《通信原理》课程教学资源（实验指导）通信原理实验指导书（硬件）

通信原理实验指导书 实验三频谱分析实验 一、实验目的 1.通过对输入模拟信号频谱的观察和分析，加深对傅里叶变换和信号频率特性的理解。 2.掌握频谱分析模块的使用方法。 二、实验内容 1.将信号源输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。 2.将其它模块输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。 三、实验仪器 1.频谱分析模块 2.信号源模块 3.其它功能模块 4.20MHz双踪示波器 一台 5.连接线 四、实验原理 频域分析常常比时域分析更优越，不仅简单，而且易于分析复杂的信号。1822年，法国 工程师傅里叶(Fourier)指出，一个任意函数x(t)都可以分解为无穷多个不同频率正弦信 号的和，这即是频谱分析的基本概念。傅里叶分析方法相当于光谱分析中的三棱镜，而信号 x(t)相当于一束白光，将x(t)“通过”傅里叶分析后得到信号的“频谱”。傅里叶变换是 在以时间为自变量的“信号”与频率为自变量的“频谱”函数之间的某种变换关系。但用较 精确的数字方法，即DT(离散傅立叶变换)进行谱分析，在FFT出现前是不切实际的。这是 因为DT计算量太大。问题的关键是如何巧妙地利用W因子的周期性及对称性，导出一个 高效的快速算法。这一算法最早由J.W.Cooley和J.W.Turkey于1965年提出。Cooley和Tukc 提出的快速傅里叶变换算法(Fast Fourier Transform,FFT)使N点DFT的乘法计算量由N 次降为10g:N次。以N1024为例，计算量降为5120次，仅为原来的48%.因此人们 公认这一重要发现的问世是数字信号处理发展史上的一个转折点。 本实验采用的是按频率抽样(DF)基2FFT算法，该算法将代表频域的输出序列X(k) 的序号k按奇、偶分开。先将X(n)按n的顺序分成前后两半。 前半子序列x(n) 0Sns N 1 后半子序列n+之 0≤-1 ◇

通信原理实验指导书 11 实验三 频谱分析实验 一、实验目的 1． 通过对输入模拟信号频谱的观察和分析，加深对傅里叶变换和信号频率特性的理解。 2． 掌握频谱分析模块的使用方法。 二、实验内容 1． 将信号源输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。 2． 将其它模块输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。 三、实验仪器 1． 频谱分析模块 2． 信号源模块 3． 其它功能模块 4． 20MHz 双踪示波器 一台 5． 连接线 若干 四、实验原理 频域分析常常比时域分析更优越，不仅简单，而且易于分析复杂的信号。1822 年，法国 工程师傅里叶（Fourier）指出，一个任意函数 x（t）都可以分解为无穷多个不同频率正弦信 号的和，这即是频谱分析的基本概念。傅里叶分析方法相当于光谱分析中的三棱镜，而信号 x（t）相当于一束白光，将 x（t）“通过”傅里叶分析后得到信号的“频谱”。傅里叶变换是 在以时间为自变量的“信号”与频率为自变量的“频谱”函数之间的某种变换关系。但用较 精确的数字方法，即 DFT(离散傅立叶变换)进行谱分析，在 FFT 出现前是不切实际的。这是 因为 DFT 计算量太大。问题的关键是如何巧妙地利用 W 因子的周期性及对称性，导出一个 高效的快速算法。这一算法最早由 J.W.Cooley 和 J.W.Turkey 于 1965 年提出。Cooley 和 Tukey 提出的快速傅里叶变换算法（Fast Fourier Transform，FFT）使 N 点 DFT 的乘法计算量由 N2 次降为 2 log 2 N N 次。以 N=1024 为例，计算量降为 5120 次，仅为原来的 4.88％。因此人们 公认这一重要发现的问世是数字信号处理发展史上的一个转折点。 本实验采用的是按频率抽样（DIF）基 2FFT 算法，该算法将代表频域的输出序列 X（k） 的序号 k 按奇、偶分开。先将 X（n）按 n 的顺序分成前后两半。 前半子序列 x(n) 0≤n≤ 1 2 − N 后半子序列 ) 2 ( N x n + 0≤n≤ 1 2 − N

