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北邮通信原理硬件实验报告


电子工程学院
通信原理硬件实验报告

姓名

班级 2013211207

学号

班内序号

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指导教师:







实验日期:2016 年 4 月

23 日—4 月 24 日

实验一双边带抑制载波调幅(DSB-SC AM)
一、实验目的
(1)了解 DSB-SC AM 信号的产生以及相干解调的原理和实现方法 (2)了解 DSB-SC AM 信号波形以及振幅频谱特点,并掌握其测量方法 (3)了解在发送 DSB-SC AM 信号加导频分量的条件下,收端用锁相环提取载波的原 理及其实现方法 (4)掌握锁相环的同步带和捕捉带的测量方法,掌握锁相环提取载波的调试方法

二、实验原理
AM 信号的产生及相干解调原理框图如图 1.1
增益G m(t) Acm(t)cos2πfct DSB_SC AM信号 cos(2πfct+φ) 增益g Apcos2πfct c(t) 导频分量 90度 sin(2πfct+φ) LPF s(t) LPF ( t) 输出

VCO

图 1.1 由图知,锁相环乘法器的输出为: [Ac m t cos2πfc t + Ap cos2πfc t] ? sin cos2πfc t + φ Ap Ac m t sinφ + sin cos4πfc t + φ + sinφ + sin cos4πfc t + φ 2 2 经过锁相环反馈,相干解调时与恢复载波想成,则 = [Ac m t cos2πfc t + Ap cos2πfc t] ? cos cos2πfc t + φ =
Ac 2

m t cosφ + cos cos4πfc t + φ +
A

Ap 2

cosφ + cos cos4πfc t + φ , 经过 LPF、

隔直流后,输出为 2c m t cosφ.

三、实验步骤及实验结果
(一)DSB-SC AM 信号的产生

1、实验步骤 (1) 按照图 1.2 所示,将音频振荡器输出的模拟音频信号及主振荡器输出 的 100khz 模拟载波信号分别用连接线连至乘法器的两个输入端 (2) 用示波器观看音频振荡器输出信号的信号波形幅度及振荡频率,调整 音频信号的输出频率为 10khz,作为均值为 0 的控制信号 (3) 用示波器观看主振荡器输出信号波形的幅度及振荡频率 (4) 用示波器观看乘法器的输出波形,并注意已调信号波形的相位翻转与 调制信号波形关系 (5) 测量已调信号的振幅频谱,注意其振幅频谱的特点 (6) 按照图将 DSB-SC AM 信号及导频分别连到加法器的输入端,观看加法 器的输出波形及振幅频谱,分别调整加法器中的增益 G 和 g,具体调 整方法如下 (a) 首先调整增益 G:将加法器的 B 输入接地端接地, A 输入端接已 调信号,用示波器观看加法器 A 输入端的信号幅度与加法器输 出信号幅度。调节旋钮 G,使得加法器暑促幅度与输入一致, 说明此时 G=1 (b) 将调整增益 g:加法器 A 输入端仍接已调信号,B 输入端接导频 信号。用频谱仪观看加法器输出信号的振幅频谱,调节增益 g 旋钮,使导频信号振幅频谱的幅度为已调信号的边带频谱幅度 的 0.8 倍。此导频信号功率约为已调信号功率的 0.32 倍。

图 1.2 DSB-SC AM 信号加导频的实验连接图 2、实验结果和分析: 主振荡器输出波形(100kHz 余弦信号) :

乘法器输出波形:

从输出波形可以看出,已调信号波形存在相位翻转。

已调信号振幅频谱:
dB

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0 kHz 20 40 60 80 23Apr2016 20:35 100 120 140

从振幅频谱可以看到, 波形主要在 100kHz、 (100-10) kHz 和 (100+10) kHz 处有值,且 90kHz 与 110kHz 的振幅基本相等。

加法器输出波形:

加法器输出振幅频谱(导频幅度为已调信号边带频谱幅度 0.8 倍) :
mV 360 320 280 240 200 160 120 80 40 0 0 20 40 60 80 23Apr2016 20:56 100 120 140 kHz

