通信原理实验指导书(工程).doc

通信原理实验指导书通信原理实验指导书徐艺文 编2008年3月目 录目 录II实验注意事项III实验一 信号源实验1实验二 常规双边带调幅与解调实验4实验三 脉冲幅度调制与解调实验9实验四 脉冲编码调制与解调实验13实验五 增量调制与解调实验18实验六 自适应差分脉冲编码调制与解调实验22实验七 码型变换实验26实验八 ASK调制与解调实验31实验九 FSK调制与解调实验35实验十 PSK(DPSK)调制与解调实验38实验注意事项1、 本实验系统接通电源前请确保电源插座接地良好。2、 各实验模块上的双刀双掷开关、轻触开关、微动开关、拨码开关、手旋电位器均为磨损件，请不要频繁按动或旋转。3、 请勿直接用手触摸芯片、电解电容等元件，以免造成损坏。4、 各模块中的3362电位器（蓝色正方形元件）是出厂前调试使用的。出厂后的各实验模块功能已调至最佳状态，勿需另行调节这些电位器，否则将会对实验结果造成严重影响。若已调动请尽快复原；若无法复原，请与指导老师联系。5、 在关闭各模块电源之后，方可进行连线。连线时在保证接触良好的前提下应尽量轻插轻拔，检查无误后方可通电实验。拆线时若遇到连线与孔连接过紧的情况，应用手捏住连线插头的塑料线端，左右摇晃，直至连线与孔松脱，切勿用蛮力强行拔出。6、 并口下载线和串口线应轻插、轻拔，以免折断插针。7、 按动开关或转动电位器时，切勿用力过猛，以免造成元件损坏。8、 实验数据记录完毕后，应将实验数据交给指导老师确认并签字后方可离开实验室，上交实验报告时应将该经指导老师签字后的实验记录一起上交，否则本次实验成绩以零分计算。9、 实验报告应包含实验小结。41实验一 信号源实验一、实验目的1、了解频率连续变化的各种波形的产生方法。2、熟练掌握信号源模块的使用方法，为后续实验打好基础。3、熟练掌握数字示波器的使用方法。二、实验内容1、观察频率连续可变信号发生器输出的各种波形及7段数码管的显示。2、观察点频方波、正弦波信号的输出。3、拨动拨码开关，观察码型可变NRZ码的输出。4、观察位同步信号和帧同步信号的输出。三、实验仪器1、信号源模块2、数字示波器 一台3、连接线 若干四、实验原理信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分，分别产生模拟信号和数字信号。1、模拟信号源部分模拟信号源部分可以输出频率和幅度任意改变的正弦波（频率变化范围100Hz10KHz）、三角波（频率变化范围100Hz1KHz）、方波（频率变化范围100Hz10KHz）、锯齿波（频率变化范围100Hz1KHz）以及32KHz、64KHz的点频正弦波（幅度可以调节），各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。该部分电路原理框图如图1-1所示。图1-1 模拟信号源部分原理框图在实验前，我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U04,并存放在固定的地址中。当单片机U03检测到波形选择开关和频率调节开关送入的信息后，一方面通过预置分频器调整U01中分频器的分频比(分频后的信号频率由数码管SM01SM04显示)；另一方面根据分频器输出的频率和所选波形的种类，通过地址选择器选中数据存储器U04中对应地址的区间，输出相应的数字信号。该数字信号经过D/A转换器U05和开关电容滤波器U06后得到所需模拟信号。2、数字信号源部分数字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码（可通过拨码开关SW01、SW02、SW03改变码型）以及位同步信号和帧同步信号。绝大部分电路功能由U01来完成，通过拨码开关SW04、SW05可改变整个数字信号源位同步信号和帧同步信号的速率，该部分电路原理框图如图1-2所示。图1-2 数字信号源部分原理框图晶振出来的方波信号经3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器分频，前一分频器分频后可得到1024KHz、256KHz、64KHz、32KHz、8KHz的方波。可预置分频器的分频值可通过拨码开关SW04、SW05来改变，分频比范围是19999。分频后的信号即为整个系统的位同步信号（从信号输出点“BS”输出）。数字信号源部分还包括一个NRZ码产生电路，通过该电路可产生以24位为一帧的周期性NRZ码序列，该序列的码型可通过拨码开关SW01、SW02、SW03来改变。在后继的码型变换、时分复用、CDMA等实验中，NRZ码将起到十分重要的作用。