北京交通大学-实验十二 基带信号的频谱测试

实验十二 基带信号的频谱测试

得分 姓名： 穆书奇 学号：15211017 班级： 通信1501 姓名： 王家乐 学号：15211022 班级： 通信1501 第 十三 周 星期 一 第 四 大节 实验名称： 频带信号的频谱测试

一、 实验目的

（1）加深对各种基带数字信号频谱的理解。 （2）加深对各种数字基带信号频谱带宽的理解。

（3）掌握虚拟仪测试各种数字基带信号频谱和带宽的方法。

二、 实验仪器

(1)ZH5001A通信原理综合实验系统 (2)20MHz双踪示波器 (3)计算机 (4)虚拟仪

三、 实验前的准备

（1）预习本实验的相关内容。 （2）熟悉虚拟仪器的操作方法。

（3）熟悉附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置。

通信原理实验 第2页

（4）实验前重点熟悉的内容． 1）了解周期和非周期信号的频谱； 2）了解各种随机数字信号的功率谱， 3）熟悉虚拟仪的主要功能和测试频谱的方法。

四、 实验原理

本次实验是基于VIRTINS虚拟仪的基带信号频谱分析。 1)

单极性不归零码的功率谱

2Tmf=mTfmSassss所谓不归0，就是指，此时，，(m)0，所以，

二进制单极性不归0码随机序列的功率谱密度表达式为

PS(f)fsP(1P)A22Sa2(2)fs2P2A22(f)

其波形如图10-7所示。由图可以看出，这种码型不存在定时分量。

2） 单极性归零码的功率谱

现在分析二进制单极性归0码随机序列的功率谱密度。归0就是指Ts，一般归0码利用50％占空比，即Ts/2，此时mfs=mTsfs/2m/2，

Sa2(m/2)0，当m1时，Sa2(/2)0，所以，这种码型存在离散谱，并且

在码元速率点存在定时分量。二进制单极性归0码随机序列的功率谱密度表达式如式（10-20）所示。

2

通信原理实验 第3页

PS(f)fsP(1P)A22Sa2(fsPA22222)fs2P2A22(f)mSa2(m/2)(fmfs)-(式10-20)

其波形如图10-8所示。由图可以看出，这种码型在单数码元速率点都存在离散频谱。可以从中提取出定时分量。AMI和HDB3码在接收端经过全波整流后就是这种码型，因此，能够提取出定时分量。

3)双极性不归零码的功率谱 对于双极性二进制矩形方波随机序列

Ag1(t)0Ag2(t)00|t|/2t/2 (式10-21)

0|t|/2t/2(式10-22)

G1(f)ASa(G2(f)ASa()2

)2 (式10-23)

在这种情况下，G2(f)G1(f)，由此可得双极性二进制矩形脉冲随机序列的功率谱密度为

3

通信原理实验

 第4页

PS(f)4fsP(1P)|G1(f)|2fs2(2P1)2|G1(0)|2(f）fs(2P1)A2222m-|G1(mfs)|2(fmfs)(式10-24)

将式10-23带入式10-24，可得

PS(f)4fsP(1P)A22Sa2(fs(2P1)A22222)fs2(2P1)2A22(f)mSa2(mfs)(fmfs)-

二进制双极性不归0码，与前面所述单极性归0的含义一样，就是Ts，

2mf=mTfmSasss此时，(m)0，因此，一进制双极性不归0码随机序列

的功率谱密度表达式如式（10-26）所示。

PS(f)4fsP(1P)A22Sa2()fs2(2P1)2A22(f)2

由式（10-26）可以看出，双极性不归0码的功率谱密度仅在0频处有一根离散线谱，其他所有的离散谱均为0，如图10-9所示。根据式（10-26），当二进制信号等概时，在0频处的离散谱也消失，因为等概的双极性信号是不会存在直流分量的，所以在0频处的离散分量消失也是不难理解的。

