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通信原理仿真试验指导书(完整版)

来源：二三娱乐

通信原理实验指导书

郑建生编

电子信息学院

通信实验系统的分布图 1 实验一、数字信源 2 实验二、AMI和HDB3编码与解码 11 实验三、数字调制 18 实验四、载波同步信号的提取 25 实验五、数字解调 31 实验六、位同步与帧同步实验七、时分复用数字基带通信系统实验八、时分复用2DPSK＼2FSK通信系统 51 实验九、 PCM 编码与解码 53 前言 System View简介 71实验一、数字信源仿真实验二、AMI和HDB3编码与解码仿真实验三、数字调制仿真 82 实验四、载波同步信号的提取仿真 86 实验五、数字解调仿真 90 实验六、位同步与帧同步仿真实验七、时分复用数字基带通信系统仿真实验八、时分复用2DPSK＼2FSK通信系统仿真 106 实验九、 PCM 编码与解码仿真 109

40 47 69 74 79 96 102

实验系统的分布图

试验一数字信源

一、试验目的

1、掌握单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点； 2、掌握时分复用系统信道复用原理；

3、掌握集中插入帧同步码的时分复用信号的帧结构特点。

二、试验内容

1、熟悉数字信道时分复用信源系统。 2、用示波器观察单极性非归零(NRZ)、单极性归零码(RZ)、位同步码（BS_OUT）、双极性非归零码(BNRZ)、双极性归零码(BRZ)的波形。

3、用频谱仪观察数字信号的频谱特性，分析数字通信系统的带宽比模拟通信系统带宽大的原因。

三、基本原理

1、时分多路复接原理

为了提高通信系统的利用率，话音信号通常采用多路通信系统，即把多个信源所发出的信号合成一个群信号，并经由同一个信道进行传输。其基础在于信号之间要满足正交性。信号的正交性是指两个信号f1(t)和f2(t)在一个时间区间（t1t1t2

可以引出一个正交函集，{us(t)}=[u0(t),u1(t),ΛΛ,un(t)]，若用ui(t)代表话路信号，n=32，这就表明32个话路之间不相互干扰。从物理意义上说，两路信号若有干扰，它们必须在同一个地方同时存在，如果两路信号在同一个地方，但是不同时存在，它们之间没有能量交换，互不干扰。而在时间上具有正交信号条件的信号都可以使用同一个频带，利用脉冲序列的正交性可以实现PCM的时分多路复用。时分复用是建立在抽样定理的基础上的，抽样定理使在时间上连续出现的基带信号被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替，当抽样脉冲占据较短的时间段时，在抽样脉冲之间就留出了时间间隙，利用这个时间间隙便可以传输其他信号的抽样值，这样一条信道可以传输若干个基带信号。

在N路话音信号进行时分复用时，发送端的转换开关以单路信号抽样周期为其旋转周期按时间次序进行转换，获得N路时分复用信号的时间分配关系，每一路信号所占用的时间间隔称为一个时隙，时隙1分配给第一路，时隙2分配给第二路……等等，N个时隙共占用的时间称为一帧，每一帧的时间必须符合抽样定理。在一帧信号中，要求各时隙的先后次序不变，如果每一帧的开始都用第一个时隙用来传送标志码，那么接收端就能识别每一帧的开始，就可以在发收两端以同步循环的方式，在极少的标志下，使各个话路依次有序而不出错。N路信号得到分离，各路经分离出来的信号通过模拟的低通滤波器，便恢复出原模拟信号。

CCITT对语音PCM的时分多路系统推荐了两种标准：一种是基群包括30个话路，用A律；另一种包括24路话路用u律。前者为我国、欧洲、南美、非洲、各国采用，后者为美国、日本和加拿大采用。

PCM30/32时分多路数字电话通信系统的帧结构和数字通信系统的数码率：按照CCITT的规定，每个时隙的比特数为8，编号为1-8；每一帧的路时隙为32，编号为0-31；分别以Ts0,Ts1,Ts2,Ts3,ΛTs31表示，Ts1−Ts15、Ts17−Ts31分

别表示30话路，Ts0 的8个比特用来传送帧同步信号，Ts16 的8个比特用来传送信令。

图1-1 PCM30/32路基群系统的帧结构

根据通信系统的设计要求，每个话路的信令码要占用4比特，一个Ts16时隙只能容纳2个话路的信令码，30个话路需要15个Ts16。为了尽可能的把时隙留给用户，以最少的时隙来传输各路的信令码，又提出了复帧的概念，把上述的32个时隙所构成的帧叫做“子帧”，由16个子帧构成一个复帧，一个复帧内含有16个Ts16，15个子帧的Ts16用来传输30个话路的信令码，一个Ts16用来传输复帧同步信号。PCM30/32话路的每个时隙安排8比特的数据，F0,F2,F4……等偶数帧的Ts0时隙的第2到第8个比特发0011011帧同步码组，第一个比特是国，F1,F3,F5……等奇数帧的Ts0时隙的第2个比特固定发际备用码组，暂时发“1”

“1”，用来区别奇数帧和偶数帧，第3比特作帧同步对告，其含义是：当本局

，失步时发“1”，其它的各位没有安排用途，暂时接收端同步时向对局发“0”

发“1”。F0子帧的Ts16时隙前4个比特发0000作为复帧的同步定位，第6比特作复帧的失步对告，同步时发“0”，失步时发“1”，其它子帧的Ts16分别用来发送30个话路的指令信码。由上面的帧结构可知：PCM基群的总数码率为： fT=8000(帧/秒)×32（时隙/帧）×8（比特/时隙）=2.048Mb/s

时分多路复用系统中时钟信号之间要有严格的时序关系，PCM30/32路基群系统的时钟之间的关系如下：

帧时钟频率即抽样频率：8kHz；帧周期：125 us；

路时隙： 3.906us ；位脉冲宽度：0.488us；位脉冲频率：256kHz；复帧频率： 500HZ；复帧周期：2000us；

2、实验电路

本实验模拟时分复用通信系统信道复用的原理，采用集中插入帧同步码时分复用方式，用三个字节的数据来复用一个信道，每帧信号为24位（3字节），分别为帧同步信号（7位巴克码）、数据1、数据2（如图1-2所示）。

*1110010****************帧同步码数据一数据二

图1-2 帧结构

其中帧同步信号为7位巴克码1110010，其最高位码可任意定义；数据1、数据2是能传递信息的有用信号，其取值可以由用户通过拨盘开关来改变。实验电路中数据码和帧同步码的状态都用红色发光二极管来显示，发光二极管亮

表示相应数据为高电平“1”

，熄灭则表示数据为低电平“0”。数字信源电路的原理框图如图1-3所示：

图1-3 数字信源方框图

晶体振荡器的中心频率为4.433MHZ，分频器将晶振电路输出的方波进行13分频，分频后的信号作为位同步脉冲信号。在位同步脉冲的作用下，数据选择器依次将帧同步信号、数据1、数据2作24选一串行循环输出（NRZ码）。

数字信号源经与其相连的24位数据选择器作用后，信号按由高位到低位顺序出现在选择器输出端。这就是时分复用系统信道复用的原理，即三路信号分别占用一帧信号的不同间隙来共用一个信道。

NRZ码再经码变换电路作用，可分别输出单极性归零码(RZ)、位同步码（BS_OUT）、曼彻斯特码(BPH)、传号交替反转码(AMI)、双极性非归零码(BNRZ)、双极性归零码(BRZ)等数字基带信号。

下面说明各单元电路的原理：

振荡器采用晶体振荡电路，晶振的频率为4433KHZ。通过由7404组成的晶体振荡电路产生一个4.433M的周期性方波，作为数据信源的基本时钟，同时此信号还是调制模块中载波信号的时钟源。基本电路如图1-4所示。

图1-4 晶体振荡电路

分频器和并串转换电路由可编程芯片模块EPM7032SLC44来完成。

图1-5 EPM7032SLC44引脚图

可编程逻辑芯片EPM7032SLC44是Altera公司的一种在系统的可编程逻辑器件，其引脚图如图1-5所示。该器件具有通用性强，工作速度快，集成度高等优点，是一个PLLC44封装的器件。该芯片由通用的逻辑块（CLB）、全局步线区（GRP）、输出步线区（ORT）、输入或输出单元和时钟网络等五个部分组成。芯片在没有编程前无任何逻辑功能，用户可以根据具体的需要通过对芯片编程（编写VHDL语言程序）来对芯片的逻辑功能加以定义。正是由于其强大的功能和灵活性，可编程逻辑芯片才受到广大用户的喜爱。在本模块中，通过程序设计共完成了13分频、24选一数据选择器的功能。

图1-6 数据输入电路

EPM7032SLC44的24位数据输入线接KA、KB、KC三字节拨盘开关。三字节数据源分别由这三个拨盘开关产生。可以通过控制拨盘开关来选择输入的

数据。当拨盘开关对应的位合上时，+5V电源接通，发光管发光，输入端大约为3.6V，为高电平；当开关打开时，输入端通过排阻接地，信号输入端大约为0.2V，为低电平。如图1-6所示，图中为一个8位的数据输入电路，RP9为排阻，D7-D0分别为8位数据的输入。若设KA为x1110010巴克码源（作为帧同步信号输入），数据1，数据2由KB和KC输入，则NRZ输出端将输出每帧24位（3时隙）的不归零的基带信号。

由于EPM7032SLC44的输出的驱动电流不大，在芯片串行输出NRZ的基础上，实验板采用码变换电路产生其他的数字信号。

双极性非归零码(BNRZ)的产生：（见图1-7）

图1-7 非归零码输出电路 BNRZ码的编码规则为：当信号为“1”（NRZ码为高电平）时，输出为正电压，当信号为“0”（NRZ码为低电平）时，输出为负电压。实验中是将电源+5V 接入4052的X2，Y2通道，-5V接入X0通道，GND接入Y0通道，4052的控制脚A接入GND ，实现两个通道的2选1，来完成NRZ和BNRZ输出。当输入的NRZ为高电平时，通道2被选中，X输出端将X2接入的+5V输出，Y输出端将Y2接入的+5V输出，当输入的NRZ为低电平时，通道0被选中，X输出端将X0接入的-5V输出，Y输出端将Y0接入的GND输出；这样X输出端输出+5V、-5V进行变化的BNRZ信号，Y输出端实现了+5V、GND变化的NRZ信号。这里又输出NRZ是为了使其驱动能力得到加强。

双极性归零码(BRZ)和单极性归零码（RZ）产生的框图为：

图1-8 归零码的产生电路的框图

图1-9给出了归零码实现的原理图，图中74LS123为单稳态触发器，它以BS_OUT（位同步）作为输入，上升沿触发，输出为占空比可调的位同步信号，如图所示。

图1-9 脉宽可调归零码产生电路

将该信号加入模拟开关4052的B控制端，当B脚的电平为高时，X的输出取决于X2、X3和A脚NRZ的输入，Y的输出取决于Y2、Y3和NRZ的输入；当B脚的电平为低时，X的输出取决于X0、X1，Y输出取决于Y0、Y1，而X0、X1、Y0、Y1均接GND ，故输出均为低电平“0”，即为归零码。图中，调节电位器1R1的电阻值，可以改变信号的占空比。

