通信與信息系統(tǒng)實驗室，通信原理實驗箱
2023-05-30 07:06通信與信息系統(tǒng)實驗室
（一）通信原理實驗裝置
一、概述
通信原理實驗箱根據(jù)當(dāng)前各大專院校通信原理課程的教學(xué)重點，以現(xiàn)代數(shù)字傳輸技術(shù)和軟件無線電技術(shù)為主要實驗方向，強(qiáng)化了有關(guān)模擬信號的數(shù)字化、各類數(shù)字信號的復(fù)接與解復(fù)接、信源及信道編解碼、信息的數(shù)字化調(diào)制與解調(diào)、模擬與數(shù)字鎖相等內(nèi)容。為突出重點，集中利用有限的軟硬件資源，具體做法是進(jìn)一步強(qiáng)化了軟件無線電技術(shù)，通過FPGA與DSP的協(xié)同工作進(jìn)行雙向信號的編解碼處理、信息的數(shù)字化調(diào)制與解調(diào)處理，而舍棄了電話接口電路、電話交換模塊等非關(guān)鍵的技術(shù)內(nèi)容。實驗中必需的雙向信源則采用可任意改變信號頻率、信號幅度的內(nèi)置函數(shù)信號發(fā)生器以及數(shù)字碼型發(fā)生器代替，通過雙蹤示波器或誤碼檢測儀等設(shè)備觀察傳輸效果。
同時，本系統(tǒng)又繼承了現(xiàn)代通信技術(shù)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)的模塊化設(shè)計特點，我公司為其配套的共有9個基本功能模塊模塊，基本電路設(shè)計合理，信源編碼包括PAM、ADPAM、PCM、CVSD等，信道編碼包括HDB3碼、CMI碼等；調(diào)制解調(diào)方式涵蓋FSK、BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、MSK、GMSK、π/4QPSK等；另有模擬調(diào)制解調(diào)模塊（AM、FM）與模擬及數(shù)字鎖相環(huán)等，可配合信號源模塊獨立地進(jìn)行相關(guān)實驗；
本系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計理念使基本模塊可任意拆卸，教師可根據(jù)課程需要任意靈活組合電路，構(gòu)建不同的通信系統(tǒng)。今后還將陸續(xù)提供可選擴(kuò)展模塊漢明糾錯編解碼模塊、卷積編解碼模塊、CDMA原理性擴(kuò)頻解擴(kuò)模塊、OFDM調(diào)制解調(diào)模塊等，使系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)展完善。9個功能模塊可組成完整的無線通信子系統(tǒng)和有線通信子系統(tǒng)，通過系統(tǒng)實驗使學(xué)生熟悉現(xiàn)代通信系統(tǒng)的組成，并對通信系統(tǒng)中最新的關(guān)鍵技術(shù)有更深的了解。
模塊化設(shè)計還便于產(chǎn)品維護(hù)。設(shè)備出現(xiàn)故障或系統(tǒng)升級僅需現(xiàn)場或郵寄更換個別相關(guān)模塊，一般不會影響系統(tǒng)設(shè)備中其它部件的正常使用。
系統(tǒng)多處采用FPGA，F(xiàn)PGA與DSP均預(yù)留開放的配置接口，可供師生進(jìn)行大量的軟件二次開發(fā)，同時也便于系統(tǒng)升級。因此，系統(tǒng)除了用于通信原理課程的實驗，還可以作為一個開放的硬件平臺，用于包括FPGA、DSP、單片機(jī)編程在內(nèi)的各類課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。
二、電路硬件平臺的基本組成
通信技術(shù)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)由函數(shù)信號源模塊、PCM/PAM模塊、復(fù)接/解復(fù)接模塊、線路編/解碼及鎖相環(huán)模塊、CVSD編/解碼模塊、FPGA與DSP初始化模塊、數(shù)字信號處理模塊、AD/DA與調(diào)制/解調(diào)模塊以及顯示控制模塊（人機(jī)界面）等9個基本功能模塊組成，學(xué)生通過自行連接信號線貫通各基本模塊，構(gòu)建完整的通信系統(tǒng)，檢驗和調(diào)整各個關(guān)鍵點的信號，可大大加深對現(xiàn)代通信系統(tǒng)概念和結(jié)構(gòu)的理解。
