北邮通信原理实验报告.pdf
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1、北京邮电大学 通信原理实验报告 学院:信息与通信工程学院 班级: 姓名: 姓名: 实验一:双边带抑制载波调幅(DSB-SC AM) 一、实验目的 1、了解 DSB-SC AM 信号的产生以及相干解调的原理和实现方法。 2、了解 DSB-SC AM 信号波形以及振幅频谱特点, 并掌握其测量方法。 3、了解在发送 DSB-SC AM信号加导频分量的条件下 , 收端用锁相环提取载波的原 理及其实现方法。 4、掌握锁相环的同步带和捕捉带的测量方法, 掌握锁相环提取载波的调试方法。 二、实验原理 DSB信号的时域表达式为 ( )( )cosDSBcstm tt 频域表达式为 1 ( )()() 2 DS
2、Bcc SMM 其波形和频谱如下图所示 DSB-SC AM 信号的产生及相干解调原理框图如下图所示 将均值为零的模拟基带信号m(t) 与正弦载波 c(t) 相乘得到 DSB SC AM 信号, 其频谱不包含离散的载波分量。 DSBSC AM 信号的解调只能采用相干解调。为了能在接收端获取载波, 一 种方法是在发送端加导频, 如上图所示。收端可用锁相环来提取导频信号作为恢 复载波。此锁相环必须是窄带锁相,仅用来跟踪导频信号。 在锁相环锁定时, VCO 输出信号与输入的导频信号 的频率相同,但二者的相位差为 ,其中很小。锁相环中乘法器的两个 输入信号分别为发来的信号s(t)(已调信号加导频)与锁相
3、环中VCO 的输出信 号,二者相乘得到 在锁相环中的 LPF带宽窄,能通过分量,滤除 m(t)的频率分量及四倍 频载频分量,因为很小,所以约等于。LPF 的输出以负反馈的方式控制 VCO,使其保持在锁相状态。锁定后的VCO 输出信号经 90 度移相 后,以作为相干解调的恢复载波, 它与输入的导频信号 同频,几乎同相。 相干解调是将发来的信号s(t)与恢复载波相乘,再经过低通滤波后输出模拟 基带信号 经过低通滤波可以滤除四倍载频分量,而 是直流分量,可以通过隔直 流电路滤除,于是输出为。 三、实验框图 1、根据原理图得到产生DSB-SC AM 信号的实验连接框图如图所示 2、DSB-SC AM
4、信号的相干解调及载波提取实验连接图 3、测量 VCO 的压控灵敏度 四、实验步骤 1、DSB AC信号的产生 (1) 将音频振荡器输出的模拟音频信号及住振荡器输出的100KHZ模拟载频信号 分别用连线联结至乘法器的两个输入端。 (2)用示波器观看音频振荡器输出信号的信号波形的幅度和振荡频率,调整为 10KHZ ,作为均值为 0 的调制信号 m(t) 。 (3)用示波器观看主振荡器输出波形的幅度及振荡频率。 (4)用示波器观看乘法器的输出波形,并注意已调信号波形的相位翻转与调制 信号波形的关系。 (5)测量已调信号的振幅频谱,注意其振幅频谱的特点。 (6)将已调信号和导频分量加到加法器的两个输入
5、端,调整加法器上的参数G 和 g, 使其与实际相符。观看输出波形及其频谱。具体调整方法如下: a. 首先调整增益 G :将加法器的 B 输入接地端接地, A 输入端接已调信号, 用示波器观看加法器A 输入端的信号幅度与加法器输出信号幅度。调节旋钮G , 使得加法器输出幅度与输入一致,说明此时G=1 b. 再调整增益 g:加法器 A 输入端仍接已调信号, B 输入端接导频信号。用 频谱仪观看加法器输出信号的振幅频谱,调节增益 g 旋钮,使导频信号振幅频谱 的幅度为已调信号的边带频谱幅度的0.8 倍。 此导频信号功率约为已调信号功率 的 0.32 倍。 2、DSB AC信号的相干解调及其载波提取