在码变换模块中使用了3个模拟开关，可以通过控制这3个模拟开关来分别得到NRZ_OUT、BNRZ、AMI、BRZ和RZ信号，并可通过调节电位器，即实验箱上R1的阻值来调节信号的占空比。

四、实验仪器

1、双踪示波器一台；

2、武汉大学现代通信原理实验箱一台； 3、万用表一块； 4、频谱分析仪一台。

五、实验步骤

1、打开电源开关，电源模块的四个指示灯亮，电源模块开始工作。再打开信源模块的电源，指示灯亮表示电源接入模块，模块可以工作。

，这时的指示灯亮，断开为2、拨动同步码控制拨盘开关，接通代表高电平“1”

电平“0”，指示灯熄灭，将同步码拨为01110010，信号1和信号2可以自己定义。

3、用示波器观察NRZ信号的波形，画出波形图。

4、通过拨盘开关改变数据信号1和信号2，观察信号的NRZ波形。 5、用示波器的第二通道观察NRZ信号，用第一通道依次观察BNRZ、RZ、BNRZ。记录波形，比较差异，理解这些码型的特点。

6、观察RZ和BNRZ的同时，调整信源模块内R1的值，会发现波形发生了变换，根据变化参看图1-9，解释R1的作用。

7、用示波器分别测量NRZ、RZ、BRZ、RZ信号的电压平均值。

8、根据试验室条件使用频谱仪观察NRZ、RZ、BRZ、RZ信号的频谱，理解数字信号的频谱宽度。

☆实用技巧！

当使用数字示波器观察一个信号，始终得不到清晰的信号时，用两个探头同时观看这一点的信号，就可以得到清晰的波形了！

六、测试点参考波形

1、 BNRZ和NRZ测试点的参考波形为：

2、RZ和NRZ测试点的参考波形为：

3、 RZ与BRZ测试点的参考波形为：

七、实验思考题

1、数字基带信号有哪几种常见的形式？它们各有什么特点？ 2、什么是AMI码？它是如何实现的？ 3、数字基带系统的基本结构如何？

4、数字基带信号的功率谱有何特点？它的带宽主要取决于什么？

八、实验报告要求

1、根据实验步骤作好观察和记录。 2、试以“01110110”、“01011111”、“01011001”作为输入波形，画出NRZ 、BNRZ、RZ、BRZ、AMI 对应的波形？

3、根据实验结果回答实验思考题1，3提出的两个问题。

附录1：数字信源的原理图：

试验二 AMI和HDB3编码与解码

一、实验目的

1、掌握AMI和HDB3编码与解码的原理； 2、理解AMI编码和HDB3编码系统组成原理； 3、掌握从HDB3码中提取位同步信号的原理； 4、掌握锁相环的基本原理。

二、实验内容

1、对实验一中输出的基带信号进行编码，用示波器观察编码、译码后的波形。 2、用示波器观察HDB3码中提取位同步信号的相关测试点的波形。

三、基本概念和原理

1、对传输码型的要求：

在数字基带通信系统中，单极性不归零码是脉冲数字电路、微机中通用的码型。从频带结构来说，其中含有直流分量，它们是不能在信道中传输的，需要对其作一定的变换，使其频谱结构适宜于在信道中传输。一般而言，在线路传输的码型应满足如下要求： z 不含有直流分量；

z 码形变换与信源的统计特性无关； z 能从基带信号中提取位定时信息；

z 应便于实时监测系统中的信号传输的质量性能，即具有检错能力； z 希望误码增值越少越好；

z 能尽量减少基带信号中的高频分量，提高信道的利用率； z 编译码的设备应尽量的简单。 2、AMI码的编解码规则：

AMI码的全称是传号交替反转码。这种码将消息代码“0”（空号）和“1”

，而把代（传号）按如下规则进行编码：代码中的“0”仍变换为传输码的“0”

码中的“1”交替的变换为传输码的+1、-1、+1、-1…… 。它是双极性归零码的一种,占空比为50%,即脉冲宽度与码元宽度之比为0.5。

从AMI码交替反转的特性上我们可以看出，这种信号无直流分量且只有很小的低频成分，因而它适合在不允许这些成分通过的信道中传输。但是它有一个缺点，即当用它来获得定时信息时，由于它可能出现长串的连“0”，会造成提取定时信号的困难。

为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多改进的AMI码，HDB3码就是其中有代表性的码型。 3、HDB3码编解码规则：

HDB3码全称是三阶高密度双极性码。它的编码规则是：先把消息代码变成AMI码，然后去检查AMI码连“0”的情况，当没有4个和4个以上连“0”串时，这样的AMI码就是HDB3码；当出现4个和4个以上连“0”串时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成与其前一个非零符号（+1或-1）相同极性的符号。显然这样做可能会破坏“极性交替反转”的规律，这个符号就称为破坏点，用V表示（+1用+V，-1用-V）。为使附加V后的序列不破坏极性交替反转的规律，还必须保证相邻V符号也极性交替。这一点，当相邻V符

号之间有奇数个非“0”符号时是能保证的，但当有偶数个非“0”符号时，则就得不到保证，这时再将该小段的第1个“0”变成+B或-B。B符号的极性与前一非“0”符号的极性相反，并让后面的非“0”符号从V符号开始再交替变化。HDB3码的编码比较复杂但解码简单，而且减少了连串“0”的个数，便于提取定时信号。 4、例子：

代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 AMI码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3码： -1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 NRZ AMI

HDB3

图2-1 NRZ、AMI、HDB3三种码型的比较

5、实验电路：

AMI的编译码电路较HDB3码要简单，而且HDB3码是AMI码的改进码型。当信息代码中连“0”个数太多时，从AMI码中提取稳定的位同步信号较为困难，而HDB3码中连“0”个数最多为3，这是有利于提取位同步信号的。故实验电路只给出了HDB3码的编译码电路，该电路的原理框图如图2-2所示。

图2-2 HDB3码编译码电路方框图

HDB3编译码器采用EPM7032SLC44可编程器件来完成。编码时要求输入的信号是NRZ 和BS信号。EPM7032SLC44编码输出为+H-OUT和-H-OUT。

它们都是50%占空比的正脉冲信号，分别与HDB3码的正负极性相对应。

这两路信号经过单双极性变换后，即可在4052的X输出端得到HDB3码。单双变换功能由图中芯片4052来完成。

译码时将HDB3码经过单双变换电路变成两路单极性信号，再分别送到EMP7032SLC44的第31和29脚，在EMP7032SLC44的第18脚即可得到NRZ-OUT。HDB3码常被用在PCM一、二、三次群的接口设备中。

在实际的AMI和HDB3编码电路中，发端的单双极性变换器一般由互补对称管来完成；收端的双单极性变换一般由变压器、自动门限控制和整流电路来完成。本实验的目的是掌握AMI和HDB3编码规则及位同步提取的方法，故对极性变换电路作了简化，不一定符合实际要求。

可编程芯片内主要是由发送编码和接收译码两部分组成。发送部分：编码电路在编码时钟CTX下降沿的作用下，将NRZ码编成HDB3码（+HDB3-OUT和-HDB3-OUT）。编码输出比NRZ输入延迟4个时钟周期。

接收部分：

在译码时钟CRX的上升沿作用下，将HDB3码译成NRZ码，译码输出比输入码延迟4个时钟周期。

HDB3码经过逻辑组合后从CKR端输出，供时钟提取等外部电路使用。

图2-3 整流部分原理图

在本实验中用到75107芯片来完成双单变换功能。它的真值表如图2-4所示，75107是一个差分对比较器，当A、B两路信号的差大于25毫伏时，输出为高，当A、B两路信号的差低于-25毫伏时，输出为低。因此，HDB3码的输入信号的峰峰值只要大于50毫伏，利用互补输出端就可以实现整流输出，以及提供解码需要输入的正极性和负极性信号。

V=A-B G S 输出Y

X X H V≥25mV

X L H -25mV≤V≤25mVL X H H H 不定态

X L H

L X H V≤-25mV

H H L

图2-4 75107真值表（L为低电平H为高电平X为不定态）

在本实验中我们将S、1G、2G都接上高电平，HDB3码通过一个0.1μ电容接入1A。两个电阻经过分压给1B一个电平值，这个电平应该在3.5V到-4V之间。HDB3码通过一个0.1μ电容和2K电阻并联接入2B，2A接一个电平值，大

概在-4V到-0.5V之间。这样1Y和2Y的输出经过或门之后就是整流后的结果。

相加器的功能是由或门来完成的。

整流后的信号A/H-D含有位同步信号频率离散谱。我们可以从中提取位同步信号。然后将其送入4046组成的锁相环内，通过4046内部的鉴相器鉴相，和外部的低通滤波送到4046的9脚（压控振荡器的输入），压控振荡器的输出脚4就可以输出一个与输入信号的上升沿相差一个90º相位差的位同步信号。如图2-5所示。

图2-5 锁相电路

四、实验仪器

1、双踪示波器一台。

2、武汉大学现代通信原理实验箱一台。 3、万用表一块。 4、频谱分析仪一台。

五、实验步骤

1、打开信源模块的电源，使信源模块工作。打开HDB3模块电源，使得HDB3模块工作。

2、将信号接入开关的1和2接通，使得信号CLK和BS接入电路。用示波器观察NRZ-IN和BS-IN，看信号是否接入。

3、使用两个示波器探头同时观察NRZ-IN 和 HDB3,根据波形理解HDB3编码规则。其中HDB3编码有4bit延时。记录波形。使用示波器测量HDB3信号的

电压平均值。

4、观察H-D波形，此波形表示HDB3信号经过整流之后的结果。结合HDB3信号记录H-D信号波形。

5、将信号接入开关1和2都断开，不进行编码。单独观察BS-R信号波形，这是数字锁相环CD4046在没有输入信号的情况下的输出，BS-R表示恢复出的位同步信号。然后使用两个探头同时对信源的BS-OUT和BS-R进行观察，可以看到两个信号不同步的现象。记录波形。此时将信号接入开关1和2闭合，看到BS-OUT和BS-R出现清晰的波形，表示两个波形同步，记录波形，注意记录两者的相位关系。

6、同时观察HDB3模块中的NRZ-IN和NRZ-OUT，了解NRZ-OUT滞后于NRZ-IN的原因。记录波形。

7、根据实验室条件观察NRZ信号的频谱和HDB3信号的频谱。

六、测试点参考波形

1、HDB3测试点的参考波形

2、AMI测试点的参考波形：（可以根据条件编写程序后，写入到CPLD后测试）

七、实验思考题

1、AMI和HDB3编码特点是什么？

2、AMI码中编码为高电平“1”的地方HDB3码一定为“1”吗？ 3、为什么在通信系统中，要对信源进行编码？

八、实验报告要求

1、根据实验步骤观察和记录AMI码和HDB3码的波形。 2、RZ为全“0”和全“1”，画出相应的AMI和HDB3码波形。 3、将实验中观察到的NRZ和相应的AMI、HDB3信号进行对比。 4、总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。

