通信系統實驗指導-通信原理實驗指導書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 性不歸零碼BNRZ，當“0”、“1”等概時m(t)中無直流分量，S(t)中無載頻分量，2DPSK信號的頻譜與2PSK相同。 2ASK信號的時域表達式與2PSK相同，但m(t)為單極性不歸零碼NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信號中有載頻分量。 2FSK信號（相位不連續2FSK）可看成是AK與調制不同載頻信號形成的兩個2ASK信號相加。時域表達式為，式中m(t)為NRZ碼。圖25 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信號功率譜 設碼元寬度為TS，fS =1／TS在數值上等于碼速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率譜密度如圖25所示。可見，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率譜是數字基帶信號m(t)功率譜的線性搬移，故常稱2ASK、2PSK（2DPSK）為線性調制信號。多進制的MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK信號的功率譜與二進制信號功率譜類似。 本實驗系統中m(t)是一個周期信號，故m(t)有離散譜，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK也具有離散譜。四、 實驗步驟 本實驗使用數字信源單元及數字調制單元。 熟悉數字調制單元的工作原理。接通電源，打開實驗箱電源開關。將數字調制單元單刀雙擲開關K7置于N端。 用數字信源單元的FS信號作為示波器的外同步信號，示波器CH1接信源單元的(NRZOUT)AK，CH2接數字調制單元的BK，信源單元的KKK3置于任意狀態（非全0），觀察AK、BK波形，總結絕對碼至相對碼變換規律以及從相對碼至絕對碼的變換規律。示波器CH1接2DPSK，CH2分別接AK及BK，觀察并總結2DPSK信號相位變化與絕對碼的關系以及2DPSK信號相位變化與相對碼的關系（此關系即是2PSK信號相位變化與信源代碼的關系）。注意：2DPSK信號的幅度比較小，要調節示波器的幅度旋鈕，而且信號本身幅度可能不一致，但這并不影響信息的正確傳輸。 示波器CH1接AK、CH2依次接2FSK和2ASK；觀察這兩個信號與AK的關系（注意“1”碼與“0”碼對應的2FSK信號幅度可能不相等，這對傳輸信息是沒有影響的）。 用頻譜議觀察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信號頻譜（條件不具備時不進行此項觀察）。五、 實驗報告要求 設絕對碼為全全0或1001 1010，求相對碼。 設相對碼為全全0或1001 1010，求絕對碼。 設信息代碼為1001 1010，畫出2DPSK及2PSK信號波形。 總結絕對碼至相對碼的變換規律、相對碼至絕對碼的變換規律并設計一個由相對碼至絕對碼的變換電路。總結2DPSK信號的相位變化與信息代碼(即絕對碼)之間的關系以及2DPSK信號的相位變化與相對碼之間的關系（即2PSK的相位變化與信息代碼之間的關系）。實驗三 模擬鎖相環與載波同步一、 實驗目的 1. 掌握模擬鎖相環的工作原理，以及環路的鎖定狀態、失鎖狀態、同步帶、捕捉帶等基本概念。 2. 掌握用平方環法從2DPSK信號中提取相干載波的原理及模擬鎖相環的設計方法。3. 了解相干載波相位模糊現象產生的原因。二、 實驗內容 1. 觀察模擬鎖相環的鎖定狀態、失鎖狀態及捕捉過程。 2. 觀察環路的捕捉帶和同步帶。3. 用平方環法從2DPSK信號中提取載波同步信號，觀察相位模糊現象。三、 基本原理通信系統中常用平方環或同相正交環（科斯塔斯環）從2DPSK信號中提取相干載波。本實驗系統的載波同步提取模塊用平方環，原理方框圖如圖31所示，電原理圖如圖32所示（見附錄）。模塊內部使用+5V、+12V、12V電壓，所需的2DPSK輸入信號已在實驗電路板上與數字調制單元2DPSK輸出信號連在一起。圖31 載波同步方框圖 本模塊上有以下測試點及輸入輸出點： MU 平方器輸出測試點，VPP＞1V VCO VCO輸出信號測試點，VPP＞ Ud 鑒相器輸出信號測試點 CAROUT 相干載波信號輸出點/測試點 圖31中各單元與電路板上主要元器件的對應關系如下： 平方器 U25：模擬乘法器MC1496 鑒相器 U23：模擬乘法器MC1496；U24：運放UA741 環路濾波器 電阻R2R68；電容C11 壓控振蕩器 CRY2：晶體；NN4：三極管3DG6 放大整形 NN6：3DG6；U26:A：74HC04 247。