在本系統(tǒng)中，包含兩套不對稱的傳輸信道，這樣做的目的是為了盡可能多的涵蓋通信傳輸系統(tǒng)各方面的技術(shù)：
（1）主要體現(xiàn)無線信道傳輸技術(shù)的傳輸信道，信號流程為：模擬函數(shù)信號源→CVSD話音編碼（或誤碼儀的碼型信號發(fā)生器）→數(shù)字調(diào)制→信道→數(shù)字解調(diào)→CVSD話音譯碼→示波器顯示（或誤碼儀的誤碼檢測器）。
（2）主要體現(xiàn)有線信道傳輸技術(shù)的信號支路，信號流程為：模擬函數(shù)信號源→PCM話音編碼→信道復(fù)接→線路編碼（HDB3/CMI）→線路譯碼→信道解復(fù)接→PCM話音譯碼→示波器顯示。
函數(shù)信號源模塊輸出正弦波和方波，TPAO1S、TPAO2S分別為輸出端口，VS102調(diào)節(jié)方波輸出大小，調(diào)節(jié)范圍：0～5V。VS103調(diào)節(jié)正弦波輸出大小，調(diào)節(jié)范圍：0～5V；信號輸出有高低兩個頻段：JS01跳線插入、JS02跳線不插輸出高頻信號，輸出信號頻率范圍20KHz～350KHz；JS01跳線不插、JS02跳線插入，輸出低頻信號，輸出信號頻率范圍300Hz～2KHz。
三、通信原理實驗內(nèi)容：
PAM信源編/譯碼實驗
PCM信源編/譯碼實驗
ADPCM信源編/譯碼實驗
幀成形與幀傳輸實驗
CVSD信源編/譯碼實驗
AMI/HDB3線路碼型變換原理實驗
HDB3線路編碼通信系統(tǒng)綜合實驗
CMI碼型變換原理實驗
CMI線路編碼通信系統(tǒng)綜合實驗
漢明糾錯編/譯碼原理實驗(正在開發(fā))
AM-FM調(diào)制/解調(diào)原理實驗(正在開發(fā))
二進(jìn)頻移鍵控FSK傳輸系統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)實驗及系統(tǒng)性能測試
二進(jìn)相移鍵控BPSK傳輸系統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)實驗及系統(tǒng)性能測試
差分二進(jìn)制相移鍵控傳輸DBPSK系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
四相相移鍵控QPSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
差分四相相移鍵控DQPSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
四相交錯相移鍵控OQPSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
最小頻移鍵控MSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
高斯最小頻移鍵控傳輸GMSK系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
π/4差分四相相移鍵控π/4DQPSK傳輸系統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)實驗
模擬鎖相環(huán)載波同步實驗
模擬鎖相環(huán)時鐘提取實驗
數(shù)字鎖相環(huán)位同步實驗
幀同步提取系統(tǒng)實驗
RS422平衡數(shù)字傳輸接口實驗
通過FPGA或DSP的預(yù)留編程配置接口進(jìn)行二次開發(fā)，內(nèi)容主要包括：
⑴顯示控制模塊CPU（89C51系列）鍵盤掃描程序編制實驗
⑵CPU驅(qū)動液晶顯示器的應(yīng)用實驗
⑶顯示控制模塊中用戶操作界面的編程實驗
⑷通過JTAG接口對DSP編程進(jìn)行DSP信號處理實驗
⑸通過JTAG接口對FPGA編程進(jìn)行DDS波形生成實驗
⑹通過JTAG接口對FPGA編程實現(xiàn)幀成形實驗
⑺通過JTAG接口對FPGA編程實現(xiàn)幀同步實驗
⑻通過JTAG接口對FPGA、DSP進(jìn)行綜合編程實現(xiàn)AM（有能力還可延伸到QAM、CDMA等）調(diào)制/解調(diào)實驗
（二）UTD2102CEX示波器
1、100MHz帶寬，1GSa/s實時采樣率
2、2個模擬通道，存儲深度25kpts