通信原理实验指导书 则由定义 Cx(n)w*= 左mm:+左a+p时 0 =0 k=0,1,.N-1 因为m=e =e”=-=,则 x=∑+wn+w= 0 xm+-xn+m: k=0,1,.N-1 2 由W宁=(可以看出，当k为偶数时，=1，k为奇数时，（~旷=-1。为 此按k的奇偶可将Xk)分为两部分，令 k-2x及k-2r1,0.1,2,.2 X2=+a+ =司 ∑x)+xn+X (3-1) ia-a+空ww店 (3-2) 0 (3-1)式为输入序列前一半和后一半之和的N2点离散傅里叶变换：(3-2)式为输入 序列的前一半和后一半之差与W之积的N2点离散傅里叶变换。令 回

通信原理实验指导书 12 则由定义 = ∑ = ∑ + ∑ = − = − = − = X k x n W x n W x n W nk N nk N nk N N N n N n N n 1 2 1 2 0 1 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ∑ ∑ − = − = + + + 1 2 0 1 2 0 ) 2 ( ) 2 ( ) ( N n N n W N x n W x n k N n N nk N k＝0，1，.N－1 因为 2 ( ) 2 2 2 1 ( 1) N N N j k N j N N k We e W π π − • − = = =− = ， − ，则 = ∑ + + = − = W N X k x n W x n nk N k N N N n )] 2 ( ) [ ( ) ( 1 2 0 2 ∑ − = + − + 1 2 0 )] 2 [ ( ) ( 1) ( N n k W N x n x n nk N k＝0，1，.N－1 由 ( 1) ) 2 ( = − k W k N N 可以看出，当 k 为偶数时，(−1) = 1 k ，k 为奇数时，(−1) = −1 k 。为 此按 k 的奇偶可将 X(k)分为两部分，令 k=2r 及 k=2r+1，r=0，1，2，. 1 2 − N 则 ∑ − = = + + = 1 2 0 2 2 )] 2 (2 ) [ ( ) ( N n W N X r x n x n nr N ∑ − = + + 1 2 0 2 )] 2 [ ( ) ( N n W N x n x n nr N （3－1） ∑ − = + = − + = + 1 2 0 ( 2 1) 2 )] 2 (2 1) [ ( ) ( N n W N X r x n x n r n N W W N x n x n nr N n N N n 2 1 2 0 )] 2 ∑[ ( ) ( − = − + （3－2） （3－1）式为输入序列前一半和后一半之和的 N/2 点离散傅里叶变换；（3－2）式为输入 序列的前一半和后一半之差与W n N 之积的 N/2 点离散傅里叶变换。令

通信原理实验指导书 x=+m+匀 n=0,1l,N-1 (3-3) s网=o-a+之w 2 N x2）=∑xm)w 0 X(2r+1)= r=0-1 (3一3)式的运算关系可以用图3-1所示的蝶形运算来表示。这样，我们就将一N点的 DT频k的奇偶分解为两个新序列的点的DT x(n). ♪0+a+ W n+N 2 [xm-n+W 图31频率抽取法的嵊形运算 由于N=2°，N/2仍是一个偶数，因此可以将N/2点的DFT的输出再分解为偶数组与奇 数组。这样就将N/2点的DFT进一步分解为2个N/4点的DFT。这两个N/4点DFT的输入 也是将N2点DT的输入上下对半分开，通过蝶形运算而形成，情况和第一步分解相同。这 样的分解可一直进行下去，直到分解U步以后变成了求N2个两点的DFT为止。而这N2个 两点的DFT计算结果（共N个值）就是x(n)的N点DFT的结果X(k)。 在本实验箱中，模拟信号从S-N输入，经过低通滤波以后，通过用拨码开关K3进行选 择的通道（拨码开关有4位，分别对应最高止频率为1K,10K,100K,1M的输入信号），经 10位A/D转换器UB06(TLC876C)对经预处理后的模拟信号进行A/D转换（通过用拨码开 关K2选择合适的采样率，具体采样率选择详情见实验步骤4)，然后将数字信号传送到UB01 (TMS320VC5402)进行处理.最后把处理后的信号经两片8位D/A转换器UB09(TLC7524)、 UB10(TLC7524)进行D/A转换以后分成X轴信号和Y轴信号输出到示波器上进行频谱观 察。 实验电路工作原理框图如下所示： 国

