通信原理硬件实验报告(最新-哈工程)
实验报告
哈尔滨工程大学教务处制
实验一、数字基带信号实验
一、实验目的
1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点
2、掌握AMI、HDB2的编码规则
3、了解HDB3(AMI)编译码集成电路CD22103.
二、实验仪器
双踪示波器、通信原理VI实验箱一台、M6信源模块
三、实验内容
1、用示波器观察单极性非归零码（NRZ)、传号交替反转码（AMI)、三阶高密度双极性码（HDB3)、整流后的AMI码及整流后的HDB3码。
2、用示波器观察从HDB3码中和从AMI码中提取位同步信号的电路中有关波形。
3、用示波器观察HDB3、AMI译码输出波形。
四、基本原理
1、单极性码、双极性码、归零码、不归零码
对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。
a)单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。
b)双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。
c)单极性归零码，当发"1"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流。
d)双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲，"0"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。
归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点：
不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接
收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。
单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；
双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的
2、AMI、HDB3码特点
（1）AMI码
我们用“0”和“1”代表传号和空号。AMI码的编码规则是“0”码不变，“1”码则交替地转换为＋1和－1。当码序列是100100011101时，AMI码就变为：＋100－1000＋1－1＋10－1。这种码型交替出现正、负极脉冲，所以没直流分量，低频分量也很少，它的频谱如图5-1所示，AMI码的能量集中于f0/2处(f0为码速率)。
信息代码：1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1……
AMI码：+1 0 0-1+1 0 0 0-1+1-1……
由于AMI码的传号交替反转，故由于它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。
除了上述特点以外，AMI码还有编译码电路简单以及便于观察误码情况等优点，它是以种基本的线路码，在高密度信息流得数据传输中，得到广泛采用。但是，AMI码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。
（2）HDB3码
HDB3码是对AMI码的一种改进码，它的全称是三阶高密度双极性码。其编码规则如下：用B脉冲来保证任意两个相连取代节的V脉冲间“1”的个数为奇数。当相邻V脉冲间“1”码数为奇数时，则用“000V”取代，为偶数个时就用“B00V”取代。在V脉冲后面的“1”码和B码都依V脉冲的极性而正负交替改变。为了讨论方便，我们不管“0”码，而把相邻的信码“1”和取代节中的B码用B1B2 ......Bn表示，Bn后面为V，选取“000V”或“B00V”来满足Bn的n为奇数。当信码中的“1”码依次出现的序列为VB1B2B3...BnVB1时，HDB3码为＋－＋－...――＋或为－＋－＋...＋＋―。由此看出，V脉冲是可以辩认的，这是因为Bn和其后出现的V有相同的极性，破坏了相邻码交替变号原则，我们称V脉冲为破坏点，必要时加取代节BOOV，保证n永远为奇数，使相邻两个V码的极性作交替变化。
由此可见，在HDB3码中。相邻两个V码之间或是其余的“1”码之间都符合交替变号原则，而取代码在整修码流中不符合交替变号原则。经过这样的变换，既消除了直流成分，又避免了长连“0”时位定时不易恢复的情况，同时也提供了取代信息。图5-2给出了HDB3码的频谱，此码符合前述的对频谱的要求。
例如：
代码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 000 0 1 1
AMI码：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 000 0 -1 +1
HDB3码：-1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1
HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0串减少到至多3个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于定时信号的恢复是十分有利的。HDB3码是CCITT推荐使用的码型之一。
五、实验步骤
