通信原理课程设计指导书.doc

1、1通信原理课程设计指导书信息技术学院王雪2010 年 8 月金 陵 科 技 学 院2通信原理课程设计指导书课程编号： 05181001 课程设计名称： 基带信号产生与码型变换适用专业、年级：09 通信工程/09 电子信息工程 学分：1 学时数：20一、 课程设计的目的、要求 基于 CPLD 的信号产生与码型变换课程设计是针对学习数字电路课程及学 VHDL硬件描述语言后进行综合训练的课程，其目的是让学生通过实际的硬件去验证所编写程序的正确性，同时了解整个开发流程。 进一步加深对所学基础知识的理解，培养和提高学生自学能力、实践动手能力和分析解决实际问题的能力。利用 VHDL 语言编程，在 FPGA

2、 芯片上，设计产生各种基带信号，并能实现常用码型变换：相对码与绝对码、单极性归零、双极性归零、双极性不归零、CMI、曼彻斯特、密勒、PST 。二、 课程设计的原理（一）.基带信号产生编程介绍1本课题硬件采用 CPLD 可编程模块（基带数据发生与码型变换模块） ，用来产生实验系统所需要的各种时钟信号和基带信号及完成各种码型变换实验。它主要由 ALTERA 公司的 CPLD 可编程器件 EPM240 组成。晶振用来产生 16.384MHz 系统内的主时钟，送给CPLD 芯片生成各种时钟和数字信号。2基带信号产生是指通过对 CPLD 进行编程产生后续实验需要的，不同码元速率，不同类型的数字信号，为方

3、便码元读取，同时要求数字信号有对应的时钟输出。基于基带数据产生与码型变换模块，可以实现多种速率多种类型的信号，比如 2k 或 32k 的 15 位 M 序列，2k 或 32k 的 31 位 M 序列，根据 8 位拨码开关设置的 64k 基地数据等。（二）.M序列的产生原理1.m 序列是最长线性反馈移存器序列的简称，是伪随机序列的一种。它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。m 序列在一定的周期内具有自相关特性。它的自相关特性和白噪声的自相关特性相似。虽然它是预先可知的，但性质上和随机序列具有相同的性质。比如：序列中“0”码与“1”码等抵及具有单峰自相关函数特性等。2.m 序列是由带线

4、性反馈的移存器产生的。结构如图：3111101011001000011110101100100001111010110010000111101011001。an-1 an-r.an-3an-2C1 CrC3C2 .C0 输 出图 1 反馈移位寄存器的结构其中 an-i 为移位寄存器中每位寄存器的状态，Ci 为第 i 位寄存器的反馈系数。Ci 1表示有反馈，Ci0 表示无反馈。我们先给出一个 m 序列的例子。在图 1 中示出一个 4 级反馈移存器。若其初始状态为（a3, a2 , a1 , a0 ）=（1，0，0，0） ，则在移位一次时，由 a3 和 a0 模 2 相加产生新的输入 a4=10=

5、1 新的状态变为（a4 , a3 , a2 , a1 ）=( 1, 1, 0, 0)这样移位 15 次后又回到初始状态（1，0，0，0） ，不难看出，若初始状态为全“0” ，即“0，0，0，0” ，则移位后得到的仍为全“0”状态。这就意味着在这种反馈移存器中应避免出现全“0”状态。不然移存器的状态将不会改变。因为 4 级移存器共有 24=16 种可能的不同状态。除全“0”状态外，只剩 15 种状态可用。即由任何 4 级反馈移存器产生的序列的周期最长为 15。我们常常希望用尽可能小的级数产生尽可能长的序列。由上例可见，一般说来，一个n 级反馈移存器可能产生的最长周期等于（2n 1） 。我们将这种

