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实验一 信号源实验一、实验目的1、了解通信系统的一般模型及信源在整个通信系统中的作用。2、掌握信号源模块的使用方法。二、实验内容1、对应液晶屏显示，观测DDS模拟信源输出波形。2、观测各路数字信源输出。3、观测正弦点频信源输出。4、模拟语音信源耳机接听话筒语音信号。三、实验仪器1、信号源模块 一块2、带话筒立体声耳机 一副3、20M双踪示波器 一台四、实验原理1、通信系统的一般模型通信系统的一般模型如下图1-1所示。图1-1 通信系统的一般模型信源的作用是把各种消息转换成原始电信号。根据消息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒的语音信号；数字信源则输出离散的数字信号，如NRZ码信号。信号源模块大致分为DDS模拟信源、数字信源、正弦点频信源和模拟语音信源几部分。2、DDS模拟信源DDS直接数字频率合成模拟信源输出波形种类、频率、幅度及方波B占空比均可通过“DDS信源按键”调节（具体的操作方法见“实验步骤”），并对应液晶屏显示波形信息。正弦波输出频率范围为1Hz200KHz，幅度范围为200mV4V。三角波输出频率范围为1Hz20KHz，幅度范围为200mV4V。锯齿波输出频率范围为1Hz20KHz，幅度范围为200mV4V。方波A输出频率范围为1Hz50KHz，幅度范围为200mV4V，占空比50不变。方波B输出频率范围为1Hz20KHz，幅度范围为200mV4V，占空比以5步进可调。输出波形如下图1-2所示。图1-2 DDS模拟信源信号波形3、数字信源（1）数字时钟信号24.576M：钟振输出时钟信号，频率为24.576MHz。2048K： 类似方波的时钟信号输出点，频率为2048 KHz。64K： 方波时钟信号输出点，频率为64 KHz。32K： 方波时钟信号输出点，频率为32KHz。8K： 方波时钟信号输出点，频率为8KHz。64K、32K、8K波形要求两两对应，在上升边沿对齐，如下图1-3所示。图1-3 数字时钟信号波形（2）伪随机序列PN15： N15位的m序列输出点，码型为1111 0101 1001 000，15位一周期循环。PN31： N31位的m序列输出点，码型为1111 1001 1010 0100 0010 1011 1011 000，31位一周期循环。PN511：N511位的m序列输出点，511位一周期循环。（3）24位NRZ码信源24位NRZ码型由“NRZ码型选择”拨码开关SW01、SW02、SW03任意设置；码速率由“码速率选择”拨码开关SW04、SW05任意设置。拨码开关SW04、SW05的作用是改变分频器的分频比。每4位对应BCD码的1位，来分别表示分频比的千位、百位、十位、个位。用于分频的主频是768KHz，4位BCD码最大表示为“9”，大于“9”的均认为是“9”。例如：SW04、SW05设置为00000001 00101000，表示对768KHz主频128分频，此时测试点“BS”输出位同步频率为6 KHz，“NRZ”码速率为6Kbps。NRZ： 24位NRZ码输出点，码速率数值上等于位同步信号BS的频率，码型可通过拨码开关SW01、SW02、SW03改变，24位一周期循环。BS： 24位NRZ码的位同步信号输出点，方波，频率由“码速率选择”拨码开关确定。2BS： 对应2倍位同步信号频率值的方波输出点。FS： 帧同步信号输出点，窄脉冲，高电平对应24位NRZ码第一位码元的前半位。NRZ、FS、2BS、FS波形要求两两对应，在上升边沿对齐，如下图1-4所示。图1-4 NRZ码信源输出信号波形4、正弦点频信源1K正弦基波：1KHz正弦波输出点，波形关于地对称，Vp-p1V0.3V。2K正弦基波：2KHz正弦波输出点，波形关于地对称，调节“2K调幅”旋转电位器P03，幅度范围：200mV200mV5V1V。192K正弦载波：192KHz正弦波输出点，波形关于地对称，Vp-p3.6V0.4V。384K正弦载波：384KHz正弦波输出点，波形关于地对称，调节“384K调幅”旋转电位器P04，幅度范围：200mV200mV5V1V。