通信原理实验指导书 13 ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = − + = + + W N x n x n x n N x n x n x n n N )] 2 ( ) [ ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( 2 1 1 2 N n = 0，1，L － （3－3） 则 ∑ − = = 1 2 0 1 2 (2 ) ( ) N n X r x n W nr N ∑ − = + = 1 2 0 2 2 (2 1) ( ) N n X r x n W nr N 1 2 N r = 0，1，L － （3－3）式的运算关系可以用图 3-1 所示的蝶形运算来表示。这样，我们就将一Ｎ点的 DFT 按频率 k 的奇偶分解为两个新序列的 2 N 点的 DFT。 x(n) ) 2 ( ) ( N x n + x n + W n N ) 2 ( N x n + W N x n x n n )] N 2 [ ( ) − ( + 图 3-1 频率抽取法的蝶形运算 由于 N＝2 υ，N/2 仍是一个偶数，因此可以将 N/2 点的 DFT 的输出再分解为偶数组与奇 数组。这样就将 N/2 点的 DFT 进一步分解为 2 个 N/4 点的 DFT。这两个 N/4 点 DFT 的输入 也是将 N/2 点 DFT 的输入上下对半分开，通过蝶形运算而形成，情况和第一步分解相同。这 样的分解可一直进行下去，直到分解υ步以后变成了求 N/2 个两点的 DFT 为止。而这 N/2 个 两点的 DFT 计算结果（共 N 个值）就是 x（n）的 N 点 DFT 的结果 X（k）。 在本实验箱中，模拟信号从 S-IN 输入，经过低通滤波以后，通过用拨码开关 K3 进行选 择的通道（拨码开关有 4 位，分别对应最高止频率为 1K，10K，100K，1M 的输入信号），经 10 位 A/D 转换器 UB06（TLC876C）对经预处理后的模拟信号进行 A/D 转换（通过用拨码开 关 K2 选择合适的采样率，具体采样率选择详情见实验步骤 4），然后将数字信号传送到 UB01 （TMS320VC5402）进行处理。最后把处理后的信号经两片 8 位 D/A 转换器 UB09（TLC7524）、 UB10（TLC7524）进行 D/A 转换以后分成 X 轴信号和 Y 轴信号输出到示波器上进行频谱观 察。 实验电路工作原理框图如下所示：

通信原理实验指导书 图32频谱分析模块原理框图 1.低通滤波器 这里低通滤波器的作用是抗混叠。所谓“混叠”是指信号的最高频率超过12倍的采样 频率时，部分频率成分互相交叠起米的现象。这时，混叠的那部分频率成分的幅值就与原始 情况不同，采样就造成了信息的损失。因此在采样前需对输入信号做滤波，以去掉输入信号 中高于12倍采样频率的那部分频率成分。这种用以防混叠的模拟滤波器又称为“抗混叠滤 波器”。 本实验中采用的抗混叠滤波器是二阶巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器，其原理图如 Rf ○输出 输入O R2 图3-3二阶低通滤波器原理图 其截止频率为： @i=RRCC: 通带电压放大倍数为： Ap=尼+R R 2.A/D转换器 TLC876是CMOS低功率10位20MSPS模/数转换器(ADC)。其速度、分辨率和单电源 工作适合视频、多媒体、图像、高速采集和通讯应用。其低功率和单电源满足高速便携式应 用。其速度和分辨率理想地适用于彩色扫描仪、数字复印机、电子镜像照相机和摄录机之类 电荷耦合器件(CCD)输入系统。带输出误差校正逻辑的多级流水线结构在整个工作温度范 围内保证无丢失码。连接到基准输入端的强制(Force)和检测(Sense)为基准电阻串提供更 精确的内部基准电压。 等待方式减小功率到15mW(典型值)。数字0口可接口到无论是5V或3.3V的逻辑和 数字输出端，这些VO口可设置为高阻态。输出数据的格式为直接二进制编码。 ☑

