通訊原理實驗報告

中南大學

通訊原理課程設計報告

學院：資訊科學與工程學院

班級通訊

學號姓名

指導老師彭春華

完成時間2023年10月26號

一、《硬體實驗》

1、實驗三《模擬鎖相環與載波同步4

2、實驗五《數字鎖相環與位同步9

3、實驗六《幀同步15

4、實驗七《時分復用數字基帶通訊系統18

二、《軟體設計實驗》

1、實驗目的23

2、實驗基本要求23

3、實驗原理分析23

4、**程式**及分析26

5、波形圖結果顯示30

6、心得體會33

7、參考文獻33

《一》硬體實驗

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訊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訊號中提取載波同步訊號，觀察相位模糊現象。

三、基本原理

通訊系統中常用平方環或同相正交環（科斯塔斯環）從2dpsk訊號中提取相干載波。本實驗系統的載波同步提取模組用平方環，原理方框圖如圖3-1所示，電原理圖如圖3-2所示（見附錄）。模組內部使用+5v、+12v、-12v電壓，所需的2dpsk輸入訊號已在實驗電路板上與數字調製單元2dpsk輸出訊號連在一起。

下面介紹模擬鎖相環原理及平方環載波同步原理。

鎖相環由鑑相器（pd）、環路濾波器（lf）及壓控振盪器（vco）組成，如圖3-3所示。

圖3-3 鎖相環方框圖

模擬鎖相環中，pd是乙個模擬乘法器，lf是乙個有源或無源低通濾波器。鎖相環路是乙個相位負反饋系統，pd檢測ui(t)與uo(t)之間的相位誤差並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雜訊）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是乙個正弦pd。

設uc(t)=ud(t)f(p)，f(p)為lf的傳輸運算元，vco的壓控靈敏度為k o，則環路的數學模型如圖3-4所示。

圖3-5 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)是固定頻率正弦訊號(θi(t)為常數)時，在環路的作用下，vco輸出訊號頻率可以由固有振盪頻率ωo（即環路無輸入訊號、環路對vco無控制作用時vco的振盪頻率），變化到輸入訊號頻率ωi，此時θo(t)也是乙個常數，ud(t)、uc(t)都為直流。我們稱此為環路的鎖定狀態。定義δωo=ωi-ωo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δωp<δωh。

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，環路鎖定後若δωo發生變化使|δωo|>δωh，環路不能保持鎖定狀態。

這兩種情況下，環路都將處於失鎖狀態。失鎖狀態下ud(t)是乙個上下不對稱的差拍電壓，當ωi>ωo，ud(t)是上寬下窄的差拍電壓；反之ud(t)是乙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。或者說，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)是調角訊號時，環路對ui(t)等效為乙個帶通濾波器，離ωi較遠的頻率成分將被環路濾掉。

環路自然諧振頻率ωn及阻尼係數ζ(具體公式在下文中給出)是兩個重要引數。ωn越小，環路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的頻寬越窄；ζ越大，環路穩定性越好。

當環路輸入端有雜訊時，θi(t)將發生抖動，ωn越小，環路濾除雜訊的能力越強。實驗一中的電荷幫浦鎖相環4046的效能與模擬環相似，所以它可以將乙個週期不恆定的訊號變為乙個等週期訊號。

對2dpsk訊號進行平方處理後得，此訊號中只含有直流和2ωc頻率成分，理論上對此訊號再進行隔直流和二分頻處理就可得到相干載波。鎖相環似乎是多餘的，當然並非如此。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，其輸出訊號幅度隨數字基帶訊號變化，不是乙個標準的二倍頻正弦訊號。即平方電路輸出訊號頻譜中還有其它頻率成分，必須濾除。

接收機收到的2dpsk訊號中含有雜訊（本實驗系統為理想通道，無雜訊），因而平方電路輸出訊號中也含有雜訊，必須用乙個窄帶濾波器濾除雜訊。

鎖相環對輸入電壓訊號和雜訊相當於乙個帶通濾波器，我們可以選擇適當的環路引數使帶通濾波器頻寬足夠小。

對於本模擬環，ωn、ζ、環路等效雜訊頻寬bl及等效帶通濾波器的品質因數的計算公式如下：

設計環路時通過測量得到kd、ko，一般選ζ值為0.5~1，根據任務要求選定ωn後即可求得環路濾波器的元件值。

當固有頻差為0時，模擬環輸出訊號的相位超前輸入相位90 ，必須對除2電路輸出訊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被設定為上公升沿觸發，u28:

b為下降沿觸發，故改變u28:a輸出訊號的寬度即可改變u28:b輸出訊號的相位，從而改變相干載波的相位。

此移相電路的移相範圍小於90 。在鎖定狀態下微調c34也會改變輸出訊號與輸入訊號的相位關係（為什麼，請思考）。

可對相干載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、數字調製單元和載波同步單元。

1.熟悉載波同步單元的工作原理。接好電源線，開啟實驗箱電源開關。

2.檢查數字信源單元和數字調製單元是否正常工作（用示波器觀察nrz(ak)和2dpsk訊號有無，兩者邏輯關係正確與否）。

3. 用示波器觀察載波同步模組鎖相環的鎖定狀態、失鎖狀態，測量環路的同步帶、捕捉帶。

環路鎖定時ud為直流、環路輸入訊號頻率等於反饋訊號頻率（此鎖相環中即等於vco訊號頻率）。環路失鎖時ud為差拍電壓，環路輸入訊號頻率與反饋訊號頻率不相等。本環路輸入訊號頻率等於2dpsk載頻的兩倍，即等於調製單元car訊號頻率的兩倍。

環路鎖定時vco訊號頻率等於car-out訊號頻率的兩倍。所以環路鎖定時調製單元的car和載波同步單元的car-out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

開啟電源後用示波器觀察ud，若ud為直流，則調節載波同步模組上的可變電容c34，ud隨c34減小而減小，隨c34增大而增大（為什麼？請思考），這說明環路處於鎖定狀態。用示波器同時觀察調製單元的car和載波同步單元的car-out，可以看到兩個訊號頻率相等。

若有頻率計則可分別測量car和car-out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car-out頻率不再相等，環路由鎖定狀態變為失鎖。

接通電源後ud也可能是差拍訊號，表示環路已處於失鎖狀態。失鎖時ud的最大值和最小值就是鎖定狀態下ud的變化範圍（對應於環路的同步範圍）。環路處於失鎖狀態時，car和car-out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

環路處於鎖定狀態後，慢慢增大c34，使ud增大到鎖定狀態下的最大值ud1（此值不大於+12v）；繼續增大c34，ud變為交流（上寬下窄的週期訊號），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鑑相器輸出電壓為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（下寬上窄的週期訊號），環路再次失鎖。

然後反向增大c34，記環路剛剛由失鎖狀態進入鎖定狀態時鑑相器輸出電壓為ud4。

令δv1=ud1- ud3，δv2=ud2- ud4，它們分別為同步範圍內及捕捉範圍內環路控制電壓的變化範圍，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，由於vco是晶體壓控振盪器，它的頻率變化範圍比較小，調節c34時環路可能只能從乙個方向由鎖定狀態變化到失鎖狀態，此時可用δfh =k0(ud1-6）或δfh =k0(6-ud3）、δfp =k0(ud2-6）或δfp =k0(6-ud4）來計算同步帶和捕捉帶，式中6為ud變化範圍的中值（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car-out的頻率高但幅度很小，用示波器觀察這些訊號時應注意幅度旋鈕和頻率旋鈕的調整。

失鎖時，car和car-out頻率不相等，但當頻差較大時，在鑑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、最後變為直流，環路進入鎖定狀態。

環路鎖定時，ud不是乙個純淨的直流訊號，在直流電平上疊加有乙個很小的交流訊號。這種現象是由於環路輸入訊號不是乙個純淨的正弦訊號所造成的。

4. 觀察環路的捕捉過程

先使環路處於失鎖定狀態，慢慢調節c34，使環路剛剛進入鎖定狀態後，關閉電源開關，然後再開啟電源，用示波器觀察ud，可以發現ud由差拍訊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製單元的car和載波同步單元的car-out訊號，調節電位器p1或微調電容c34使兩者成為反相或同相。反覆斷開、接通電源可以發現這兩個訊號有時同相、有時反相。

