实验二 数字调制实验

一、实验目的

1．掌握绝对码、相对码概念及它们之间的编译码规则。

2．掌握用键控法产生2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的方法。 3．掌握相对码与2DPSK、绝对码与2PSK信号波形之间的对应关系。

4．了解2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。

二、实验内容

1．用示波器观察绝对码波形、相对码波形。

2．用示波器观察2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号波形。

3．用频谱仪观察数字基带信号频谱及2ASK、2FSK、2DPSK信号的频谱。

三、基本原理

本实验使用数字信源模块和数字调制模块。 1．数字信源

本模块是整个实验系统的发送端，其原理方框图如图1-1所示。本单元产生NRZ信号，信号码速率约为170.5KB，帧结构如图1-2所示。帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号。发光二极管亮状态表示1码，熄状态表示0码。 本模块有以下测试点及输入输出点：  CLK  FS

晶振信号测试点

信源位同步信号输出点/测试点 信源帧同步信号输出点/测试点 NRZ信号输出点/测试点

CRY：晶体；U1：反相器74LS04

U2：计数器74LS161；U3：计数器74LS193； U4：计数器74LS160

K1、K2、K3：8位手动开关，从左到右依次与帧同步码、数据1、数据2相对应；发光二极管左起分别与一帧中的24位代码相对应

 八选一  三选一  倒相器  抽样

U5、U6、U7：8位数据选择器74LS151 U8：8位数据选择器74S151 U20：非门74LS04 U9：D触发器74HC74

 BS-OUT

 NRZ-OUT  晶振

 分频器

图1-3为数字信源模块的电原理图，图1-1中各单元与图1-3中的元器件对应关系如下：

 并行码产生器

并 行 码 产 生 器八选一S1八选一八选一分S2S3S4S5BS倒相器FS三选一 BS-OUTNRZ 频晶振CLK无定义位帧同步码×1110010××××××××××××××××下面对分频器，八选一及三选一等单元作进一步说明。 ① 分频器

74LS161进行13分频，输出信号频率为341kHz。74LS161是一个4位二进制加计数器，预置在3状态。

74LS193完成÷2、÷4、÷8、÷16运算，输出BS、S1、S2、S3等4个信号。BS为位同步信号，频率为170.5kHz。S1、S2、S3为3个选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2、1/4和1/8。74LS193是一个4位二进制加/减计数器，当CPD= PL =1、MR=0时，可在Q0、Q1、Q2及Q3端分别输出上述4个信号。

74SL160是一个二一十进制加计数器，预置在7状态，完成÷3运算，在Q0和Q1端分别输出选通信号S4、S5，这两个信号的频率相等、等于S3信号频率的1/3。

分频器输出的S1、S2、S3、S4、S5等5个信号的波形如图1-4(a)和1-4(b)所示。

② 八选一

采用8路数据选择器4512，它内含了8路传输数据开关、地址译码器和三态驱动器，其真值表如表1-1所示。U5、U6和U7的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接S1、S2、S3信号，它们的8个数据信号输入端x0 ~ x7分别K1、K2、K3输出的8个并行信号连接。由表1-1可以分析出U5、U6、U7输出信号都是码速率为170.5KB、以8位为周期的串行信号。

器抽 NRZ-OUT样 图1-1 数字信源方框图

数据1数据2 图1-2 帧结构

表1-1 74LS151真值表 C B A STR Y 0 0 0 0 x0 0 0 1 0 x1 0 1 0 0 x2 0 1 1 0 x3 1 0 0 0 x4 1 0 1 0 x5 1 1 0 0 x6 1 1 1 0 x7 Φ Φ Φ 1 0 ③ 三选一

图理原电源信字数 3-1图 三选一电路原理同八选一电路原理。S4、S5信号分别输入到U8的地址端A和B，U5、U6、U7输出的3路串行信号分别输入到U8的数据端x3、x0、x1，U8的输出端即是一个码速率为170.5KB的2路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ）。

S1S2S3(a)S3S4S5(b)

