通信原理实验指导书2.doc

武汉凌特电子技术有限公司 lte-tx-02e通讯原理实验指导书目 录目 录i第一章 信号源实验1实验一 cpld可编程数字信号发生器实验1实验二 模拟信号源实验6第二章 语音编码技术12实验三 抽样定理和pam调制解调实验12实验四 脉冲编码调制解调实验20第三章 数字调制技术34实验五 振幅键控（ask）调制与解调实验34实验六 移频键控fsk调制与解调实验40实验七 移相键控（psk/dpsk）调制与解调实验46第四章 数字基带传输技术54实验八 码型变换实验54第五章 同步技术61实验九 载波同步提取实验61实验十 位同步提取实验67实验十一 帧同步提取实验76第六章 时分复用技术85实验十二 两路pcm时分复用实验85实验十三 两路pcm解复用实验91第七章 系统实验94实验十四 载波传输系统实验94实验十五 数字基带传输系统实验96南开大学信息技术科学学院 lte-tx-02e型通信原理实验指导书第一章 信号源实验实验一 cpld可编程数字信号发生器实验一、 实验目的1、 熟悉各种时钟信号的特点及波形。2、 熟悉各种数字信号的特点及波形。二、 实验内容1、 熟悉cpld可编程信号发生器各测量点波形。2、 测量并分析各测量点波形及数据。3、 学习cpld可编程器件的编程操作。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 连接线 若干3、 20m双踪示波器 一台四、 实验原理cpld可编程模块用来产生实验系统所需要的各种时钟信号和各种数字信号。它由cpld可编程器件altera公司的epm240t100c5、下载接口电路和一块晶振组成。晶振jz1用来产生系统内的32.768mhz主时钟。1、 cpld数字信号发生器包含以下五部分：1) 时钟信号产生电路将晶振产生的32.768mhz时钟送入cpld内计数器进行分频，生成实验所需的时钟信号。通过拨码开关s4和s5来改变时钟频率。有两组时钟输出，输出点为“clk1”和“clk2”，s4控制“clk1”输出时钟的频率，s5控制“clk2”输出时钟的频率。2) 伪随机序列产生电路通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列，通常简称为m序列。以15位m序列为例，说明m序列产生原理。在图1-1中示出一个4级反馈移存器。若其初始状态为（）（1,1,1,1），则在移位一次时和模2相加产生新的输入，新的状态变为（）（0,1,1,1），这样移位15次后又回到初始状态（1,1,1,1）。不难看出，若初始状态为全“0”,即“0,0,0,0”，则移位后得到的仍然为全“0”状态。这就意味着在这种反馈寄存器中应避免出现全“0”状态，不然移位寄存器的状态将不会改变。因为4级移存器共有24=16种可能的不同状态。除全“0”状态外，剩下15种状态可用，即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15。图1-1 15位m序列产生信号源产生一个15位的m序列，由“pn”端口输出，可根据需要生成不同频率的伪随机码，码型为111100010011010，频率由s4控制，对应关系如表1-2所示。3) 帧同步信号产生电路信号源产生8k帧同步信号，用作脉冲编码调制的帧同步输入，由“fs”输出。4) nrz码复用电路以及码选信号产生电路码选信号产生电路：主要用于8选1电路的码选信号；nrz码复用电路：将三路八位串行信号送入cpld，进行固定速率时分复用，复用输出一路24位nrz码，输出端口为“nrz”，码速率由拨码开关s5控制，对应关系见表1-2。5) 终端接收解复用电路将nrz码（从“nrzin”输入）、位同步时钟（从“bs”输入）和帧同步信号（从“fsin”输入）送入cpld，进行解复用，将串行码转换为并行码，输出到终端光条（u6和u4）显示。2、 24位nrz码产生电路本单元产生nrz信号，信号速率根据输入时钟不同自行选择，帧结构如图1-2所示。帧长为24位，其中首位无定义（本实验系统将首位固定为0），第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。此nrz信号为集中插入帧同步码时分复用信号。光条（u1、u2和u3）对应位亮状态表示信号1，灭状态表示信号0。图1-2 帧结构1) 并行码产生器由手动拨码开关s1、s2、s3控制产生帧同步码和16路数据位，每组发光二极管的前八位对应8个数据位。拨码开关拨上为1，拨下为0。