4)双极性归零码的功率谱

对于双极性归零二进制矩形脉冲随机序列的功率谱密度可以用下式求得

4

通信原理实验 第5页

PS(f)4fsP(1P)A22Sa2(fs(2P1)A22222)fs2(2P1)2A22(f)mSa2(mfs)(fmfs)-

双极性二进制归0码，与前面所述单极性归0的含义一样，就是指Ts，

2mf=mTf/2m/2T/2Sassss利用50％占空比，即，此时，(m/2)0，2Sam1当时，(/2)0，因此，二进制双极性归0码随机序列的功率谱密度

表达式如式（10-27）所示。

PS(f)4fsP(1P)A22Sa2(fs(2P1)A22222)fs2(2P1)2A22(f)mSa2(m/2)(fmfs)-

其功率谱密度如图10-10所示。由图可知，这种码型的功率谱密度与二进制单极性码的功率谱密度相同。实际上，这两者是有区别的，因为是否相同，还要看其包含的各种分量的大小，对于双极性信号，其线谱分量是很小的。因为从式中可以看到，线谱分量的大小与一进制码元出现的概率有关，当等概情况下，离散谱全部消失。

五、 实验内容

(1)

单极性归零码频谱测试：TPD08

5

通信原理实验 第6页

单极性归码是周期信号，其频谱图是离散的。由图可知，其频谱聚集于0~0.5MHZ内（主瓣宽度），w=0.5MHZ。输入时钟为256khz，如图可看出，极性归零码有丰富的时钟分量。随着频率的增大，定时分量频谱逐渐减小。单极性归码有丰富的直流分量。 (2)

单极性不归零码频谱测试：TPD01

6

通信原理实验 第7页

单极性不归码是周期信号，其频谱图是离散的。由图可知，单极性不归码频谱的主瓣宽度为0.25MHZ。随着频率的增大，其频谱逐渐减小。单极性不归码有直流分量。但时钟分量为0. (3)

双极性归码频谱测试：TPD05

双极性码是周期信号，其频谱图是离散的。由图可知，其频谱集中在

7

通信原理实验 第8页

0~0.25MHZ内。随着频率的增大，其频谱逐渐减小。当频率大于1MHZ时，其频谱可忽略不计。可见双极性码的能量集中。双极性码无时钟分量。 (5)HDB3码频谱测试:

本实验的单极性归码和双极性归码就是借助HDB3码来实验的，所以可以通过上述的实验来分析HDB3码。

（8）1kHz方波信号频谱测试（示波器校准信号）

1kHz方波的周期信号其频谱如图所示，在1kHZ处存在基次谐波，随后是高次谐波。

六、 遇到的问题及解决方法

1.开始进行实验时对实验原理不清晰，不明白操作的含义是什么，因此耽误了一定的时间。

2.开始时对每一个取得测量点不清楚，通过翻阅前面实验的内容终于找到了测试点。

8

通信原理实验 第9页

3.在测量方波是，波形始终不是很好，通过不断调整采样率和时间才得到满意的方波。

七、心得 穆书奇 15211017

我在这次实验中收获很多，从无法入手到理解实验目的和实验内容需要一个过程。实验中输出波形与理论值会有一些差别，这就需要在牢固掌握理论知识的前提下结合实际情况分析。遇到困难要积极思考对策，耐心细致排查可能的原因，向老师虚心请教。实验仪器对波形会有很大影响，但是基本规律还是一样的。我们要注意理论知识与实验相结合，才能加深对知识点的理解。对于实验，我们必须保持耐心，首先懂得原理，懂得实验的目的，才能有所收获。

王家乐 15211022

虽然我们的通信原理实验基本上都是验证性实验，但是对于我们这些知识能力还不够的学生来说，这些探索也是很有价值的。对于这些实验，我们在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。通信原理实验让我在探索、自 我学习中获得知识。当然经过一学期通信原理实验课的学习，也发现了自身存在的很多不足。自己的理论知识并不是很强，有些实验结果无法得到透彻的解释；我的思维、思考方式还需要提高，一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成，每个实验后相关的思考题也不能得到很好的解决。

八、参考文献：

[1]郭宇春，张星，张立军，李磊，宋光农.通信系统原理[M].北京：科学出

9

通信原理实验 第10页

版社，2012.3

[2]王根英，王琴，周春月.通信系统原理实验[M].北京：清华大学出版社；北京：北京交通大学出版社，2010.10

实验十三 频带信号的频谱测试

得分 姓名： 穆书奇 学号：15211017 班级： 通信1501 姓名： 王家乐 学号：15211022 班级： 通信1501 第 十三 周 星期 一 第 四 大节 实验名称： 频带信号的频谱测试

一、实验目的

(1) (2) (3)