四、思考题
(1) 整理实验记录波形,说明 DSB-SC AM 信号波形特点。 答:DSB-SC AM 信号波形的频率恒定,振幅随时间变化,但振幅包络为余弦 函数,同时其在余弦函数包络各个周期的 90 度和 270 度处有相位翻转。其单边 功率谱为三个冲击。在中心频率上冲击幅值大,边带的冲击幅值较小。 (2) 整理实验记录振幅频谱, 画出已调信号加导频的振幅频谱图 (标上频率值) 。 根据此振幅频谱,计算导频信号功率与已调信号功率之比。 答:振幅频谱图如下

mV 360 320 280 240 200 160 120 80 40 0 0 20 40 60 80 23Apr2016 20:56 100 120 140 kHz

导频信号与已调信号功率比为:0.8*0.8/2=0.32

实验二具有离散大载波的双边带调幅(AM)
一、实验目的
(1)了解 AM 信号的产生原理以及实现方法 (2)了解 AM 信号波形以及振幅频谱的特点,并掌握调幅系数的测量方法 (3)了解 AM 信号的非相干解调原理和方法

二、实验原理
1、 AM 信号的产生 音频信号为 m(t)=Am sin(2πfm t),则单音频调幅的 AM 信号表达式为: SAM t = Ac (A + AM sin2πfm t)sin2πfc t=Ac A(1 + asin2πfm t)sin2πfc t 其中调幅系数 a=
Am A

,并要求 a ≤ 1 ,本次采用的原理框图为图 2.1

m(t) SAM(t)=AC(A+Amsin2πfmt)sin2πfct

Apsin2πfct

DC

图 2.1 产生 AM 信号

2、

AM 信号的解调 用包络检波的方法进行解调

三、 实验步骤和实验结果
(一)AM 信号的产生 1、实验步骤 (1) 按图 2.2 进行各模块之间的连接。 (2) 音频振荡器输出为 5kHz,主振荡器输出为 100kHz, 乘法器输入耦合开关置 于 DC 状态。 (3) 分别调整加法器的增益 G 和 g 均为 1。 (4) 逐步增大可变直流电压,使得加法器输出波形是正的。

图 2.2 产生 AM 信号的实验连接图 (5) 观察乘法器输出波形是否为 AM 波形。 (6) 测量 AM 信号的调幅系数 a 值,调整可变直流电压,使 a=0.8。

(7) 测量 a=0.8 的 AM 信号振幅频谱。 2、实验结果和分析: 加法器输出为正时:

由于直流电压的不断提高,使加法器的叠加信号增大,最小值减小。从测 量的数据来看,加法器最小值为 1.16V,满足加法器输出为正的要求。

a=0.8 时的 AM 信号波形:

由 a=(Amax-Amin)/(Amax+Amin),当 a=0.8 时,解得 Amax/Amin=9。从以上 三幅图可以得到,2Amax=2.54V,2 Amin=0.28V,则 Amax/Amin=2.54/0.28=9, 满足 a=0.8 的要求。

a=0.8 时的 AM 信号振幅频谱:
dB

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0 kHz 20 40 60 80 24Apr2016 19:49 100 120 140

(二)AM 信号的非相关解调 1、实验步骤 (1) 连接如图 2.3 所示,输入的 AM 信号的调幅系数 a=0.8。

图 2.3 AM 信号的非相干解调实验连接图 (2) 用示波器观察整流器(RECTIFIER)的输出波形。 (3) 用示波器观察低通滤波器(LPF)的输出波形。 (4) 改变输入 AM 信号的调幅系数,观察包络检波器输出波形是否随之改变。 (5) 改变发端调制信号的频率,观察包络检波输出波形的变化。 2、实验结果: 整流器输出波形:

可以看到,经过整流器的输出波形只有大于 0 的部分。

低通滤波器输出波形与原信号:

从图中可以看出, 经过低通滤波器的输出信号基本与原信号一致,仍为正弦 信号, 只是相位与幅度不同。 解调过程中, 当使输入 AM 信号的调幅系数 a 增大, 即所加直流减小时,包络检波波形形状没有发生变化,只是整体下移,这和所加 直流减小相对应。 当发端调制信号的频率改变时,包络检波输出的频率随之改变 并与之相等。