五、实验步骤1、将信号源模块小心地固定在主机箱中，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，再按下开关POWER1、POWER2，发光二极管LED01、LED02发光，按一下复位键，信号源模块开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、模拟信号源部分观察“32K正弦波”和“64K正弦波”输出的正弦波波形，调节对应的电位器的“幅度调节”可分别改变各正弦波的幅度。记录波形、T、f、VP-P 。按下“复位”按键使U03复位，波形指示灯“正弦波”亮，波形指示灯“三角波”、“锯齿波”、“方波”以及发光二极管LED07灭，数码管SM01SM04显示“2000”。按一下“波形选择”按键，波形指示灯“三角波”亮（其它仍熄灭），此时信号输出点“模拟输出”的输出波形为三角波。逐次按下“波形选择”按键，四个波形指示灯轮流发亮，此时“模拟输出”点轮流输出正弦波、三角波、锯齿波和方波。将波形选择为正弦波时（对应发光二极管亮），转动“频率调节”的旋转编码器，可改变输出信号的频率，观察“模拟输出”点的波形，并用频率计查看其频率与数码管显示的是否一致。转动对应电位器“幅度调节”可改变输出信号的幅度，幅度最大可达5V以上。（注意:发光二极管LED07熄灭，转动旋转编码器时，频率以1Hz为单位变化；按一下旋转编码器，LED07亮，此时旋转旋转编码器，频率以50Hz为单位变化；再按一下旋转编码器，LED07熄灭，频率再次以1Hz为单位变化）。按以上方法操作，使“模拟输出”输出f=600Hz,VP-P=5V的正弦波，记录该点波形及周期，并记下此时数码管的显示值。将波形分别选择为三角波、锯齿波、方波，重复第步电位器W02用来调节开关电容滤波器U06的控制电压，电位器W01用来调节D/A转换器U05的参考电压，这两个电位器在出厂时已经调好，切勿自行调节。4、数字信号源部分拨码开关SW04、SW05的作用是改变分频器的分频比（以4位为一个单元，对应十进制数的1位，以BCD码分别表示分频比的千位、百位、十位和个位），得到不同频率的位同步信号。分频前的基频信号为2MHz，分频比变化范围是19999，所以位同步信号频率范围是200Hz2MHz。例如，若想信号输出点“BS”输出的信号频率为15.625KHz，则需将基频信号进行128分频，将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，就可以得到15.625KHz的方波信号。拨码开关SW01、SW02、SW03的作用是改变NRZ码的码型。1位拨码开关就对应着NRZ码中的一个码元，当该位开关往上拨时，对应的码元为1，往下拨时，对应的码元为0。将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，SW01、SW02、SW03设置为01110010 00110011 10101010，观察BS、2BS、FS、NRZ波形。说明此时BS是多少分频的信号，同时观察并记录BS、2BS、FS、NRZ波形及其T、f、VP-P 。观察1024K、256K、64K、32K、8K各点波形观察1024K、256K、64K、32K、8K各点波形并记录其中一个的波形及其T、f、VP-P 。（由于时钟信号为晶振输出的24MHz方波，所以整数倍分频后只能得到的1000K、250K、62.5K、31.25K、7.8125K信号，电路板上的标识为近似值，这一点请注意）。六、实验报告要求1、整理实验测试记录并分析实验现象。2、总结实验心得，写实验小结。实验二 常规双边带调幅与解调实验一、实验目的1、掌握常规双边带调幅与解调的原理及实现方法。2、掌握二极管包络检波原理。3、掌握调幅信号的频谱特性。4、了解常规双边带调幅与解调的优缺点。5、了解抑制载波双边带调幅和解调的优缺点。二、实验内容1、观察常规双边带调幅的波形。2、观察常规双边带调幅波形的频谱。3、观察抑制载波双边带调幅波形。4、观察常规双边带解调的波形。三、实验仪器1、信号源模块2、PAM&AM模块3、数字示波器 一台4、连接线 若干四、实验原理（A）常规双边带调幅与解调1、常规双边带调幅所谓调制，就是在传送信号的一方（发送端）将所要传送的原始信号（其频率一般是较低的）“附加”在高频振荡信号上。所谓将原始信号“附加”在高频振荡上，就是利用原始信号来控制高频振荡的某一参数，使这个参数随原始信号的变化而变化。这里，高频振荡波就是携带原始信号的“运载工具”，所以也叫载波。而原始信号我们一般称之为调制信号。在接收信号的一方也就是接收端再经过解调（反调制）把载波所携带的信号取出来，得到原有的信息，解调过程也叫检波。