1、预 习 报 告课程名称： 通信原理实验 课题名称： 实验一 模拟锁相环 专业班级: 14 通信工程 一班实验成员: 吕传磊山东大学通信原理实验预习报告硬件实验回答预习问题1、 通信原理实验系统由哪些部分组成？显示控制模块、FPGA 初始化模块、信道接口模块、DSP+FPGA 处理模块、D/A模块、中频调制模块、中频解调模块、A/D 模块、测试模块、汉明编码模块、汉明译码模块、噪声模块、电话接口（1、2）模块、双音多频 DTMF（1、2）模块、PAM模块、ADPCM（1、2）模块、CVSD 发模块、CVSD 收模块、帧传输复接模块、帧传输解复接模块、AMI/HDB3 码模块、CMI 编码模块、C
2、MI 译码模块、模拟锁相环模块、数字锁相环模块、现代调制技术模块等。2、 本实验系统中，无线信道传输包括哪些模块？画出系统框图。各模块的主要功能是什么？根据实验系统无线信道传输过程，信号流程为：用户电话接口 1话音编码 1汉明纠错编码信道调制加噪信道信道解调汉明译码话音解码 2用户电话接口 2。可知模块及框图如下：电 话1 模 块P C M / A D P C MC V S D 模 块汉 明 编 码模 块调 制模 块解 调模 块汉 明 译 码模 块P C M / A D P C MC V S D 模 块电 话2 模 块噪 声 模 块加 噪 信 道电话 1、电话 2 模块：分别是信源与信宿，提供
3、信息，接收信息PCM/ADPCM/CVSD 模块：信源编码与解码模块，对语音信号，进行压缩/解压缩算法。汉明编码、汉明译码模块：信道编码与信道译码，线性分组码，通过增加冗余，增强通信可靠性。山东大学通信原理实验预习报告调制、解调模块：数字基带信号与数字频带信号的转换。调制是为了将基带信号转变为适合信道传输的带通信号，解调是为了将带通信号还原成基带信号，以获取信息。噪声模块：产生高斯白噪声，以模拟 AWGN 信道。3、 本实验系统中，有线信道传输包括哪些模块？画出系统框图。各模块的主要功能是什么？根据实验系统有线信道传输过程，信号流程为：用户电话接口 2话音编码 2信道复接线路编码（HDB3/C
4、MI）线路译码信道解复接话音解码 1用户电话接口 1。可知模块及框图如下：电 话1 模 块P C M / A D P C MC V S D 模 块信 号 复 接模 块线 路 码 编 码线 路 码 解 码信 号 解 复 接模 块P C M / A D P C MC V S D 模 块电 话2 模 块电话 1、电话 2 模块：分别是信源与信宿，提供信息，接收信息ADPCM 模块：信源编码与解码模块，自适应差分脉冲编码调制方式，主要针对语音信号，提供压缩/解压缩算法。线路码编码/解码模块：将码序列转换为适合基带信道传输的码序列，减少线路码频谱中高频信号，并便于从接收端提取符号同步信号。信号复接/解复
5、接模块：将多个数字低速信号合并为一路高速信号（将一路信号分接为多路信号）4、 查阅相关资料，解释软件无线电（SDR）的含义，并举例介绍其在现代通信系统中的应用。软件定义的无线电(Software Defined Radio，SDR) 是一种无线电广播通信技术，它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。TDSCDMA 是唯一明确将智能天线和高速数字调制技术设计在标准中，明确用软件山东大学通信原理实验预习报告无线电技术来实施的标准。5、 本实验系统中，语音编码包括哪些方式？简要介绍各种方式的实现过程和特点。ADPCM，自
6、适应差分脉冲编码调制。特性：综合了 APCM 的自适应特性和 DPCM 系统的差分特性，是一种性能比较好的波形编码。它的核心想法是： 利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值； 使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。优点：算法复杂度低，压缩比大（CD 音质400kbps） ，编解码延时最短（相对其它技术）缺点：声音质量一般PCM （脉冲编码调制）是 Pulse Code Modulation 的缩写。脉冲编码调制是数字通信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔
7、一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。脉冲编码调制(Pulse Code Modulation)是最常用、最简单的波形编码。它是一种直接、简单地把语音经抽样、A/D 转换得到的数字均匀量化后进行编码的方法，是其他编码算法的基础。PCM 的优点就是音质好，缺点就是体积大。CVSD，连续可变斜率增量调制，基本原理是采用自适应方法使量阶 的大小随输入信号的统计特性变化而跟踪变化。如量阶能随信号瞬时压扩，则称为瞬时压扩M，记作 ADM。若量阶 随音节时间间隔（5 一 20ms）中信号平均斜率变化，则称为连续可变斜率增量调制