3、波形捕獲率高達(dá)2,000wfms/s
4、低底噪，寬范圍垂直檔位1mV/div~20V/div
5、通過U盤可進(jìn)行系統(tǒng)軟件升級
6、可選配邏輯分析儀模塊
7、時基范圍2ns/div~50s/div
8、觸發(fā)類型標(biāo)配：邊沿觸發(fā)、脈寬觸發(fā)、交替觸發(fā)
9、支持同時打開Y-T和X-Y模式，可觀測李沙育波形
10、配備標(biāo)準(zhǔn)接口：USB OTG
11、7英寸TFT LCD，WVGA（800×480）
技術(shù)參數(shù)：
通信原理實驗箱根據(jù)當(dāng)前各大專院校通信原理課程的教學(xué)重點，以現(xiàn)代數(shù)字傳輸技術(shù)和軟件無線電技術(shù)為主要實驗方向，強(qiáng)化了有關(guān)模擬信號的數(shù)字化、各類數(shù)字信號的復(fù)接與解復(fù)接、信源及信道編解碼、信息的數(shù)字化調(diào)制與解調(diào)、模擬與數(shù)字鎖相等內(nèi)容。為突出重點，集中利用有限的軟硬件資源，具體做法是進(jìn)一步強(qiáng)化了軟件無線電技術(shù)，通過FPGA與DSP的協(xié)同工作進(jìn)行雙向信號的編解碼處理、信息的數(shù)字化調(diào)制與解調(diào)處理，而舍棄了電話接口電路、電話交換模塊等非關(guān)鍵的技術(shù)內(nèi)容。實驗中必需的雙向信源則采用可任意改變信號頻率、信號幅度的內(nèi)置函數(shù)信號發(fā)生器以及數(shù)字碼型發(fā)生器代替，通過雙蹤示波器或誤碼檢測儀等設(shè)備觀察傳輸效果。
同時，本系統(tǒng)又繼承了現(xiàn)代通信技術(shù)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)的模塊化設(shè)計特點，我公司為其配套的共有9個基本功能模塊模塊，基本電路設(shè)計合理，信源編碼包括PAM、ADPAM、PCM、CVSD等，信道編碼包括HDB3碼、CMI碼等；調(diào)制解調(diào)方式涵蓋FSK、BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、MSK、GMSK、π/4QPSK等；另有模擬調(diào)制解調(diào)模塊（AM、FM）與模擬及數(shù)字鎖相環(huán)等，可配合信號源模塊獨立地進(jìn)行相關(guān)實驗；
本系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計理念使基本模塊可任意拆卸，教師可根據(jù)課程需要任意靈活組合電路，構(gòu)建不同的通信系統(tǒng)。今后還將陸續(xù)提供可選擴(kuò)展模塊漢明糾錯編解碼模塊、卷積編解碼模塊、CDMA原理性擴(kuò)頻解擴(kuò)模塊、OFDM調(diào)制解調(diào)模塊等，使系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)展完善。9個功能模塊可組成完整的無線通信子系統(tǒng)和有線通信子系統(tǒng)，通過系統(tǒng)實驗使學(xué)生熟悉現(xiàn)代通信系統(tǒng)的組成，并對通信系統(tǒng)中最新的關(guān)鍵技術(shù)有更深的了解。
模塊化設(shè)計還便于產(chǎn)品維護(hù)。設(shè)備出現(xiàn)故障或系統(tǒng)升級僅需現(xiàn)場或郵寄更換個別相關(guān)模塊，一般不會影響系統(tǒng)設(shè)備中其它部件的正常使用。
系統(tǒng)多處采用FPGA，F(xiàn)PGA與DSP均預(yù)留開放的配置接口，可供師生進(jìn)行大量的軟件二次開發(fā)，同時也便于系統(tǒng)升級。因此，系統(tǒng)除了用于通信原理課程的實驗，還可以作為一個開放的硬件平臺，用于包括FPGA、DSP、單片機(jī)編程在內(nèi)的各類課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。
二、電路硬件平臺的基本組成