调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。通常调制的载波可以分为两类：用连续振荡波形（正弦型信号）作为载波；用脉冲串或一组数字信号作为载波。连续波调制是用调制信号来控制正弦型载波的振幅、频率或相位，因而分为调幅、调频和调相三种方式；脉冲波调制是先用信号来控制脉冲波的振幅、宽度、位置等，然后再用这已调脉冲对载波进行调制，脉冲调制有脉冲振幅、脉宽、脉位、脉冲编码调制等多种形式。本实验模块所要进行的实验是连续波的振幅调制与解调，即常规双边带调幅与解调和抑制载波双边带调幅与解调。我们已经知道，调幅波的特点是载波的振幅受调制信号的控制作周期性的变化，这变化的周期与调制信号的周期相同，振幅变化与调制信号的振幅成正比。为简化分析，假定调制信号是简谐振荡，即为单频信号，其表达式为： 如果用它来对载波（）进行调幅，那么，在理想情况下，常规调幅信号为： （21）其中调幅指数为比例系数。图2-1给出了，和的波形图。从图中并结合式（21）可以看出，常规调幅信号的振幅由直流分量和交流分量迭加而成，其中交流分量与调制信号成正比，或者说，常规调幅信号的包络（信号振幅各峰值点的连线）完全反映了调制信号的变化。另外还可得到调幅指数Ma的表达式：000包络图2-1 常规调幅波形显然，当Ma1时，常规调幅波的包络变化与调制信号不再相同，产生了失真，称为过调制，如图2-2所示。所以，常规调幅要求Ma必须不大于1。0图2-2 过调制波形式（21）又可以写成 （22）可见，的频谱包括了三个频率分量：（载波）、（上边频）和（下边频）。原调制信号的频带宽度是（或），而常规调幅信号的频带宽度是2（或2F），是原调制信号的两倍。常规调幅将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁，如图2-3所示。000被传送的调制信息只存在于边频中而不在载频中，携带信息的边频分量最多只占总功率的三分之一（因为Ma1）。在实际系统中，平均调幅指数很小，所以边频功率占的比例更小，功率利用率更低。为了提高功率利用率，可以只发送两个边频分量而不发送载频分量，或者进一步仅发送其中一个边频分量，同样可以将调制信息包含在已调制信号中。这两种调制方式分别称为抑制载波的双边带调幅（简称双边带调幅）和抑制载波的单边带调幅（简称单边带调幅）。图2-3 常规调幅波的频谱2、双边带调幅实验电路双边带调幅信号产生的具体电路原理图如图2-4所示。图2-4 双边带调幅信号产生电路原理图图中MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。通常振幅调制、同步检波、鉴频、混频、倍频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程，所以都可以采用集成模拟乘法器实现上述功能。而且采用模拟乘法器比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，性能也要更优越。所以目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。本实验就是采用MC1496作为振幅调制器。高频载波信号从“载波输入”点输入，经高频耦合电容C08输入至U02（MC1496）的10脚。低频基带信号从“音频输入”点输入，经低频耦合电容E05输入至U02的1脚。C08为高频旁路电容，E06为低频旁路电容。调幅信号从MC1496的12脚输出。引脚2与3外接反馈电阻R19，用来扩展调制信号的电压的线性动态范围，R19增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减少。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时）。图中MC1496芯片引脚1和引脚4接两个100和两个750电阻及47K电位器用来调节输入馈通电压，调节P01，可以引入一个直流补偿电压，由于调制电压与直流补偿电压相串联，相当于给调制信号叠加了某一直流电压后与载波电压相乘，从而完成普通调幅。实际上，从此12脚输出的调幅信号接有一个U04组成的射随电路，来增加电路的带负载能力。输出后的调幅信号还要经过滤波，这样才能保证调幅信号的质量。双边带调幅的滤波电路如图2-5所示。图2-5 双边带调幅信号的滤波3、常规双边带解调在解调电路中，采用二极管包络检波对调幅信号进行解调。包络检波是利用常规双边带调幅信号在时域内包络变化能反映调制信号变化规律这一特点形成的检波。调幅信号还可以采用相干解调的方法进行解调。