8、，记作 CVSD。由于这种方法中信号斜率是根据码流中连“1”或连“0”的个数来检测的，所以又称为数字检测、音节压扩的自适应增量调制，简称数字压扩增量调制。CVSD 的特性很适合语音数字编码。由于采用 1bit 量化，避免了复杂的帧结构。有很好的检测误码和纠错的性能。其他的语音编码方案则需要有数字信号处理器和外部模数数模转换器来对模拟信号进行数字转换。整个 CVSD 编解码算法，包括了输入输出滤波器，可以继承在单硅片里。尽管结构简单，CVSD 却有足够的复杂度用来在安全应用领域进行数字加密。最后，CVSD 可以在很宽的速率范围内工作CVSD 已经被成功的应用于 9.6kbps64kbps。在 9
9、.6kbps 音频质量不是特别的好，但是不影山东大学通信原理实验预习报告响理解。在 24kbps 到 48kbps，语音质量已经很容易接受。高于 48kbps 时，性能达到了 Toll Quality 的级别。6、 本实验系统中，调制解调包括哪些方式？简要介绍各种方式的实现过程和特点。 FSK（Frequency-shift keying，频移键控）是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是: 实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。最常见的是用两个频率承载二进制 1 和 0 的双频 FSK 系统。MSK，最小频移键控(Minimum Shift
10、 Keying)是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)。其最大频移为比特速率的 1/4，即 MSK 是调制系数为 0.5 的连续相位的FSK。其特点是：一是信号能量的 99.5%被限制在数据传输速率的 1.5 倍的带宽内。谱密度随频率（远离信号带宽中心）倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位 FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。因此，MSK 信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。二是信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。BPSK (Binary Phase Shift Keying)二进制相移键控，是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利
11、用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为 0，另一方为 1，从而可以同时传送接受 2 值(1 比特)的信息。具有倒 现象，虽抗噪声较强但传送效率差。DBPSK（差分二进制移相键控）方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。即用前后两个码元之间相差来表示码元的值“0”和“1” 。例如，假设相差值“”表示符号“1” ，相差为“0”表示符号“0。可以看出 2DPSK的波形与 BPSK 的不同，他们的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位差才表示信息符号。这说明，解调 2DPSK 信号是并不依赖于某一固定
12、的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则只要鉴别这个相差关系就可正确恢复数字信息，这就避免了 BPSK 中的倒 现象发生。GMSK，高斯最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying） ，这是GSM 系统采用的调制方式。数字调制解调技术是数字蜂窝移动通信系统空中接口的重要组成部分。GMSK 调制是在 MSK（最小频移键控）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器这样一种调制方式。GMSK 提高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。QAM 是 Quadrature Amplitude Modulation 的缩写，中文译名为“正交振幅调制” ，