图1-4 分频器输出信号波形

④ 倒相与抽样

图1-1中的NRZ信号的脉冲上升沿或下降沿比BS信号的下降沿稍有点迟后。在数字调制单元中，有一个将绝对码变为相对码的电路，要求输入的绝对码信号的上升沿及下降沿与输入的位同步信号的上升沿对齐，而这两个信号由数字信源提供。倒相与抽样电路就是为了满足这一要求而设计的，它们使NRZ-OUT及BS-OUT信号满足码变换电路的要求。

FS信号、NRZ-OUT信号之间的相位关系如图1-5所示，图中NRZ-OUT的无定义位为0，帧同步码为1110010，数据1为11110000，数据2为00001111。FS信号的低电平、高电平分别为4位和8位数字信号时间，其上升沿比NRZ-OUT码第一位起始时间超前一个码元。

帧同步码NRZ-OUT数据1数据2FS

图1-5 FS、NRZ-OUT波形

2．调制模块

信源模块向调制模块提供位同步信号BS和数字基带信号（NRZ码）。调制模块将输入的NRZ绝对码变为相对码、用键控法产生2ASK、2FSK、2DPSK信号。调制单元的原理方框图及电路图分别如图2-1、图2-2所示。

CLK ÷ 8 滤波器A CAR 放大器 2PSK调制 射随器 PSK / DPSK ÷ 2 滤波器B 2FSK调制 FSK NRZ_IN AK BS_IN 码变换 BK 2ASK调制 ASK

2-1 数字调制方框图

本单元有以下测试点及输入输出点：

 BS_IN  NRZ_IN  CAR  BK

位同步信号输入点 数字基带信号输入点 2DPSK信号载波测试点

绝对码测试点（与NRZ-IN相同） 相对码测试点

2DPSK（2PSK）信号测试点/输出点，VP-P>0.5V 2FSK信号测试点/输出点，VP-P>0.5V 2ASK信号测试点，VP-P>0.5V

 AK（即NRZ_IN）  PSK/ DPSK  FSK  ASK

图2-1中晶体振荡器与信源共用，位于信源单元，其它各部分与图2-2中的主要元器件对应关系如下：

 8（Q3）  16（Q4）  滤波器A  滤波器B  码变换

 2ASK调制  2FSK调制  射随器

U2 A：双D触发器74LS393 U5：运放LF347，调谐回路 U5：运放LF347，调谐回路

U1：双D触发器74LS74；U3：异或门74LS86 U6：三路二选一模拟开关4053 U6：三路二选一模拟开关4053 U6：三路二选一模拟开关4053 Q1,Q2,Q3：三极管9013 U2 A：双D触发器74LS393

 2DPSK（2PSK调制）

将晶振信号进行8分频且滤波后，得到2ASK的载频，再经放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，形成2PSK、2DPSK的两个载波，选晶振8分频及16分频且滤波后的信号为2FSK信号的两个载波。

下面重点介绍2PSK、2DPSK。2PSK、2DPSK波形与信息代码的关系如图2-3所示。

图2-3 2PSK、2DPSK波形

图2-3中假设码元宽度等于载波周期的1倍。2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时，2PSK信号相位变化180，相同时2PSK信号相位不变，可简称为“异变同不变”。2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180。码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1变0不变”。

图2-2 数字调制原理图 应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相与前一码元内信号的末相进行比较(如果载波频率与码速率之间是整数倍关系，则初相与末相相同)，而不是将相邻码元信号的初相进行比较。实际工程中，2PSK或2DPSK信号载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是哪种关系，上述结论总是成立的。 本单元用码变换——2PSK调制方法产生2DPSK信号，原理框图及波形图如图2-3所示。相对于绝对码AK、2PSK调制器的输出就是2DPSK信号，相对于相对码、2DPSK调制器的输出是2PSK信号。图2-4中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与AK、BK的关系当然也是符合上述规律的，即对于AK来说是“1变0不变”关系，对于BK来说是“异变同不变”关系，由AK到BK的变换也符合“1变0不变”规律。