但是包络检波电路比较简单，所以在工程中常常用到。包络检波器可以由一个整流器也就是检波器和一个低通滤波器组成。因为二极管D02的作用是实现高频包络检波，所以要求二极管的正向导通压降越小越好，在这里采用的是锗型二极管1N60，其正向导通电压UF0.3V，可以很好的满足要求。R28为负载电阻，C14为负载电容，它的值应该选取在高频时，其阻抗远小于R，可视为短路；而在调制频率（低频）时，其阻抗则远大于R，可视为开路。利用二极管的单向导电性和检波负载RC的充放电过程，就可以还原出与调幅信号包络基本一致的信号。具体电路如图2-6所示。图2-6 二极管包络检波解调电路（B）抑制载波双边带调幅调幅信号中的大部分功率被载波占用，而载波本身并不含有基带信号的信息。所以，可以不传输此载波。这样就得到我们接下来要讨论的抑制载波双边带调制。如果输入的原始信号没有直流分量，则得到的输出信号便是无载波分量的抑制载波双边带调制信号。这样可以节省发送载波的功率，也可以提高信号的传输速率。实现的方法与常规双边带调幅方法相同，也是采用模拟乘法器实现的。如果需要产生抑制载波双边带调幅波，则仔细调节引脚1与引脚4之间的P01，使MC1496输入端电路平衡，输出信号 的幅度逐渐增大，最后出现如图27所示的抑制载波的调幅信号。 图2-7 乘法器输出的调幅波五、实验步骤1、将信号源模块、PAM&AM模块、频谱分析模块小心地固定在主机箱中，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，再分别按下三个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，三个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、使信号源模块的信号输出点“模拟输出”输出频率为3.125KHz、峰-峰值为0.5V左右的正弦波, 旋转“64K幅度调节”电位器使“64K正弦波”处信号的峰-峰值为1V。4、用连接线连接信号源模块的信号输出点“模拟输出”和PAM&AM模块的信号输入点“AM音频输入”，以及信号源模块的信号输出点“64K正弦波”和PAM&AM模块的信号输入点“AM载波输入”，调节PAM&AM模块的电位器“调制深度调节”，同时用示波器观察测试点“调幅输出”处的波形，可以观察到常规双边带调幅波形和抑制载波的双边带调幅波形。5、观察“AM载波输入”、“AM音频输入”、“调幅输出”、“滤波输出”、“解调幅输出”各点处输出的波形。6、改变“AM音频输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。7、改变“AM载波输入”的频率及幅度，重复观察各点波形。六、实验报告要求1、根据实验测试记录，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。2、总结实验心得，写实验小结。实验三 脉冲幅度调制与解调实验一、实验目的1、掌握抽样定理的概念。2、理解脉冲幅度调制的原理和特点。3、了解脉冲幅度调制波形的频谱特性。4、了解脉冲幅度调制与解调电路的实现。二、实验内容1、观察音频信号、抽样脉冲及PAM调制信号的波形，并注意它们之间的相互关系。2、改变抽样时钟的占空比，观察PAM调制信号及其解调信号波形的变化情况。3、观察脉冲幅度调制波形的频谱。三、实验仪器1、信号源模块2、PAM&AM模块3、数字示波器 一台4、连接线 若干四、实验原理（A）抽样定理1、低通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。图3-2画出当抽样频率2B时（不混叠）及当抽样频率2B时（混叠）两种情况下冲激抽样信号的频谱。00(a) 连续信号的频谱100 （b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠）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、带通抽样定理实际中遇到的许多信号是带通信号。例如超群载波电话信号，其频率在312KHz至552KHz之间。若带通信号的上截止为频率,下截止频率为,此时并不一定需要抽样频率高于两倍上截止频率。带通抽样定理说明，此时抽样频率应满足：其中，N为不超过的最大正整数。由此可知，必有。由上式画出曲线。由图可知，带通信号的抽样频率在2B至4B间变动。（B）脉冲振幅调制与解调1、脉冲振幅调制实验所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带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，则上述所介绍的抽样定理，就是脉冲幅度调制的原理。