实验四 脉冲编码调制解调实验.docx

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、实验仪器1、信号源模块 一块2、模块2 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 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4-1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4-1 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4-2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4-2 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4-3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，量化间隔也被确定图4-3 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。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4-4示出了这种压扩特性。图4-4 13折线表4-5列出了13折线时的值与计算值的比较。0101按折线分段时的01段落12345678斜率16168421表 4-5 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4-6所示；段内码与16个量化级之间的关系见表4-7。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4-6 段落码 表4-7 段内码段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000五、实验步骤1、将信号源模块和模块2固定在主机箱上。双踪示波器，设置CH1通道为同步源。2、观测PCM编码波形（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1V左右。（2）将信号源板上S4设CLK1为0111（位定时时钟速率为256K），S5设CLK2为0100(主时钟速率为2.048M)。K1、K2设为A律。（3）关闭系统电源，按下列方式进行连线：源端口目的端口连线说明信号源：2K同步正弦模块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，S5=0100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编码输出结果送入译码电路进行译码（4）打开电源，用示波器观测并记录编码各测试点SIN IN-A、CLK1/BSX、CLK2/MCLK、FS/FSXA图4-1 2KHZ 同步正弦波（SIN IN-A） 图4-2 256KHZ 位同步信号 （CLK1） 图4-3 2.048MHZ 主时钟 （CLK2）（5）观察帧同步信号与编码信号的关系。CH1接FS信号做示波器的触发源，CH2接PCMOUT-A波形。 图4-4 8kHZ帧同步信号和编码信号 CH1是8kHZ帧同步信号，CH2是PCM编码波形分析:每两个帧之间就是一帧，经变换后的PCM译码是在一个时隙被发送出去的，在每一帧的特定位置出现编码信号，有了帧同步信号就可以编码了，根据此PCM编码波形可以读出经13折线编码后的8位码组为10110101。第一位为极性码1，说明该样值的极性为“正”，紧接着三位为段落码：011，最后四位为段内码：0101。3、观测PCM译码波形。CH1接 SIN IN-A信号做示波器的触发源，CH2接SIN OUT-A波形。观察译码信号与原信号的关系。 图4-5 提取的256KHZ位同步信号图4-6 PCM译码波形CH1是原始信号，CH2是译码恢复信号分析：原始信号与译码恢复信号都是同频率的正弦波，只是相位稍微有一点偏差，这可能是由于量化误差造成的。解码是根据量化电平的高低来恢复原始信号进行了模数转换。系统产生的失真可能是由码间干扰产生的，即接收端取样判决时产生误判，还有量化误差对译码波形也会产生影响。7、实验结束关闭电源。实验五 两路PCM时分复用实验一、 实验目的1.掌握时分复用的概念。2.了解时分复用的构成及工作原理。3.了解时分复用的优点与缺点。4.了解时分复用在整个通信系统中的作用。二、 实验内容对两路模拟信号进行PCM编码，然后进行复用，观察复用后的信号。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 号模块 一块4、 20M 双踪示波器 一台5、 连接线 若干6、 耳麦 一副四、 实验原理时分复用（TDM）的主要特点是利用不同时隙来传递各路不同信号，时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理是连续（模拟）的基带信号有可能在被时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。TDM与FDM（频分复用）原理的差别在于：TDM在时域上是各路信号分割开来的；但在频域上是各路信号混叠在一起的。FDM在频域上是各路信号分割开来的；但在时域上是混叠在一起的。此图为两个信号的时分复用1、 时分复用原理我国使用的PCM系统，规定采用PCM30/32路的帧结构，如图20-2所示。图5-1 PCM基群帧结构在本实验中通过FPGA产生的帧同步信号FS1和FS_SEL来使两个W681512其编码产生的数据分别在3时隙和可选时隙。其中FS_SEL是由拨码开关来选择27个时隙，十位由一个两位的拨码开关选择，个位由一个四位的拨码开关选择。图5-3 时分复用原理框图五、实验步骤1、将信号源模块和模块2、8固定在主机箱上。双踪示波器，设置CH1通道为同步源。2、将信号源模块上S4拨为“0100”，S5也拨为“0100”。3、在电源关闭的状态下，按照下表完成实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：CLK2（2048K）模块8：CLK；S5拨为“0100”，时钟输入信号源：CLK1（2048K）模块2：MCLK；BSXS4拨为“0100”，时钟输入信号源：同步正弦波（2K）模块2：SIN IN-A；SIN IN-BPCM编码输入信号模块8：FS3模块2：FSXAA路PCM编码帧同步输入8k模块8：FS_SEL模块2：FSXBB路PCM编码帧同步输入8k（时序可改变）模块2：PCMOUT-A模块8：PCMAINA路PCM编码输出复用输入模块2：PCMOUT-B模块8：PCMBINB路PCM编码输出复用输入4、打开电源，观察时钟、2K同步信源和A路固定时隙的PCM编码信号（为了便于比较时隙位置，A路帧同步信号FS3不可改变）。 图5-1 2.048MHZ系统主时钟图5-2 2KHZ同步信源CH1是A路2.048M主时钟CH1是A路2KHZ同步信源CH2是B路2.048M主时钟 CH2是B路2KHZ同步信源 图5-3 TS3时隙的PCM编码信号CH1是A路帧同步信号，CH2是A路PCM编码信号分析：帧同步信号就是定时分量，给了一个判断依据。根据13折线的编码规则编码，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。5、观察B路随时隙变化的编码信号，按指导书38页表的内容设置B路可变帧同步脉冲FS_SEL，将模块8上的拨码开关S1，S2分别设置为S1S2=00 0100（TS4）、S1S2=01 0000（TS10）、S1S2=10 0000（TS20）。十位S1个位S2所选时隙0000000011TS30001001001TS490010101111TS30100001001TS10190110101111TS31000001001TS20291010101111TS31100000001TS30311100101111TS3 图5-4 TS4时隙的B路PCM编码信号 图5-5 TS10时隙的B路PCM编码信号 CH1是0时隙帧同步信号， CH1是0时隙帧同步信号，CH2是TS4时隙的PCM编码信号 CH2是TS10时隙的PCM编码信号 CH1是0时隙帧同步信号，图5-6 TS20时隙的B路PCM编码信号 CH2是TS20时隙的PCM编码信号分析：图5-4，图5-5，图5-6是相同帧中不同时隙之间的PCM编码信号的波形，它们的波形不一样，这样就可以根据帧同步信号和波形判断出不同时隙，这样在接收端才能恢复原始信号，才能准确译码。6、观察编码信号的复用，S1，S2可按指导书列表自己选择设置，CH1接FS0（帧同步码所在0时隙的帧同步信号），CH2接FJOUT（复接信号输出）。图5-7 PCM的时分复用CH1是FS0帧同步信号，CH2是复接PCM编码信号分析：时分复用利用不同时隙来传递各路不同信号，时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理是连续（模拟）的基带信号有可能在被时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以