6、(1)锁相环的调试: VCO模块及其框图如上述实验框图所示。 将 VCO 模块前面板上的频率选择开关拨到HI 载波频段的位置, VCO 的 VIN 输入 端暂不接信号。 用示波器观看 VCO 的输出波形及工作频率, 然后旋转 VCO 模块前 面板上的 f0 按钮,改变 VCO 中心频率,其频率范围约为70130KHz 。 然后将可变直流电压模块的DC输出端与 VCO 模块的 VIN 相连接,双踪示波器分 别接于 VCO 输出端及 DC输入端。 a. 当直流电压为 0 时,调整 VCO 模块的 f0 按钮,使 VCO的中心频率 f0 为 100KHz 。 b. 从-2V 至+2V改变直流电压,观
7、察VCO 的频率及其线性工作范围。 c. 调节 VCO 的 GAIN旋钮,使得在可变直流电压为V时的 VCO 频率频偏为 KHz 。值得注意的是,不同GAIN值对应不同的 VCO 压控灵敏度。 (2)单独测量锁相环中的相乘、低通滤波器的工作是否正常 按下图所示的电路图进行试验, 即锁相环处于开环状态。 锁相环中的 LPF输出 端不要接至 VCO 的输入端。此时,下图中的乘法器相当于混频器。 在实验中,将另一VCO 作为信号源输入乘法器。改变信源VCO 的中心频率,用 示波器观看锁相环中的相乘、低通滤波的输出信号,它应该是输入信号与VCO 输出信号的差拍信号。 (3)测量锁相环的同步带及捕捉带
8、将载频提取的锁相环闭环连接,仍使用另一VCO 作为输入于锁相环的信号源, 如下图所示。 首先将信号源 VCO 的中心频率调到比100KHz小很多的频率,是锁相环处于失锁 状态(示波器输出为交变波形) 。调节信号源 VCO ,使其频率由低往高缓慢变化。 当示波器呈现的信号波形由交变信号变为直流信号时,说明锁相环由失锁状态进 入了锁定状态,记录输入信号的频率f2 。 继续将信源的频率往高调节,环路电压跟着变化,直到从示波器见到的信号波 形由直流突变为交流信号,说明锁相环失锁,记录此时的输入信号频率f4. 再从 f4 开始,将输入信号频率从高往低调,记录再次捕捉到同步时的频率f3. 继续向低调节频率
9、,直到再次失锁,记录频率f1 。 上述过程可反复进行几次。 同步带 捕捉带 (4)恢复载波 a) 将图中的锁相环按上述过程调好,在按照指导书图示实验连接,将加法器输 出信号接至锁相环的输出端。将移相器模块印刷电路板上的频率选择开关拨到 HI 位置。 b) 用示波器观察锁相环的LPF 输出信号是否是直流信号,以此判断载波提取 PLL是否处于锁定状态。 若锁相环锁定, 用双踪示波器可以观察发端导频信号与 锁相环 VCO 输出的信号时候同步的,二者的相应相位差为,且 很小。若锁相 环失锁,则锁相环LPF输出波形是交流信号,可缓慢调节锁相环VCO 模块的 旋 钮,直至锁相环LPF输出为直流,即锁相环由
10、失锁进入锁定,继续调接旋钮, 使 LPF输出的直流电压约为0 电平。 c) 在确定锁相环提取载波成功后,利用双踪示波器分别观察发端的导频信号及 收端载波提取锁相环中VCO 的输出经移相后的信号波形, 调节移相器模块中的移 相旋钮, 达到移相, 使输入于相干解调的恢复载波与发来的导频信号不仅同频, 也基本同相。 d) 用频谱仪观测恢复载波的振幅频谱,并加以分析。 (5)相干解调 a) 在前述实验的基础上, 将信号和恢复载波分别连接至相干解调的乘法器的输 入端。 b) 用示波器观察相干解调相乘、低通滤波后的输出波形。 c) 改变发端音频信号的频率,观察输出波形的变化。 五实验结果与分析 (1)ds
11、b-sc am 信号的产生 1、音频振荡器输出调制信号波形,频率为10KHz 2、主振荡器输出信号波形,频率为100KHz 3、乘法器输出 DSB-SC 信号波形 乘法器输出信号包络为调制信号,音频信号零点位置存在相位翻转。 4、乘法器输出频谱 由图可看出, dsb-sc am信号在 100kHz处并无频谱分量,仅在左右各偏移10kHz 处存在信号,与理论分析一致。 5、加法器输出波形与频谱 kHz 020406080100120140 dB -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 12M ay2015 20:39 6、加法器输出频谱 从图可以看出,在 100KHz 位置为导频信号