通信技術(shù)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)由函數(shù)信號源模塊、PCM/PAM模塊、復(fù)接/解復(fù)接模塊、線路編/解碼及鎖相環(huán)模塊、CVSD編/解碼模塊、FPGA與DSP初始化模塊、數(shù)字信號處理模塊、AD/DA與調(diào)制/解調(diào)模塊以及顯示控制模塊（人機(jī)界面）等9個基本功能模塊組成，學(xué)生通過自行連接信號線貫通各基本模塊，構(gòu)建完整的通信系統(tǒng)，檢驗和調(diào)整各個關(guān)鍵點的信號，可大大加深對現(xiàn)代通信系統(tǒng)概念和結(jié)構(gòu)的理解。
在本系統(tǒng)中，包含兩套不對稱的傳輸信道，這樣做的目的是為了盡可能多的涵蓋通信傳輸系統(tǒng)各方面的技術(shù)：
（1）主要體現(xiàn)無線信道傳輸技術(shù)的傳輸信道，信號流程為：模擬函數(shù)信號源→CVSD話音編碼（或誤碼儀的碼型信號發(fā)生器）→數(shù)字調(diào)制→信道→數(shù)字解調(diào)→CVSD話音譯碼→示波器顯示（或誤碼儀的誤碼檢測器）。
（2）主要體現(xiàn)有線信道傳輸技術(shù)的信號支路，信號流程為：模擬函數(shù)信號源→PCM話音編碼→信道復(fù)接→線路編碼（HDB3/CMI）→線路譯碼→信道解復(fù)接→PCM話音譯碼→示波器顯示。
函數(shù)信號源模塊輸出正弦波和方波，TPAO1S、TPAO2S分別為輸出端口，VS102調(diào)節(jié)方波輸出大小，調(diào)節(jié)范圍：0～5V。VS103調(diào)節(jié)正弦波輸出大小，調(diào)節(jié)范圍：0～5V；信號輸出有高低兩個頻段：JS01跳線插入、JS02跳線不插輸出高頻信號，輸出信號頻率范圍20KHz～350KHz；JS01跳線不插、JS02跳線插入，輸出低頻信號，輸出信號頻率范圍300Hz～2KHz。
三、通信原理實驗內(nèi)容：
PAM信源編/譯碼實驗
PCM信源編/譯碼實驗
ADPCM信源編/譯碼實驗
幀成形與幀傳輸實驗
CVSD信源編/譯碼實驗
AMI/HDB3線路碼型變換原理實驗
HDB3線路編碼通信系統(tǒng)綜合實驗
CMI碼型變換原理實驗
CMI線路編碼通信系統(tǒng)綜合實驗
漢明糾錯編/譯碼原理實驗(正在開發(fā))
AM-FM調(diào)制/解調(diào)原理實驗(正在開發(fā))
二進(jìn)頻移鍵控FSK傳輸系統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)實驗及系統(tǒng)性能測試
二進(jìn)相移鍵控BPSK傳輸系統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)實驗及系統(tǒng)性能測試
差分二進(jìn)制相移鍵控傳輸DBPSK系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
四相相移鍵控QPSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
差分四相相移鍵控DQPSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
四相交錯相移鍵控OQPSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
最小頻移鍵控MSK傳輸系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
高斯最小頻移鍵控傳輸GMSK系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)實驗
π/4差分四相相移鍵控π/4DQPSK傳輸系統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)實驗
模擬鎖相環(huán)載波同步實驗
模擬鎖相環(huán)時鐘提取實驗
數(shù)字鎖相環(huán)位同步實驗
幀同步提取系統(tǒng)實驗
RS422平衡數(shù)字傳輸接口實驗
通過FPGA或DSP的預(yù)留編程配置接口進(jìn)行二次開發(fā)，內(nèi)容主要包括：
⑴顯示控制模塊CPU（89C51系列）鍵盤掃描程序編制實驗
⑵CPU驅(qū)動液晶顯示器的應(yīng)用實驗
⑶顯示控制模塊中用戶操作界面的編程實驗
⑷通過JTAG接口對DSP編程進(jìn)行DSP信號處理實驗
⑸通過JTAG接口對FPGA編程進(jìn)行DDS波形生成實驗