但是，实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，通常采用窄脉冲串来代替。本实验采用图3-3所示的原理方框图。具体的电路原理图如图3-4所示。图3-3 脉冲幅度调制原理框图图3-4 脉冲幅度调制电路原理图图中，从PAM音频输入端口输入2KHz左右的正弦波信号，通过隔直电容去掉模拟信号中的直流分量，然后通过电压跟随器电路（U01）提高其带负载的能力，然后信号被送入模拟开关（U02）。由于实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，这里采用方波脉冲信号代替。具体实现方法是通过改变信号源“24位NRZ码型设置”及“BCD码分频值设置”，使得“NRZ”端输出不同占空比的近似8KHz的方波信号。该方波信号从PAM时钟输入端口输入，当方波为高电平时，模拟开关导通，正弦波通过并从调制端口输出；当方波为低电平时，模拟开关截止，输出零电平。2、脉冲振幅解调若要还原出原始的音频信号，则将该PAM信号通过截止频率略大于2KHz的二阶低通滤波器，滤除掉其中的高频成分即可。解调电路如图3-5所示。图3-5 脉冲幅度调制信号解调电路原理图五、实验步骤1、将信号源模块、PAM&AM模块小心地固定在主机箱中，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，再分别按下两个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、不同占空比8KHz方波脉冲分别对2KHz正弦信号抽样实验将信号源模块产生的正弦波（峰-峰值在2V左右，从信号输出点“模拟输出”输出）送入PAM&AM模块的信号输入点“PAM音频输入”，将信号源模块产生的8KHz方波（从信号输出点“NRZ”输出）送入PAM&AM模块的信号输入点“PAM时钟输入”。选择不同拨码设置的NRZ码后，观察“调制输出”测试点PAM抽样信号的波形，并注意它与正弦信号及抽样脉冲三者之间的关系。连接PAM&AM模块的信号输出点“调制输出”和信号输入点“解调输入”，观察“解调输出”测试点还原的正弦信号波形，与“PAM音频输入”点波形进行对比。记录以下两种情况下，“PAM音频输入”、“PAM时钟输入”、“调制输出”、“解调输出”的波形及频率。 占空比为1/3的抽样脉冲信号PAM实验正弦信号选择2000Hz，“24位NRZ码型设置”为10010010 01001001 00100100，“BCD码分频值设置”为00000000 10000100（84分频）。 占空比为1/6的抽样脉冲信号PAM实验正弦信号选择2000Hz，“24位NRZ码型设置”为10000010 00001000 00100000，“BCD码分频值设置”为0000000 01000010（42分频）。4、调节“频率调节”旋钮，使“模拟输出”输出6kHz的正弦波，重复第3步。5、将“PAM音频输入”和“调制输出”测试点输出的波形分别送入频谱分析模块，观察其频谱并比较之。（可选）六、实验报告要求1、根据实验测试记录，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。2、总结实验心得，写实验小结。实验四 脉冲编码调制与解调实验一、实验目的 1、掌握脉冲编码调制与解调的基本原理。2、定量分析并掌握模拟信号按照13折线A律特性编成八位码的方法。3、通过了解大规模集成电路TP3067的功能与使用方法，进一步掌握PCM通信系统的工作流程。二、实验内容1、观察脉冲编码调制与解调的整个变换过程，分析PCM调制信号与基带模拟信号之间的关系，掌握其基本原理。2、定量分析不同幅度的基带模拟正弦信号按照13折线A律特性编成的八位码，并掌握该编码方法。三、实验仪器1、信号源模块2、模拟信号数字化模块3、数字示波器 一台4、连接线 若干四、实验原理1、PCM工作原理发送端接收端模拟信源抽样器预滤波器模拟终端波形编码器量化、编码数字信道波形解码器重建滤波器抽样保持、低通所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码。脉码系统原理框图如图4-1所示。 图4-1 PCM 系统原理框图上图中，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。解调过程中，一般采用抽样保持电路。