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实验四 码型变换实验

实验四码型变换实验

一、实验目的

1.了解几种常见的数字基带信号。

2.掌握常用数字基带传输码型的编码规则。

3.掌握用FPGA实现码型变换的方法。

二、实验内容

1.观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码的波形。

2.观察全0码或全1码时各码型波形。

3.观察HDB3码、AMI码、BNRZ码正、负极性波形。

4.观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、CMI码、HDB3码、BPH码经过码型反变换后的输出波形。

5.自行设计码型变换电路,下载并观察输出波形。

三、实验器材

1.信号源模块

2.码型变换模块

3.20M双踪示波器一台

4.频率计(可选)一台

5.PC机(可选)一台

6.连接线若干

四、实验原理

1.编码规则

①NRZ码

NRZ码的全称是单极性不归零码,在这种二元码中用高电平和低电平(这里为零电平)分别表示二进制信息“1”和“0”,在整个码元期间电平保持不变。例如:

1 0 1 0 0 1 1 0

+E

②RZ码

RZ码的全称是单极性归零码,与NRZ码不同的是,发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间,在码元的其余时间内则返回到零电平。例如:

1 0 1 0 0 1 1 0

+E

BNRZ码的全称是双极性不归零码,在这种二元码中用正电平和负电平分别表示“1”和“0”。与单极性不归零码相同的是整个码元期间电平保持不变,因而在这种码型中不存在零电平。例如:

1 0 1 0 0 1 1 0

+E

-E

④BRZ码

BRZ码的全称是双极性归零码,与BNRZ码不同的是,发送“1”和“0”时,在整个码元期间高电平或低电平只持续一段时间,在码元的其余时间内则返回到零电平。例如:

1 0 1 0 0 1 1 0

+E

-E

⑤AMI码

AMI码的全称是传号交替反转码,其编码规则如下:信息码中的“0”仍变换为传输码的“0”;信息码中的“1”交替变换为传输码的“+1、-1、+1、-1、…”。例如:

代码: 100 1 1000 1 1 1…

AMI码: +100 -1 +1000 -1 +1 -1…

AMI码的主要特点是无直流成分,接收端收到的码元极性与发送端完全相反也能正确判断。译码时只需把AMI码经过全波整流就可以变为单极性码。由于其具有上述优点,因此得到了广泛应用。但该码有一个重要缺点,即当用它来获取定时信息时,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。

⑥HDB3码

HDB3码的全称是三阶高密度双极性码,其编码规则如下:将4个连“0”信息码用取代节“000V”或“B00V”代替,当两个相邻“V”码中间有奇数个信息“1”码时取代节为“000V”码;有偶数个信息“1”码(包括0个)时取代节为“B00V”,其它的信息“0”码仍为“0”码,这样,信息码的“1”码变为带有符号的“1”码即“+1”或“-1”。例如:

代码: 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1

HDB3码: -1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1

HDB3码中“1”、“B”的符号符合交替反转原则,而“V”的符号破坏这种符号交替反转原则,但相邻“V”码的符号又是交替反转的。HDB3码的特点是明显的,它除了保持AMI码的优点外,还增加了使连0串减少到至多3个的优点,而不管信息源的统计特性如何。这对于定时信号的恢复是十分有利的。HDB3码是ITU-T推荐使用的码之一。本实验电路只能对码长为24位的周期性NRZ码序列进行编码。

BPH码的全称是数字双相码(Digital Diphase),又叫分相码(Biphase,Split-phase)或曼彻斯特码(Manchester),它是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码;或者可以理解为用一个周期的方波表示“1”码,用该方波的反相来表示“0”码,其编码规则之一是:

0 01(零相位的一个周期的方波);

110(π相位的一个周期的方波)。例如:

代码: 1 1 0 0 1 0 1

双相码: 10 10 01 01 10 01 10

BPH码可以用单极性非归零码(NRZ)与位同步信号的模二和来产生。双相码的特点是只使用两个电平,而不像前面二种码具有三个电平。这种码既能提取足够的定时分量,又无直流漂移,编码过程简单。但这种码的带宽要宽些。

⑧CMI码

CMI码的全称是传号反转码,其编码规则如下:信息码中的“1”码交替用“11”和“00”表示,“0”码用“01”表示。例如:

代码: 1 1 0 1 0 0 1 0

CMI码: 11 00 01 11 01 01 00 01

这种码型有较多的电平跃变,因此,含有丰富的定时信息。该码已被ITU-T推荐为PCM四次群的接口码型。在光纤传输系统中有时也用CMI码作线路传输码型。

2.电路原理

将信号源产生的NRZ码和位同步信号BS送入U900(EPM7128SLC84-15)进行变换,可以直接得到各种单极性码和各种双极性码的正、负极性编码信号(因为FPGA的I/O口不能直接接负电平,所以只能将分别代表正极性和负极性的两路编码信号分别输出,再通过外加电路合成双极性码),如HDB3的正、负极性编码信号送入U901(4051)的选通控制端,控制模拟开关轮流选通正、负电平,从而得到完整的HDB3码。解码时同样也需要先将双极性的HDB3码变换成分别代表正极性和负极性的两路信号,再送入FPGA进行解码,得到NRZ码。其它双极性码的编、解码过程相同。