四、 思考题
(1)在什么情况下,会产生 AM 信号的过调现象? 答:AM 信号的包络与调制信号m t 成正比,为避免产生过调制要求a ≤ 1。也即 当a > 1时会产生过调现象,因为a >时不能保证 AM 信号的包络在任何时候都大 于零,使得包络会出现零点,产生过调。 (2)对于 a=0.8 的 AM 信号,请计算载频功率与边带功率之比值。 答:a=0.8 时,由 AM 信号的表达式: SAM t = Ac A(1 + asin2πfm t)sin2πfc t 可知,载频的单边功率为:(Ac A/2)2 ,单边带功率为( 与单边带功率之比为: 8 = 3.125 (3)是否可用包络检波器对 DSB-SC AM 信号进行解调?请解释原因。 答:不能。因为 DSB-SC AM 信号为双边带抑制载波调幅信号,顾名思义,DSB-SC AM 信号抑制了载波的存在,使得其信号的表达式中的包络与调制信号没有简单
25 A c A ?a 2 ) ×2,故载频功率 4

的正比关系,其信号波形有相位反转,包络没有反映出调制信号的特征,故不适 合用包络检波,宜采取相干解调。

实验七:采样、判决
一、实验目的
(1) 了解采样、判决在数字通信系统中的作用及其实现方法。 (2) 自主设计从限带基带信号中提取时钟、并对限带基带信号进行采样、判 决、恢复数据的实验方案,完成实验任务。

二、实验原理
在数字通信系统中的接收端, 设法从接受滤波器输出的基带信号中提取时钟,用 以对接收滤波器输出的基带信号在眼图睁开最大处进行周期性采样, 然后将各采 样值分别与判决门限进行比较做出判决、输出数据。

三、实验步骤及实验结果
实验连接图如下:

图 7.1 眼图、时钟提取、采样、判决实验连接图

1、实验步骤
(1) 自主设计图中的提取时钟的实验方案,完成恢复时钟( TTL 电平)的实 验任务。 (2) 按照下图所示,将恢复时钟输入于判决模块的 B.CLK 时钟输入端(TTL 电 平) 。 将可调低通滤波器输出的基带信号输入于判决模块,并将判决模块印刷 电路板上的波形选择开关 SW1 拨到 NRZ-L 位置(双极性不归零码) ,SW2 开 关拨到“内部”位置。 (3) 用双踪示波器同时观察眼图及采样脉冲。调节判决模块前面板上的判决 点旋钮,使得在眼图睁开最大处进行采样、判决。对于 NRZ-L 码的最佳判决 电平是零,判决输出的是 TTL 电平的数字信号。 由于信号时双极性不归零码,所以直接平方的结果为直流 ,不能达到整流的目 的,所以可以在将信号通过一个微分器后在进行整流提取时钟 所以得到的时钟截图会有相位偏移,在最后加一个移相器就能达到要求 Get clock(blue)有相位偏移

2、实验结果和分析
眼图:

从图中可以看出,眼图的形状较为明显和稳定,经过调节判决模块前 面板的判决点旋钮,采样脉冲与眼图最大处重叠,在眼图睁开最大处进行 采样、判决。

四、思考题

对于滚降系数为 α = 1 升余弦滚降的眼图,请示意画出眼图,标出最佳采样 时刻和最佳判决门限 答:当滚降系数为 α = 1时,眼图是由余弦信号叠加而成的,其最佳采样时 刻和最佳的判决门限如下所示:

判决门限

最佳采样时刻

实验八:二进制通断键控(OOK)
一、实验目的
(1) 了解 OOK 信号的产生及其实现方法。 (2) 了解 OOK 信号波形和功率谱的特点及其测量方法。 (3) 了解 OOK 信号的解调及其实现方法。

二、实验原理
OOK 的产生原理图:

b(t) 单极性不归零码序列 信息速率Rb 载波

SOOK(t)

Acos2πfct

图 8.1 OOK 信号产生原理 OOK 的相干解调:
采样 LPF 判决

载 波 提 取

移 相 器

恢 复 载 波

时 钟 提 取

移 相 器

恢 复 时 钟

图 8.2 OOK 信号的相干解调 OOK 的非相干解调: 将 OOK 信号整流,再经过低通,实现包络检波,用提取出来的时钟抽样判决得 到解调输出
SOOK(t) 包络检波 采样 判决 输出