2 U27：D觸發器7474 移相器 U28：單穩態觸發器7474 濾波器 電感L2；電容C30 下面介紹模擬鎖相環原理及平方環載波同步原理。鎖相環由鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）及壓控振蕩器（VCO）組成，如圖33所示。圖33 鎖相環方框圖 模擬鎖相環中，PD是一個模擬乘法器，LF是一個有源或無源低通濾波器。鎖相環路是一個相位負反饋系統，PD檢測ui(t)與uo(t)之間的相位誤差并進行運算形成誤差電壓ud(t)，LF用來濾除乘法器輸出的高頻分量（包括和頻及其他的高頻噪聲）形成控制電壓uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。設ui(t)=Uisin[ωit+θi(t)]，uo(t)=Uocos[ωit+θo(t)]，則ud(t)=Udsinθe(t)，θe(t)=θi(t)θo(t)，故模擬鎖相環的PD是一個正弦PD。設uc(t)=ud(t)F(P)，F(P)為LF的傳輸算子，VCO的壓控靈敏度為K o，則環路的數學模型如圖34所示。圖34 模擬環數學模型 當時，令Kd=Ud為PD的線性化鑒相靈敏度、單位為V/rad，則環路線性化數學模型如圖35所示。圖35 環路線性化數學模型 由上述數學模型進行數學分析，可得到以下重要結論： 當ui(t)是固定頻率正弦信號(θi(t)為常數)時，在環路的作用下，VCO輸出信號頻率可以由固有振蕩頻率ωo（即環路無輸入信號、環路對VCO無控制作用時VCO的振蕩頻率），變化到輸入信號頻率ωi，此時θo(t)也是一個常數，ud(t)、uc(t)都為直流。我們稱此為環路的鎖定狀態。定義Δωo=ωiωo為環路固有頻差，Δωp表示環路的捕捉帶，ΔωH表示環路的同步帶，模擬鎖相環中ΔωpΔωH。當|Δωo|ΔωP時，環路可以進入鎖定狀態。當|Δωo|ΔωH時環路可以保持鎖定狀態。當|Δωo|ΔωP時，環路不能進入鎖定狀態，環路鎖定后若Δωo發生變化使|Δωo|ΔωH，環路不能保持鎖定狀態。這兩種情況下，環路都將處于失鎖狀態。失鎖狀態下ud(t)是一個上下不對稱的差拍電壓，當ωiωo，ud(t)是上寬下窄的差拍電壓；反之ud(t)是一個下寬上窄的差拍電壓。 環路對θi(t)呈低通特性，即環路可以將θi(t)中的低頻成分傳遞到輸出端，θi(t)中的高頻成分被環路濾除?；蛘哒f，θo(t)中只含有θi(t)的低頻成分，θi(t)中的高頻成分變成了相位誤差θe(t)。所以當ui(t)是調角信號時，環路對ui(t)等效為一個帶通濾波器，離ωi較遠的頻率成分將被環路濾掉。 環路自然諧振頻率ωn及阻尼系數ζ(具體公式在下文中給出)是兩個重要參數。ωn越小，環路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；ζ越大，環路穩定性越好。 當環路輸入端有噪聲時，θi(t)將發生抖動，ωn越小，環路濾除噪聲的能力越強。實驗一中的電荷泵鎖相環4046的性能與模擬環相似，所以它可以將一個周期不恒定的信號變為一個等周期信號。 有關鎖相環理論的詳細論述，請讀者參閱文獻[3]。對2DPSK信號進行平方處理后得，此信號中只含有直流和2ωc頻率成分，理論上對此信號再進行隔直流和二分頻處理就可得到相干載波。鎖相環似乎是多余的，當然并非如此。實際工程中考慮到下述問題必須用鎖相環： 平方電路不理想，其輸出信號幅度隨數字基帶信號變化，不是一個標準的二倍頻正弦信號。即平方電路輸出信號頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。 接收機收到的2DPSK信號中含有噪聲（本實驗系統為理想信道，無噪聲），因而平方電路輸出信號中也含有噪聲，必須用一個窄帶濾波器濾除噪聲。 鎖相環對輸入電壓信號和噪聲相當于一個帶通濾波器，我們可以選擇適當的環路參數使帶通濾波器帶寬足夠小。 對于本模擬環，ωn、ζ、環路等效噪聲帶寬BL及等效帶通濾波器的品質因數的計算公式如下： 式中fo=106（HZ），等于載頻的兩倍。 設計環路時通過測量得到Kd、Ko，~1，根據任務要求選定ωn后即可求得環路濾波器的元件值。當固有頻差為0時，模擬環輸出信號的相位超前輸入相位90176。，必須對除2電路輸出信號進行移相才能得到相干載波。