附录2：AMI和HDB3编码与解码的原理图

实验三数字调制

一、实验目的

1、掌握绝对码、差分码的概念及它们之间的变换关系。

2、掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号的方法。

3、掌握差分码波形与2DPSK信号波形之间、绝对码波形与2DPSK信号波形之间的关系。

4、了解载波信号产生的方法。

二、实验内容

1、用示波器观察绝对码波形、差分码波形。

2、用示波器观察2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号波形。三、基本原理

常用的二进制数字调制方式有二进制振幅键控、频移键控和相移键控三种。 1、二进制振幅键控的基本原理：

二进制振幅键控实现的方框图为：

图3-1 2ASK的形成框图

信源S（t）控制开关电路的通断，当信源S（t）为“1”时，开关电路接通，载波信号通过开关电路输出；当信源S（t）为“0”时，开关电路断开，无载波信号输出。

2ASK信号的时域表达式为：AM(t)=S(t)cosωct

S(t)为单极性不归零码NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信号中有载频分量。 2、二进制频率键控的基本原理：

二进制频率键控实现的方框图为：

图3-2 2FSK的形成框图

利用受矩形脉冲控制的开关电路对两个不同的载波频率源进行选通。当信源S（t）为“1”时，开关电路接通载波1，载波1的信号通过开关电路输出；当信源S（t）为“0”时，开关电路接通载波2，载波2的信号通过开关电路输出。

2FSK信号(相位不连续2FSK)可看成是两个绝对码调制在不同载频信号形成的两个2ASK信号相加。时域表达式为

FM(t)=S(t)cosωc1t+S(t)cosωc2t

式中S(t)为NRZ码。

3、二进制相移键控的基本原理：

二进制相移键控实现的方框图为：

图3-3 2PSK的形成框图图3-4 2DPSK的形成框图

利用受矩形脉冲控制的开关电路对两个不同相位的载波频率源进行选通。进行2PSK调制时，当信源S（t）为“1”时，开关电路接通00的载波，00的载波信号通过开关电路输出，当信源S（t）为“0”时，开关电路接通1800的载

波，180的载波信号通过开关电路输出。2DPSK调制与2PSK相同，不同的只是S(t)要先经过码变换电路。

2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图3-5所示。

图3-5 2PSK,2DPSK波形

2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK信号相位变0

。2DPSK信号的化180，相同时2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”

相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化1800，码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。

应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。实际工程中，2PSK或2DPSK信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是哪种关系，上述结论总是成立的。

用差分编码和2PSK调制方法产生2DPSK信号，原理框图如图3-4所示。对于绝对码，2PSK调制器的输出就是2PSK信号；对于差分码，2PSK调制器的输出是2DPSK信号。对于绝对码来说是“l变0不变”关系，对于差分码来说是“异变同不变”关系，由绝对码到差分码的变换也符合“1变0不变”的规律。 2DPSK通信系统可以克服上述2PSK系统的相位模糊现象，故实际通信中采

用2DPSK而不用2PSK。

2PSK信号的时域表达式为

PM(t)=S(t)cosωct

式中S(t)为双极性不归零码BNRZ，即在NRZ码为高电平“1”时S(t)=“+1”，在NRZ码为低高电平“0”时S(t)=“-1”。 4、实验电路：

数字调制模块的具体实现电路说明如下：将晶体振荡器输出的信号进行分频，通过滤波产生两路载波信号，其中的一路载波经过倒相变成相位键控需要的倒相的载波信号。其电路由四分频器、滤波与跟随器、极性变换电路和键控电路组成。其组成框图3-6如下：

图3-6数字调制的原理框图

四分频电路：用两个D触发器构成。

滤波与跟随器：如图3-7所示。由三极管和LC电路构成有源滤波器，其中选择LC的值可以确定选择频率，图中input端分别连接1个D触发器的输出， output得到1个正弦信号，两组一个为2216KHZ，一个是1108KHZ。每个滤波器后面都接有一个射极跟随器，以提高带负载的能力。

+5V+5V3R3510K3R3620033uH5K3R373C131000P3C103R3820K3V890130.1u3C130.1u3R33270input3C110.1u3R394.7K3V73L49013output3R335103R301003R3151K

图3-7 滤波与跟随器原理图

极性变换电路由一个射极跟随器和一个放大器组成，合理选择静态工作点和负载的值,使得其可以输出一对等幅、反相的正弦信号。

图3-8 极性变换电路原理图

图3-9 差分编码内部电路原理图

在实际的设计的过程中，我们使用可编程的芯片GAL16V8完成差分编码，其内部电路如图3-9所示，它将绝对码变为相对码。

图3-10 键控电路原理图

键控电路由模拟开关4053完成如图3-10所示。其内部有三个独立的模拟开关A、B、C。A控制P1、P2的通断形成2DPSK信号，B控制F1、F2的通断

形成2FSK信号，C控制F1、“0”电平的通断形成2ASK信号。开关SW控制是进行绝对码还是差分码的调制。

四、实验仪器

1、双踪示波器一台。

2、武汉大学现代通信原理实验箱一台。 3、万用表一块。 4、频谱分析仪一台。

五、实验步骤

1、打开信源模块电源，使之工作；打开数字调制模块电源使之工作。

2、将数字调制模块的信号接入开关1、2和3接通，使得信源模块的CLK、BS和NRZ接入数字调制模块。用示波器检测这些信号是否接入。

3、开关SW是对调制信号的码型控制开关，AK表示绝对码，BK表示相对码。使用示波器同时观察NRZ和BK，理解绝对码和相对码的关系，理解编码规则。记录信源模块的数据并画出与之对应的波形。

4、将SW拨到AK位置，使用示波器同时观察2ASK和NRZ，对比这两个波形，理解ASK的调制原理。2ASK表示二进制幅度键控。记录信源模块的数据并画出与之对应的波形。

5、将SW拨到AK位置，使用示波器同时观察2FSK和NRZ，对比两个波形，理解FSK的调制原理。2FSK表示二进制频移键控。记录信源模块的数据并画出与之对应的波形。

6、将SW拨到BK位置，使用示波器同时观察2DPSK和NRZ，对比两个波形，理解DPSK的调制原理。2DPSK表示的是二进制差分相移键控。注意，如果SW所在位置是AK，那么在2DPSK的位置我们将会看到PSK——相移键控的波形，而不是差分相移键控的波形。记录信源模块的数据并画出与之对应的波形。

7、根据实验室条件，观察ASK、FSK和DPSK的频谱。 ☆实用技巧！

当同时观察两个信号的时候，有模糊不清晰的情况时，适当旋转holdoff旋钮，可以将波形变得清晰！

六、测量点参考波形

1、2ASK测试点的参考波形：

2、2DPSK测试点的参考波形

3、2FSK测试点的参考波形

七、实验思考题

1、仔细的分析图3-1到图3-10，说明2DPSK、2FSK、2ASK调制系统各由哪几个部分组成，各个部分的功能如何？

2、是否有新的方法来对载波信号进行极性变换，试进行分析，画出原理框图，并分析其工作原理。

3、讨论4053元件的特点，用这种方式传输的基带信号的最大频率与什么参数有关。

八、实验报告要求

1、对实验中的各点的波形进行分析，进一步阐明各个单元电路的工作原理。 2、根据实验步骤作好测试记录，画出各个测试点的波形。

附录3：数字调制的原理电路图：

实验四载波同步信号的提取

一、实验目的

1、掌握模拟锁相环的工作原理。

2、掌握从2DPSK信号中提取相干载波的原理。 3、掌握模拟锁相环的设计方法。

二、实验内容

1、观察平方变换法或平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号的各点波形。 2、观察模拟锁相环的波形，包括锁定状态、失锁状态等全过程。 3、观察移相电路移相的相位的大小。

三、实验原理

提取载波同步信号的方法有两种：插入导频法和直接法。 1、插入导频法：

在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个和多个作为导频的正弦信号，接受端就可以由导频提取出载波，这种方法叫做导频法。导频法一般在抑制了双边带的信号和残留边带的信号中使用，本实验主要讨论频率键控和相位键控的解调，故不加以讨论。 2、直接法：

设调制信号为S(t),S(t)中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：

PM(t)=S(t)cosωctK不包含载波信号，接收端经过平方变换后，即经过一个平方律的器件后得到：

S2(t)12

e(t)=S(t)cosωct=+S(t)cos2ωct，尽管S（t）中没有直流分量，

但S2（t）中含有直流分量，e(t)的表达式的第二项中含有2ωc的频率分量，用一个带通的滤波器将2ωc的频率分量滤出，再通过二分频的方式可以从2DPSK

信号中提取相干载波。将带通的滤波器用锁相环取代，构成平方环提取载波的

方法，由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，平方环法比一般的平方变换法具有更良好的性能，本实验电路就采用平方环法。 3、实验电路：

其原理方框图及电路原理图如图4-1。

2DPSK-IN 整形平锁相移相滤波分频方环器器

图4-1 载波同步方框图

电路包括一个平方律电路、锁相环电路、整形和分频电路、移相和滤波电路。其中各个电路的原理分述如下：

平方律电路：MC1496/MC1596 是模拟乘法器，将DPSK信号分别加入到两个输入端，实现两路信号的乘法，完成平方功能。其相乘后的信号由MC1496/1596的6脚经过射极跟随器输出。如图4-2所示。

DPSK0.1u3C240.1u1003R4812345673R533.3K3C260.1U+12V3U1INS+ADJgADJgINS-BIOUT+Nc3R523.3KV-NcOUT-NcINC-NcINc+3R58513R5720K3N73DG63R591K3C27MU0.1u-12V141312111098MC14963R51513R561K+12V3R49513R50513R5410K+12V3C250.1u3R551K3R4610K 图4-2平方律电路原理图

锁相环电路的工作原理：平方律输出的交流信号加到NE564锁相环的输入脚，合理地选择锁相环的参数，使VCO的输出频率为载波信号的2倍。

图4-3 锁相环原理电路图

原理分析：NE564内部的结构如图4-3-1所示。由限幅器、相位比较器（PC）、放大器和极性探测保护器、肖特基嵌位晶体管及压控振荡器（VCO）组成。它具有采用单电源5V供电，兼容的TTL输入和输出、外部的环路增益控制、无须精密的滤波电容等特性。

图4-3-1 NE564内部的结构

模拟锁相环的一般的组成框图，如图3-3-2所示：

U(t)PDUd(t)LFUe(t)VCOUo(t)

图4-3-2模拟锁相环的一般的组成框图

模拟锁相环的一般的组成框图中，PD是一个鉴相器，LF是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD检测Ui(t)与Uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压Ud(t)，LF用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压Uc(t),在Uc(t)的作用下，Uo(t)的相位向Ui(t)的相位靠近、从而达到输出与输入的相位相等的目的。

对2DPSK信号进行平方处理后得:

222

S （t）=m（t）coswct=(1+cos2wct)/2,

此信号中含有直流和2ωc频率成分，理论上对此信号再进行隔直流和二分频处理就可得到相干载波。锁相环似乎是多余的，当然并非如此。

实际工程中考虑到下述问题必须用锁相环：

平方电路不理想，其输出信号幅度随数字基带信号变化，不是一个标准的二倍频正弦信号。即平方电路输出信号频谱中还有其他频率成分，必须滤除。

接收机收到的2DPSK信号中含有噪声，因而平方电路输出信号中也含有噪声，必须用一个窄带滤波器滤除噪声。锁相环对输入电压信号和噪声相当于一个带通滤波器，我们可以选择适当的环路参数使带通滤波器带宽足够小。

图4-4 整形与分频电路原理图

VCO输出的信号频率与两倍的载波信号频率和相位是一致的，但是波形是一个模拟信号，不便于分频，通过两极反向进行整形，再通过D触发器进行2分频得到与载波信号频率相同的信号。

12V+5V3R70470vco/2123456783P110K+5V1615141312111093C20200p+5V3L233uH3R6910K3C311100P3R6020K3C290.1u3U5741231aVCC1B1Rext1Rd1Cext1q1Q2Q2q2Cext2rd2Rext2BGND2a3R61513N83DG63C320.1u3R621K3R473.3Kcar100p3C213C30200p 图4-5 移相与滤波原理图

合理的调整分频电路的前后沿的位置，使滤波后的载波与载波信号同频同相。

四、实验仪器

1、双踪示波器一台

2、武汉大学现代通信原理实验厢一台 3、万用表一块

五、实验步骤

1、将信源模块的电源打开，使之正常工作；将数字调制模块电源打开，信号接入开关接通，使得其正常工作；打开载波同步模块电源，使得其正常工作。 2、使用示波器观察载波同步模块的2DPSK-IN是否有信号接入。

3、用示波器观察MU信号。MU信号表示乘法器的输出，乘法器的输入就是2DPSK-IN信号。记录波形。

4、使用示波器观察VCO信号。VCO就是模拟锁相环NE564的压控振荡器的输出。记录波形。

5、使用示波器同时观察MU和VCO，适当调节C1的值，直到看到清晰的波形，这表示锁相环已经和输入信号保持锁定关系。记录两者的波形。

6、使用示波器同时观察载波同步模块的CAR-OUT和数字调制模块的CAR波

载波同步模块的CAR-OUT表形。数字调制模块的CAR是DPSK信号的载波。

示在载波同步模块恢复出来的载波。比较二者相位，如果相位不同调节R4，使

得二者相位完全相同，或完全相反。这是因为平方环法会引起相位模糊的情况发生。由于使用了差分编码方式，所以只要恢复的载波和原始载波完全同相或完全反相都可以完成相关解调的目的。

7、根据实验室条件，使用频谱仪观察2DPSK-IN、MU、VCO和CAR-OUT的频谱，从频域分析中理解载波恢复的过程。

六、测量点参考波形

1、乘法器输出MU点参考波形如下：

2、VCO的参考波形如下：

3、载波CAR-OUT输出的参考波形如下：

七、实验思考题

1、分析基本锁相环中同步带及捕捉带的关系如何？试拟订测量环路同步带及捕捉带的步骤。

2、是否有新的锁相环的设计的方法，你是否能进行合理的设计？

八、实验报告要求

1.分析锁相环工作原理，了解整个电路产生的过程。 2.实验过程中遇到的问题，以及解决的方法。

3.根据实验的内容，画出相应的波形，并做出分析。

附录4：载波同步电路原理图

实验五数字解调

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。 3、理解2PSK解调相位模糊的原因。

二、实验内容

1、用示波器观察2DPSK相干解调器各测试点波形，并作详细的分析。 2、用示波器观察2FSK过零检测解调器各测试点波形，并作详细的分析。 3、用示波器观察2PSK相干解调器各测试点波形，并作详细的分析。

三、基本原理

1、二进制FSK解调：

二进制FSK解调的方法有非相干检波法、相干检波法、鉴频法、过零检测法、和差分检测法。与直接调频法相对应的解调采用鉴相器；与频率变换法相对应的解调，按非相干接收或相干接收分别采用包络检波器或同步检波器。

（1）非相干接收的解调：

非相干接收的解调方框图如下：

图5-1 FSK的非相干解调的原理框图

在图5-1中有两条支路，每条支路都包括一个带通滤波器和一个包络检波器，其中，上支路的带通滤波器的中心频率为ω1，下支路的带通滤波器的中心频率为ω2，在设定ω1或ω2时已使它们的间距足够大，其中的一个频率不会落在另一个的带通的频率范围内，故上支路的输出只包含一个ω1的频率分量的包络，下支路的输出只包含一个ω2的频率分量的包络，抽样器就可以根据两支路的大小作出判决。

（2）相干接收的解调相干解调的方框图如下：在图5-2中也有两条支路，每条支路都包括一个乘法器和一个低通滤波器。其中，上支路的带通滤波器的中心频率为ω1，下支路的带通滤波器的中心频率为ω2；上支路的乘法器的输入为Acos(ω1t+θ1), 下支路的乘法器的输入为Acos(ω2t+θ2)，相乘后都通过低通滤波器，基带信号通过抽样器就可以对其作出判决。

图5-2 2FSK的相干解调的原理框图

（3）过零检测法。

如图5-3所示，输入的序列经过限幅后产生矩形波序列，经过微分整形成与频率变化相应的矩形波序列，这个序列代表着调频波的过零点。将其变换成具有一定宽度的矩形波，经过低通滤波器滤除高次谐波，便能够得到对应的基带脉冲信号。

图5-3 2FSK解调的原理框图 2、2FSK解调的实验电路：

根据2FSK的原理框图，选定过零检测法作为2FSK的解调电路，下面给出了实验板确定的电路：由窄脉冲形成电路、滤波器和抽样判决器电路组成。2FSK解调单元电路的相关说明如下：

图5-4 FSK解调电路中的窄脉冲形成电路原理图

将2FSK信号放大（实验系统传输线路短、衰减小，不须放大），为了形成窄脉冲，在其输入端将输入信号经过交流耦合叠加在2.5V的直流电位上，7404对输入的信号进行整形，两片74123分别在上升沿和下降沿分别产生一个相等的窄脉冲，电路相当于进行了微分运算，5U2B的74123相当于进行了微分倒相运算，送入或门完成相加功能，即在上沿和下沿分别形成了一个窄脉冲。与框图中的微分整流相对应。如图5-4所示。

经过微分整流后的信号由于载波信号的频率不同，在图5-5中输入的ADDFD窄脉冲的疏密不同，其低频分量不同。窄脉冲密的低频分量大，窄脉冲疏的低频分量小。合理的选择滤波器可以将基带信号解调出来，滤波后的信号具有数字特征的模拟信号，经过整形后变为数字信号，通过抽样判决器变为基带信号输出。

图5-5 FSK解调电路中的滤波器和抽样判决器电路原理图

3二进制PSK的解调：

（1）绝对移相信号的解调：

二进制绝对移相信号通常用鉴相器来进行解调。鉴相器的原理图如图5-6所示。绝对移相鉴相器由一个乘法器和一个低通滤波器构成,待解调的绝对移相信号SPSK(t)和与载波同频同相的相干信号2cos(ω0t+θ0)分别作用在乘法器的两个输入端,这时乘法器的输出也就是低通滤波器的输入：

u(t)=Spsk(t)×cos(ω0t+θ0) =Ag'(t)+Ag'(t)cos(2ω0t+θ0)

其中的第一项就是双级性数字基带信号，可以通过低通滤波器,第二项含有角频率为2ω0组合的高次谐波分量,被低通滤波器滤去。所以，滤波器的输出为g'(t),从而实现了解调。绝对移相信号实际上可以视为调制信号为g'(t)的双边带调幅信号，因此，绝对移相信号的解调等于双边调幅信号的解调,而鉴相器实际上就是同步检波器。

图5-6 2PSK解调的原理框图

鉴相器工作时需要一个和载波信号同频同相的相干信号，所以这种解调方法属相干解调。

（2）相干信号的提取和相位模糊问题

鉴相器所需的相干信号通常从输入信号中提取，所用方法与时钟提取原理相似，从绝对移相电路中提取相干信号的原理图如图5-7所示。

图5-7 从绝对移相电路中提取相干信号的原理图

其中，放大了的绝对移相信号经过全波整流后，变成角频率为2ω0的全波整流信号，其频谱中含有直流分量,角频率为2ω0的基波分量和一系列高次谐波分量,利用中心角频率为2ω0的带通滤波器把其中2ω0的分量取出,而把直流分量和高次谐波去掉。因此,带通滤波器输出的信号中仅含有2ω0的分量,再经二

但是，其角频率虽与载波角频率相同,但相位分频得到仅含载波频率分量的ω0。

不一定与载波同相。因为作为二分频的相稳态是随机的，因此，输出信号可能与载波同相,也可能与载波信号相差相位π,这种相干信号初相的不确定性称为相位模糊。如果相干信号的相位一旦和载波信号相位差π,则解调后所得的数字

，原来的“0”变成了“1”,消息的脉码将发生颠倒，原来的“1”变成了“0”

由于绝对移相信号解调时需要产生稳定的相干信号,电路比较复杂,而且还有相位模糊现象，所以绝对移相被相对移相所取代。故在工程使用中，不使用PSK信号，而是使用DPSK信号。

(3)相对移相信号的解调：

相对移相信号（2DPSK）的解调可以使用相干解调法或差分相干解调法(相位比较法)。相干解调的实现的原理框图如图5-8所示，它实际上是利用绝对移相信号解调的方法来解调相对移相信号。

图5-8 2DPSK相干解调解调的原理框图

当鉴相器的两个输入分别输入相对或绝对移相信号和相干信号时，低通滤波器的输入信号为：

u(t)=Sdpsk(t)×cos(ω0t+θ0) =Ag''(t)+Ag''(t)cos(2ω0t+θ0)

其信号经过低通滤波器的输出中只有第一项，再经过码型变换，把相对码变成绝对码，就完成了相对移相信号的解调。

（4）相位比较法：

相位比较法是一种变相的相干解调，实现的框图如图5-9所示，2DPSK信

号在相位比较法中，要求载波频率为码速率的整数倍，故延时电路延时一个码元间隔，作为相干解调的相干信号，这样的电路也叫做差分相干解调。

图5-9 2DPSK差分相干解调的原理框图

当第K个码元与它的前一个的相位相同时，解码器输出为“0”；当第K个码元与它的前一个的相位不同时，相差为180˚时，解码器输出为“1”。由于解码器的输出本身为绝对码，故不需要码型变换电路。

4、实验电路：本实验系统中，2DPSK载波频率等于码速率的13倍，两种解调方法都可用。

实际工程中相干解调法用得最多。

本实验采用相干解调法解调2DPSK信号。

由原理框图5-8给出了2DPSK解调的电路，由乘法器、滤波器、抽样判决器、码反变换电路组成。

2DPSK的解调的单元电路原理及其说明如下：

图5-10 DPSK解调电路中的相乘器与滤波器原理图

MC1496/1596实现了来自与载波同步模块的同步信号和2DPSK信号的相乘，其中，电位器5R28可以改变相乘器的增益。调节5R28时使MU的峰峰值不大于5V，相乘后相位相同的点的幅度变大，相位相反的点幅度反相变大。相当于在高电平时加了一个正的电压，在低电平时加了一个负压，这时的信号通过低通滤波器可以提取基带信号，由于信号的幅度比较大，可以送入比较器进行比较。如图5-10所示。