12、,两边为已调信号。导频信号振幅频 谱的幅度为已调信号频谱的边带频谱幅度的0.8 倍, 导频信号功率约为已调信号 的 0.8*0.8/2=0.32倍。 (2) DSB-SC AM 信号的相干解调及载波提取 1、调整 VCO 中心频率为 100kHz kHz 020406080100120140 dB -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 12M ay2015 20:36 2 、测试同步带和捕捉带 直流电压为 +-2v 频率 可变直流电压为 +-1v 时,VOC 频率偏移为 +-10khz 测量得出 f1=94.37K f2=96.15K f3=104.2K f4=106.4K 同步
13、带=12.03K 捕捉带=8.05K 3、锁相环相乘 . 4、解调输出波形 解调输出的波形与输入波形基本同频同相,仅在幅度上有偏差。 5.恢复载波 用锁相环提取载波 提取载波的频谱图 六、思考题 1、说明 DSB-SC AM 信号波形的特点 答: DSB-SC 为双边带调幅,是只传输两个边带的调制方式。双边带调制是实 现频谱搬移, 其波形振幅随着调制信号变化,但与普通调幅波不同, 它的包络不 再反映调制信号的波形,而是在零值上下变化,并且在调制信号等于0 的瞬间, 书岸边带调幅波的高频振荡相位可能出现180 度的相位突变。 经幅度调制后, 基 带信号的频谱被搬移到了载频fc 处。若模拟基带信号
14、带宽为W,则调幅信号带 宽为 2W,因为在频域中输出此调幅信号s(t)的信道带宽 B=2W。 2、画出已调信号加导频的振幅频谱,算出导频信号功率与已调信号功率之比。 答: 由图可知,导频信号功率与已调信号功率的百分比为31.2%, 接近理论值 32% 。 3、 实验中载波提取的锁相环中的LPF能不能用 TIMS系统中的“TUNEABLE LPF ” ? 答:不能, TUNEABLE LPF 中 WIDE一项中带宽的滤波范围是2kHz-12kHz,输出 信号频率可能大于范围被滤掉导致结果错误,所以不能使用。 4、若本实验中的音频信号为1kHz,请问实验系统所提供的PLL能否用来提取载 波?为什么
15、? 答:不能,因为锁相环的截止频率为2.8kHz,如果音频信号为1kHz则锁相环会 跟踪音频信号,造成信号失真。 5、若发端不加导频,收端提取载波还有其他方法吗?请画出框图 答:使用平方环法或科斯塔斯环法提取。 平方环法框图: kHz 020406080100120140 dB -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 12M ay2015 20:36 科斯塔斯环法框图: 实验二:具有离散大载波的双边带调幅(AM) 一、实验目的 1、了解 AM信号的产生原理和实现方法。 2、了解 AM信号波形和振幅频谱的特点,并掌握调幅系数的测量方法。 3、了解 AM信号的非相干解调原理和实现方法。
16、 二、实验原理 1、AM信号的产生 对于单音频信号 ( )sin(2) mm m tAf t 进行 AM调制的结果为 ( )(sin(2)sin 2(1sin(2)sin 2 AMcmmccmc stAAAf tf tA Aaf tf t 其中调幅系数 m A a A 。 AM信号的包络与调制信号m(t) 成正比,为避免产生过调制(过调会引起包络 失真)要求1a。 AM信号的振幅频谱具有离散的大载波,这是与 DSB-SC AM信号的振幅频谱的不 同之处。 由 max A和 min A分别表示 AM信号波形包络最大值和最小值,则AM信号的调 幅系数为 maxmin maxmin AA a AA
17、如图所示为 AM调制的过程和频谱示意图。 产生 AM信号的方法有两种,分别如下图所示。 第二种方法与实验一DSB-SC AM 信号加导频的产生方法类似, 只是 AM 信号的离散 载波要足够大,以避免产生过调制。 本实验采用第一种方法产生AM信号。 2、AM信号的解调 AM信号由于具有离散大载波,故可以采用载波提取相干解调的方法。其实现类 似于实验一中的 DSB-SC AM 信号加导频的载波提取和相干解调的方法。 AM的主要优点是可以利用包络检波器进行非相干解调,可以使得接收设备更加 简单。 本实验采用包络检波方案。 三、实验框图 1、AM信号的产生 2、AM信号的非相干解调 四、实验步骤 1、