6、最长的序列称为最长线性反馈移存器序列，简称 m 序列。图 2 m 序列的产生C3a3 a2 a1 a0 输出初始状态24 -1=15（个）4一个线性反馈移位寄存器能否产生 m 序列，取决于它的反馈系数 Ci (例如上图的 C3)。对于 m 序列，Ci 的取值必须按照一个本原多项式： 中的二进制系数来取niixCf0)(值。n 级移位寄存器可以产生的 m 序列个数由下式决定： rN)12(其中 (x)为欧拉函数，表示小于等于 x 并与 x 互质的正整数个数（包括 1 在内） 。表 1 列出了部分 m 序列的反馈系数 Ci，按照下表中的系数来构造移位寄存器，就能产生相应的 m 序列。表 1 m 序

7、列的反馈系数表m 序列的级数 n m 序列的周期P反馈系数 Ci(八机制)3 7 134 15 235 31 45,67,756 63 103,147,1557 127 203,211,217,235,277,313,325,345,3678 255 435,453,537,543,545,551,703,7479 511 1021,1055,1131,1157,1167,117510 1023 2011,2033,2157,2443,2745,327111 2047 4005,4445,5023,5263,6211,736312 4095 10123,11417,12515,13505,14

8、127,1505313 8192 20033,23261,24633,30741,32535,3750514 16383 42103,51761,55753,60153,71147,6740115 32765 100003,110013,120265,133663,142305（二）.码型变换的原理1在实际的基带传输系统中，传输码的结构应具有下列主要特性：1）相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；2）便于从信号中提取定时信息；3）信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；4）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；5）编译码设备要尽可能简单。2各种码型变换原理2.1 单极

9、性不归零码（NRZ 码）单极性不归零码中，二进制代码“1”用幅度为 的正电平表示， “0”用零电平E表 示，单极性码中含有直流成分，而且不能直接提取同步信号。5000E11图 3 单极性不归零码2.2 双极性不归零码（BNRZ 码）二进制代码“1” 、 “0”分别用幅度相等的正负电平表示，当二进制代码“1”和“0” 等概出现时无直流分量。 100E0图 4 双极性不归零码2.3 单极性归零码（RZ 码）单极性归零码与单极性不归零码的区别是码元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在 下一个码元到来之前回到零电平。单极性码可以直接提取定时信息，仍然含有直流成分。 00011E图 5 单极性归零码2.4

10、双极性归零码（BRZ 码）它是双极性码的归零形式，每个码元脉冲在下一个码元到来之前回到零电平。 00011E图 6 双极性归零码2.5 曼彻斯特码曼彻斯特码又称为数字双相码，它用一个周期的正负对称方波表示“0” ，而用其反 相波形表示“1” 。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示， “1”码用“10”两位 码表示。例如：消息代码： 1 1 0 0 1 0 1 1 06曼彻斯特码：10 10 01 01 10 01 10 10 01 曼彻斯特码只有极性相反的两个电平，因为曼彻斯特码在每个码元中期的中心点都 存在电平跳变，所以含有位定时信息，又因为正、负电平各一半，所以无直流分量。 011

11、E图 7 曼彻斯特编码2.6 CMI 码CMI 码是传号反转码的简称，与曼彻斯特码类似，也是一种双极性二电平码，其编码规则：1. “1”码交替的用“11“和” “00”两位码表示；2. “0”码固定的用“01”两位码表示。例如：消息代码：1 0 1 0 0 1 1 0CMI 码： 11 01 00 01 01 11 00 01或： 00 01 11 01 01 00 11 01E0图 8 CMI 码2.7 密勒码密勒码又称延迟调制码，它是曼彻斯特码的一种变形，编码规则：3. “1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。4. “0”码有两种情况：单个“0”码时，在码元间隔