同时，在对模拟信号抽样之前一般要进行预滤波，预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300Hz3400Hz内，所以预滤波会引入一定的频带失真。在整个PCM通信系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码。我们定义信号与量化噪声的功率比为信噪比S/N。国际电报电话咨询委员会（ITU-T）详细规定了信噪比的指标。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。（1）量化0 量化误差 信号实际值信号量化值模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化两种，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就称为均匀量化。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4-2所示。图4-2 均匀量化过程示意图其量化间隔（量化台阶）取决于输入信号的变化范围和量化电平数。一旦输入信号的变化范围和量化电平数被确定后，量化间隔也随之被确定。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，那么，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的方法。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。非均匀量化与均匀量化相比，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（实际中往往是这样）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信噪比。非均匀量化的实际过程通常是将抽样值压缩后再进行均匀量化。现在广泛采用两种对数压缩，美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律。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，它基本保持连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路来实现。本实验模块用到的PCM编码芯片TP3067正是采用这种压扩特性来进行编码的，如图4-3所示。图4-3 13折线表4-1列出了13折线时的值与计算得的值的比较。表 4-10101按折线分段的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代码，其相反的过程称为译码。注意这里谈论的编码和译码与差错控制的编码和译码是完全不同的，前者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，大致可分为低速编码和高速编码两类。实际通信一般都采用高速编码。编码器的种类大体上也可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型和混合型。本实验模块中PCM编码芯片TP3067采用的是逐次比较型编码。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。表4-2 段落码 表4-3 段内码段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000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，即用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，使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4-2所示，段内码与16个量化级之间的关系见表4-3。上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。2、PCM编译码电路TP3067芯片介绍本实验模块采用大规模集成电路TP3067对语音模拟信号进行PCM编解码。TP3067在一个芯片内部集成了编码电路和译码电路，是一个单路编译码器。其编码速率为2.048MHz，每一帧8位数据，采用8KHz帧同步信号。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（此时隙应与发送码数据的时隙相同，否则接收不到PCM编码信号）里才从外部接收PCM编码信号，然后再译码输出。