2）八选一电路采用8路数据选择器74ls151，其管脚定义如图1-3所示。真值表如表1-1所示。表1-1 74ls151真值表cbastrylllld0llhld1lhlld2lhhld3hllld4hlhld5hhlld6hhhld7hl图1-3 74ls151管脚定义74ls151为互补输出的8选1数据选择器，数据选择端（地址端）为c、b、a，按二进制译码，从8个输入数据d0d7中选择一个需要的数据。str为选通端，低电平有效。本信号源采用三组8选1电路，u12，u13，u15的地址信号输入端a、b、c分别接cpld输出的74151_a、74151_b、74151_c信号，它们的8个数据信号输入端d0d7分别与s1,s2,s3输出的8个并行信号相连。由表1-1可以分析出u12，u13，u15输出信号都是以8位为周期的串行信号。五、 测试点说明clk1：第一组时钟信号输出端口，通过拨码开关s4选择频率。clk2：第二组时钟信号输出端口，通过拨码开关s5选择频率。fs：脉冲编码调制的帧同步信号输出端口。（窄脉冲，频率为8k）nrz：24位nrz信号输出端口，码型由拨码开关s1，s2，s3控制，码速率和第二组时钟速率相同，由s5控制。pn：伪随机序列输出，码型为111100010011010，码速率和第一组时钟速率相同，由s4控制。nrzin：解码后nrz码输入。bs：nrz码解复用时的位同步信号输入。fsin：nrz码解复用时的帧同步信号输入。六、 实验步骤1、 打开信号源模块的电源开关power1，使信号源模块工作。2、 观测时钟信号输出波形。信号源输出两组时钟信号，对应输出点为“clk1”和“clk2”，拨码开关s4的作用是改变第一组时钟“clk1”的输出频率，拨码开关s5的作用是改变第二组时钟“clk2”的输出频率。拨码开关拨上为1，拨下为0，拨码开关和时钟的对应关系如下表所示表1-2拨码开关时钟拨码开关时钟000032.768m1000128k000116.384m100164k00108.192m101032k00114.096m101116k01002.048m11008k01011.024m11014k0110512k11102k0111256k11111k1) 根据表1-2改变s4，用示波器观测第一组时钟信号“clk1”的输出波形；2) 根据表1-2改变s5，用示波器观测第二组时钟信号“clk2”的输出波形。3、 用示波器观测帧同步信号输出波形信号源提供脉冲编码调制的帧同步信号，在点“fs”输出，一般时钟设置为2.048m、256k，在后面的实验中有用到。将拨码开关s4分别设置为“0100”、“0111”或别的数字，用示波器观测“fs”的输出波形。4、 用示波器观测伪随机信号输出波形伪随机信号码型为111100010011010，码速率和第一组时钟速率相同，由s4控制。根据表1-2改变s4，用示波器观测“pn”的输出波形。5、 观测nrz码输出波形信号源提供24位nrz码，码型由拨码开关s1，s2，s3控制，码速率和第二组时钟速率相同，由s5控制。1) 将拨码开关s1，s2，s3设置为“01110010 11001100 10101010”，s5设为“1010”，用示波器观测“nrz”输出波形。2) 保持码型不变，改变码速率（改变s5设置值），用示波器观测“nrz”输出波形。3) 保持码速率不变，改变码型（改变s1、s2、s3设置值），用示波器观测“nrz”输出波形。七、 实验报告要求1、 分析各种时钟信号及数字信号产生的方法，叙述其功用。2、 画出各种时钟信号及数字信号的波形。3、 记录实验过程中遇到的问题并进行分析，提出改进建议。第 99 页 共210页实验二 模拟信号源实验一、实验目的1、熟悉各种模拟信号的产生方法及其用途。2、观察分析各种模拟信号波形的特点。二、实验内容1、测量并分析各测量点波形及数据。2、熟悉几种模拟信号的产生方法，了解信号的来源、变换过程和使用方法。三、实验器材1、信号源模块 一块2、连接线 若干3、20m双踪示波器 一台四、实验原理 模拟信号源电路用来产生实验所需的各种低频信号：同步正弦波信号、非同步信号和音乐信号。（一）同步信号源（同步正弦波发生器）1、 功用同步信号源用来产生与编码数字信号同步的2khz正弦波信号，可用在pam抽样定理、增量调制、pcm编码实验，作为模拟输入信号。在没有数字存贮示波器的条件下，用它作为编码实验的输入信号，可在普通示波器上观察到稳定的编码数字信号波形。2、 电路原理图2-1为同步正弦信号发生器的电路图。它由2khz方波信号产生器（图中省略了）、同相放大器和低通滤波器三部分组成。