18、AM 信号的产生 (1)按图进行各模块之间的连接。 (2)音频振荡器输出为5KHz ,主振荡器输出为 100KHz ,乘法器输入耦合开关置 于 DC状态。 (3)分别调整加法器的增益G以 g 均为 1。 (4)逐步增大可变直流电压,使得加法器输出波形是正的。 (5)观察乘法器输出波形是否为AM波形。 (6)测量 AM信号的调幅系数 a 值,调整可变直流电压,使a=0.8。 (7)测量 a=0.8 的 AM信号振幅频谱。 2、AM信号的非相干解调 (1)输入的 AM信号的调幅系数 a=0.8。 (2)用示波器观察整流器的输出波形。 (3)用示波器观察低通滤波器的输出波形。 (4)改变输入 AM信
19、号的调幅系数,观察包络检波器输出波形是否随之改变。 (5)改变发端调制信号的频率,观察包络检波输出波形的变化。 五、实验结果与分析 AM信号的产生 1、音频振荡输出信号 由图可看出,调制信号频率约为5kHz。 2、调整 a=0.8 后 AM信号振幅及频谱 由上图可看出 a=0.8。在频谱图中, 在 100kHz处有明显的载频分量, 在左右 5kHz处有搬移后的边频分量。 3、当 a=0.8 时,整流器输出波形 4、当 a=0.8 时,解调输出波形 5、当 a=1时,信号过零点。所以,当a1 时,信号必将出现失真。 6、当调制信号频率改变时,信号解调出现失真。 六、思考题 1、在什么情况下,会产
20、生AM信号的过调现象? 答:当调制系数大于1 时,会产生过调现象,此时幅度最小值不是实际最小值, 实际最小值应为负值。 2、对于 a=0.8 的 AM信号,请计算载频功率与边带功率之比值。 答:AM信号公式为( )1sin(2)sin(2) AMcmc StAaf tf t 则可得其边带功率为: 2 ()4 4 c b A a P 载波功率为: 2 ()2 2 c c A P 所以比值为 3.125 3、是否可用包络检波器对DSB-SC AM 信号进行解调?请解释原因。 答:不可以。因为已调信号的包络与m(t) 不同,并不代表调制信号,有负值部 分,且在与 t 轴的交点处有相位翻转。而包络应该
21、为正幅度。 实验三:调频(FM) 一、实验目的 1、了解用 VCO 作调频器的原理及实验方法。 2、测量 FM信号的波形图及振幅频率。 3、了解利用锁相环作FM解调的原理及实现方法。 二、实验原理 1、FM信号的产生 若调制信号是单音频信号 ( )cos(2) m m taf t 则 FM信号的表达式为 ( )cos2( ) FMcc stAf tt 其中 ( )sin2sin2 f mm m aK tf tf t f 其中为频率偏移常数( Hz/V) , f m aK f 是调制指数。 由卡松公式可知 FM信号的带宽为 2(1) m Bf 产生 FM信号的方法之一是利用VCO ,如下图所示。
22、 VCO 的输入为( )m t,当输入电压为0 时,VCO输入频率为 c f;当输入模拟 基带信号的电压变化时,VCO 的振荡频率作相应的变化。 2、锁相环解调 FM信号 锁相环解调的原理框图如下图所示。 锁相环锁定时, VCO 输出的 FM信号与接收到的输入FM信号之间是同频关系,相 位也几乎相同。锁相环解调的原理如下所述。 假设锁相环输入是FM信号 s(t) ,则 ( )cos2( ) FMcc stAf tt 对于 VCO 来说,它的控制电压是环路滤波器的输出v(t).VCO 的瞬时频率为 其中是 VCO 的压控灵敏度( Hz/V) ,VCO 的输出可表示为 其中 锁相环中的乘法器和低通
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