时 钟 提 取

移 相 器

恢 复 时 钟

图 8.3 OOK 信号的非相干解调

三、实验步骤及实验结果

实验连接图如下:

图 8.4 产生 OOK 信号的实验连接图 1、实验步骤:

图 8.5 OOK 信号非相干解调实验连接图

(1)OOK 信号的产生:如实验电路图连接电路,产生 OOK 信号。用示波器 观察各点信号波形, 并用频谱仪观察各点功率谱(将序列发生器模块印刷电路板 上的双列直插开关拨到“11” ,使码长为 2048) 。 (2)OOK 信号的非相干解调:如下图连接,自主完成时钟提取、采样、判 决,产生 OOK 的非相干解调信号。用示波器观察各点波形。 2、实验结果: (1)OOK 信号的产生:

OOK 信号波形
dB 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0 20 40 60 80 23Apr2016 22:00 100 120 140 kHz

OOK 信号功率谱
dB 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0.0 0.5 1.0 23Apr2016 22:01 1.5 2.0 MHz 2.5

线路编码器功率谱

dB 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0.0 0.2 0.4 0.6 23Apr2016 22:03 0.8 1.0 1.2 MHz

序列发生器功率谱

dB

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0 kHz 20 40 60 80 23Apr2016 22:09 100 120 140

主信号功率谱(100kHz)
dB 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0 2 4 6 8 10 23Apr2016 22:10 12 14 16 18 kHz

8.3kTTL 信号功率谱

(2) OOK 信号的非相干解调:

采样点标记输出波形

时钟提取信号波形

非相干解调输出信号和采样点标记信号波形

序列码发生器波形与非相干解调输出信号波形对比

如上图序列码发生器波形和非相干解调输出波形的对比, 两者的波形幅度不 同,但两者的波形形状基本一致,只是非相干解调输出信号有一定的延时,OOK 信号解调的效果还是相当好的,误码率不高。

四、思考题
1.对 OOK 信号的相干解调如何进行载波提取?请画出原理框图及实验框图。 答:对 OOK 信号进行相干解调时载波的提取原理如下所示: 从上图中的 OOK 的功率谱密度可以看出, 其功率谱密度中含有离散的载频分 量,所以可以直接用窄带滤波器来提取时钟:
输入OOK信号 窄带滤波器 载波输出

图 8.6 时钟提取

具体的实验框图如下所示:
输入OOK信号 窄带滤波器 增益器 移相器 载波输出

图 8.7 时钟提取具体实现

实验十二
一、实验目的

低通信号的采样与重建

(1) 了解低通信号的采样及其信号重建的原理和实现方法 (2) 测量各信号波形及振幅频谱

二、低通信号的采样与重建的定理
1、低通信号的采样定理 一个频带受限于于[0,fH ]的模拟基带信号,可以唯一地被采样周期Ts 不大于

1 2f H

的采样序列值所决定。 将该样值序列通过一带宽为fH 的低通滤波器, 可以无失真的重建或恢复出原

基带信号。 2、实验原理 本实验的原理如下图所示:
采样

m(t) IN

输出 OUT

s(t)

图 12.1 低通信号的采样电路图 一模拟音频信号 m(t)通过采样器输出被采样信号ms (t).由于周期采样脉冲 序列的 S(t) 控制一开关的闭合与打开构成采样器,其采样信号为ms (t),可以通 过一个低通滤波器恢复出原基带信号。

三、实验步骤及实验结果
1、实验步骤: (1) 按照图连接各模块

图 12.2 低通信号的采样与重建实验连接图

(2)用双踪示波器测量图中各点处的信号波形,调节双脉冲发生器的 width 旋 钮,使采样脉冲宽度约为 10μs。 (3)用频谱仪测量各信号的频谱,并加以分析。

2、实验结果和分析:

双脉冲发生器输出信号(采样信号脉冲宽度为 10us)

重建信号波形 由原信号与恢复信号的对比可见,重建信号与原信号基本一致,重建效果较好。

dB 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0 2 4 6 8 10 24Apr2016 18:58 12 14 16 18 kHz