通信原理实验指导书 14 输入 模拟 信号 低通 滤波 D/A DSP处理 （FFT变 换） A/D 输出 至示 波器 图 3-2 频谱分析模块原理框图 1． 低通滤波器 这里低通滤波器的作用是抗混叠。所谓“混叠”是指信号的最高频率超过 1/2 倍的采样 频率时，部分频率成分互相交叠起来的现象。这时，混叠的那部分频率成分的幅值就与原始 情况不同，采样就造成了信息的损失。因此在采样前需对输入信号做滤波，以去掉输入信号 中高于 1/2 倍采样频率的那部分频率成分。这种用以防混叠的模拟滤波器又称为“抗混叠滤 波器”。 本实验中采用的抗混叠滤波器是二阶巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器，其原理图如 下： R1 R2 C1 C2 + - R3 Rf 输入 输出 图 3-3 二阶低通滤波器原理图 其截止频率为: 1 2 1 2 2 1 R R C C ω c = 通带电压放大倍数为： 3 3 R R R A f up + = 2． A/D 转换器 TLC876 是 CMOS 低功率 10 位 20MSPS 模/数转换器（ADC）。其速度、分辨率和单电源 工作适合视频、多媒体、图像、高速采集和通讯应用。其低功率和单电源满足高速便携式应 用。其速度和分辨率理想地适用于彩色扫描仪、数字复印机、电子镜像照相机和摄录机之类 电荷耦合器件（CCD）输入系统。带输出误差校正逻辑的多级流水线结构在整个工作温度范 围内保证无丢失码。连接到基准输入端的强制（Force）和检测（Sense）为基准电阻串提供更 精确的内部基准电压。 等待方式减小功率到 15mW（典型值）。数字 I/O 口可接口到无论是 5V 或 3.3V 的逻辑和 数字输出端，这些 I/O 口可设置为高阻态。输出数据的格式为直接二进制编码

通信原理实验指导书 流水线多级结构以低功耗获得高采样率，TLC876将转换分配给几个更小的ADC字模块， 当器件一级一级通过结果时逐渐的以更高精度改善转换。在传统的高速ADC中，这种分布式 变换需要用1023个比较器的一小部分。每级中的采样保持放大器(SHA)允许第一级工作于 新的输入采样而第二至第五级工作于四个早先的采样。 TLC876C工作温度范围为0℃至70℃。 TC876C的特点如下： ①十位分辨率2 OMSPS采样/数转换器(ADC) ②功耗典型值107mW ③5单电源工作 ④差分非线性典型值±5LSB ⑤无丢失码 ⑥掉电（等待）方式 三态输出 ⑧数字L/O兼容5V或3.3V逻辑 ⑨可调基准输入 0引脚与AD公司的AD876兼容 在本模块中，TLC876C将经过低通滤波器的模拟信号转换成数字信号，以数组的方式存 入存储器中，作为FFT的输入序列x(n). 3.DSP处理 TMS320VC5402是定点数字信号处理器，该芯片在此处的作用是将输入的数字信号进行 按频率抽取的FFT变换，然后再将所得的反序通过变址运算加以整序。由于X(k)为复数， 进行频谱分析时要观察频谱幅度，因此将X(k)取模，最后将模值送入存储器中。 4.D/A转换要 AD7524是8位D1A转换器，在此的作用是将输出的数字信号转换成模拟信号，以便用 示波器观察。先将触发信号与频谱幅度进行处理得到16位数据送入存储器，然后将存储器中 的高8位送入UBO9进行DA转换分成X轴信号，低8位送入UB10进行DIA转换分成Y轴 信号，最后输出到示波器上进行频谱观察。 五、实验步骤 1.将信号源模块和频谱分析模块小心地固定在主机箱上，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，再按下信号源模块上的开关POWER1 POWER2和频谱分析模块上的开关POWER1、POWER2,对应的发光二极管LED001、 LED002、L1、L2发光，各模块开始工作。，不要带电连线 3.用连接线连接信号源模块中信号输出点“32K正弦波”及频谱分析模块中信号输入 点“NRZ3”,调节输入增益调节电位器WB01调节输入增益，使输入信号的峰峰值测 试点“NRZ2”不超过4V(最好在3V~4V之间)。 4.设置拨码开关K3进行选择低通滤波的通道（援码开关有4位，分别对应最高止频率为 1K,10K,100K,1M的输入信号)，此时可拨为0010。 国