五、实验步骤1、将信号源模块、模拟信号数字化模块小心地固定在主机箱中，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，再分别按下二个模块中的相应开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，三个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、对任意频率、幅度的模拟正弦信号脉冲编码调制与解调实验（1）将信号源模块中BCD码分频值（拨码开关SW04、SW05）设置为0000000 0000001，模拟信号数字化模块中拨码开关S1设置为0000，“编码幅度”电位器（标号为P02）逆时针旋转到顶。（2）信号源模块产生一频率为2KHz，峰-峰值约为2V的正弦模拟信号，由“模拟输出”端送入到模拟信号数字化模块的“S-IN”端，再分别连接信号源模块的信号输出端“64K”、“8K”、“BS”与模拟信号数字化模块的信号输入端“CLKB-IN”、“FRAMEB-IN”、“2048K-IN”。开电，观察“PCMB-OUT”端PCM编码（因为是对随机信号进行编码，所以建议使用数字存储示波器观察）。记录“CLKB-IN”、“FRAMEB-IN”、“2048K-IN”的波形及频率。（3）断电，分别连接模拟信号数字化模块上编译码时钟信号“CLKB-IN”和“CLK2-IN”，帧同步信号“FRAMEB-IN”和“FRAME2-IN”，PCM编译码信号输出点“PCMB-OUT”和信号输入点“PCM2-IN”。开电，观察并比较基带模拟信号“S-IN”和解调信号“JPCM”。记录“S-IN”和“JPCM”的波形、频率及VP-P 。（4）改变正弦模拟信号的幅度及频率，观察PCM编码信号和解调信号随之的波形变化情况，同时注意观察满载和过载时的脉冲幅度和解调信号波形，超过音频信号频带范围时的解调信号波形。 4、用模拟示波器定量观察PCM八位编码实验 （1）断电，拆除所有信号连线，将拨码开关S1设置为1111。（2）开电，观察2KHz基带信号“S-IN2”、8KHz帧同步信号“FRAMEB-IN”、64KHz编码时钟信号“CLKB-IN”与PCM编码信号“PCMB-OUT”的波形。调节“编码幅度”电位器，分析PCM八位编码中极性码、段落码与段内码随基带信号幅值大小的变化而变化的情况。（3）断电，分别连接信号点“CLKB-IN”和“CLK2-IN”，“FRAMEB-IN”和“FRAME2-IN”，“PCMB-OUT”和“PCM2-IN”。开电，观察并比较基带模拟信号“S-IN2”和解调信号“JPCM”。注意：实验完成后务必将拨码开关S1重新设置为0000。六、实验报告要求1、根据实验测试记录，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。2、总结实验心得，写实验小结。实验五 增量调制与解调实验一、实验目的1、掌握增量调制与解调的基本工作原理。2、定量分析并掌握CVSD编码的方法。3、观察对模拟基带信号进行增量调制与解调的整个过程。二、实验内容1、通过对确定的NRZ码进行增量调制，掌握CVSD编码的方法，理解其工作原理。2、观察对模拟基带信号进行增量调制与解调的整个过程。三、实验仪器1、信号源模块2、模拟信号数字化模块3、数字示波器 一台4、连接线 若干四、实验原理1、增量调制的工作原理增量调制简称为，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化方法。增量调制编码基本原理是只用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还是减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的绝对值。在语音通信中应用较为广泛的是音节压扩自适应增量调制，它是在数字码流中提取脉冲控制电压，经过音节平滑，按音节速率（也就是语音音量的平均周期）去控制量化阶距的。在各种音节压扩自适应增量调制中，连续可变斜率增量调制（CVSD，Continuously Variable Slope Delta Modulation）系统用得较多。图5-1为CVSD编码器、解码器的方框图。它由三个部分组成： 斜率过载检测电路：用来检测过载状态，它是由一个3比特或4比特移位寄存器构成的连码检测电路，也称为电平检测电路。 斜率量值控制电路：用来转换量化阶距的大小。 斜率极性控制电路： 用来转化量化阶距的极性，当时，输出为正极性，当，输出为负极性，主要由74HC4052芯片（为高速CMOS逻辑的模拟多路复用器/多路输出选择器）组成电路。