5、模拟语音信源话筒语音信号先进入音频放大电路，然后从“TOUT”测试点输出。接收到的语音信号从“RIN”测试点输入，经音频放大电路送入耳机中接听。两个旋转电位器“T音量调节”和“R音量调节”调节两个音频放大电路的放大倍数。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，再按下信号源模块中的电源开关，对应的发光二极管灯亮，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、DDS模拟信源（1）按键“波形选择”，“DDSOUT”测试点输出波形种类在正弦波、三角波、锯齿波、方波A、方波B间循环切换。（2）按键“步进选择”，“DDSOUT”测试点输出波形频率步进值在1KHz、10KHz、 1Hz、50Hz间循环切换。（3）按键“1”或“1”，“DDSOUT” 测试点输出波形频率增加或减少相应的步进值。（4）当输出波形选择“方波B”时，按键“功能切换”，此时液晶屏显示“步进”切换为“占空比”。再按键“1”或“1”，方波B占空比由0开始，每次增加或减少5。再次按键“功能切换”，此时液晶屏显示“占空比”切换回“步进”。（5）按键“复位”，“DDS”测试点输出波形2KHz正弦波，频率步进值为1KHz。说明：按“复位”键后，设置的方波B的占空比信息仍保存；若断电后再开电，方波B的占空比还原为0。（6）“DDSOUT”的波形信息应与液晶屏显示对应。（7）“DDSOUT”测试点输出波形幅度可由“DDS调幅”旋转电位器P05调节，波谷值为0，波峰值在200mV4V间变化。（8）对应液晶屏显示，示波器观测“DDSOUT”测试点波形，掌握DDS模拟信源的使用方法。4、数字信源（1）示波器观测各路数字时钟信号。（2）示波器观测各路伪随机序列。（3）任意设置“NRZ码型选择”拨码开关和“码速率选择”拨码开关，示波器观测24位NRZ码信源信号。5、正弦点频信源调节两个“调幅”旋转电位器，示波器观测四路正弦点频信源信号波形。6、模拟语音信源连接测试点“TOUT”与“RIN”，将耳机和话筒插入相应的音频插座，一边说话一边调节两个“音量调节”旋转电位器P01、P02，直至耳机能听到清晰的说话声音。六、课后扩展题什么是“DDS直接数字频率合成模拟信源”？它的基本原理是什么？有兴趣的同学可以查阅相关资料，搭建硬件电路，编写软件程序，自主开发，实现一个简单的DDS模拟信源。或在实验箱配套的CPLD二次开发模块、DSP二次开发模块的硬件平台上，完成“直接数字频率合成实验”。实验二 信道与眼图实验一、实验目的1、掌握用眼图来定性评价基带传输系统性能。2、掌握信道与眼图模块的使用方法。二、实验内容1、信号送入高斯白噪信道，调节噪声功率大小，观测信道输出。2、数字基带传输信道观测眼图。三、实验仪器1、信号源模块 一块2、信道与眼图模块 一块3、20M双踪示波器 一台4、虚拟仪器（选配） 一块5、频谱分析仪 一台四、实验原理1、高斯白噪本实验中我们用伪随机序列模拟高斯白噪声。伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。由于它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获得了日益广泛的实际应用。目前广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列（经滤波等处理后）得到的。我们把这种周期序列称为伪随机序列。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。由于m序列的均衡性、游程分布、自相关特性和功率谱与上述随机序列的基本性质很相似，所以通常认为m序列属于伪噪声序列或伪随机序列。用m序列的这一部分频谱作为噪声产生器的噪声输出，虽然这种输出是伪噪声，但是多次进行某一测量，都有较好的重复性。将m序列进行滤波，就可取得上述功率谱均匀的部分作为输出。实验中，“噪声功率调节”旋转电位器用来控制叠加在信号上的噪声功率的大小。2、传输畸变和眼图一个实际的基带传输系统，尽管经过了精心的设计，但要使其传输特性完全符合理想情况是困难的，甚至是不可能的。