13、其幅度和相位同时变化，属于非恒包络二维调制。QAM 是正交载波调制技术与多电平振幅键控的结合。与其它调制技术相比,QAM 编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。7、 本实验系统中，线路编码包括哪些方式？简要介绍各种方式的实现过程和特点。 山东大学通信原理实验预习报告AMI 码，极性交替翻转码，将二元码变换为三元码，并引入相关性，用以改变信号波形的功率谱结构，但容易使时钟提取困难。HDB3 码，三阶高密度双极性码（High Density Bipolar of Order 3）是一种适用于基带传输的编码方式，它是为了克服 AMI 码的缺点而出现的，具有能量分散，抗破坏性强等特点。HDB3
14、码将 4 个连续的“0”位元取代成“000V”或“B00V” 。CMI（Coded Mark Inversion）码是传号反转码的简称，与双相码类似，它也是一种双极性二电平码。其编码规则是“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示。CMI 码易于实现，含有丰富的定时信息。此外，由于10 为禁用码组，不会出现三个以上的连码，这个规律可以用来宏观检错。8、 在通信系统中，锁相环的作用是什么？ 同步在电信网中是一个十分重要的概念。同步的种类很多，有时钟同步、比特同步等等，其最终目的使本地时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，则将以统一步调进行工作
15、。同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。9、解释以下英文缩写的含义，给出英文全称： FPGA：FieldProgrammable Gate Array，即现场可编程门阵列DTMF：Dual Tone Multi Frequency，双音多频，由高频群和低频群组成，高低频群各包含 4 个频率。PCM：脉冲编码调制(Pulse Code Modulation)ADPCM: Adaptive Differential Pulse Code Modulation, 自适应差分脉冲编码调制CVSD: Continuous Variable Slope Delta Modulatio
16、n (CVSD)连续可变斜率增量调制语音编码PAM：脉冲振幅调制（Pulse Amplitude Modulation）DSP：Digital Signal Processing，数字信号处理A/D：模数转换，Analog to DigitalD/A：数模转换，Digital to AnalogHDB3: 三阶高密度双极性码（ High Density Bipolar of Order 3）是一种适用于基带传输的编码方式CMI: Coded Mark Inversion 码是传号反转码的简称，与双相码类似，它也是一种双极性二电平码。BPSK: Binary Phase Shift Keying
17、-二进制相移键控FSK: Frequency-shift keying，频移键控山东大学通信原理实验预习报告DBPSK：Differential binary phase shift keying 差分二进制移相键控TDM： Time Division Multiplexing，时分复用模式。时分复用是指一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术FDM：Frequency Division Multiplexing，频分多路复用，就是指用不同频率传送各路消息，以实现多路通信CDMA：Code Division Multiple Acc
18、ess，又称码分多址，CDMA 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。山东大学通信原理实验预习报告一、实验仪器1、 ZH5001 通信原理综合实验系统2、 双踪示波器3、 函数信号发生器（带频率计功能） 二、实验目的1、 掌握模拟锁相环的基本工作原理； 2、 掌握锁相环的电路组成； 3、 掌握模拟字锁相环的基本参数及设计。 三、回答预习问题1、画出模拟锁相环
19、的组成框图，说明各模块的功能作用。鉴相器P D环路滤波器L F压控振荡器V C O)(tVi )(tV)(tC)(0t1.鉴相器（PD）PD 是一个相位比较装置，用来检测输出信号 V0(t)与输入信号 Vi(t)之间的相位差 e(t)，并把 e(t)转化为电压 Vd(t)输出，Vd(t)称为误差电压，通常 Vd(t)作为一直流分量或一低频交流量。2.环路滤波器（LF）LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因 PD 的非线性而在 Vd(t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映 e(t)大小的控制信号 Ve(t)。3.压控振荡器（VCO）VCO 是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其