（3)将K1、K2、K3置于任意状态，K4先置A (AMI)端再置H (HDB3)端，CH1接信源单元的NRZ-OUT,CH2依次接HDB3单元的DET、BPF、BS-R和NRZ ,观察这些信号波形。观察时应注意：HDB3单元的NRZ信号（译码输出）滞后于信源模块的NRZ-OUT 信号（编码输入）8个码元。DET是占空比等于0.5的单极性归零码。BPF信号是一个幅度和周期都不恒定的正弦信号，BS-R是一个周期基本恒定（等于一个码元周期）的TTL 电平信号。信源代码连0个数越多，越难于从AMI码中提取位同步信号（或者说要求带通滤波的Q值越高，因而越难于实现)，而HDB3码则不存在这种问题。本实验中若24位信源代码中连零很多时，则难以从AMI码中得到一个符合要求的位同步信号，因此不能完成正确的译码（由于分离参数的影响，各实验系统的现象可能略有不同。一般将信源代码置成只有1码的状态贯彻信号输出。若24位信源代码全为“0”码，则更不可能从AMI信号（亦是全0信号）得到正确的位同步信号。
六、实验结果
观察到单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形符合其特点，验证了基本原理
观察AMI、HDB3码波形可知
代码全1时：1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
AMI码为：+1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1
HDB3码为：+1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1
代码全0时：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 AMI码为：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 HDB3码为：0 0 0 +V -B 0 0 -V +B 0 0 +V -B 0 0 -V
代码为：0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
AMI码为：0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
HDB3码为：0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 -V +1 0 0 0 +V 0
实验结果分析：
示波器显示HDB3码，可见对应每一符号都有零电位的间隙产生
观察得到各种NRZ码，即单极性非归零码
示波器观测得到的延时8个码元的波形
验证了单极性码、双极性码、归零码、不归零码、AMI、HDB3等基带信号特点
七、思考题
1、根据实验观察和纪录回答：
（1）不归零码和归零码的特点是什么？
（2）与信源代码中的“1”码相对应的AMI码及HDB3码是否一定相同？为什么？
答：（1）不归零码的0电平和1电平宽度相等，归零码的0电平和1电平的宽度不相等，而且1电平的宽度小于0电平的宽度，即不归零码的占空比等于0.5而归零码的占空比小于0.5。（2）与信源代码中的“1”码对应的AMI码及HDB3码不一定相同。因信源代码中的“1”码对应的AMI码“1”、“-1”相间出现，而HDB3码中的“1”，“-1”不但与信源代码中的“1”码有关，而且还与信源代码中的“0”码有关。举例：信源代码 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1
AMI 1 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 1
HDB3 1 0 0 0 1 -1 1 -1 0 0 -1 1 0 0 0 1 0 -1
2、设代码为全1，全0及0111 0010 0000 1100 0010 0000，给出AMI及HDB3码的代码和波形。
答：信息代码 1 1 1 1 1 1 1
AMI 1 -1 1 -1 1 -1 1
HDB3 1 -1 1 -1 1 -1 1
信息代码0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
AMI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
HDB3 0 0 0 1 -1 0 0 1 -1 0 0 1 -1
信息代码0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
AMI 0 1 -1 1 0 0 -1 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
HDB3 0 1 -1 1 0 0 -1 1 0 0-1 0 1 -1 1 0 0 1 -1 0 0 0 –1 0
3. 总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。
答：
HDB3码中不含有离散谱fS(fS在数值上等于码速率)成分。整流后变为一个占空比等于0.5
的单极性归零码，其连0个数不超过3，频谱中含有较强的离散谱fS 成分，故可通过窄带带通滤波器得到一个相位抖动较小的正弦信号，再经过整形、移相后即可得到合乎要求的位同步信号cp(t)。
4、 试根据占空比为0.5的单极性归零码的功率谱密度公式说明为什么信息代码中的连0码越长，越难于从AMI 码中提取位同步信号，而HDB 3码则不存在此问题。
答：
