通信原理实验一.doc

中南大学信息科学与工程学院

通信原理实验报告

学生学院 信息科学与工程学院
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实验一 数字基带信号
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、HDB3码的编码规则。
3、掌握从HDB3码信号中提取位同步信号的方法。
4、掌握集中插入帧同步码时分复用信号的帧结构特点。
5、了解HDB3（AMI）编译码集成电路CD22103。
二、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。
三、实验步骤
本实验使用数字信源单元和HDB3编译码单元。
1、熟悉数字信源单元和HDB3编译码单元的工作原理。接好电源线，打开电源开关。
2、用示波器观察数字信源单元上的各种信号波形。
用信源单元的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置的GND点均可，进行下列观察：
（1）示波器的两个通道探头分别接信源单元的NRZ-OUT和BS-OUT,通过开关K1，K2，K3将数字信源置于01110010 11110000 11110000，理论上的波形应该是如下图1-11:

图 1-1 示波器上的理想波形
实际在示波器上看到此时示波器中的波形如下图 1-12，对比图1-11可以看到，发光状态是正确的。

图 1-2 代码01110010 11110000 11110000时的位同步信号和NRZ码

（2）用开关K1产生代码01110010（1110010为7位帧同步码），K2、K3产生任意信息代码，观察本实验给定的集中插入帧同步码时分复用信号帧结构，和NRZ码特点。

图 1-3 代码01110010 00000000 00000000时的位同步信号和NRZ码
说明：集中插入法是将标志码组开始位置的群同步码插入一个码组的前边。接收端一旦检测到这个特定的群同步码组就马上知道这组信息码元的“头”。所以这种方法适用于要求快速建立同步的地方，或者断传信息并且每次传输时间很短的场合。检测到此特定码组时可以利用锁相环保持一段时间的同步。为了长时间的保持同步，则需要周期性的将这个码组插入每组信息码元之前。
NRZ码的特点是极性单一，脉冲的宽度等于码元宽度，有直流分量。
3、用示波器观察HDB3编译单元的各种波形。仍用信源单元的FS信号作为示波器的外同步信号。
（1）示波器的两个探头CH1和CH2分别接信源单元的NRZ-OUT和HDB3单元的（AMI）HDB3，将信源单元的K1、K2、K3每一位都置1，观察全1码对应的AMI码和HDB3码；再将K1、K2、K3置为全0，观察全0码对应的AMI码和HDB3码。观察AMI码时将HDB3单元的开关K4置于A端，观察HDB3码时将K4置于H端。

图 1-4 全1码对应的AMI码

图 1-5 全1码对应的HDB3码
结论：从图1-13和图1-14中可以看到，信息码全1时，AMI和HDB3码是相同的。

图 1-6 全0时的AMI码

图 1-7 全0时的HDB3码
结论：从图1-15和图1-16中可以看到，信息码全0时，AMI码是全0，没有信号电平的跳变，因此提取同步信息困难。不过对于HDB3码，连0数不多于3，总有信号电平的跳变，所以即使信息码全0时仍能够提取定时信号

(2)、将K1、K2、K3置于0111 0010 0000 1100 0010 0000态，观察并记录对应的AMI码和HDB3码

图 1-8 输入为0111 0010 0000 1100 0010 0000 对应的AMI码

图 1-9 输入为0111 0010 0000 1100 0010 0000时的HDB3码
从图中可以看出，AMI码和HDB3码都是双极性归零码，且编码输出HDB3比输入信息源NRZ-OUT延迟了4个码元。

（3）将K1、K2、K3置于任意状态，K4先置左方（AMI）端再置右方（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准正弦信号，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稳定的位同步信号，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个“1”码的状态来观察译码输出）。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。
实验截图如下：

图 1-10 AMI码的DET波形

图1-11 AMI码的BPF波形
得到的BPF信号近似是一个正弦信号。

图 1-12 AMI码的BS—R信号

图1-13 AMI码的NRZ 波形
将K4置于右方（HDB3）端观察CH2依次接HDB3单元的DET、BPF、BS-R和NRZ，输出截图如下：

图 1-14 HDB3码的DET波形

图1-15 HDB3码的BPF波形

图 1-16 HDB3码的BS—R信号

图1-17 HDB3码的NRZ 波形
结论：BS-R 锁相环输出的位同步信号是个周期电平信号，且周期就是一个码元的宽度。相邻码元的电平跳变处总对应着BS-R信号的上升沿。

四、实验结果讨论
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：不归零码的脉宽等于码元宽度，归零码的脉宽小于码元的宽度。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。
如下边儿的例子：可以看到消息码中的最后两个“1”，在AMI码和HDB3中是不同的。

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。

位同步信号
HDB3码
整流
窄带带通滤波器
整形移相
3. 总结从HDB3码中提取位同步信号的原理。

HDB3 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、移相后即可得到满足要求的位同步信号。
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HDB3码则不存在此问题。
单极性归零码的功率谱为：

其中，p是“0”码出现的概率，是码元的宽度的倒数。
将 HDB3 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“0”码出现概率越大，fS 离散谱强度越小，越难于提取位同步信号。而HDB3 码对应的单极性归零码中“0”码出现的概率大，fS 离散谱强度大，相对容易提取位同步信号。
五、实验心得体会
本次实验我们通过实际操作了解了数字基带传输系统的构成。其过程为：信号源产生的二进制数字信号经码型变化模块之后送入同步提取模块，再进行码型反变换，最后得到原始的二进制数字信号并在信号源终端显示。但在实验的过程中，我们也遇到了一些麻烦。刚开始的时候，光条显示不一致。经过对电路的严格检查没有短路现象，判断电线完好；进而多次重复连接并检查电路，判断接线无误；多次检查相应设置，判断设置无误。通过层层检测最终判定是相应模块与实验箱的接触不良。由此排除故障最终得到了预期结果。
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