20、振荡频率，控制信号为加在 VCO 上的电压，故称为压控振荡器，是一个电压频率变换器。2、什么是锁相环的同步带和捕捉带，二者关系如何？同步带:指从 PLL 锁定开始，改变输入信号的频率 （向高或向低两个方向变f化） ，直到 PLL 失锁（由锁定到失锁） ，这段频率范围称为同步带。捕捉带:环路原本是失锁的，但失锁能够通过自身的调节由失锁进入锁定的过山东大学通信原理实验预习报告程称为捕捉过程；能够由失锁进入锁定所允许的最大输入固有角频差 称为捕|i|捉带。一般情况下，捕捉带不等于同步带，且前者小于后者。捕获带是评价锁相环捕获性能的指标,当固有频差在捕获带范围之内时,锁相环可以通过捕获过程最终锁定。同
21、步带是评价锁相环跟踪性能的指标,当固有频差在同步带范围之内时,锁相环可以保持锁定状态。若固有频差大于捕获带,小于同步带,锁相环可能运行在锁定状态,但是,一旦失锁,将不能再次自动锁定。3、什么是 VCO 的自由振荡频率？什么是 VCO 的压控灵敏度？在线性范围内，压控振荡器的控制特性为 ；式中， 称为o()=+0() 0压控灵敏度或是 VCO 的增益系数， 即为控制电压为 0 时的输出频率值，称为压控振荡器的自由振荡频率。4、 分析实验电路的组成，说明主要元器件的作用。 UP04 UP03B UP02 UP01 512KHz 分 频 器 4 分 频 器 8 HDB3 环 路 滤 波 器图 2.1
22、6 模 拟 锁 相 环 组 成 框 图 TES 跳线器 KP02 VCO 256KbitpsLOCK 64KHz 64KHz 放大器 带 通 滤 波 器 UP03A f=256KHz 该模块主要由模拟锁相环 UP01（MC4046） 、数字分频器 UP02（74LS161） 、D 触发器 UP04（ 74LS74） 、环路滤波器和由运放 UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz）组成。在 UP01 内部有一个振荡器与一个高速鉴相器组成。该模拟锁相环模块的框图见上图。因来自发端信道的 HDB3 码为归零码，归零码中含有 256KHz 时钟分量，经 UP03
23、B 构成中心频率为 256KHz 有源带通滤波器后，滤出 256KHz 时钟信号，该信号再通过 UP03A 放大，然后经 UP04A 和UP04B 两个除二分频器（共四分频）变为 64KHz 信号，进入 UP01 鉴相输入 A 脚；VCO 输出的 512KHz 输出信号经 UP02 进行八分频变为 64KHz 信号，送入 UP01 的鉴相输入 B 脚。经 UP01 内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01 的压控振荡器输入端；WP01 可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO山东大学通信原理实验预习报告锁定在外来的 256KHz 频率上。5、 查阅资料，说明集成电路 M
24、M4046、74LS74 、 TLE2702、74LS161 的管脚分布和功能，分析这些芯片在实验电路中的作用。CD4046 是通用的 CMOS 锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（3V18V） ，输入阻抗高（约为 100M ） ，动态功耗小。CD4046 的内部结构图如下图所示。主要由相位比较器、相位比较器、压控振荡器、源跟随器等部分构成。A1 PD1PD2VCOA2+-14346711125816213910151UiVCC4046其管脚分布如下：1 脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2 脚相位比较器的输出端。3 脚比较信号输入端。4 脚压控振荡器输出端。5 脚禁止
25、端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7 脚外接振荡电容。8、16 脚电源的负端和正端。9 脚压控振荡器的控制端。10 脚解调输出端，用于 FM 解调。11、12 脚外接振荡电阻。13 脚相位比较器的输出端。14 脚信号输入端。15 脚内部独立的齐纳稳压管负极。74ls74 是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发 d 触发器电路。在电路中，两个 74 相连，进行 4 分频。山东大学通信原理实验预习报告TLE2702，Family of Nanopower Op Amps，运算放大器，与其它阻容元件构成带通滤波器及作隔离运放。74LS161 是常用