五、實驗報告要求

1.總結鎖相環鎖定狀態及失鎖狀態的特點。

答：模擬鎖相環鎖定的特點：輸入訊號頻率與反饋訊號的頻率相等，鑑相器輸出電壓為直流。

模擬鎖相環失鎖的特點：鑑相器輸出電壓為不對稱的差拍電壓。

2.設k0=18 hz/v ，根據實驗結果計算環路同步帶δfh及捕捉帶δfp 。

答：代入指導書「3式」計算得： v，則； v，則

答：；遠小於碼速率170.5（波特）；

4.總結用平方環提取相干載波的原理及相位模糊現象產生的原因。

答：平方運算輸出訊號中有離散譜，模擬環輸出訊號頻率等於，二分頻，濾波後得到干擾波；電路有兩個初始狀態，導致提取的相干載波有兩種相反的相位狀態。

5.設vco固有振盪頻率f0 不變，環路輸入訊號頻率可以改變，試擬訂測量環路同步帶及捕捉帶的步驟。

答：環路處於鎖定狀態後，慢慢增大c34，使ud增大到鎖定狀態下的最大值ud1（此值不大於+12v）；

1 ud增大到鎖定狀態下的最大值ud1值為： 4.8 v

2 繼續增大c34，ud變為交流（上寬下窄的週期訊號）。

3 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。

4 直至變為直流。記環路剛剛由失鎖狀態進入鎖定狀態時鑑相器輸出電壓為ud2；繼續減小c34，使ud減小到鎖定狀態下的最小值ud3；

環路剛剛由失鎖狀態進入鎖定狀態時鑑相器輸出電壓為ud2為：2.4 v

ud減小到鎖定狀態下的最小值ud3為：1.6 v

5 再繼續減小c34，ud變為交流（下寬上窄的週期訊號），環路再次失鎖。然後反向增大c34，記環路剛剛由失鎖狀態進入鎖定狀態時鑑相器輸出電壓為ud4。環路剛剛由失鎖狀態進入鎖定狀態時鑑相器輸出電壓為ud4的值為：

4.4 v

實驗五：數字鎖相環與位同步

一、實驗目的

1. 掌握數字鎖相環工作原理以及觸發式數字鎖相環的快速捕獲原理。

2. 掌握用數字環提取位同步訊號的原理及對資訊**的要求。

3. 掌握位同步器的同步建立時間、同步保持時間、位同步訊號同步抖動等概念。

二、實驗內容

1. 觀察數字環的失鎖狀態、鎖定狀態。

2. 觀察數字環鎖定狀態下位同步訊號的相位抖動現象及相位抖動大小與固有頻差、資訊**的關係。

3. 觀察數字環位同步器的同步保持時間與固有頻差之間的關係。

三、基本原理

可用窄帶帶通濾波器，鎖相環來提取位同步訊號。實驗一中用模數混合鎖相環（電荷幫浦鎖相環）提取位同步訊號，它要求輸入訊號是乙個準週期數碼訊號。實驗三中的模擬環也可以提取位同步訊號，它要求輸入準週期正弦訊號。

本實驗使用數字鎖相環提取位同步訊號，它不要求輸入訊號一定是週期訊號或準週期訊號，其工作頻率低於模數環和模擬環。

用於提取位同步訊號的數字環有超前滯後型數字環和觸發器型數字環，此實驗系統中的位同步提取模組用的是觸發器型數字環，它具有捕捉時間短、抗噪能力強等特點。位同步模組原理框圖如圖5-1所示，電原理圖如圖5-2所示（見附錄）。其內部僅使用+5v電壓。

位同步器由控制器、數字鎖相環及脈衝展寬器組成，數字鎖相環包括數字鑑相器、量化器、數字環路濾波器、數控振盪器等單元。

下面介紹位同步器的工作原理。

數字鎖相環是乙個微控制器系統，主要器件是微控制器89c51及可程式設計計數器8254。環路中使用了兩片8254，共六個計數器，分別表示為8254a0、8254a1、8254a2、8254b0、8254b1、8254b2。它們分別工作在m0、m1、m2三種工作模式。

m0為計數中斷方式，m1為單穩方式，m2為分頻方式。除位址線、資料線外，每個8254晶元還有時鐘輸入端c、門控訊號輸入端g和輸出端o。

數字鑑相器電原理圖及波形圖如圖5-3（a）、圖5-3（b）所示。輸出訊號寬度正比於訊號ui及uo上公升沿之間的相位差，最大值為ui的碼元寬度。稱此鑑相器為觸發器型鑑相器，稱包含有觸發器型鑑相器的數字環路為觸發器型數字鎖相環。

圖5-3 數字鑑相器

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