图5-11所示的比较器的输入是图5-10低通滤波器的输出，该信号是一个幅度较大的具有数字特征的模拟信号。可把此信号进行硬限幅处理，也可以通

过比较器将其变换为与TTL兼容的数字信号，图中经过比较器后，变换为TTL信号，但它不能作为相对码直接进行差分解码，因为它并不是一个标准的单极性非归零码，其单个高电平“1”对应的正脉冲的宽度可能小于码元宽度、也可能大于码元宽度。

图5-11 DPSK解调电路中的抽样判决器与差分译码器原理电路

另外，当LPF中有噪声时，CM-D中还会出现噪声脉冲。图中将信号送到由同步信号控制的D触发器的D输入端进行抽样判决，判决后的信号为差分码，然后经过由D触发器和异或门组成的差分译码器，将差分码变为绝对码输出。如图5-11所示。异或门输出的绝对码波形的高电平可能叠加有小的干扰信号，

可以通过加入整形电路来去掉。

四、实验仪器

1、双踪示波器一台

2、武汉大学现代通信原理实验厢一台 3、万用表一块

五、实验步骤

1、将信源模块的电源打开，使之正常工作；将数字调制模块电源打开，信号接入开关接通，使其正常工作；打开载波同步模块电源，使其正常工作；打开数字解调模块，使其正常工作。打开位同步与帧同步模块电源，使之工作，此模块在解调中用到，但在本实验不作详细说明，下一实验会详细分析。

2、将信号接入开关全部接通。用示波器检查2DPSK、CAR、FSK和BS是否接入系统。将数字调制模块中的SW开关放置在BK位置，进行DPSK调制。 3、同时使用示波器观察MU和NRZ信号。此处的MU表示乘法器的输出。乘法器的两个输入是2DPSK和载波同步模块输出的CAR。记录波形。

4、同时观察NRZ和CM-D。CM-D表示DPSK解调电路中的比较器输出。记录波形。

5、将位同步与帧同步模块的S-PD跳线组连接到CM-D，S-PD表示鉴相器的输入信号，另一个跳线不必设置。

6、观察NRZ和AK-2DPSK信号，看到DPSK解调模块将NRZ信号解调出来，在时间上有一个延时。记录波形。

7、将数字调制模块中的SW开关放置在AK位置，进行FSK调制。

8、观察NRZ和NP信号。NP表示窄脉冲调频信号，可以观察到NP就是由频率不同的窄脉冲构成的信号，类似于FSK信号，只是FSK信号是频率不同的正弦波构成。

9、观察NRZ和LPF信号。LPF表示FSK解调电路中低通滤波器输出信号。记录波形。

10、观察NRZ和CM-F信号。CM-F表示FSK解调电路中比较器输出。记录波形。

11、将位同步与帧同步模块的S-PD跳线组连接到CM-F，S-PD表示用于鉴相的输入信号，另一个跳线不必设置。

12、观察NRZ和AK-FSK信号。AK-FSK表示FSK解调电路中解调输出的绝对码。可以看到FSK解调电路将调制在FSK信号上的基带信号解调出来，在时间上有些延时。记录波形。

六、测量点参考波形

1、相乘器的输出的参考点的波形：

2、FSK低通滤波器的输出的参考波形：

七、实验思考题

1、仔细分析图5-2、图5-3、图5-5、图5-6、图5-7说明2DPSK、2FSK解调系统各由哪几个部分组成，各个部分的功能如何？

2、对2DPSK克服相位模糊现象进行分析，简要写出测试2PSK波形的步骤。

3、为什么在2DPSK、2FSK解调系统中要用抽样与判决，试对其进行分析。

八、实验报告要求

1、设绝对码为1001101，相干载波频率等于码速率的1.5倍，根据实验观察得到的规律，分别画出CAR-OUT与CAR同相、反相时，2DPSK相干解调、LPF、BS、BK、AK波形示意图，总结2DPSK克服相位模糊现象的机理。

2、设信息代码为1001101，2FSK的两个载频分别为码速率的四倍和两倍，根据实验观察得到的规律，画出2FSK过零检测解调器输入的2FSK波形及FD、LPF、AK波形。

附录5：数字解调的原理电路图

实验六位同步与帧同步

掌握数字锁相环工作原理；

掌握用锁相法提取位同步信号的原理；掌握巴克码识别原理；掌握同步保护原理。

一、实验目的

1. 2. 3. 4.

二、实验内容

1. 观察数字环的失锁状态、锁定状态。 2. 用数字锁相环环提取位同步信号。

3. 观察帧同步码无错误时帧同步器的维持态。 4. 通过波形来加深理解帧同步原理。

三、基本原理

1、位同步基本原理:

位同步锁相法的基本原理和载波同步类似。在接收端利用鉴相器来比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获取准确的位同步信号为止。

我们把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法。在数字通信中，常采用数字锁相法提取位同步信号。如图6.1所示，它由高稳定度的晶振、分频器、相位比较器和控制器组成。

BS-OUT 扣除门（常开） a路 DATA-IN 相位比或较器 N次分频器整形门超滞 b路前后脉脉附加门冲冲（常闭）图6.1 数字锁相原理方框图

晶振其中，控制器包括图中的扣除门、附加门和或门。高稳定度晶振产生的信号经整形电路变成周期性脉冲，然后经控制器再送入分频器，输出位同步脉冲序列。若接收码元(DATA-IN)的速率为f赫兹，则要求位同步脉冲的输出序列(BS-OUT)也为f赫兹。这里晶振的频率设计在nf赫兹，由晶振输出经整形得到重复频率为nf的窄脉冲，再经扣除门、或门、n次分频后，就可得到频率为f赫兹的位同步信号。如果接收端晶振输出经n次分频后，不能准确地和收到的码元同频同相，这时就要根据相位比较器输出的误差信号，通过控制器对分频

器进行调整。调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于接受码的相位时，相位比较器送出一超前脉冲，加到扣除门（常开）的禁止端，扣除一个a路脉冲，这样，分频器输出脉冲相位就推后1/n周期；若分频器输出的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位，如何对分频器进行调整？晶振的输出整形后除a路脉冲加于扣除门外，同时还有与a路相差180度的b路脉冲序列加于附加门。附加门在不调整时是封闭的，对分频工作不起作用。当位同步脉冲相位滞后时，相位比较器送出一滞后脉冲加于附加门，使b路输出的一个脉冲通过或门，插入在原a路脉冲之间使分频器的输出添加了一个脉冲。于是分频器的输出相位就提前了1/n周期。这样经反复调整相位，就实现了位同步。

2、帧同步基本原理：

在时分复用系统中，为了正确的传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，可以集中插入也可以分散插入。本节主要对集中插入同步法进行分析。

FRAME-OUT

判决

相加

DATA-IN

0 1 0 1 0 10 10 10 10 1

移位方向图６.2 七位巴克码识别器

在集中插入法中，要求插入的同步码在接收端进行同步识别时出现伪同步的概率尽可能小,并且要求该码组有尖锐的自相关函数，以便于识别，同时要求接收机端的同步码识别器要尽量简单。目前用得比较广泛的是性能良好的巴克码（Barker）。七位巴克码是1110010，本实验系统中帧同步码为7位巴克码，集中插入到每帧的第2至第8个码元位置上。

BS-OUT FRAME-OUT 单稳与门2 ÷24 置“0” 与门或3 门与 S 触 Q 门七位巴克

发 1码识别器与DATA-IN P R器 /Q ÷3 门 4 置“0” 图6.3 帧同步系统基本结构图

帧同步系统基本结构如图6.3所示。该系统可以分为两个部分：巴克码识别器和同步保护。巴克码识别器包括移位寄存器、相加器和判决器，七位巴克码识别器如图6.2。图6.3中其余部分完成同步保护功能。

当基带信号里的帧同步码（巴克码）输入时，识别器就会发出判别信号P。P的上升沿与最后一位帧同步码的结束时刻对齐。

÷24电路是将位同步信号进行24分频得到的，其周期与输入信号的周期一样（24位）。但是他们相位不一定相同。当识别器输出一个P信号时（即捕获到一组正确的帧同步码），在P信号和同步保护器作用下，÷24电路清零，从而使输出的÷24电路输出信号下降沿与P信号上升沿对齐，该信号驱动一个单稳态电路，单稳态电路设置为下降沿触发，其输出信号上升沿比÷24电路输出信号下降沿稍有滞后。

当帧同步码没有到达时，系统处于捕捉态，识别器输出为0，与门1关闭，

单稳态信号通过与门4后输入到÷3电路，÷3电路的输出信号使状与门4打开，

态触发器置“0”从而关闭与门2，同步器无输出信号。只要识别出一个P信号（因为判决门限较高，这个P信号表示帧同步信号到达的正确率很高），由于/Q为高电平，于是经过或门，使与门1有输出。与门1的一路输入就可以通过与门3输出一个置0脉冲使÷24电路置0，÷24电路输出与P同频同相的周期信号。与门1的另一路输出使状态触发器Q置“1”，从而打开与门2，输出帧同步信号FRAME-OUT，同时使判决门限降为6，同步器进入维持状态。在维持状态下因为判决电平比较低，故识别器的漏识别概率减小，假识别概率增加，但假识别信号与单稳输出不同步，故与门1、与门4不输出假识别信号，从而使假识别信号不影响÷24电路的工作状态。与门2输出的仍是正确的帧同步信号。

在维持态下，识别器也可能出现漏识别，但由于漏识别的概率比较小，连续几帧出现漏识别概率就更小。只要识别器不连续3帧出现漏识别，则÷3电路不输出脉冲，维持状态保持不变。若连续三次出现漏识别，则÷3电路输出一个脉冲信号，使维持态变为捕捉态，重新捕捉帧同步码。

由于信源产生的信号是以一帧为周期的周期信号，所以若识别器第一次输出的帧同步信号为假识别信号（即首次捕获的是信息数据中与帧同步码完全一样的码元序列），则系统进入错误的同步状态，并一直维持下去。实际中信号不会是周期的，所以这种错误的同步状态存在时间是短暂的。

时钟电路的原理图如下：

图6.4 时钟电路的原理图

帧同步与位同步的实验连接电路图，如图6.5所示。图6.4输出的时钟信息加到全局时钟脚43，通过解调后的数据CM-F、CM-D，以及数字信源的数据通过三选一的跳线加入到输入脚9，从数据中提取的位同

步信息从28脚输出，解调后的数据CM-F、CM-D，以及数字信源的数据通过三选一的跳线加到输入脚29，数字同步后帧同步信号由18脚输出。经过相位调整后的数据从26脚输出，加到数据终端。