= 0.5 T S 时单极性归零码的功率谱密度为：
)(|)(|2)(|)(||)(|)1(2)(122
222s m s s s s s mf f mf
PG f f o PG f f G p p f f P -++-=∑∞=δδ
式中f s =1/T s 在数值上等于码速率，P 为“1”码概率，G (f )为
= T S /2脉冲信号的傅氏变换
)2(21)(fs
f Sa f f G S π= S S S S f f Sa f f G πππ
π12/2sin 21)2(21)(=?== )(2)(22S S S f f P f P -=∴δπ 将HDB 3码整流得到的占空比为0.5的单极性归零码中连“0”个数最多为3 ，而将AMI 码整流后得到的占空比为0.5的单极性归零码中连“0”个数与信息代码中连“0”个数相同。所以信息代码中连“0”码越长，AMI 码对应的单极性归零码中“1”码出现概率越小，f S 离散谱强度越小，越难于提取位同步信号。而HDB 3码对应的单极性归零码中“1”码出现的概率大，f S 离散谱强度大，故易于提取位同步信号。
实验二、数字调制实验
一、实验目的
1、掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系。
2、掌握用键控法产生2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号的方法。
3、掌握相对码波形与2PSK 信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK 信号波形之间关系。
4、了解2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。 二、实验仪器
双踪示波器一台、通信原理VI 实验台一台、M6信号源模块和MI 数字调制模块
三、实验内容
1、用示波器观察绝对码波形、相对码波形。
2、用示波器观察2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 信号波形。
3、用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK 、2FSK 、2DPSK 信号的频谱。
四、基本原理
1、2ASK 调制原理
2ASK 二进制振幅调制就是用二进制数字基带信号控制正弦载波的幅度，使载波振幅随着二进制数字基带信号而变化，而其频率和初始相位保持不变。信息比特是通过载波的幅度来传递的。其信号表达式为0()()cos c e t S t t ω=?，S(t)为单极性数字基带信号。由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号“1”时，传输载波；当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。2ASK 信号的时间波形e 2ASK (t)随二进制基带信号S(t)通断变化。所以又被称为通断键控信号。典型波形如图2-1所示。
图 2-1 典型2ASK 波形
e 2ASK (t)为已调信号，它的幅度受s(t)控制，也就是说它的幅度上携带有s(t)的信息。2ASK 信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法。模拟调制法就是用基带信号与载波相乘，进而把基带信号调制到载波上进行传输。键控法由s(t)来控制电路的开关进而进行调
制。两种方法的调制如图2-2和图
2-3所示。
2-2 模图
拟调制
法（相乘器法）
图 2-3 键控法
2、2FSK 调制原理
一个FSK 信号可以看成是两个不同载波的2ASK 信号的叠加。其解调和解调方法和FSK 差不多。2FSK 信号的频谱可以看成是f1和f2的两个2ASK 频谱的组合。
频移键控是利用载波的频率来传递数字信号，在2FSK 中，载波的频率随着二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在2FSK 中，载波的频率随基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为： 122cos()()cos()n FSK n A t e t A t ωφωθ+?=?+?
典型波形如图 2-4所示。
图 2-4 2FSK 典型波形图
2FSK 的调制方式有两种，即模拟调频法和键控法。本次设计采用键控法。键控法中可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一频率f2，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源f1、f2进行选择通。键控法原理图如图2-5示
图 2-5 2FSK 键控法原理图
2、2PSK 调制原理 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。2PSK 信号调制有两种方法，即模拟调制法和键控法。通常用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0，模拟调制法用两个反相的载波信号进行调制。2PSK 以载波的相位变化作为参考基准的，当基带信号为0时相位相对于初始相位为0°，当基带信号为1时相对于初始相位为180°。
键控法，是用载波的相位来携带二进制信息的调制方式。通常用0°和180°来分别代表0和1。其时域表达式为：
t nT t g a e c n s n PSK ωcos )(2??