图2-1 同步正弦波产生电路2khz的方波信号由cpld可编程器件u8内的逻辑电路通过编程产生。“2k同步正弦波”为其测量点。u19a及周边的电阻组成一个的同相放大电路，起到隔离和放大作用，。u19c及周边的阻容网络组成一个截止频率为2k的二阶低通滤波器，滤除方波信号里的高次谐波和杂波，得到正弦波信号。调节w1改变同相放大器的放大增益，从而改变输出正弦波的幅度（05v）。（二）非同步信号源非同步信号源利用混合信号soc型8位单片机c8051f330，采用dds(直接数字频率合成)技术产生。通过波形选择器s6选择输出波形，对应发光二极管亮。它可产生频率为180hz18khz的正弦波、180hz10khz的三角波和250hz250khz的方波信号。按键s7、s8分别可对各波形频率进行增减调整。非同步信号输出幅度为04v，通过调节w4改变输出信号幅度。可利用它定性地观察通信话路的频率特性，同时用作增量调制、脉冲编码调制实验的模拟输入信号。图2-2 非同步信号发生器电路图（三）音乐信号产生电路1、功用音乐信号产生电路用来产生音乐信号，作模拟输入信号检查话音信道的开通情况及通话质量。2、工作原理图2-3 音乐信号产生电路音乐信号产生电路见图2-3。音乐信号由u21音乐片厚膜集成电路产生。该片的1脚为电源端，2脚为控制端，3脚为输出端，4脚为公共地端。vcc经r34、d4向u21的1脚提供3.3v电源电压，当2脚通过k1输入控制电压+3.3v时，音乐片即有音乐信号从第3脚输出，经低通滤波器输出，输出端口为“音乐输出”（四）载波产生电路1、功用载波产生电路用来产生数字调制所需的正弦波信号，频率有64khz和128khz两种。2、工作原理64k载波产生电路如图2-4所示，128k载波产生电路如图2-5所示64khz(128khz)的方波信号由cpld可编程器件u8内的逻辑电路通过编程产生。“64k同步正弦波”（“64k”同步正弦波）为其测量点。u17a(u18a)及周边的电阻组成一个的同相放大电路，起到隔离和放大作用。u17d(u18d)及周边的阻容网络组成一个截止频率为64k（128khz）的二阶低通滤波器，滤除方波信号里的高次谐波和杂波，得到正弦波信号。调节w2(w3)改变同相放大器的放大增益，从而改变输出正弦波的幅度（05v）。图2-4 64k载波产生电路图2-5 128k载波产生电路五、测试点说明2k同步正弦波：2k的正弦波信号输出端口，幅度（05v）由w1调节。64k同步正弦波：64k的正弦波信号输出端口，幅度（05v）由w2调节。128k同步正弦波：128k的正弦波信号输出端口，幅度（05v）由w3调节。非同步信号源：普通正弦波、三角波和方波信号输出端口，波形由s6选择，频率由s7、s8调节，幅度(04v)由w4调节。音乐输出：音乐片输出端口。音频信号输入：音频功放输入端口（功放输出信号幅度由w6调节）。k1：音乐片信号选择开关。k2：扬声器输出选择开关。w6：调节扬声器音量。六、实验步骤1、 用示波器测量“2k同步正弦波”、“64k同步正弦波”、“128k同步正弦波”各点输出的正弦波波形，对应的电位器w1，w2，w3可分别改变各正弦波的幅度。2、 用示波器测量“非同步信号源”输出波形。1) 按键s6选择为“正弦波”，改变w4，调节信号幅度（调节范围为04v），用示波器观察输出波形。2) 保持信号幅度为3v，改变s7、s8，调节信号频率（调节范围为180hz18khz），用示波器观察输出波形。3) 将波形分别选择为三角波、方波，重复上面两个步骤。3、 将控制开关k1设为“on”，令音乐片加上控制信号，产生音乐信号输出，用示波器在“音乐输出”端口观察音乐信号输出波形。七、实验报告要求1、画出各测量点波形，并进行分析。2、画出各模拟信号源的电路组成方框图，叙述其工作原理。3、记录实验过程中遇到的问题并进行分析，提出改进建议。南开大学信息技术科学学院 lte-tx-02e型通信原理实验指导书第二章 语音编码技术实验三 抽样定理和pam调制解调实验一、 实验目的1、 通过脉冲幅度调制实验，使学生能加深理解脉冲幅度调制的原理。2、 通过对电路组成、波形和所测数据的分析，加深理解这种调制方式的优缺点。二、 实验内容1、 观察模拟输入正弦波信号、抽样时钟的波形和脉冲幅度调制信号，并注意观察它们之间的相互关系及特点。2、 改变模拟输入信号或抽样时钟的频率，多次观察波形。 