加深对各种数字已调信号频谱的理解。 加深对各种数字已调信号频谱带宽的理解。 掌握虚拟仪测试各种数字频带信号频谱和带宽的方法

10

通信原理实验 第11页

二、实验仪器

（1）ZH5001A通信原理综合实验系统 一台 （2）20MHz双踪示波器 一台 （3）计算机 一台 （4）虚拟仪 一台

三、实验前的准备

（1）预习本实验的相关内容。 （2）熟悉虚拟仪器的操作方法。

（3）熟悉附录B和附录C中实验箱面板分布及测试孔位置。 （4）实验前重点熟悉的内容．

1）FSK信号的频谱分布； 2）BPSK信号的频谱分布； 3）DBPSK信号的频谱分布；

4）熟悉虚拟仪的主要功能和测试频谱的方法。

四、实验原理

(1) ASK信号的功率谱

前面已经求出了单极性非归0矩形脉冲随机序列的功率谱密度，如式（10-28）所示。

PS(f)fsP(1P)A22Sa2(2)fs2P2A22(f)(式10-28)

设已调信号的功率谱密度用P0(f) 表示，则ASK信号的功率谱密度为

P0(f)

11PS(ff0)PS(ff0) (式10-29) 4411

通信原理实验 第12页

将式10-28带入式10-29，并设P1/2,A1,Ts ，可得

PS(f)11TsSa2[(ff0)Ts]Sa2[(ff0)Ts]{(ff0)(ff0)}(式161610-30)

ASK信号的功率谱密度如图10-11所示。由图10-11可以看出，它将基带信号的功率谱分别线性地搬移到了载波信号0和-0处，已调信号的带宽为2s。

(2) FSK信号的功率谱

2FSK信号的功率谱密度可以看成两个ASK信号功率谱密度的叠加。根据式（10-30）可以得到相位不连续的2FSK信号的功率谱密度，如式（10-31)所示。其功率谱如图10-12所示。

12

通信原理实验 第13页

1TsSa2[(ff0)Ts]Sa2[(ff0)Ts]16(式10-31) Sa2[(ff2)Ts]Sa2[(ff2)Ts]PS(f)1{(ff0)(ff0)(ff2)(ff2)}16由图10-12可以看出，相位不连续的2FSK信号的功率谱，是两个2ASK信号功率谱的叠加。2FSK信号功率谱的两个频率分别为1和2，已调信号的带宽为212s。

(3) PSK信号的功率谱

如前所述，双极性不归零随机序列的功率谱密度可以表示为

PS(f)4fsP(1P)A22Sa2()fs2(2P1)2A22(f)(式10-32) 2在一般情况下，已调信号的正、负频域的功率谱是不会重叠的。在这种情况下，已调信号的功率谱密度可以表示为

P0(f)11PS(ff0)PS(ff0)(式10-33) 44式（10-33）中的Ps(f)表示基带信号的功率谱密度。因此，将式（10-32）代入式（10-33），并设P1/2,A1,Ts，就可以得到2PSK信号的功率谱密度

PS(f)1TsSa2[(ff0)Ts]Sa2[(ff0)Ts](式10-34) 42PSK信号的功率谱如图10-13所示。

13

通信原理实验 第14页

五、实验内容

（3）中频BPSK频谱测试 测试点：TPK03

由时域图可以看出，调制信号周期T=20s，载波频率约为f0=1Hz，观察频域图，带宽B约为0.1Hz，满足B=2/T，中心频率为载波频率1Hz左右。 （5）载波频谱测试 测试点：TPK07

14

通信原理实验 第15页

载波信号周期约为1us，中心频率约为1MHz (6)位定时频谱测试 发时钟TPM01时，收时钟TPMZ07

六、实验补充

在完成实验之后，由于做的比较快，开始时是截的图，后来老师告诉了

15

通信原理实验 第16页

我们输出图片文件的方法。由于时间相隔两周（13，14），在14周验收labview时，我由于第一个验完等同学，闲着没事就做了一下FSK的频谱测量，其实方法一样。虽然前面为介绍FSK的实验，但是我们知道测试点和基本原理就好。