图６.5 位同步与帧同步模块原理图

四、实验仪器

1、双踪示波器一台

2、武汉大学现代通信原理实验厢一台 3、万用表一块

五、实验步骤

1、将信源模块的电源打开，使之正常工作；将数字调制模块电源打开，信号接入开关接通，使其正常工作；打开载波同步模块电源，使其正常工作；打开数字解调模块，使之正常工作。打开位同步与帧同步模块电源，使之工作。 2、本试验注意两个跳线组S-PD和S-FS的跳线放置。S-PD表示供位同步与帧同步模块鉴相的输入信号，S-FS表示供位同步与帧同步模块提取帧同步信号的输入信号。首先将两组跳线都拿掉，同时观察位同步与帧同步模块的BS-OUT和信源模块的BS信号。可以看到其中之一比较模糊的现象，这就表示两者没有同步。观察FS-OUT和DATA-OUT，这两个信号表示帧同步信号和经过调整后的数据流。因为没有连接S-FS信号，所以这两个测试点无信号。将S-PD和S-FS的跳线分别置于1.NRZ和a.NRZ上边，这表示对信源的NRZ3、

信号来进行鉴相和帧同步的提取。同时观察位同步与帧同步模块的BS-OUT和信源模块的BS信号。可以看到两个同步信号都清晰可见，表示两者同步。这

也就说明位同步模块在数据NRZ中提取出了信源中的位同步信号的相位信息。同时观察FS-OUT和DATA-OUT，看到有波形输出，可以看到这二者信号有固定的相位关系。记录波形。

将S-PD和S-FS的跳线分别置于2.CM-D和b.AK-DPSK上边，这表示对DPSK4、

解调电路的比较器输出信号来进行鉴相，将DPSK解调电路的绝对码输出作为帧同步提取的输入。同时观察位同步与帧同步模块的BS-OUT和信源模块的BS信号。可以看到两个同步信号都清晰可见，表示两者同步。这也就说明位同步模块在数据CM-D中提取出了信源中的位同步信号的相位信息。同时观察FS-OUT和DATA-OUT，看到有波形输出，可以看到帧同步电路从解调出来的绝对码中提取出了帧同步信号，这两个信号有固定的相位关系。记录波形。同时观察DATA-OUT和S-FS信号，看到两者有着一个相位差，这表示位同步与帧同步电路把输入的绝对码进行了相位调整，调整后的信号就是DATA-OUT，刚才已经看到它和FS-OUT有着固定的相位关系。FS-OUT也就标志着这帧信号数据的开始。

5、将S-PD和S-FS的跳线分别置于3.CM-F和c.AK-FSK上边，这表示对FSK解调电路的比较器输出信号来进行鉴相，将FSK解调电路的绝对码输出作为帧同步提取的输入。同时观察位同步与帧同步模块的BS-OUT和信源模块的BS信号。可以看到两个同步信号都清晰可见，表示两者同步。这也就说明位同步模块在数据CM-F中提取出了信源中的位同步信号的相位信息。同时观察FS-OUT和DATA-OUT，看到有波形输出，可以看到帧同步电路从解调出来的绝对码中提取出了帧同步信号，这两个信号有固定的相位关系。记录波形。同时观察DATA-OUT和S-FS信号，看到两者有着一个相位差，这表示位同步与帧同步电路把输入的绝对码进行了相位调整，调整后的信号就是DATA-OUT，刚才已经看到它和FS-OUT有着固定的相位关系。FS-OUT也就标志着这帧信号的数据的开始！

6、以上的过程就是位同步与帧同步模块在三种通信模型：基带通信、DPSK通信系统和FSK通信系统中的作用。整理试验记录。

六、测试点参考波形

1、位同步测试点的参考波形：

2、同步信号输出测试点的参考波形：

七、实验思考题

1、位同步的作用。 2、帧同步信号的作用。 3、数字锁相环的原理。

八、实验报告要求

1. 记录系统输出波形，和信源模块的输出位同步信号，帧同步信号比较，有什么区别？观察实验结果，看是否达到了同步的作用。

2. 数字锁相同步输入NRZ码连“0” 或连“1”个数增加时，为什么提取位同步信号时相位抖动会增大？

3. 如果输入信号是AMI或HDB3码，能否提取位同步？

4. 同步保护器中的÷3电路的分频比可否设置为其它值？此值的大小与漏识别概率有什么关系？

附录六：帧同步与位同步的原理电路图：

实验七时分复用数字基带通信系统

一、实验目的

1、掌握时分复用数字基带通信系统的基本原理及数字信号传输过程。 2、掌握位同步信号、帧同步信号在数字分接中的作用。

二、实验内容

1、用数字信源模块、数字终端模块、位同步模块及帧同步模块连成一个理想信

道时分复用数字基带通信系统，使系统正常工作。用示波器观察分接后的数据信号，用于数据分接的帧同步信号、位同步信号。 2、

三、基本原理

本实验使用数字信源模块，数字终端模块，位同步、帧同步模块。 1、数字终端模块工作原理：

原理框图如图7-1所示。它输入单极性非归零信号，位同步信号和帧同步信号，把两路数据信号从时分复用信号中分离出来，输出串行数据信号、对串行的数据进行串并转换得到两个8位的并行数据信号。两个并行信号驱动16个发光二极管，左边8个发光二极管显示第一路数据，右边8个二极管显示第二路数据，二极管亮状态表示“1”，熄灭状态表示“0”。

图 7-1 数据终端的实现框图

图 7-2 数字终端电原理图

图7-2中主要器件是EPM7032，这是一片可编程逻辑器件，框图中同步分

离和串并变换都是由这个芯片来完成的。它的输入需要位同步信号和帧同步信号和数据信号。

2、时分复用数字基带通信系统

图7-3 时分复用数字基带通信系统

图7-3为本实验箱使用的时分复用数字基带通信系统的原理方框图。数字信源输出时分复用单极性不归零码NRZ，其中有一个时隙为帧同步信号，两个时隙为数据信号。帧同步与位同步模块从NRZ中提取出帧同步信号和位同步信号，并且将数据和同步信号对齐后输出。三路信号提供给终端，终端就可以把两路复用数据信号正确的提取出来。

四、实验仪器

1、双踪示波器一台。

2、武汉大学现代通信原理实验箱一台。 3、万用表一块。

五、实验步骤

1、将信源模块的电源打开，使之正常工作；打开位同步与帧同步模块电源，使之工作；打开数字终端电源，使之正常工作。

2、将信源的同步码置为01110010，位同步与帧同步模块的S-PD和S-FS跳线组置为1.NRZ和a.NRZ，将数字终端的信号接入开关1.BS、2.FS和3.DATA全都接通。

3、此时我们已经连接好了一个基带通信系统，我们会看到数字终端的LED显示和信源的信号部分LED显示是相同的，这表示信源的数据部分已经成功的传送到数字终端。

4、改动信号1和信号2的控制开关，不要改动同步码的控制开关，注意信号1和信号2的设定不要和同步码设定相同的信号。我们会看到终端的数据显示会跟随着信源的变化而变化，这表示此通信系统是实时的通信系统。在同一坐标系下记录信源的NRZ和BS-OUT，数字终端的SIGNAL-IN、BS-IN5、

和FS-IN。理解该基带通信系统中这些信号的意义。 6、画出该基带通信系统的框图。六、测试点参考波形

1、信源NRZ测试点的参考波形：

2、同步模块的位同步的参考波形：

3、同步模块的帧同步的参考波形：

七、实验思考题

1、学习VHDL语言，编写串并变换的VHDL的实现过程？

2、位同步信号和帧同步信号在终端中的作用是什么?如果帧、位同步信号发生抖动会对系统产生什么样的影响。

3、若帧同步丢失终端的数据如何变化？

八、实验报告要求

1、根据实验自行在数据信源中拟订三组数据，在坐标纸上画出三组数据的各个测试点的波形。

2、在基带信号中改变数据位，使之与帧同步信号的数据相同，将观察到的现象记录下来，对输出的结果进行分析。

附录七：数据终端的原理电路图：

实验八时分复用2DPSK＼2FSK通信系统

一、实验目的

1、掌握时分复用2DPSK通信系统的基本原理及数字信号的传输过程。 2、掌握时分复用2FSK通信系统的基本原理及数字信号的传输过程。 3、掌握时分复用通信系统的概念。

二、实验内容

1、用数字信源、数字终端、数字调制、2DPSK解调、载波同步、位同步及帧同步等七个模块构成一个理想信道时分复用2DPSK通信系统并使之正常工作。理解通信系统的概念。

2、用数字信源、数字终端、数字调制、2FSK解调、位同步及帧同步等六个模块，构成一个理想信道时分复用2FSK通信系统并使之正常工作。

三、基本原理

图8-1给出了传输两路数字信号的时分复用2DPSK通信系统和2FSK通信系统原理框图。其中每一子块的原理在前边已讲过，这里就不再重复。

由下图所示的子块构成的系统可以将时分复用信源的信号重新提取出来，然后分成两路输出。

四、实验仪器

1、双踪示波器一台。

2、武汉大学现代通信原理实验箱一台。 3、万用表一块。

五、实验步骤

1、将信源模块的电源打开，使之正常工作；将数字调制模块电源打开，使其正常工作；打开载波同步模块电源，使其正常工作；打开数字解调模块，使之正常工作。打开位同步与帧同步模块电源，使之工作。打开数字终端电源，使之正常工作。

2、将信源的同步码置为01110010；将数字调制模块的信号接入开关全部接通，SW放置在BK上边；将调制模块的信号接入开关全部接通；将位同步与帧同步模块的S-PD和S-FS跳线组置为2.CM-D和a.AK-DPSK；将数字终端的信号

接入开关完全接通。

此时我们已经连接好了一套DPSK调制通信系统。改动信源的信号1和信号3、

2的控制开关，不要改动同步码的控制开关，注意信号1和信号2的设定不要和同步码设定相同的信号。我们会看到终端的数据显示会跟随着信源的变化而变化，这表示此通信系统是实时的通信系统。

4、终端应该显示出了信源的数据信息。如果没有，请检查上边所规定的设置，然后再根据前面的试验来调整各个模块的可调参量。

5、DPSK调制通信系统完全正常工作后在同一坐标系下记录以下波形：信源的NRZ和BS-OUT；调制模块的2DPSK和CAR；载波同步模块的VCO和CRA-OUT；数字解调模块的MU和CM-D；数字终端的SIGNAL-IN、BS-IN和FS-IN。思考基带信号在整个通信系统的每一部分的变化。

6、现在更改一些设置，将数字调制模块的信号编码开关SW放置在AK上边；

其它将位同步与帧同步模块的S-PD和S-FS跳线组置为2.CM-F和a.AK-FSK，

设置不必更改。

7、此时，我们就得到了一个FSK调制通信系统。检查整个系统设置，当终端显示信源的数据时，表示整个通信系统开始正常工作。

8、FSK调制通信系统完全正常工作后，在同一坐标系下记录以下波形：信源的NRZ和BS-OUT；调制模块的2FSK；数字解调模块的NP、LPF和CM-F；数字终端的SIGNAL-IN、BS-IN和FS-IN。思考基带信号在整个通信系统的每一部分的变化。