三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 20m双踪示波器 一台4、 连接线 若干四、 实验原理（一）基本原理1、抽样定理抽样定理表明：一个频带限制在（0，）内的时间连续信号，如果以t秒的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。假定将信号和周期为t的冲激函数相乘，如图3-1所示。乘积便是均匀间隔为t秒的冲激序列，这些冲激序列的强度等于相应瞬时上的值，它表示对函数的抽样。若用表示此抽样函数，则有：图3-1 抽样与恢复假设、和的频谱分别为、和。按照频率卷积定理，的傅立叶变换是和的卷积：因为 所以 由卷积关系，上式可写成 该式表明，已抽样信号的频谱是无穷多个间隔为s的相迭加而成。这就意味着中包含的全部信息。需要注意，若抽样间隔t变得大于，则和的卷积在相邻的周期内存在重叠（亦称混叠），因此不能由恢复。可见，是抽样的最大间隔，它被称为奈奎斯特间隔。上面讨论了低通型连续信号的抽样。如果连续信号的频带不是限于0与之间，而是限制在（信号的最低频率）与（信号的最高频率）之间（带通型连续信号），那么，其抽样频率并不要求达到，而是达到2b即可，即要求抽样频率为带通信号带宽的两倍。00图3-2画出抽样频率2b（无混叠）和2b（有混叠）时两种情况下冲激抽样信号的频谱。(a) 连续信号的频谱100 （b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（无混叠）0 10（c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）图3-2 采用不同抽样频率时抽样信号的频谱2、脉冲振幅调制（pam）所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随输入信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则前面所说的抽样定理，就是脉冲增幅调制的原理。但是实际上真正的冲激脉冲串并不能付之实现，而通常只能采用窄脉冲串来实现。因而，研究窄脉冲作为脉冲载波的pam方式，将具有实际意义。图3-3 自然抽样及平顶抽样波形pam方式有两种：自然抽样和平顶抽样。自然抽样又称为“曲顶”抽样，已抽样信号ms(t)的脉冲“顶部”是随m(t)变化的，即在顶部保持了m(t)变化的规律（如图3-3所示）。平顶抽样所得的已抽样信号如图3-3所示，这里每一抽样脉冲的幅度正比于瞬时抽样值，但其形状都相同。在实际中，平顶抽样的pam信号常常采用保持电路来实现，得到的脉冲为矩形脉冲。（二) 电路组成 脉冲幅度调制实验系统如图3-4所示，主要由抽样保持芯片lf398和解调滤波电路两部分组成，电路原理图如图3-5所示。图3-4 脉冲振幅调制电路原理框图图3-5 脉冲幅度调制电路原理图（三）实验电路工作原理1、 pam调制电路如图3-5所示，lf398是一个专用的采样保持芯片，它具有很高的直流精度和较高的采样速率，器件的动态性能和保持性能可以通过合适的外接保持电容达到最佳。lf398的内部结构如图3-6所示； 图3-6 lf398的内部电路结构n1是输入缓冲放大器，n2是高输入阻抗射极输出器。s为逻辑控制采样/保持开关，当s接通时，开始采样；当s断开时，开始保持。lf398的引脚功能为：3、12脚：正负电源输入端。1脚：vi，模拟电压输入端。11脚：mctr，逻辑控制输入端，高电平为采样，低电平为保持。10脚：mref，逻辑控制电平参考端，一般接地。8脚：hoc，采样/保持电容接入端。7脚：out，采样/保持输出端。如图3-5所示，被抽样信号从pam-sin输入，进入lf398的1脚vi端，经内部输入缓冲放大器n1放大后送到模拟开关s，此时，将抽样脉冲作为s的控制信号，当lf398的11脚mctr端为高电平时开关接通，为低电平时开关断开。然后经过射极输出器n2输出比较理想的脉冲幅度调制信号。k1为“平顶抽样”、“自然抽样”选择开关。2、pam解调与滤波电路解调滤波电路由集成运放电路tl084组成。组成了一个二阶有源低通滤波器，其截止频率设计在3.4khz左右，因为该滤波器有着解调的作用，因此它的质量好坏直接影响着系统的工作状态。该电路还在后续实验接收部分有用到。