26、的四位二进制可预置的同步加法计数器，在电路中用作 8 分频器使用。6、 分析电路中所有跳线开关和电位器的功能和作用。跳线开关 KP01：用于选择 UP01 的鉴相输出。当 KP01 设置于 1_2 时（左端） ，选择异或门鉴相输出，环路锁定时 TPP03、TPP05 输出信号将存在一定相差；当KP01 设置于 2_3 时（右端） ，选择三态门鉴相输出，环路锁定时 TPP03、TPP05输出信号将不存在相差，详情请参见 4046 器件性能资料。调整电位器 WP01 可以改变模拟锁相环的环路参数。跳线开关 KP021：用于选择输入锁相信号：当 KP021 置于 1_2 时（HDB3：左端） ，输入
27、信号来自 HDB3 编码模块的 HDB3 码信号；当 KP021 置于 2_3 时（TEST ：右端）选择外部的测试信号（J007 输入） ，此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。山东大学通信原理实验预习报告电位器 WP01：可以改变模拟锁相环的环路参数。电位器 WP02：构成低通滤波器，滤除高频噪声。7、 分析电路中各个测试点信号的含义，及有关信号之间的关系。在该模块中，各测试点如下： TP01： 256KHz 带通滤波器输出 TP02：隔离放大器输出TP03：鉴相器 A 输入信号（64KHz）TP04： VCO 输出信号（512KHz）TP05：鉴相器 B 输入信号（64KHz） TP06
28、：环路滤波器输出TP07：锁定指示检测（锁定时为高电平）8、 如果通信系统的载波同步由锁相环实现，则载波同步的性能指标有哪些？同步效率，载波频率，同步建立时间，同步保持时长，同步精度等四、实验内容深刻理解电路组成和实验原理，完成以下实验内容，记录实验数据、实验现象和实验信号波形（标明频率、幅度、脉冲宽度） 。准备工作：将输入信号选择开关 KP02 设置在 TEST 位置，鉴相输出开关KP01设置在 2_3 位置。1. 测量 VCO 自由振荡频率。写出实验过程。将测试信号输入端口 Test Clk 接地，把函数信号发生器方式设置为记数（频率计功能）或使用示波器观测，测量 TP04 监测点的 VC
29、O 输出振荡频率f0。2. 测量此锁相环的同步带。用函数信号发生器产生一个 256KHz 的 TTL 信号送入数字信号测试端口Test。用示波器同时测量 Test、TP04 相位关系，正常时环路锁定，该两信号同步。山东大学通信原理实验预习报告缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至 Test、TP04 两点波形失步，记录失步前的频率，记为 f1调整函数信号发生器频率为 256KHz，使环路锁定。缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至 Test、TP04 两点波形失步，记录下失步前的频率，记为 fL1则，同步带 - = Bw1=f1fL13. 测量此锁相环的捕捉带。用函数信号发生器产生一个 256KH
30、z 的 TTL 信号送入数字信号测试端口Test。用示波器同时测量 Test、TP04 的相位关系，正常时环路锁定，该两信号应为同步。增加函数信号发生器输出频率，使 Test、TP04 两点波形失步；然后缓慢降低函 数信号发生器输出频率，直至 Test、TP04 两点波形同步。记录下同步一刻的频率，记为 f2降低函数信号发生器输出频率，使 Test、TPP04 两点波形失步；然后缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至 Test、TPP04 两点波形同步。记录下同步一刻的频率，记为 fL1则，同步带 - =Bw2=f2fL24. 改变输入参考信号的频率，测量完整的 VCO 的电压频率曲线（至少测量
31、 8个点，包括同步和失步状态） ，估计压控灵敏度。写出实验过程。采用逐点法测量：用函数信号发生器产生一个 256KHz 的 TTL 信号送入数字信号测试端口 Test，用示波器检测 VCO 输入的压控电压（TP06） 。逐次缓慢增加函数信号发生器输出频率到某一值，分别记录 TP06 的电压值；归位后，再逐次缓慢降低函数信号发生器输出频率到某值，分别记录 TP06 的电压值。山东大学通信原理实验预习报告填写下表，作图，计算灵敏度。F(khz)V(v)5. 根据本实验中各个测试点信号的含义，采用 3 种不同的方式来观测和描述环路的失锁状态和锁定状态（在对输入信号信息和锁相环电路信息未知的情况下，只通过示波器观察某个或某两个信号就可以确定环路是失锁还是锁定，不需进行其他测试） 。描述采用的方法，画出可以标明失锁和锁定状态的信号波形（标明频率、幅度、脉冲宽度，利用双踪示波器。 ）