六、测试点参考波形

该实验是一个组合实验，波形可以参考前边实验中的波形。

七、实验报告要求

1、画出2DPSK系统中七个模块的信号连接图。

2、同步信号的上升沿为什么要处于2DPSK解调器或2FSK解调器中的低通滤波器输出信号的码元中心？

实验九 PCM 编码与解码

一、实验目的

1. 掌握PCM编译码原理。

2. 掌握PCM基带信号的形成过程及分接过程。 3. 了解时分复用的基本概念；

二、实验内容

1. 用示波器观察两路音频信号的编码结果，观察PCM基群信号。 2. 改变音频信号的频率，观察和测试译码器输出信号幅度变化情况。

三、基本原理

1、PCM编码原理：

将模拟信号的抽样量化值变换成代码，称为脉冲编码调制（PCM），它广泛应用于通信、计算机、数字仪表、遥控遥测等领域。在讨论编码之前，我们先明确自然二进制码和折叠二进制码。自然二进制码的考虑到高位的影响，码位没有相似之处，但折叠二进制码除去高位之外，其码形成折叠关系。这种码的使用特点是，对双极性信号，可以用高位来表示信号的正负极性，其余的码表示信号的绝对值，即只要正、负极性信号的绝对值相同，则可以使用同样的编码。这样，用高位表示极性后，双极性码可以用单极性码的编码方式，可见用折叠二进制码可以简化编码过程，同时折叠二进制码在传输的过程中如果出现了误码，对小信号的影响小，对于码位的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度，码位的多少决定了量化分层的多少，若信号的量化分层数一定，则编码位数也确定。当输入信号的变化范围一定时，用的码位越多，量化分层越细，量化噪声就越小，码位数就越多。关于码位的安排，一般都按照极性码、段落码、段内码的顺序进行编码，下面结合13折线的编码来加以说明：无论输入的信号是正还是负，均按照8段折线进行编码，8位的折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化时，第一位表示量化的极性，第二位到第八位表示抽样量化的绝对值的大小，其中的第二位到第四位的八种可能表示8个段落的起点电平，其他的4位码的16种状态表示每一段落的16个均匀划分的量化级，这样划分的结果是不同的段落间的量化级是非均匀的。输入信号小时，段落短，量化级间隔小，反之，量化级的间隔大。在13折线中，第一、二段最短、只有归一化的1/128，在将它16等分后每一小段长度为1/2048。这就是最小的量化级间隔，它仅有归一化值的1／2048。第八段最长，它是归一化值的1／2，将它等分16小段后得每一小段长度为1／32。按照上述同样的方法，可以计算出每一段落的结果。

以上讨论是非均匀量化时的情形，现在我们将非均匀量化和均匀量化作一比较。假设以非均匀量化时的最小量化级间隔(第一、二段落的量化级间隔)作为均匀量化时的量化级间隔，那么从13折线的第一到第八段各段所包含的均匀量化级数分别为16、16、32、64，128、256、512、1024，总共有2048个均匀量化级，而非均匀量化时只有128个量化级．因此均匀量化需要编11位码，非

均匀量化只要编7位码。可见，在保证小信号区间量化间隔相同的条件下，7位非线性编码与11位线性编码等效。由于非线性编码的码位数减少，因此设备简化，所需传输系统带宽减小。

现在来说明逐次比较型编码的原理：编码器的任务就是要根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制代码，除第一位极性码外，其他7位二进制代码是通过逐次比较确定的。预先规定好一些作为标准的电流(或电压)，称为权值电流，用符号IW表示。IW的个数与编码位数有关。当样值脉冲到来后，用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流IW去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码，直到IW和抽样值IS逼近为止。逐次比较型编码器的原理方框如图9-1所示：

图9-1逐次比较型编码器

它由整流器、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。

整流器用来判别输入样值脉冲的极性，编出第一位码(极性码)。样值为正时，出“1”码，样值为负时，出“0”码。同时将双极性脉冲变换成单极性脉冲。

比较器通过样值电流IS和标准电流IW进行比较，从而对输入信号抽样值实现非线性量化和编码。每比较一次输出一位二进代码，且当IS>IW时，出“1”码，反之出“0”码。由于13折线法中用了7位二进代码来代表段落和段内码，所以对一个输入信号的抽样值需要进行7次比较。每次所需的标准电流IW均由本地译码电路提供。

本地译码电路包括记忆电路、7/11变换电路和恒流源。记忆电路用来寄存二进代码，除因第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流IW值。因此，7位码组中的前6位状态均应由记忆电路寄存下来。7/11变换电路就是前面非均匀量化中谈到的数字压缩器。因为采用非均匀量化的7位非线性编码等效于11位线性码，而比较器只能编7位码，反馈到本地译码电路的全部码也只有7位。因为恒流源有11个基本权值电流支路，需要11个控制脉冲来控制，所以必须经过变换，把7位码变成11位码，其实质就是完成非线性和线性之间的变换。

恒流源用来产生各种标准电流值。为了获得各种标准电流值，在恒流源中有数个基本权值电流支路。基本的权值电流个数与量化级数有关，如上面的128个量化级需要编7位码，它要求11个基本的权值电流支路，每个支路均有一个控制开关。每次该哪几个开关接通组成比较用的标准电流IW，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。

保持电路的作用是保持输入信号的抽样值在整个比较过程中具有一定的幅度。由于逐次比较型编码器编7位码(极性码除外)需要将IS与IW比较7次，在整个比较过程中都应保持输入信号的幅度不变，故需要采用保持电路。

2、PCM信号的译码原理：

常用译码器大致可分为三种类型：电阻网络型、级联型、级联--网络混合型等。这里仅就图9—2所示的电阻网络型译码器加以讨论。电阻网络型译码器与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同。从原理上说，两者都是用来译码，但编码器中的译码，只译出信号的幅度，不译出极性：而收端的译码器在译出信号幅度值的同时，还要恢复出信号的极性电阻网络型译码器。图9-2电阻网络译码器的各部分电路的作用简述如下：

图9-2电阻网络型译码器

记忆电路用来将接收的串行码变为并行码，故又称为“串/并变换”电路。7/11变换电路用来将表示信号幅度的7位非线性码转变为11位线性码。极性控制电路用来恢复译码后的脉冲极性。寄存读出电路把寄存的信号在一定时刻并行输出到恒流源中的译码逻辑电路上去，使产生所需要的各种逻辑控制脉冲。这些逻辑控制脉冲加到恒流源的控制开关上，从而驱动权值电流电路产生译码输出。

由以上电阻网络型译码器各部分电路的作用，不难理解这种译码器的工作原理。其译码过程就是根据所收到的码组(极性码除外)产生相应的控制脉冲去控制恒流源的标准电流支路，从而输出一个与发送端原抽样值接近的脉冲。该脉冲的极性受极性控制电路控制。

3、PCM编解码的电路实现：

电路的原理方框图如图9-3所示。

该电路由晶体振荡电路、帧同步信号产生器、编码器、译码器、正弦信号振荡器、话筒电路和耳机电路组成。其中晶体振荡电路用4.096MHZ的晶体谐振器组成振荡电路，通过分频得到PCM编码和解码的位时钟2.048MHZ，帧同步信号产生器产生的同步信号来完成两路信号的复接，正弦信号振荡器用来提供两路模拟信号，话筒电路和耳机是图中的语音电路，完成语音信号的生成与拾取。

图9-3 PCM编译码原理方框图

本模块晶振为4096kHZ，它经过二分频后成为2048kHZ，这个信号就成为PCM编译码器的时钟信号。8分频电路控制帧同步码的产生，32分频电路控制时隙同步信号的产生。在实际通信系统中，译码器的时钟信号及帧同步信号应当从接收到的数据流中提取，方法如前面实验所述。此处则直接将时钟信号及帧同步信号送给译码器。

图9-4 晶振模块电路

由于时钟频率为2048kHZ，抽样信号频率为8kHZ，故PCM-A、 PCM-B的码率都是2048kB，一帧中有32个时隙，本实验只用到3个时隙，所以其余时隙都为零即空时隙。

本实验产生的PCM信号类似于PCM基群信号，但第16个时隙没有信令，第0个时隙与PCM基群信号也不完全相同。本实验第0个时隙为帧同步码（01110010），第2个时隙为信号A的时隙，第1（或3、5、7）个时隙为信号B的时隙（由跳线开关选择）。

模块上共有4个开关K1、K2是用来选择A、B输入到编码器的信号。当K1、K2都拨到上边时，输入到编码器的信号是两个正弦信号，当K1、K2 都拨到下边时，输入到编码器的是A、B两路语音电路输出的语音信号。K3是8

个开关组，用来产生帧同步码。K4是4个开关组，用来选择产生slb。

模块有两路语音传输电路，可以实现两个人互相对话。将K1、K2 都拨到下边，插上耳机和麦克风后就可以进行通话。

正弦波发生电路：由UA741运算放大器组成文氏振荡电路，通过调整可调电阻的值来确定起振条件。如图9-5所示。

图9-5 模拟信号发生电路

语音通话功能电路：模块中MIC的输出的语音信号很小，设计一个放大器进行放大，两个用LM358组成的放大器分别将两路话筒的传出的语音信号放大

图9－6 语音通话电路后送到PCM编码器的两个输入端口，如图9-6所示。功率放大器：

图 9-7 功率放大器

TP3057简介

本模块的核心器件是A律PCM编译码集成电路TP3057，它是CMOS工艺制造的专用集成电路，片内有输出输入话路滤波器，其引脚框图如下：

图9-8 TP3057外观图

其引脚功能如下：

（1）V— 接-5V电源；（2 ） GND 接地；

（3）VFRO 接收部分滤波器模拟信号输出端；（4）V+ 接+5V电源；

（5）FSR 接收部分帧同步信号输入端，此信号为8KHZ脉冲序列；（6）DR 接收部分PCM码流输入端；

（7）BLCKR接收部分位同步时钟输入端，此信号将PCM码流在FSR上升沿后逐位移入DR端，时钟可以为64KHZ到2048KHZ的任意频率，或者输入逻辑“1”或“0”电平以选择1536KHZ、1544KHZ、2048KHZ作为同步模式的主时钟；

（8）MCLKR接收部分主时钟输入端，此信号频率须为1536KHZ、1544KHZ或2048KHZ。可以和MCLKX异步，但是同步工作时可以达到最佳状态。当MCLKR连续处在低电位时，所有内部定时信号都选择MCLKX信号，当MCLKR连续处在高电平时，器件处于掉电模式；

（9）MCLKX 发送部分主时钟信号输入端，此信号频率须为1536KHZ、1544KHZ或2048KHZ。可以和MCLKR异步，但同步时可达最佳状态；

（10）BCLKX 发送部分时钟输入端，此信号将PCM码流在FSX信号上升沿后逐位移出DX端，频率可以为64KHZ到2048KHZ的任意频率，但必须与MCLKX同步；

（11）DX 发送部分PCM码流三态门输出端；

（12）FSX 发送部分帧同步信号输入端，此信号为8KHZ脉冲序列；（13）TSX 漏极开路输出端，在编码时隙输出低电平；（14）GSX 发送部分增益调整信号输入端；（15）VFXI— 发送部分放大器反向部分输入端；（16）VFXI+ 发送部分放大器正向部分输入端。