电路如图3-7所示图3-7 pam解调滤波电路五、 测试点说明1、输入点参考说明pam-sin：音频信号输入端口pamclk：抽样时钟信号输入端口in：pam解调滤波电路输入端口2、输出点说明自然抽样输出：自然抽样信号输出端口平顶抽样输出：平顶抽样信号输出端口out：pam解调滤波输出端口六、 实验步骤及注意事项1、 将信号源模块、模块1固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，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，将信号源模块和模块1的电源开关拨下，观察指示灯是否点亮，红灯为+5v电源指示灯，绿灯为-12v电源指示灯，黄色为+12v电源指示灯。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，再打开电源做实验，不要带电连线）。3、 观测pam自然抽样波形1) 用示波器观测信号源“2k同步正弦波”输出，调节w1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4v左右。2) 将信号源上s4设为“1010”，使“clk1”输出32k时钟。3) 将模块1上k1选到“自然”。4) 关闭电源，按如下方式连线源端口目标端口连线说明信号源：“2k同步正弦波”模块1:“pam-sin”提供被抽样信号信号源：“clk1”模块1:“pamclk”提供抽样时钟* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源5) 用示波器在“自然抽样输出”处观察pam自然抽样波形。4、 观测pam平顶抽样波形a) 用示波器观测信号源“2k同步正弦波”输出，调节w1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4v左右。b) 将信号源上s1、s2、s3依次设为“10000000”、“10000000”、“10000000”，将s5拨为“1000”，使“nrz”输出速率为128k，抽样频率为：nrz频率/8（实验中的电路，nrz为“1”时抽样，为“0”时保持。在平顶抽样中，抽样脉冲为窄脉冲）。c) 将k1设为“平顶”。关闭电源，按下列方式进行连线。源端口目标端口连线说明信号源：“2k同步正弦波模块1：“pam-sin”提供被抽样信号信号源：“nrz”模块1：“pamclk”提供抽样脉冲d) 打开电源，用示波器在“平顶抽样输出”处观察平顶抽样波形。5、 改变抽样时钟频率，观测自然抽样信号，验证抽样定理。6、 观测解码后pam波形与原信号的区别1) 步骤3的前3步不变,按如下方式连线源端口目标端口连线说明信号源：“2k同步正弦波”模块1:“pam-sin”提供被抽样信号信号源：“clk1”模块1:“pamclk”提供抽样时钟模块1:“自然抽样输出”模块1:“in”将pam信号进行译码2) 将k1设为“自然”，用“pam-sin”信号做示波器的触发源，用双踪示波器对比观测“pam-sin”和“out”波形。7、 将信号源产生的音乐信号输入到模块1的“pam-sin”，“自然抽样输出”和“in”相连，pam解调信号输出到信号源上的“音频信号输入”，通过扬声器听语音，感性判断该系统对话音信号的传输质量。七、 实验思考题1、 简述平顶抽样和自然抽样的原理及实现方法。2、 在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？3、 造成系统失真的原因有哪些？4、 为什么采用低通滤波器就可以完成pam解调？八、 实验报告要求1、 分析电路的工作原理，叙述其工作过程。2、 绘出所做实验的电路、仪表连接调测图。并列出所测各点的波形、频率、电压等有关数据，对所测数据做简要分析说明。必要时借助于计算公式及推导。3、 对实验思考题加以分析，按照要求作出回答。实验四 脉冲编码调制解调实验一、 实验目的1、 掌握脉冲编码调制与解调的原理。2、 掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。3、 了解脉冲编码调制信号的频谱特性。4、 了解大规模集成电路w681512的使用方法。二、 实验内容1、 观察脉冲编码调制与解调的结果，分析调制信号与基带信号之间的关系。2、 改变基带信号的幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况。3、 改变基带信号的频率，观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况。4、 改变位同步时钟，观测脉冲编码调制波形。