通信原理实验指导书 15 流水线多级结构以低功耗获得高采样率。TLC876 将转换分配给几个更小的 ADC 字模块， 当器件一级一级通过结果时逐渐的以更高精度改善转换。在传统的高速 ADC 中，这种分布式 变换需要用 1023 个比较器的一小部分。每级中的采样保持放大器（SHA）允许第一级工作于 新的输入采样而第二至第五级工作于四个早先的采样。 TLC876C 工作温度范围为 00 C 至 700 C。 TLC876C 的特点如下： ① 十位分辨率 20MSPS 采样模/数转换器（ADC） ② 功耗典型值 107mW ③ 5V 单电源工作 ④ 差分非线性典型值±5LSB ⑤ 无丢失码 ⑥ 掉电（等待）方式 ⑦ 三态输出 ⑧ 数字 I/O 兼容 5V 或 3.3V 逻辑 ⑨ 可调基准输入 ⑩ 引脚与 AD 公司的 AD876 兼容 在本模块中，TLC876C 将经过低通滤波器的模拟信号转换成数字信号，以数组的方式存 入存储器中，作为 FFT 的输入序列 x（n）。 3．DSP 处理 TMS320VC5402 是定点数字信号处理器，该芯片在此处的作用是将输入的数字信号进行 按频率抽取的 FFT 变换，然后再将所得的反序通过变址运算加以整序。由于 X（k）为复数， 进行频谱分析时要观察频谱幅度，因此将 X（k）取模，最后将模值送入存储器中。 4． D/A 转换器 AD7524 是 8 位 D/A 转换器，在此的作用是将输出的数字信号转换成模拟信号，以便用 示波器观察。先将触发信号与频谱幅度进行处理得到 16 位数据送入存储器，然后将存储器中 的高 8 位送入 UB09 进行 D/A 转换分成 X 轴信号，低 8 位送入 UB10 进行 D/A 转换分成 Y 轴 信号，最后输出到示波器上进行频谱观察。 五、实验步骤 1． 将信号源模块和频谱分析模块小心地固定在主机箱上，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，再按下信号源模块上的开关 POWER1、 POWER2 和频谱分析模块上的开关 POWER1、POWER2，对应的发光二极管 LED001、 LED002、L1、L2 发光，各模块开始工作。，不要带电连线 3． 用连接线连接信号源模块中信号输出点“32KHz 正弦波”及频谱分析模块中信号输入 点“NRZ3”，调节输入增益调节电位器 WB01 调节输入增益，使输入信号的峰峰值测 试点“NRZ2”不超过 4V（最好在 3V～4V 之间）。 4． 设置拨码开关 K3 进行选择低通滤波的通道（拨码开关有 4 位，分别对应最高止频率为 1K，10K，100K，1M 的输入信号），此时可拨为 0010