图9-9 TP3057内部结构框图

TP3057由发送和接收两部分组成，其功能简述如下。发送部分：

包括可调增益放大器、抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器、压缩A/D转换器。抗混淆滤波器对采样频率提供30dB以上的衰减，从而避免了任何片外滤波器的加入。低通滤波器是5阶的，时钟频率为128MHZ。高通滤波器是3阶的，时钟频率为32KHZ。高通滤波器的输出信号送给阶梯波产生器（采样频率为8KHZ）。阶梯波产生器、逐次逼近寄存器、比较器及比特提取单元等4个部分共同组成一个压缩式A/D转换器。逐次逼近寄存器输出的并行码经并串转换后变成PCM信号。参考信号源提供各种精确的基准电压，允许编码输入电压最大幅度为5VP-P。

发帧同步信号FSX为采样信号。每个采样脉冲都使编码器进行两项工作：在8比特位同步信号BCLKX的作用下，将采样值进行8位编码并存入逐次逼近寄存器；将前一采样值的编码结果通过输出端DX输出。在8比特位同步信号以后，DX端处于高阻状态。接收部分：

包括扩张D/A转换器和低通滤波器。低通滤波器符合AT&T D3/D4标准和CCITT协议。D/A转换器由串并变换、D/A寄存器D/A阶梯波形成等部分构成。在收帧同步脉冲FSR上升沿及其之后的8个位同步脉冲BCLKR作用下，8比特PCM数据进入接收数据寄存器（即D/A寄存器），D/A阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A变换，并保持变换后的信号形成阶梯波信号。此信号被送到时钟频率为128KHZ的开关电容低通滤波器，此低通滤波器对阶梯波进行平滑

滤波并对孔径失真（sinx）/x进行补偿。

在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明PCM编译码器性能。动态范围定义的是译码器输出信噪比大于25dB时允许编码器输入信号幅度变化范围。当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码器输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。TP3057编译码器系统不过载时输入信号的最大幅度为5VP-P。

由于采用对数压扩技术，PCM编译码系统可以改善小信号的量化信噪比，TP3057采用A律13折线对信号进行压扩。当信号处于某一段落时，量化噪声不变（因为在此段内对信号进行均匀量化），因此在同一段落内量化信噪比随信号减小而下降。13折线压扩特性曲线将正负信号各分为8段，第1段信号最小第8段信号最大。当信号处于第1、2段时，量化噪声不随信号幅度变化。因此当信号太小时，量化信噪比会小于25dB，这就是动态范围的下限。TP3057编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为0.025VP-P。

常用1KHZ的正弦信号作为输入信号来测量TP3057编译码器的动态范围。语音信号的抽样信号频率为8KHZ为了不发生频谱混叠，常将语音信号经过截止频率为3.4KHZ的低通滤波器处理后再进行A/D处理。语音信号的最低频率一般为300HZ。TP3057编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。这就是PCM编译码系统频率特性的含义。本模块在EPM7032SLC中写入的内容如图9-10所示。

图9-10 EPM7032内部电路示意图

四、实验仪器

1、双踪示波器一台。

2、武汉大学现代通信原理实验箱一台。 3、万用表一块。

五、实验步骤

1、打开PCM编码与解码模块电源，使之正常工作。

2、观察SA，看是否有正弦波产生，如果没有，调节R9，使得SA有正弦波产生。记录波形，记下频率和幅度。

3、观察SB，看是否有正弦波产生，如果没有，调节R8，使得SB有正弦波产生。记录波形，记下频率和幅度。

4、将信号选择开关K1和K2分别拨到SA和SB上。这表示对两个正弦波进行PCM编码、传输和解码。记录波形。

5、观察PCM信号，认识一帧32路PCM时分复用信号的帧结构。其中PCM信号在闪烁是正常现象，这是因为PCM信号是一直在变化着的，我们得不到固定不变的信号。记录波形。

6、观察PCM信号时，分别观察PCMA和PCMB，PCMA和PCMB的意思是SA信号经PCM编码后的数据和SB信号经PCM编码后的数据。我们可以确定SA信号和SB信号在一帧32路PCM时分复用信号中的位置。记录波形。 7、观察SLA、SLB和SL0，它们分别表示SA信号的时隙位置、SB信号的时隙位置、第0个时隙位置。记录波形。

8、观察PCM信号，同时观察SL0，拨动8bit拨盘开关，会看到PCM信号的第一个信号在随着你的拨动而变化，这表明第0路时隙的信号是受你控制的。记录波形。

9、观察PCM信号，同时观察SLB，更改跳线组J1的设置，我们会看到SLB和PCM中PCMB信号的位置发生了变化，这个说明了J1是更改PCMB时隙位置的控制选择端。

将信号选择开关K1和K2拨到IN-A和IN-B方向，这表明选择外界输入信10、

号来进行PCM编码、传输和解码。

11、在相应位置插上麦克风和耳机，注意不要插错。两个人可以同时使用该系统进行通话，真实的感受一下该PCM编码与解码电路的效果。

六、测试点参考波形

1、PCM测试点的参考波形为：

PCM PCMB PCMA

2、SL0时隙的参考波形：

SL0

3、SLA时隙的参考点的测试波形： SLA

4、SLB时隙的参考点的波形： SLB 说明：

另两个是对输入模拟信号进行编码后的信PCM中有三路信号一个是同步信号，

号，这里称作PCMA、PCMB。同步信号是固定的，如图。PCMA、PCMB信号则是不断在变化着的，所以用虚线表示。时隙信号SL0和SLA是固定位置的。SLB则是可以选择的，这里只画出了一种情况。

七、思考题

设PCM通信系统传输两路话音，每帧三个时隙，每路话音占一个时隙，另一个时隙为帧同步码所用，使用TP3057编译码器。

求（1）编码器的抽样信号频率即时钟信号频率，及两个抽样信号的相位关系。（2）时分复用信号码速率、帧结构。

（3）采用PCM基带传输，线路为HDB3码，设计此通信系统的详细方框图及PCM编译码电路。

（4）采用PCM/2DPSK频带传输，设计此通信系统的方框图。

八、实验报告要求

1、记录实验中测试点波形。

2、理解时隙信号和时钟信号的关系。 3、理解时分复用的概念。

附录8：PCM的编码与解码的原理电路图

附录九：实验箱中部分芯片管脚一览表

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ৰ 15 ) ݅ 44 ) 82

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ৰ 16 ) ݅ 44 ) 83

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3. ᘏ඗ඡᇍۅ੠ּᇍۅՈবᤶᢈᕟˈᴀᅲɀᰃϵඡᇍۅবּᇍۅˈႮᏅ

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ৰ 18 ) ݅ 44 ) 85

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ϔǃᅲɀֲՈ

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ৰ 19 ) ݅ 44 )

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߭Ud˄t˅= Udsin θe(t), θe(t)= θi(t)- θo(t),

2dpskֵোඓ⏅ּɳ⏅ּৢᕫࠄϔϾࣷᅮՈℷᓺֵোˈᅗՈEɋᰃṗ

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Ǆ៥Ӏᡞᅗᬒ໻ˈ2dpskֵোৠ2dpsk

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ৰ 20 ) ݅ 44 ) ԢỞ៥Ӏ᪂าˈৃҹЁ≵᳝঺໪BSᦤկǄ छ⊓ᢪথˈ

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ᑧЁˈ᳝

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1. ᪂า₋ḋEɋ੠₋ḋ⚍᭄

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ৰ 21 ) ݅ 44 )

5.ᇍ+ிඣЁ৘໘ṗߎ⊶ᔶˈৃҹ᳈ࡴ⏙᱄ഄˊᢧ↣Ͼ఼ӊՈࡳ࿁ˈẝᇍ

ˊᢧᭈϾிඣ᳝ᕜ໻ᐂࡽǄ

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1.ᩴᔩ2dpskֵোṁ⊶⊶ᔶ੠ᴀிඣṗߎ⊶ᔶǄ 2.ḍ᥂ҹࠡ᠔ᄺᘏ඗⏅ּɳᎹ԰ॳˊǄ

3.೼ிඣЁỆᔧՈࡴϔѯాໄ

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ᨁᓎ2FSKẋ►Ẕ⌟ᢧ᫇ிඣˈᢆᆳ৘⚍⊶ᔶˈˊᢧᢧ᫇ॳˊǄ

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3. ּЬ఼੠ּࡴ఼ህ೼෎ᴀህৃҹњǄ

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1. ႮᅮНֵ⑤఼ӊ ᪩఼ӊՈখ᭄Ḛ᳝ĀṗߎϾ᭄ā੠ĀṗߎᜬẂᓣā

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2. ↨ṇ఼ བϞ೒ 63ᰃϔϾ↨ṇ఼ˈᅗ᳝ϸϾṗܹˈ៥Ӏ׏ࠄϔϾႮ

ᅮНֵ⑤఼ӊ੠ᅗּẢˈℸ໘ႮᅮНֵ⑤఼ӊᑊ☢ᰃϬѢṉࡽ԰Ϭ໐ᰃᦤկ↨ṇϹय़Ǆ

3. ऩࣷᗕᢪথ఼ ᅗ᳝ϝϾṗܹ঳ˈinput A*ˈinputBǄClear*Ǆߚ߿Ў

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5. ☢⒬ Ởᐌָ᥹Ϭेৃˈ೼2FSKẋ►Ẕ⌟ᢧ᫇Ոᬒ໻఼ৢṽՈৰϔ

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ৰ 26 ) ݅ 44 )

ҹϞϝ೒ҢϞࠄϟߚ߿ᰃ2FSKẋ►Ẕ⌟ᢧ᫇ṗߎˈ2DPSKּᑆᢧ᫇ṗߎˈֵ⑤ṗߎǄϵ೒៥Ӏৃҹ׏ࠄϞϸᐙᇍѢϟϔᐙ᳝ϔԡᓊảˈẝᰃ಴Ўᢧ᫇ிඣ᳝ϔԡᓊảˈẝϔ⚍Ң݋ԧϹᲳЁгৃҹ׏ߎᴹǄ໐ৰѠᐙՈᓔྟᾬߚজ੠ৰϔᐙϡ໻ϔḋˈẝজᰃ಴Ўிඣᴀᵯॳ಴Ụ៤Ոˈϡẋẝᰃܕ᩼Ոˈ಴ЎṗߎৰϔԡᰃᏻৠℹֵোՈৰϔԡˈ໐ᏻৠℹֵোৰϔԡᰃϡӴỖֵᙃՈˈ᠔ҹℸ໘ϡᕅડᭈϾֵোՈᢧ᫇Ǆ Ѩᅲɀℹɘ

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105

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106

ৰ 39 ) ݅ 44 )

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4.ˊᢧᯊߚ໡Ϭ᭄ᄫ᫇ࠊỞֵிඣ੠ᯊߚ໡Ϭ᭄ᄫ෎ᏺỞֵிඣՈ݇ிǄ

Ѡǃ᪙ɀݙᆍ

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109

ৰ 42 ) ݅ 44 )

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110

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111

ৰ 44 ) ݅ 44 )

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