图2-4中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK也可能具有相反的序列即00100，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。

2DPSK通信系统可以克服上述2PSK系统的相位模糊现象，故实际通信中采用2DPSK而不用2PSK（多进制下亦如此，采用多进制差分相位调制MDPSK），此问题将在数字解调部分再详细介绍。

AKBK-1BK2DPSK(AK)2PSK调制2PSK(BK)+TS

图2-4 2DPSK调制器

2PSK信号的时域表达式为

S(t)= m(t)cosωct （2-1）

式(2-1)中m(t)为双极性不归零码BNRZ，当“0”、“1”等概时m(t)中无直流分量，S(t)中无载频分量，2DPSK信号的频谱与2PSK相同。

2ASK信号的时域表达式与2PSK相同，但m(t)为单极性不归零码NRZ，NRZ中有直流分量，故2ASK信号中有载频分量。

2FSK信号（相位不连续2FSK）可看成是AK与AK调制不同载频信号形成的两个2ASK信号相加。时域表达式为

S(t)m(t)cosc1tm(t)cosc2t （2-2）

式（2-2）中m(t)为NRZ码。

设码元宽度为Ts，fS=1／Ts在数值上等于码速率，2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK的功率谱密度如图2-5所示。可见，2ASK、2PSK（2DPSK）的功率谱是数字基带信号m(t)功率谱的线性搬移，故常称2ASK、2PSK（2DPSK）为线性调制信号。多进制的MASK、MPSK（MDPSK）、MFSK信号的功率谱与二进制信号功率谱类似。

本实验系统中m(t)是一个周期信号，故m(t)有离散谱，因而2ASK、2PSK（2DPSK）、

2FSK也具有离散谱。

fc-fs fc fc+fs f2ASKfc-fs fc fc+fs2PSK（2DPSK）f fc1-fs fc1 fc2 fc2+fs2FSKf

图2-5 2ASK、2PSK（2DPSK）、2FSK信号功率谱

四、实验步骤

本实验使用数字信源模块和数字调制模块。 1．熟悉数字信源单元及数字调制单元的工作原理。

2．连线：数字调制单元的CLK、BS_IN、NRZ_IN分别连至数字信号源单元的CLK、BS-OUT、NRZ-OUT。

3．打开数字信源模块与数字调制模块的电源。示波器CH1接信源 (NRZ-OUT)，CH2接数字调制单元的BK，信源模块的K1、K2、K3置于任意状态(非全0)，观察AK、BK波形，总结绝对码至相对码变换规律以及从相对码至绝对码的变换规律。

4．示波器CH1接DPSK，CH2分别接AK及BK，观察并总结2DPSK信号相位变化与绝对码的关系以及2DPSK信号相位变化与相对码的关系（此关系即是2PSK信号相位变化与信源代码的关系）。注意：2DPSK信号的幅度可能不一致，但这并不影响信息的正确传输。

5．示波器CH1接AK、CH2依次接FSK和ASK；观察这两个信号与AK的关系（注意“1”码与“0”码对应的2FSK信号幅度可能不相等，这对传输信息是没有影响的）。

6．用频谱议观察AK、2ASK、2FSK、2DPSK信号频谱（条件不具备时不进行此项观察）。

注意：由于示波器的原因，实验中可能看不到很理想的2FSK、2DPSK波形。

五、实验报告要求

1．设绝对码为全1、全0或1001 1010，求相对码。 2．设相对码为全1、全0或1001 1010，求绝对码。

3．设信息代码为1001 1010，载频分别为码元速率的1倍和1.5倍，画出2DPSK及2PSK信号波形。

4．总结绝对码至相对码的变换规律、相对码至绝对码的变换规律并设计一个由相对码至绝对码的变换电路。

5．总结2DPSK信号的相位变化与绝对码的关系以及2DPSK信号的相位变化与相对码的关系（即2PSK的相位变化与信息代码之间的关系）。