号，保证解调时在最佳时刻进行抽样判决，以消除噪声干扰所导致的解调接收信号的失真，使接收端能以较低的错误概率恢复出被传输的数字信息。因此，位同步信19 通信系统原理实验指导书 号的稳定性直接影响到整个数字通信系统的工作性能。环路滤波器低通压控振荡器低通 90相
48、移输入已调信号 V3 V4 V2 V1 V5 V6输出 V7 图 5-1 科斯塔斯环原理框图 图 5-1 科斯塔斯环原理框图 位同步的实现方法分为外同步法和自同步法两类。目前的数字通信系统广泛采用自同步法来实现位同步。为了能从解调后的基带信号中获取位同步信息，可以采取两种措施：（1）如原始数字基带码为 NRZ 码，若传输信道带宽允许，可将 NRZ 码变换为 RZ 码后进行解调；（2）如调制时基带码采用 NRZ 码，就必须在接收端对解调出的基带信号进行码变换，即将 NRZ 码变换成 RZ 码，码变换过程实质上是信号的非线性变换过程，最后再用锁相环（通常为数字锁相环）提取出位同步信号离散谱分量。将
49、 NRZ 码变为 RZ码的最简单的办法是对解调出的基带 NRZ 码进行微分、整流，即可得到归零窄脉冲码序列。本实验只能从码速率为 15.625KHz、10KHz、8KHz、4KHz（通过拨码开关 SW01 选择）的 NRZ 码中提取出位同步信号。以码速率为 15.625KHz 的 NRZ 码为例，将 SW01 的第一位拨上后，数字锁相环的本振频率就被设置在 15.625KHz。NRZ 码与数字锁相环本振输出的信号的相位进行鉴相（比较两个信号的上升沿），用将相位差进行量化后得到的数值对数字锁相环本振输出的相位进行调整，最后得到正确的位同步信号。3、帧同步信号提取 3、帧同步信号提取 由于数字通信
50、系统传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元，即码元，因而在接收端必须按与发送端相同的节拍进行接收，否则，会因收发节拍不一致而导致接收性能变差。此外，为了表述消息的内容，基带信号都是按消息内容进行编组的，因此，编组的规律在收发之间也必须一致。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”，称编组一致为“帧同步”。在时分复用通信系统中，为了正确地传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码。适合做帧同步码的特殊码组很多，目前，一种常用的帧同步码组是巴克码。本实验采用七位巴克码作为帧同步码。巴克码识别器是比较容易实现的，这里也以七位巴克码为例，用 7 级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成一识别器，如