①NRZ码

从信号源“NRZ”点输出的数字码型即为NRZ码,其产生过程请参考信号源工作原理。

②BRZ、BNRZ码

将NRZ码和位同步信号BS分别送入双四路模拟开关U902(4052)的控制端作为控制信号,在同一时刻,NRZ码和BS信号电平高低的不同组合(00、01、10、11)将控制U902分别接通不同的通道,输出BRZ码和BNRZ码。X通道的4个输入端X0、X1、X2、X3分别接-5V、GND、+5V、GND,在控制信号控制下输出BRZ码;Y通道的4个输入端Y0、Y1、Y2、Y3分别接-5V、-5V、+5V、+5V,在控制信号控制下输出BNRZ 码。解码时通过电压比较器U907(LM339)将双极性的BRZ和BNRZ码转换为两路单极性码,即双(极性)—单(极性)变换,再送入U900进行解码,恢复出原始的NRZ 码。

③RZ、BPH码

这两种码型的编、解码方法与BRZ、BNRZ是一样的,但因为是单极性的码型,所以编、解码过程可以直接在U900中完成,在这里不再赘述。

④AMI码

由于AMI码是双极性的码型,所以它的变换过程分成了两个部分。首先,在U900中,将NRZ码经过一个时钟为BS的JK触发器后,再与NRZ信号相与后得到控制信号AMIB,该信号与NRZ码作为控制信号送入单八路模拟开关U905(4051)的控制端,U905的输出即为AMI码。解码过程与BNRZ码一样,也需先经过双—单变换,再送入U900进行解码。

⑤HDB3码

HDB3码的编、解码框图分别如图4-1、4-2所示,其编、解码过程与AMI码相同,这里不再赘述。

实验四  码型变换实验

图4-1 HDB3编码原理框图

实验四  码型变换实验

图4-2HDB3解码原理框图

⑥CMI码

由于是单极性波形,CMI码的编解码过程全部在U900中完成,其编码电路原理框图如图4-3所示:

实验四  码型变换实验

图4-3 CMI编码原理框图

五、实验步骤

1.将信号源模块、码型变换模块小心地固定在主机箱中,确保电源接触良好。

2.插上电源线,打开主机箱右侧的交流开关,再分别按下两个模块中的开关POWER1、POWER2,对应的发光二极管LED001、LED002、D900、D901发光,按一下信号源模块的复位键,两个模块均开始工作。

3.将信号源模块的拨码开关SW101、SW102设置为00000101 00000000,SW103、SW104、SW105设置为01110010 00110000 00101010。按实验一的介绍,此时分频比千位、十位、个位均为0,百位为5,因此分频比为500,此时位同步信号频率应为4KHz。观察BS、FS、2BS、NRZ各点波形。

4.分别将信号源模块与码型变换模块上以下四组输入/输出接点用连接线连接:BS与BS、FS与FS、2BS与2BS、NRZ与NRZ。观察码型变换模块上其余各点波形。5.任意改变信号源模块上的拨码开关SW103、SW104、SW105的设置,以信号源模块的NRZ码为内触发源,用双踪示波器观察码型变换模块各点波形。

6.将信号源模块上的拨码开关SW103、SW104、SW105全部拨为1或全部拨为0,观察码型变换模块各点波形。

7.按通信原理教材中阐述的编码原理自行设计其它码型变换电路,下载并观察各点波形。(选做)

六、输入、输出点参考说明

1.输入点说明

FS:帧同步信号输入点。

BS:位同步信号输入点。

2BS:2倍位同步频率方波信号输入点。

NRZ:NRZ码输入点。

2.输出点说明(括号中的码元数为与信号源产生的NRZ相比延迟的码元数)RZ:RZ编码输出点。

BPH:BPH编码输出点。

CMI:CMI编码输出点。

HDB3-1:HDB3编码正极性信号输出点。

HDB3-2:HDB3编码负极性信号输出点。

HDB3:HDB3编码输出点。(八个半个码元)

BRZ-1;BRZ编码单极性输出点。

BRZ:BRZ编码输出点。

BNRZ-1:BNRZ编码正极性信号输出点。(与NRZ反相)

BNRZ-2:BNRZ编码负极性信号输出点。(与NRZ相同)

BNRZ:BNRZ编码输出点。

AMI-1:AMI编码正极性信号输出点。

AMI-2:AMI编码负极性信号输出点。

AMI:AMI编码输出点。

ORZ:RZ解码输出点。(一个半码元)

OBPH:BPH解码输出点。(一个码元)

OCMI;CMI解码输出点。(两个码元)

OBRZ:BRZ解码输出点。(半个码元)

OBNRZ;BNRZ解码输出点。(半个码元)

OAMI:AMI解码输出点。(延迟极小不足半个码元)

OHDB3:HDB3解码输出点。(七个半个码元)

七、实验思考题

1.在分析电路的基础上回答,为什么本实验HDB3编、解码电路只能在输入信号是码长为24位的周期性NRZ码时才能正常工作?

2.自行设计一个HDB3码编码电路,画出电路原理图并分析其工作过程。

八、实验报告要求

1.分析实验电路的工作原理,叙述其工作过程。

2.根据实验测试记录,在坐标纸上画出各测量点的波形图。

3.对实验思考题加以分析,并画出原理图与工作波形图。