话音信号发送数字信号音节压扩控制电路（压缩）斜率极性控制电路斜率量值控制电路斜率过载检测电路时钟本地译码器判决器相减器（a）发送端的编码器音节压扩控制电路（扩张）量化电路斜率极性控制电路译码器低通滤波器斜率过载检测电路斜率量值控制电路时钟语音信号（b）接收端的解码器图5-1 CVSD编码器、解码器方框图整个编码的工作过程是这样的：在输入端，话音信号与话音信号进行比较，将其比较的结果值进行判决，若，则输出“1”码，若 ，则输出为“0”码，这同简单增量调制器编码方式是相同的。当输入话音信号中，连续出现上升沿或连续出现下降沿，或者说输入信号中正斜率增大或负斜率增大，在编码器的输出端中将出现连续的“1”码或“0”码，这样，如果不增加自适应控制电路，则将会出现无法跟踪信号，而出现过载现象，如下图5-2所示。幅度跟踪信号话音信号图5-2 无法跟踪信号的变化而造成过载现象若电路中增加自适应控制电路，则当中出现连续“1”码或“0”码时，斜率过载检测电路则立即工作。本实验采用4位连码检测，当 出现连续的四个“1”码或四个“0”码时，斜率过载检测器从的返回信号中即输出码流中按四连“1”或四连“0”检测，其检测结果输入到斜率量值控制电路。当出现“1”码或“0”码增多时，通过调节编码量阶电位器，改变对的充放电时间，使得直流控制电压随之改变，电压电流转换器把音节平滑滤波器输出的控制电压转换为控制电流。这样，非线性网络使控制电流的变化规律能更好地跟随输入信号斜率的变化，提高自适应能力，扩大其动态范围。也就是说，CVSD的量阶变化，主要是由连码检测规则决定的，因发送端的编码器是反馈方式工作，即量阶是从输出码流中检测的，因此，随输入信号正斜率增加，码流中连“1”码就增多；如果负斜率增加，则连“0”码增多，对CVSD而言，只要把包络音节时间内连“1”码或连“0”码的次数逐一检测出来，经过音节平滑，形成控制电压，就能得到不同输入信号斜率量阶值，以致于再生信号能始终跟踪话音信号的变化，量阶值随输入信号斜率变化而做自适应和调整。这正是连续可变斜率调制（CVSD）的工作原理，如下图5-3所示。图5-3 CVSD编码器正常编码时的波形2、实验调制电路工作原理基带信号由“S-IN”端输入，与“本地译码”信号相减得到误差信号“比较输出”，根据该信号的极性编成数字信码，从“M-OUT”输出；该信码经过三级或四级移位寄存器（D触发器）构成的连码检测电路，检测过去的4位信码中是否出现连续的“1”或连续的“0”。当移位寄存器各级输出为全“1”码或全“0”码时，表明积分运算放大器增益过小，检测逻辑电路从“一致脉冲”端输出连码检测结果。该结果经过非线性网络，通过对基本量阶及自适应量阶的大小调整，即调节电位器P02、P01，得到合适的量阶控制电压，以此控制积分量阶的大小，从而改变环路增益，展宽动态范围。量阶控制电压先后经电压/电流变换运算放大器及量阶极性控制开关（极性开关由信码控制）得到“一次积分”信号，再送到积分运算放大器电路经二次积分得到“本地译码”信号，反馈回输入端与输入基带信号再进行比较，从而完成整个编码过程。在没有基带信号输入时，话路是空闲状态，则编码器应能输出稳定的“1”、“0”交替码。 3、实验解调电路工作原理由发送端送来的编码数字信号送入“M-IN”端，即接收数据输入端。接收数据信码经过4位移位寄存器检测连码后，其后的工作过程与编码时是相同的，只是二次积分后的译码信号没有反馈回去，而是经放大、滤波等处理后从“JM-OUT”端输出，同时电位器P05可对译码幅度进行调节。五、实验步骤1、将信号源模块、模拟信号数字化模块小心地固定在主机箱中，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，再分别按下两个模块中的相应开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）3、对确定的NRZ码CVSD编码实验（1）将信号源BCD码分频值设置为00000000 01100100，24位NRZ码型自设。（实验中采用了4位连码检测，当出现4位连“1”码或连“0”码时“一致脉冲”端即输出高电平，24位NRZ码型的设置上应考虑到实验能够观测有连码出现的情况。）（2）分别连接信号源模块信号输出端“NRZ”、“32K”与模拟信号数字化模块信号输入端“S-IN”、“32K”。开电，观察并结合CVSD编码的原理分析“比较输出”、“M-OUT”、“一致脉冲”、“一次积分”、“本地译码”各点输出的波形。（3）调节 “编码量阶”及“编码量阶”电位器，观察各点码型的变化。 4、对模拟基带信号CVSD调制与解