????-=∑ 其中，2PSK 的调制中an 必须为双极性码。本次设计中采用模拟调制法。两种方法原理图分别如图2-6和图2-7所示。
1011001t ak s 1(t)cos (w1t+θn ) s 2(t) s 1(t) co s(w1t +θn )cos (w2t+φn) s 2(t) cos (w2t+φn)2FSK 信号t t t
t t
t
载波 f1
载波 f2二进制数据2FS K 输出信号2FS K 的调制原理图
图 2-6 模拟调制法原理图
图
2-7 键控
法原理图 DPSK 调制原理
3、2DPSK 调制原理
2DPSK 方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为 ，可定义一种数字信息与 之间的关系为：
00?π??=??（数字信息）（数字信息1）
?为前一码元的相位。
实现二进制差分相移键控的最常用的方法是：先对二进制数字基带信号进行差分编码，然后对
变换出的差分
码进行绝对调
相即2DPSK 可。
调制原
理图如
图2-8所示。
图 2-8 2DPSK 调制原理框图
五、实验步骤
1、熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。
2、连线：数字调制单元的CLK 、BS-IN 、NRZ-IN 分别连至信源单元CLK 、BS 、NRZ 。打开交流电源开关和两模块的电源开关。
3、接通电源，示波波CH1接AK ，CH2接BK ，信源模块的K1、K2、K3置于任意状态（非全0），观察AK 、BK 波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。
4、仔细观察CAR 和CAR-D 信号，分析载波信号的特点。
5、示波器CH1接2DPSK ，CH2分别接AK 及BK ，观察并总结2DPSK 信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK 信号相位变化与相对码的关系（此关系即是2PSK 信号相位变化与信源代码的关系）。注意：2DPSK 信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。
6、示波器CH1接AK 、CH2依次接2FSK 和2ASK ；观察这两个信号与AK 的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK 信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）
六、实验结果
观察到绝对码与相对码关系
绝对码为： 0010 0000 1100 0010 0000
相对码为： 0011 1111 0111 1100 0000
可总结出相对码n b 与绝对码n a 的关系为，其中1n b -为参考码元
1n n n b b a -=⊕
观察2ASK 、2FSK 、2PSK 、2DPSK 调制信号特点，可知与理论一致，验证了实验基本原理，2ASK 通过载波幅度的有无表示传送的信息，2FSK 用不同载频表示传送的信息，2PSK 用载波相位表示传送的信息，2DPSK 用相邻码元相对载波相位值表示传送的信息，同时可以看出2DPSK 可由绝对码转换为相对码在经过绝对移相得到。
七、思考题
1、设绝对码为全1、全0或1001 1010，求相对码。
答：绝对码 11111，00000，10011010
相对码 10101，00000，11101100
或01010，11111，00010011
2、设相对码为全1、全0或1001 1010，求绝对码。
答：绝对码11111，00000，10011010
相对码00000，00000，01010111
或10000，10000，11010111
3、设信息代码为1001 1010，载频分别为码元速率的1倍和1.5倍，画出2PSK及2DPSK 信号波形。
答：
4、总结绝对码至相对码的变换规律、相对码至绝对码的变换规律并设计一个由相对码至绝对码的变换电路。
答：①绝对码至相对码的变换规律：“1”变“0”不变，即绝对码的“1”码时相对码发生变化，绝对码的“0”码时相对码不发生变化。——此为信号差分码。②相对码至绝对码的变换规律：相对码的当前码元与前一码元相同时对应的当前绝对码为“0”码，相异时对应的当前绝对码为“1”码。
5、总结2DPSK信号的相位变化与信息代码之间的关系以及2PSK信号的相位变化与信息代码之间的关系。
答：2DPSK信号的相位变化与绝对码（信息代码）之间的关系是：“1变0不变”，即“1”码对应的2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的末相变化1800，“0”码对应的2DPSK信号的初相与前一码元内2DPSK信号的末相相同。
2PSK信号的相位变化与相对码（信息代码）之间的关系是：“异变同不变”，即当前码元与前一码元相异时则当前码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相变
化1800。相同时则码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的末相无变化。
实验三、数字解调实验
一、实验目的