1、基带FSK频谱测试 测试点：TPi03 （1）测试信号为全0码 时域图如下：

频谱图如下：

FSK全0码是非周期信号，其频谱图是连续的。由图可知，其频谱范围在0~0.05MHZ内。在0.05MHZ后没有频谱分量。 （2）测试信号为m码

16

通信原理实验 第17页

时。4域图如下：

频谱图如下：

FSK m码是非周期信号，其频谱图是连续的。由图可知，其频谱范围也在0~0.05MHZ内。在0~0.05MHZ内，其频谱包含两个波峰，在0.02MHZ处，有一频谱值达1的频谱分量，在最大频谱分量附近频谱值快速下降到0.4附近，降低了60%。同时，我们从图中也可以看出，在0.05MHZ后基本没有频谱分量。

2、中频FSK频谱测试 测试点：TPK03 （1）测试信号为全0码 时域图如下：

17

通信原理实验 第18页

频谱图如下：

中频FSK全0码是非周期信号，其频谱图是连续的。由图可知，其在1MHZ频率处有一值为1的单边带频谱分量，在其他频率范围内的频谱几乎没有。可见，其频谱能量很集中。单一性好。 （2）测试信号为m码 时域图如下：

频谱图如下：

18

通信原理实验 第19页

由图可知，m序列的频谱图与全0码频谱图及其相似。

将正交调制信输入信号的一路基带调制信号断开（D/A模块内的跳线器Ki01或Ki02），重复以上步骤（双边带）。 （1）测试信号为全0码 时域图如下：

频谱图如下：

由图可知，双边带全0码与单边带相比，其不同之处在与在1MHZ处，其频谱分量由带边带频谱变为双边带频谱，但右边带频谱较左边带小（较单

19

通信原理实验 第20页

边带的频谱值也小），我们推测可能是由于实验设备存在误差造成或是双边带FSK频谱更容易受外界影响。 （2）测试信号为m码 时域图如下：

频谱图如下：

由图可知，m序列的频谱图与全0码频谱图及其相似。

七、 基带信号频谱与频带信号频谱区别

基带信号：信源(信息源，也称发终端)发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。

频带信号：在通信中，由于基带信号具有频率很低的频谱分量,出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输,需要把基带信号变换成其频带适

20

通信原理实验 第21页

合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号

(如果一个信号只包含了一种频率的交流成份或者有限几种频率的交流成份，我们就称这种信号叫做频带信号)。其主要用于网络电视和有线电视的视频广播。

因此，基带信号的频谱具有低通特性，而频带信号频谱具有带通特性。这是本质区别。这种特点决定了两种信号在应用过程中的具体选择。对于实验结果，与理论分析是一致的。

八、遇到的问题及解决方法

1、开始进行实验时对实验原理不清晰，不明白操作的含义是什么，因此耽误了一定的时间。

2、开始时对每一个取得测量点不清楚，通过翻阅前面实验的内容终于找到了测试点。

九、心得 穆书奇 15211017

，做实验时,一定要亲力亲为,不要钻空子，务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,最好能理解明白。在完成实验后,还要进行一定的复习和思考。只有这样,你的才会印象深刻,记得牢固。否则,过后不久，也许是半个学期，就会忘得一干二净,这是很糟糕的一种情况。在做实验时,老师还会根据自己的经验,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到通信原理实验的应用是那么的广泛，可以大大增强我们的探索的兴趣。

通过完成本次的通信原理实验,使我学到了不少实用的通信知识,加深了对通信系统的理解，加强了动手的能力，与理论课完成了很好的互补。更

21

通信原理实验 第22页

重要的是,在做实验的过程,我们收获了思考问题和解决问题的各种角度以及方法, 提高了在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力，这与做其他的实验是通用的,让我受益匪浅，对以后的学习更加有信心。

王家乐 15211022

在这中间，我也发现了我存在的很多不足。我的动手能力还不够强，当有些实验需要很强的动手能力时我还不能从容应对；我的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成；我的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂数据时我处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小程度.

虽然我们的通信原理实验基本上都是验证性实验，但是对于我们这些知识能力还不够的学生来说，这些探索也是很有价值的。对于这些实验，我们在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。通信原理实验让我在探索、自 我学习中获得知识。当然经过一学期通信原理实验课的学习，也发现了自身存在的很多不足。自己的理论知识并不是很强，有些实验结果无法得到透彻的解释；我的思维、思考方式还需要提高

十、参考文献：

[1]郭宇春，张星，张立军，李磊，宋光农.通信系统原理[M].北京：科学出版社，2012.3

[2]王根英，王琴，周春月.通信系统原理实验[M].北京：清华大学出版社；北京：北京交通大学出版社，2010.10

22

通信原理实验 第23页

23