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 20m双踪示波器 一台4、 立体声耳机 一副5、 连接线 若干四、 实验原理（一）基本原理模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，当这些连续变化的抽样值通过有噪声的信道传输时，接收端就不能对所发送的抽样准确地估值。如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能对所发送的抽样准确地估值，从而有可能消除随机噪声的影响。脉冲编码调制（pcm）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。脉码调制的过程如图5-1所示。pcm主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。国际标准化的pcm码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。编码后的pcm码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300hz3400hz左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。在整个pcm系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码。通常，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比s/n来表示。国际电报电话咨询委员会（itu-t）详细规定了它的指标，还规定比特率为64kbps，使用a律或律编码律。下面将详细介绍pcm编码的整个过程，由于抽样原理已在前面实验中详细讨论过，故在此只讲述量化及编码的原理。图5-1 pcm 调制原理框图1、 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图5-2所示，量化器q输出l个量化值，k=1，2，3，l。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为：这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。模拟入量化器量化值图5-2 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，我们先讨论均匀量化。把输入模拟信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图5-3所示。其量化间隔（量化台阶）取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当输入信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。例如，输入信号的最小值和最大值分用a和b表示，量化电平数为m，那么，均匀量化的量化间隔为：量化器输出为： 当式中为第个量化区间的终点，可写成 为第个量化区间的量化电平，可表示为 上述均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。图5-3 均匀量化过程示意图非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和a压缩律。美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用a压缩律，因此，本实验模块采用的pcm编码方式也是a压缩律。所谓a压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：a律压扩特性是连续曲线，a值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于a律函数规律的13折线（a=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本实验模块中所用到的pcm编码芯片w681512正是采用这种压扩特性来进行编码的。图5-4示出了这种压扩特性。图5-4 13折线表5-1列出了13折线时的值与计算值的比较。表 5-10101按折线分段时的01段落12345678斜率16168421表中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。