⑹通過JTAG接口對FPGA編程實現(xiàn)幀成形實驗
⑺通過JTAG接口對FPGA編程實現(xiàn)幀同步實驗
⑻通過JTAG接口對FPGA、DSP進(jìn)行綜合編程實現(xiàn)AM（有能力還可延伸到QAM、CDMA等）調(diào)制/解調(diào)實驗
（二）UTD2102CEX示波器
2、2個模擬通道，存儲深度25kpts
3、波形捕獲率高達(dá)2,000wfms/s
4、低底噪，寬范圍垂直檔位1mV/div~20V/div
5、通過U盤可進(jìn)行系統(tǒng)軟件升級
6、可選配邏輯分析儀模塊
7、時基范圍2ns/div~50s/div
8、觸發(fā)類型標(biāo)配：邊沿觸發(fā)、脈寬觸發(fā)、交替觸發(fā)
9、支持同時打開Y-T和X-Y模式，可觀測李沙育波形
10、配備標(biāo)準(zhǔn)接口：USB OTG
11、7英寸TFT LCD，WVGA（800×480）
技術(shù)參數(shù)：
| 型號 | UTD2102CEX | |
| 通道數(shù) | 2 | |
| 帶寬 | 100MHz | |
| 最大采樣率 | 1 GS/s | |
| 上升時間 | ≤3.5ns | |
| 存儲深度 | 25kpts | |
| 波形捕獲率 | ≥2,000wfms/s | |
| 垂直靈敏度 | 1mV/div ~ 20V/div | |
| 時基范圍(s/div) | 2ns/div~50s/div | |
| 存儲方式 | 設(shè)置、波形、位圖 | |
| 觸發(fā) | ||
| 觸發(fā)頻率計 | 6位觸發(fā)頻率計 | |
| 觸發(fā)類型 | 邊沿、脈寬、交替 | |
| 觸發(fā)電平范圍 | 內(nèi)部 | 距屏幕中心±5div |
| EXT | ±3V | |
| 釋抑范圍 | 80ns~1.5s | |
| 邊沿觸發(fā) | ||
| 邊沿類型 | 上升、下降、上升&下降 | |
| 脈寬觸發(fā) | ||
| 觸發(fā)模式 | 正脈寬(大于,小于,等于)，負(fù)脈寬(大于,小于,等于) | |
| 脈沖寬度范圍 | 20ns~10s | |
| 交替觸發(fā) | ||
| CH1觸發(fā) | 邊沿、脈寬 | |
| CH2觸發(fā) | 邊沿、脈寬 | |
| 測量 | ||
| 光標(biāo) | 手動模式 | 光標(biāo)間電壓差（ΔV)，光標(biāo)間時間差（ΔT)，ΔT的倒數(shù)（Hz）（1/ΔT) |
| 追蹤模式 | 波形點的電壓值和時間值 | |
| 自動測量模式 | 允許在自動測量時顯示光標(biāo) | |
| 自動測量 | 峰峰值、幅值、最大值、最小值、頂端值、底端值、中間值、平均值、均方根值、周期平均值、周期均方根、過沖、預(yù)沖、頻率、周期、上升時間、下降時間、正脈寬、負(fù)脈寬、正占空比、負(fù)占空比、上升延遲 、下降延遲 | |
| 數(shù)學(xué)操作 | 加、減、乘、除、反相 | |
| 存儲波形 | 20組波形、20種設(shè)置 | |
| FFT | Window | Hanning、Hamming、Blackman、 Rectangular |
| 采樣點 | 1024 points | |
| 李沙育 | 帶寬 | 50MHz/70MHz/100MHz |
| 圖形 | ||
| 相位差 | ±3 degrees | |
| 其它 | ||
| 接口功能 | 標(biāo)配：USB OTG | |
| 一般參數(shù) | ||
| 電源 | 100V～240VACrms，50Hz/60Hz | |
| LCD尺寸 | 7英寸TFT LCD ,WVGA(800×480) | |
| 機(jī)身顏色 | 象牙白+灰色 | |
| 機(jī)身重量 | 2.2 kg | |
| 機(jī)身尺寸(W×H×D) | 306mm×134mm×122mm | |
| 標(biāo)準(zhǔn)配件 | 探頭×2(1:1,10:1可切換)、電源線、USB連接線、軟件光盤 | |
| 標(biāo)準(zhǔn)包裝 | 紙箱 | |
| 標(biāo)準(zhǔn)包裝數(shù)量 | 2臺 | |
| 標(biāo)準(zhǔn)包裝尺寸 | 450mm× 420mm × 280mm | |
| 標(biāo)準(zhǔn)包裝箱毛重 | 8.5 kg | |
| 可選配件 | LA模塊：UT-M09 | |