1、掌握2DPSK相干解调原理。
2、掌握2FSK过零检测解调原理。
二、实验仪器
双踪示波器一台、通信原理VI实验台、M6信号源模块和M4数字调制模块
三、实验内容
1、用示波器观察2DPSK相干解调器各点波形。
2、用示波器观察2FSK过零检测解调器各点波形
四、基本原理
1、2DPSK解调原理
2DPSK信号解调有相干解调方式和差分相干解调。用差分相干解调这种方法解调时不需要恢复本地载波，只要将DPSK信号精确地延迟一个码元时间间隔，然后与DPSK信号相乘，相乘的结果就反映了前后码元的相对相位关系，经低通滤波后直接抽样判决即可恢复出原始的数字信息，而不需要在进行差分解码。
相干解调码变换法及相干解调法的解调原理是，先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。
在解调过程中，若相干载波产生相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊的问题。本次设计采用相干解调。两种解调方式的原理图如图3-1和图3-2所示。
图3-1
2DPSK 差分相干解调原理图图3-2
2DPSK 相干解调原理图
2DPSK相干解调各点波形图如图3-3所示。
图3-3 2DPSK相干解调各点波形图
五、实验步骤
本实验使用数字信源模块、数字调制模块、载波同步模块、2DPSK解调模块及2FSK 解调模块。实际通信系统中，解调器的位同步信号来自位同步
提取单元。本实验中这个信号直接来自数字信源。在做2DPSK解调实验时，位同步信
号送给2DPSK解调单元，做2FSK解调实验时则送到2FSK解调单元。
1、按下表连线
2、检查数字信源模块、数字调制模块及载波同步模块是否已在工作正常。
3、2DPSK解调实验
（1）将示波器的CH1接数字调制单元的BK，CH2接2DPSK解调单元的MU。MU与BK同相或反相。
（2）示波器CH2接LPF，可看到MU反相。当一帧内BK中“1”码“0”码个数相同时，LPF的正、负极性信号与0电平对称，否则不对称。将示波器调至失步状态，可观察到眼图。
（3）断开、接通电源若干次，使数字调制单元CAR信号与载波同步单元CAR-OUT 信号同相，观察数字调制单元的BK与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK之间的关系，再观察数字调制单元中AK信号与2DPSK解调单元的MU、LPF、BK、AK-OUT信号之间的关系。
（4）在断开电源打开电源若干次CAR信号与CAR-OUT信号反相，重新进行行步骤（3）中的观察。在进行上述各步骤时应注意运放是一个反相放大器。
4、2FSK解调实验
示波器探头CH1接数字调制单元中的AK，CH2分别2FSK解调单元中的DW1、DW2、FD、LPF、CM及AK-OUT，观察2FSK过零检测解调器的解调过程（注意：低通及整形2都有倒相作用）。
六、实验结果
观察2FSK过零检测、2DPSK相干解调过程可知，与各点波形与理论一致，验证了2FSK 过零检测、2DPSK相干解调的基本原理。
2FSK过零检测过程为：输入的FSK 信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经过微分电路得到双向尖脉冲，然后整流得到单向尖脉冲，每个尖脉冲表示一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的两倍。将尖脉冲去触发一单稳电路，产生一定宽度的矩形脉冲序列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信号成正比。所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样把码元“ 1”与“ 0”在幅度上区分开来，恢复出数字基带信号。
2DPSK相干解调过程为：2DPSK信号先经过带通滤波器，删除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再和本地载波相乘，删除调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器删除高频成分，就得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决的到基带信号的差分码，再通过逆差分器，就有了基带信号。
由数字调制单元CAR信号与载波同步单元CAR-OUT信号同相及反相时输出波形的变化，可以验证2DPSK调制波的特点，即先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对编码变成相对码（查分码），然后根据相对码进行绝对调相。
七、思考题
1、总结2DPSK克服相位模糊现象的机理
答：因为在发端将绝对码变为了相对码，在收端又将相对码变为绝对码，载波相位模糊可以使解调出来的相对码有两种相反的状态，但它们对应的绝对码使相同的。
2.设信息代码为1001101,2FSK的二个载波分别为码速率的四倍和二倍,根据实验观察得到规律,画出2FSK过零检测解调节器器输入的2FSK波形及FD,LPF,AK波形(设低通滤波器及整形2都无倒相作用)
答：
FS作为示
波器的外同步信号，示波器探头的地端接在实验板任何位的GND点均可，进行下列观察：