2、 编码所谓编码就是把量化后的信号变换成二进制码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。本实验模块中的编码芯片w681512采用的是逐次比较型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表5-2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表5-3。可见，上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。表5-2 段落码 表5-3 段内码段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000（二）实验电路说明本实验采用大规模集成电路w681512对语音信号进行pcm编、解码。w681512是应用于语音、模拟转数字、数字转模拟的单通道codec。此语音codec以全差动输出功能来将噪音最小化。芯片符合itu-t g.712及itu-t g.711工业标准，所以能提供最可能的清晰讯号。w681512可工作在256khz、512khz、1536khz、1544khz、2048khz、2560khz和4096khz。这里选择编码速率为2.048mhz，每一时隙数据为8位，帧同步信号为8khz。模拟信号在编码电路中，经过抽样、量化、编码，最后得到pcm编码信号。在单路编译码器中，经变换后的pcm码是在一个时隙中被发送出去的，在其他的时隙中编译码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个pcm帧（32个时隙）里，只在一个特定的时隙中发送编码信号。同样，译码电路也只是在一个特定的时隙（此时隙应与发送时隙相同，否则接收不到pcm编码信号）里才从外部接收pcm编码信号，然后进行译码，经过带通滤波器、放大器后输出。下面对pcm编译码专用集成电路w681512芯片做一些简单的介绍。图5-6为w681512的内部结构方框图，图5-7是w681512的管脚排列图。图5-6 w681512逻辑方框图44图5-7 w681512管脚排列图3、 w681512管脚的功能（1）ro+：接收滤波器的非倒相输出（2）ro-：接收滤波器的倒相输出（3）pai：功率放大器的倒相输入（4）pao-：功率放大器的倒相输出（5）pao+：功率放大器的非倒相输出（6）vdd：供电引脚（7）fsr：接收帧同步脉冲，它启动bclkr，于是pcm数据移入pcmr，fsr为8khz脉冲序列。（8）pcmr：接收数据帧输入。pcm数据必须与fsr和bclkr同步。（9）bclkr：接收数据位时钟输入。（10）pui：省电模式的控制端，接vdd时为正常工作模式，接vss时为省电模式。（11）mclk：系统主时钟输入，其频率可以是256khz、512khz、1.536mhz、1.544mhz、2.048mhz、2.56mhz、4.096mhz。（12）bclkt：发送数据位时钟输入（13）pcmt：输出数据发送。（14）fst：8khz发送帧同步脉冲输入，它发送pcm数据同步。（15）vss：地，必须接到0v。（16）/a-law：压缩方式选择引脚。接vdd时为律，接vss时为a律。（17）ao：发送输入放大器的模拟输出。（18）ai-：发送输入放大器的倒相输入。（19）ai+：发送输入放大器的非倒相输入。（20）vag：为模拟信号提供2.4v的参考电压。4、 功能说明i 上电当开始上电瞬间，复位电路启动，芯片处于掉电状态，所有非主要电路都没有正常工作，而pcmt、ro+、pao-、pao+均处于高阻状态。为了使器件上电，一个逻辑低电平或时钟脉冲必须作用在pui引脚上，并且fst和fsr脉冲必须存在。于是有两种掉电控制模式可以利用。在第一种中pui引脚电位被拉高。在另一种模式中使fst和fsr二者的输入均连续保持低电平，在最后一个fst或fsr脉冲之后相隔2ms左右，器件将进入掉电状态，一旦第一个fst和fsr脉冲出现，上电就会发生。三态数据输出将停留在高阻抗状态中，一直到第二个fst脉冲出现。ii 短帧同步工作芯片既可以用短帧，也可以用长帧同步脉冲。在加电开始时，器件采用短帧模式，在这种模式中，fst和fsr这两个帧同步脉冲的长度均为一个位时钟周期。在bclkt的下降沿当fst为高时，bclkt的下一个上升沿可启动输出符号位的三态输出pcmt的缓冲器，紧随其后的7个上升沿以时钟送出剩余的7个位，而下一个下降沿则阻止pcmt输出。