《通信原理》实验报告-脉冲编码调制解调试验

通信原理实验报告 实验 四 ： 脉冲编码调制解调试验 系 别： 信息科学与工程学院 专业班级： 通信1003 学生姓名： 学 号： 同组学生： 成 绩： 指导教师： 惠龙飞 （实验时间：20 12 年 12 月 14 日20 12 年12 月14 日）华中科技大学武昌分校一、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、 60M双踪示波器 一台4、 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。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。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。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。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。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。五、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。双踪示波器，设置CH1通道为同步源。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1V左右。2) 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)。3) 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提供位同步信号(256K)，S4=0111信号源：FS模块2：FSXA提供帧同步信号8Khz，S4=0111模块2：FSXA模块2：FSRA作自环实验，直接将接收帧同步和发送帧同步相连模块2：BSX模块2：BSR作自环实验，直接将接收位同步和发送位同步相连模块2：PCMOUT-A模块2：PCMIN-A将PCM编码输出结果送入PCM译码电路进行译码* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源4） 用示波器观测各测试点以及PCM编码输出点“PCMOUT-A”和解调信号输出点“SIN OUT-A”输出的波形。通过实验观察到的波形如下图所示 图4-1 2K同步正弦波 图4-2 256K位同步信号 图4-3 2.048M主时钟 5）观察帧同步信号与编码的关系。CH1接FS信号做示波器的触发源，CH2接 PCMOUT-A波形。观察到的波形如下图所示： 图4-4 8KHZ帧同步信号 其中CH1是8KHZ帧同步信号，CH2是PCM编码信号分析：1、通过波形图看出，编码信号在帧同步信号之后，由定义知。每两个位同步信号之间就是一帧，单路编译器在一个PCM帧 即32个时隙里，只在一个特定的时隙发送编码信号，而每一个时隙数据一有8位，这八位即为编码信号，每一位即是1比特，1比特的时间与系统的时钟有关。在这次试验中，1比特为0.488微秒，约等于0.5微秒，编八位码所用的时间t=8*0.5=4（微秒） 所以 2K的同步正弦波用8K帧同步信号传送编码，则用4帧就可以传完。2、 编码使从下降沿开始，编成八位码，最高位为极性码，在编码信号的波形中，看到编码的最后一位不是完整的矩形波，在实际中采用的是编码位数为七位半，还有半个位是用来信号的抖动容差。把量化后得到的取样值的量化电平值转换成二进制码组的过程称为编码。实验中的编码主要采用的是用8位二进制码表示13折线量化电平的13折线编码规则，即通过是逐次比较，它按照极性码、段落码、断内码的顺序排列。用8位码表示输入信号的抽样量化值，则第一位表示量化值，其余七位表示它的绝对大小。3、 时隙主要是传播信号，在观察波形的时候，发现即使没有输入，也有信号输出。主要是自同步，提取信息。4、 观察PCM译码波形。CH1接SININ-A信号做示波器的触发源，CH2接SINOUT-A波形。观察译码波形与原信号的关系。通过示波器观察到的波形如下图所示： 图4-5 提取的256K位同步信号 图4-6 PCM译码波形 其中CH1是原始信号，CH2是译码恢复信号。分析：1、由图可知，原始信号与解调信号波形一致，幅值相同，但是有相位差，这是因为内部电路中存在电容等器件，直流电流加到电容上电压有滞后，所以会有相位差。接收端将收到的二进制码组在转化为量化电平值的过程称为译码，译码是编码的逆过程， 译码电路也只是在一个特定的时隙里才从外部接收PCM编码信号，然后按照编码规则进行译码，2、由图知，PCM编码系统产生失真的原因：当抽样频率小于样值信号最高频率的两倍时会产生频谱混叠即引起失真。由噪声引起的量化以及信道传输误码6、 实验总结 通过这次试验，掌握了脉冲编码调制中的取样、量化、编码三个步骤，使我对PCM编码不仅有理论上的认识，还有实践上的认识，熟悉了PCM编码和译码，熟悉PMC编译码专用集成芯片的功能和使用方法，同时也学习PCM变译码器的 硬件实现电路，掌握它的调整测试方法。 试验五 两路PCM时分复用试验1、观察时钟、2K同步信源和A路固定时隙的PCM编码信号 图5-1 2.048M系统主时钟 其中CH1是A路2.048M主时钟，CH2是B路2.048M主时钟 图5-2 2K同步源 其中CH1是A路2K同步源，CH2是B路2K同步源。 图5-3 A路TS3时隙的PCM编码信号 其中CH1是A路帧同步信