8.0k TTL 频谱
dB

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0.0 kHz 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 24Apr2016 19:00 3.0 3.5 4.0 4.5

2.083k 正弦信号频谱
dB 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0.0 0.1 0.2 0.3 24Apr2016 19:05 0.4 0.5 0.6 MHz

双脉冲发生器频谱

dB 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0.0 0.2 0.4 0.6 24Apr2016 19:07 0.8 1.0 1.2 MHz

采样信号频谱
dB -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 24Apr2016 19:13 3.0 3.5 4.0 4.5 kHz

重建信号频谱

四、思考题
(1)若采样器的输入音频信号频率为 5kHz,请问本实验的 LPF 得输出信号会产 生什么现象? 答:若音频输入信号为 5KHz,而采样信号为 8.3KHz,不满足奈奎斯特第三 准则 Fs>=2Fh 的要求,所以通过 LPF 的输出信号会产生失真,无法恢复原信号。 (2) 若输入于本实验采样器的信号频谱如图 2.13.4 所示,(a)请画出其采样信号 的振幅频谱图 (b) 为了不失真恢复原基带信号, 请问收端的框图作何改动? (提 示:请考虑采样脉冲序列的脉宽对采样信号的频谱的影响?) 答:采样信号的振幅频谱图如下:

Ms (t)

-8.3

2

0

2

8.3

f/KHz

接收端的截止频率要改变,要使截止频率 F 满足大于 2KHz 小于 6.3KHz,这样才 能无失真的把输入信号的频谱给截取下来。

实验总结
一、 对各个实验的总结
1、双边带抑制载波条幅实验: 通过这次实验, 我对 DSB-SC AM 信号的产生、 DSB-SC AM 信号波形以及振幅频谱特点有了更深的了解,并熟悉掌握了 TIMS 系统的使 用方法,同时复习频谱仪的使用。 2、具有离散大载波的双边带调幅实验:通过这次实验,掌握了 AM 信号的产生方 式和非相干解调的方法(整流后包络检波) ,同时对 AM 信号的频谱和波形的 特性有了更为深刻的了解。 3、采样、判决实验:通过这次实验,我们了解了眼图的特性和眼图所包含的信 息, 同时我们知道了如何进行最佳采样、 判决 (在眼图睁开最大处进行采样、 判决) 。 4、OOK 信号实验:通过这个实验,我们知道了 OOK 信号的产生方法和如何进行 OOK 信号的非相干解调。 5、低通信号的采样与重建:通过这个实验,我们进一步加深了对采样定理的理 解,即信号可以无失真恢复的条件——采样频率大于被采样信号最高频率的 两倍。同时,我们掌握了信号的采样和重建的方法。

二、 对实验总体的总结

通信原理硬件实验是建立在我们上个学期所学的通信原理知识的基础 上的,是我们将课本知识运用到实际的过程,更是我们验证课本知识和巩固 复习课本知识的过程。 通过这次的实验, 我们掌握了各种信号的调制和解调, 采样和恢复的方法,这对于我们以后做进一步的实验打下了一定的基础。 刚开始做这个实验时, 由于对仪器的使用不太熟悉, 所以实验进度较慢。 但随着实验的进行,慢慢熟悉了仪器后,实验速度也慢慢提高了。这是一个 循序渐进的过程。 在这次实验过程中,有做的好的地方,也有许多的不足。 在做这次实验的时,我们遇到了不少的问题,但我们却没有失去耐心, 能够按照实验指导书的指导, 一步一步做完整个实验。 无法得到实验结果时, 能够一点点去检查线是否接错、 是否漏接、 是否稳固, 寻找可能存在的错误。 这一点是我们做的比较好的。 不足则是第一次实验课课前没有细读过指导书,对于所做的实验没有一 个整体上的概念,更没有细致的知识查漏,做实验时有时虽然得到了结果, 却不知为什么会得到这个结果,知其然而不知其所以然。还有就是,由于粗 心,有一两个要使用到的图没有截取到,这也是课前没有细读指导书的直接 后果。这些都是在以后做实验要改进的地方。


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