12、内不出现电平跃变，且相邻码元的边界处也不跃变；连“0”时，在两个“0”码边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。例如：消息代码：1 1 0 1 0 0 1 0密勒码： 10 10 00 01 11 00 01 11或： 01 01 11 10 00 11 10 00710110E0图 9 密勒编码2.8 成对选择三进码（PST 码）PST 码是成对选择三进码，其编码过程是：先将二进制代码两两分组，然后再把每 一码组编码成两个三进制码字（、0） 。因为两个三进制数字共有 9 种状态，故可 灵活的选择其中 4 种状态。 表格 1 列出了其中一种使用广泛的格式，编码时两个模式 交替变换。表格

13、1 PST 码二进制代码 模式 模式0 0 0 1 0 0 1 0 0 01 1 PST 码能够提供的定时分量，且无直流成分，编码过程也简单，在接收识别时需要 提供“分组”信息，即需要建立帧同步，在接收识别时，因为在“分组”编码时不可能 出现 00、+和的情况，如果接收识别时，出现上述的情况，说明帧没有同步，需要重新建立帧同步。例如：消息代码：01 00 11 10 10 11 00 PST 码： 0+ -+ +- -0 +0 +- -+或:： 0- -+ +- +0 -0 +- -+01 1110 0图 10 PST 码三、 课程设计所用仪器PC 机（Quartus II 编译软件）、基带信

14、号产生与码型变换模块、示波器、CPLD 下载线、8若干导线。四、 课程设计主要内容1.可编程逻辑器件 CPLD 的了解2基带信号产生实验基于基带信号产生与码型变换模块产生几个种类的基带信号，通过不同设置的拨码开关，分别输出产生的几种基带信号。例如：-4SW02 工作模式-00000 2k-15 位 M 序列-00001 32k-15 位 M 序列-00010 2k-31 位 M 序列-00011 32k-31 位 M 序列-其它 64k 拨码开关设置数据其中：-4P01-产生基带数据；-4P02-输出基带数据时钟；-4SW01(8bit 基带数据)-设置 64K 输出数据。3.码型变换实验基于

15、基带信号产生与码型变换模块产生多种码型变换，通过不同设置拨码开关，分别输出产生的几种码型变换。例如：-4SW02 工作模式-10000 双极性不归零码-10001 单极性归零码-10010 双极性归零码-10011 曼彻斯特码-10100 CMI 码-10101 米勒码-10110 PST 码其中：-4P01(绝对码)-输出 64k 拨码开关设置的数据;-4P03(相对码)-输出 4P01 对应的相对码;-4SW01(8bit 基带数据)-设置输出数据;9-4SW02(参数设置)-设置工作方式;-4TP02(编码时钟)-128K 编码时钟输出;-4P02(码元时钟)-基带数据输出时钟;本课程设

16、计可按下列步骤完成课题：-4SW01(8bit 基带数据)-设置 64K 输出数据。4.实验任务1 了解电路图及实验原理；2 进行 VHDL 编程，仿真测试；3 下载到硬件进行验证。10金 陵 科 技 学 院通信原理课程设计指导书课程编号： 05181001 课程设计名称：基于 CPLD 的线路码型的设计适用专业、年级：09 通信工程/09 电子信息工程 学分：1 学时数：20一、课程设计的目的、要求基于 CPLD 的线路码型变换课程设计是针对学习数字电路课程及学 VHDL 硬件描述语言后进行综合训练的课程，其目的是让学生通过实际的硬件去验证所编写程序的正确性，同时了解整个开发流程。 进一步加

17、深对所学基础知识的理解，培养和提高学生自学能力、实践动手能力和分析解决实际问题的能力。利用 VHDL 语言编程，在 FPGA 芯片上，设计产生各种线路码型： AMI 码、HDB3 码、扰码的编译码。二、课程设计的原理（一）.线路码型开发模块介绍1本课题硬件采用 CPLD 可编程模块（线路码型开发模块） ，将前端送来的一定速率的信号进行变换，使其满足线路传输的需要，要求送来的信号具备基带数据和同步时钟。它主要由 ALTERA 公司的 CPLD 可编程器件 EPM240 组成，外围有电平转换的模拟电路。2线路码型变换是指将输入的由 0，1 码元组成的基带数据，通过编码产生适合线路传输的线路码型，例