在bclkr的下降沿当fsr为高时（bclkt在同步模式），其下一个下降沿将锁住符号位，跟随其后的7个下降沿锁住剩余的7个保留位。iii 长帧同步工作为了应用长帧模式，fst和fsr这两个帧同步脉冲的长度应等于或大于位时钟周期的三倍。在64khz工作状态中，帧同步脉冲至少要在160ns内保持低电位。随着fst或bclkx的上升沿（无论哪一个先到）来到，pcmt三态输出缓冲器启动，于是被时钟移出的第一比特为符号位，以后到来的bclkx的7个上升沿以时钟移出剩余的7位码。随着第8个上升沿或fst变低（无论哪一个后发生），pcmt输出由bclkx的下降沿来阻塞，在以后8个bclkr的下降沿（bclkr），接收帧同步脉冲fsr的上升沿将锁住pcmr的pcm数据。iv 发送部件发送部件的输入端为一个运算放大器，并配有两个调整增益的外接电阻。在低噪声和宽频带条件下，整个音频通带内的增益可达20db以上。该运算放大器驱动一个增益为1的滤波器（由rc有源前置滤波器组成），后面跟随一个时钟频率为256khz的8阶开关电容带通滤波器。该滤波器的输出直接驱动编码器的抽样保持电路。在制造中配入一个精密电压基准，以便提供额定峰值为2.4v的输入过载（tmax）。fst帧同步脉冲控制滤波器输出的抽样，然后逐次逼近的编码周期就开始。8位码装入缓冲器内，并在下一个fst脉冲下通过pcmt移出，整个编码时延近似地等于165ns加上125ns（由于编码时延），其和为290ns。v 接收部件接收部件包括一个扩展dac（数模转换器），而它又驱动一个时钟频率为256khz的5阶开关电容低通滤波器。译码器是依照a律（w681512）设计的，而5阶低通滤波器矫正8khz抽样保持电路所引起的sinx/x衰减。在滤波器后跟随一个输出在ro+上的2阶rc低通后置滤波器。接收部件的增益为1，但利用功率放大器可加大增益。当fsr出现时在后续的8个bclkr（bclkt）的下降沿，pcmr输入端上的数据将被时钟控制。在译码器的终端，译码循环就开始了。vi 接收功率放大器两个倒相模式的功率放大器用来直接驱动一个匹配的线路接口电路。本编译码器的功能比较强，它既可以进行a律变换，也可以进行律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，到底使用它的什么功能可由用户通过一些控制来选择。在实验中我们可以自由选择它进行a律、律变换，以2.048mbit来传送信息，信令帧为无信令帧，它的发送时序与接收时序直接受fst和fsr控制。还有一点，编译码器一般都有一个pui降功耗控制端，pui=1时，编译码能正常工作，pui=0，编译码器处于低功耗状态，这时编译码器其它功能都不起作用，我们在设计时，可以实现对编译码器的降功耗控制，这时，用户摘机，编译码器工作，用户挂机，编译码器低功耗。五、 输入、输出点参考说明1、 输入点说明mclk：芯片工作主时钟，频率为2.048m。sin in-a：模拟信号输入点。bsx：pcm编码所需时钟信号输入点。bsr：pcm解码所需时钟信号输入点。fsxa：pcm编码帧同步信号输入点。fsra：pcm解码帧同步信号输入点。pcmin-a：pcm解调信号输入点。earin1：耳机语音信号输入点。micout1：麦克风语音信号输出点。k1、k2：a律、律切换开关2、 输出点说明pcmaout-a：脉冲编码调制信号输出点。sin out-a：pcm解调信号输出点。六、 实验步骤1、 将信号源模块和模块2固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，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，将信号源模块和模块2的电源开关拨下，观察指示灯是否点亮，红灯为+5v电源指示灯，绿灯为-12v电源指示灯，黄色为+12v电源指示灯。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，再打开电源做实验，不要带电连线）。3、 观测pcm编、译码波形。1）用示波器测量信号源板上“2k同步正弦波”点，调节信号源板上手调电位器w1使输出信号峰-峰值在3v左右。1) 将信号源板上s4设为0111（时钟速率为256k），s5设为0100(时钟速率为2.048m)。2) 实验系统连线关闭系统电源，进行如下连接：源端口目的端口连线说明信号源：2k同步正弦波模块2：sin in-a提供音频信号信号源：clk2模块2：mclk提供w681512工作的主时钟（2.048m）信号源：clk1模块2：bsx提