移相電路由兩個單穩態觸發器U28:A和U28:B構成。U28:A被設置為上升沿觸發，U28:B為下降沿觸發，故改變U28:A輸出信號的寬度即可改變U28:B輸出信號的相位，從而改變相干載波的相位。此移相電路的移相范圍小于90176。在鎖定狀態下微調C34也會改變輸出信號與輸入信號的相位關系（為什么，請思考）?？蓪ο喔奢d波的相位模糊作如下解釋。在數學上對cos2ωct進行除2運算的結果是cosωct或cosωct。實際電路也決定了相干載波可能有兩個相反的相位，因二分頻器的初始狀態可以為“0”也可以是“1”。四、 實驗步驟 本實驗使用數字信源單元、數字調制單元和載波同步單元。 。接好電源線，打開實驗箱電源開關。 （用示波器觀察NRZ(AK)和2DPSK信號有無，兩者邏輯關系正確與否）。 3. 用示波器觀察載波同步模塊鎖相環的鎖定狀態、失鎖狀態，測量環路的同步帶、捕捉帶。 環路鎖定時ud為直流、環路輸入信號頻率等于反饋信號頻率（此鎖相環中即等于VCO信號頻率）。環路失鎖時ud為差拍電壓，環路輸入信號頻率與反饋信號頻率不相等。本環路輸入信號頻率等于2DPSK載頻的兩倍，即等于調制單元CAR信號頻率的兩倍。環路鎖定時VCO信號頻率等于CAROUT信號頻率的兩倍。所以環路鎖定時調制單元的CAR和載波同步單元的CAROUT頻率完全相等。根據上述特點可判斷環路的工作狀態，具體實驗步驟如下：（1）觀察鎖定狀態與失鎖狀態打開電源后用示波器觀察ud，若ud為直流，則調節載波同步模塊上的可變電容C34，ud隨C34減小而減小，隨C34增大而增大（為什么？請思考），這說明環路處于鎖定狀態。用示波器同時觀察調制單元的CAR和載波同步單元的CAROUT，可以看到兩個信號頻率相等。若有頻率計則可分別測量CAR和CAROUT頻率。在鎖定狀態下，向某一方向變化C34，可使ud由直流變為交流，CAR和CAROUT頻率不再相等，環路由鎖定狀態變為失鎖。接通電源后ud也可能是差拍信號，表示環路已處于失鎖狀態。失鎖時ud的最大值和最小值就是鎖定狀態下ud的變化范圍（對應于環路的同步范圍）。環路處于失鎖狀態時，CAR和CAROUT頻率不相等。調節C34使ud的差拍頻率降低，當頻率降低到某一程度時ud會突然變成直流，環路由失鎖狀態變為鎖定狀態。（2）測量同步帶與捕捉帶環路處于鎖定狀態后，慢慢增大C34，使ud增大到鎖定狀態下的最大值ud1（此值不大于+12V）；繼續增大C34，ud變為交流（上寬下窄的周期信號），環路失鎖。再反向調節減小C34，ud的頻率逐漸變低，不對稱程度越來越大，直至變為直流。記環路剛剛由失鎖狀態進入鎖定狀態時鑒相器輸出電壓為ud2；繼續減小C34，使ud減小到鎖定狀態下的最小值ud3；再繼續減小C34，ud變為交流（下寬上窄的周期信號），環路再次失鎖。然后反向增大C34，記環路剛剛由失鎖狀態進入鎖定狀態時鑒相器輸出電壓為ud4。令ΔV1=ud1 ud3，ΔV2=ud2 ud4，它們分別為同步范圍內及捕捉范圍內環路控制電壓的變化范圍，可以發現ΔV1＞ΔV2。設VCO的靈敏度為K0(HZ/V)，則環路同步帶ΔfH及捕捉帶ΔfP分別為：ΔfH =K0ΔV1/2 ，ΔfP =K0ΔV2/2 。應說明的是，由于VCO是晶體壓控振蕩器，它的頻率變化范圍比較小，調節C34時環路可能只能從一個方向由鎖定狀態變化到失鎖狀態，此時可用ΔfH =K0(ud16）或ΔfH =K0(6ud3）、ΔfP =K0(ud26）或ΔfP =K0(6ud4）來計算同步帶和捕捉帶，式中6為ud變化范圍的中值（單位：V）。作上述觀察時應注意： ud差拍頻率低但幅度大，而CAR和CAROUT的頻率高但幅度很小，用示波器觀察這些信號時應注意幅度旋鈕和頻率旋鈕的調整。 失鎖時，CAR和CAROUT頻率不相等，但當頻差較大時，在鑒相器輸出端電容的作用下，ud幅度較小。此時向某一方向改變C34，可使ud幅度逐步變大、頻率逐步減小、最后變為直流，環路進入鎖定狀態。 環路鎖定時，ud不是一個純凈的直流信號，在直流電平上疊加有一個很小的交流信號。這種現象是由于環路輸入信號不是一個純凈的正弦信號所造成的。 4. 觀察環路的捕捉過程 先使環路處于失鎖定狀態，慢慢調節C34，使環路剛剛進入鎖定狀態后，關閉電源開關，然后再打開電源，用示波器觀察ud，可以發現ud由差拍信號變為直流的變化瞬態過程。ud的這種變化表示了環路的捕捉過程。 5. 觀察相干載波相位模糊現象使環路鎖定，用示波器同時觀察調制單元的CAR和載波同步單元的CAROUT信號，調節電位器P1或微調電容C34使兩者成為反相或同相。反復斷開、接通電源可以發現這兩個信號有時同相、有時反相。五、實驗報告