18、如 AMI 码或 HDB3 码，在此壳体内，需要同时在内部实现信号的解码过程。（二）.AMI 码编码原理介绍AMI 码的全称是传号交替反转码。这是一种将消息代码 0（空号）和 1（传号）按如下规则进行编码的码：代码的 0 仍变换为传输码的 0，而把代码中的 1 交替地变换为传输码的1、1、1、1由于 AMI 码的信号交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而 0 电位保持不变的规律。由此看出，这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。从 AMI 码的编码规则看出，它已从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列，而且也是一个二进制符

19、号变换成一个三进制符号。把一个二进制符号变换成一个三进制符号所构成的码称为 1B1T 码型。AMI 码除有上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点，它是一种基本的线路码，并得到广泛采用。但是，AMI 码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连 0 串，因而会造成提取定时信号的困难。（三）.HDB3 码编码原理介绍HDB3 码是三阶高密度码的简称。HDB3 码保留了 AMI 码所有的优点（如前所述） ，还可将连“0”码限制在 3 个以内，克服了 AMI 码出现长连 “0”过多，对提取定时钟不利的缺点。HDB3 码的功率谱基本上与 AMI 码类似。由于 HDB3

20、 码诸多优点，所以 CCITT11建议把 HDB3 码作为 PCM 传输系统的线路码型。如何由二进制码转换成 HDB3 码呢？HDB3 码编码规则如下：1二进制序列中的“0”码在 HDB3 码中仍编为“0”码，但当出现四个连“0”码时，用取代节 000V 或 B00V 代替四个连“0”码。取代节中的 V 码、B 码均代表“1”码，它们可正可负（即 V+=1，V-=1，B+=1，B-=1） 。2取代节的安排顺序是：先用 000V，当它不能用时，再用 B00V。000V 取代节的安排要满足以下两个要求：（1）各取代节之间的 V 码要极性交替出现（为了保证传号码极性交替出现，不引入直流成份） 。（2

21、）V 码要与前一个传号码的极性相同（为了在接收端能识别出哪个是原始传号码，哪个是 V 码？以恢复成原二进制码序列） 。 当上述两个要求能同时满足时，用 000V 代替原二进制码序列中的 4 个连“0” （用000V+或 000V-） ；而当上述两个要求不能同时满足时，则改用 B00V（B+00V+或 B-00V-，实质上是将取代节 000V 中第一个 “0”码改成 B 码） 。3HDB3 码序列中的传号码（包括“1”码、V 码和 B 码）除 V 码外要满足极性交替出现的原则。下面我们举个例子来具体说明一下，如何将二进制码转换成 HDB3 码。二进制码序列:1 0 0 0 0 1 0 1 0 0

22、 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1HDB3 码码序列:V+ -1 0 0 0 V- +1 0 1 B+ 0 0 V 0 1 +1 1 0 0 0 V- B+ 0 0 V+ 0 1从上例可以看出两点：（1）当两个取代节之间原始传号码的个数为奇数时，后边取代节用 000V；当两个 取代节之间原始传号码的个数为偶数时，后边取代节用 B00V（2）V 码破坏了传号码极性交替出现的原则，所以叫破坏点；而 B 码未破坏传号码极性交替出现的原则，叫非破坏点。虽然 HDB3 码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出，每一个破坏符号 V 总是与前一非 0 符号同极性（

23、包括 B 在内） 。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点 V 于是也断定 V 符号及其前面的 3 个符号必是连 0 符号，从而恢复 4个码，再将所有1 变成1 后便得到原消息代码。三、课程设计仪器PC 机（Quartus II 编译软件）、线路码型开发模块、示波器、CPLD 下载线、若干导线。四、课程设计内容本课程设计可按下列步骤完成课题：1 了解电路图及实验原理；2 进行 VHDL 编程，仿真测试；3 下载到硬件进行验证。12金 陵 科 技 学 院模拟电子技术课程设计指导书课程编号： 05181001 课程设计名称：基于软件无线电模块的DPSK 调制解调器的设计适用专业、年级：0

24、9 通信工程/09 电子信息工程 学分：1 学时数：20一、课程设计的目的、要求 基于软件无线电模块的 DPSK 调制解调器的设计课程设计是针对通信原理课程对学生能力培养的要求进行综合训练性质的课程，其目的是让学生通过有关课题的设计，了解软件无线电的相关知识，并对 DPSK 有更深入的了解，进一步加深对所学基础知识的理解，培养和提高学生自学能力、实践动手能力和分析解决实际问题的能力。基于软件无线电模块，通过 C 语言编程完成基带信号的 DPSK 调制和解调。也可通过对比模拟调制的 DPSK 和软件无线电调制的 DPSK，深入了解现代调制解调的发展。二、课程设计的原理（一）.软件无线电调制解调模

25、块介绍软件无线电调制和解调模块主要由 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320C5402 和 ALTERA 公司的 CPLD 芯片 EPM1270 组成，这两个都是可编程芯片，大大增加了系统的灵活性，因此可基于软件无线电模块完成多种实验内容。本课题中没有要求对 CPLD 进行编程，CPLD 中是已经写好的程序，因此对于开发者可以认为它只是 DSP 的外围器件即可。（二）.BPSK 调制解调原理介绍BPSK 的已调信号可以表示为： 0cos()Atet发 1发 0即发送二进制符号 0 时， 取 相位。显然载波的不同相位直接表示了相应的数字()t信息。BPSK 的信号产生可以采用相乘器来实现。产生

26、的方法以及波形如图 1 所示。13信源载波发生器调制双极性不归零码 cosAt0()e1 0图 1 BPSK 信号的产生以及波形在解调端可把 BSPK 调制信号看做是特殊的 QPSK 调制信号，而不用将 QPSK 的I、Q 两路信号全部还原再进行并串转换。首先将接收到的 BPSK 信号进行带通滤波，然后进入 COSTA 环进行载波的提取和同步，根据 QPSK 相关解调的内容，进行 QPSK 解调。之后经过一个位同步的提取，完成码元的同步过程。之后通过判决即可恢复基带码元数据，当然在解调端只要输出 I 路数据即可。 带 通 载 波 恢 复 90 低 通 滤 波 低 通 滤 波 判 决 电 路 位

27、 定 时恢 复 判 决 电 路 还 原 数 据 接 收 信 号BPSK 图 2 BPSK 信号的解调步骤（三）.相对码和绝对码转换我们知道，本地载波的相位与发送端的载波相位反相时，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，这种现象常称为 2PSK 的“倒 ”现象，即相位模糊现象，这在传送数据时是绝对不允许的。因此，实际中一般不采用 2PSK 方式，而采用差分移相（2DPSK）方式。2DPSK 方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用 表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：0 表示 0 码， 表示 1 码。则数字信息序列与 2DPSK 信号的码元相位关系可举

28、例表示如 2PSK 信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调，当14可见，在接收端采用相干解调时，即使本地载波的相位与发送端的载波相位反相，只要前后码元的相对相位关系不破坏，仍然可以正确恢复数字信息，这就避免了 2PSK 方式中的“倒 ”现象发生。三、课程设计仪器PC 机（CCS 编译软件）、PSK 调制模块，PSK 解调模块、软件无线电调制模块、软件无线电解调模块、示波器、DSP 仿真器、若干导线。四、课程设计内容本课程设计可按下列步骤完成课题：1 了解电路图原理；2 了解 PSK 调制解调，相对码转换和绝对码转换的相关内容；3 观测基于纯硬件的模拟电路 DPSK 调制；4 观测基于软件无线电的 DPSK 调制；5 阅读实验代码，了解 DPSK 的调制的编程原理。