因此，码间干扰也就不可能避免。我们知道，码间干扰问题与发送滤波器特性、信道特性、接收滤波器特性等因素有关，因而计算由于这些因素所引起的误码率就非常困难，尤其在信道特性不能完全确知的情况下，甚至得不到一种合适的定量分析方法。眼图就是一种能够方便地估计系统性能的实验手段。这种方法的具体做法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。这时就可以从示波器显示的图形上观察出码间干扰和噪声的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。所谓眼图就是指示波器显示的图形，因为在传输二进制信号波形时，它很像人的眼睛。为了说明眼图和系统性能之间的关系，我们把眼图简化为一个模型，如图2-1所示。该图表述了下列意思：（1）眼图张开部分的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样、再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；（2）对定时误差的灵敏度可由眼图的斜边之斜率决定，斜率越陡，对定时误差就越灵敏；（3）图中的阴影区的垂直高度表示信号畸变范围；（4）图中央的横轴位置对应判决门限电平；（5）在抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪声的容限，即若噪声瞬时值超过这个容限，就有可能发生错误判决。图2-1 眼图模型五、实验步骤1、将信号源模块、信道与眼图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电源开关，对应的发光二极管灯亮，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、高斯白噪信道（1）将信号源模块任一测试点信号（建议“24.576M”时钟信号除外），送入高斯白噪信道“输入”点。（2）示波器观测“噪声”测试点，为位数较长的伪随机序列，示波器无法稳定观测。（3）观测“噪声”的频谱，应为伪随机序列的频谱，逼近高斯白噪的频谱特性。 这里可采用频谱分析仪或选配的虚拟仪器进行信号频谱分析。（4）示波器观测“输出”测试点，调节“噪声功率调节”旋转电位器P01。逆时针旋转到底时无失真，顺时针增大噪声功率，且输出信号波形上叠加的噪声越明显。（5）观测“输出”测试点信号的频谱随噪声功率大小的变化情况。4、观测眼图（1）信号源模块“码速率选择”拨码开关设置为3分频，即拨为00000000 00000011。（2）此时，将256K码速率的NRZ码或任一伪随机序列，例如PN15，送入“256K”数字基带传输信道“输入”测试点。（3）示波器设定为外触发方式，即选择为“Ext”触发。1通道接“256K”数字基带传输信道“输出”，“EXT TRIG”外触发通道接信号源模块“BS”，调节“256K码速率带限信道”“眼图调节”旋转电位器，观测眼图“眼睛”张开/闭合过程。注： 数字基带传输系统实验中，时分复用信号的码速率为256K，送入256K数字基带传输信道观测眼图；时分复用信号经单极性码型变换后，BPH/CMI编码的码速率为512K，送入512K数字基带传输信道观测眼图。“512K码速率带限信道”观测眼图的操作步骤与之相同。信道与眼图模块作为工具模块之一，本实验中仅要求掌握其使用方法，在今后的实验中再具体使用到。六、课后扩展题回顾模拟电子技术基础等教材中关于滤波器设计的相关内容。推荐电子线路设计、实验、测试（华中科技大学出版社 谢自美主编）“RC有源滤波器的快速设计”一节内容。有兴趣的同学可自行设计一个无源或者有源的滤波器，模拟有限带宽信道。在面包板上搭建硬件电路，通过观测滤波器的输出，检验滤波器设计的质量好坏。熟悉Pspice软件使用的同学，在搭建硬件电路之前，还可先软件仿真来验证。实验四 常规双边带调幅与解调实验（AM）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法原理。3、了解调幅信号的频谱特性。4、了解常规双边带调幅的优缺点。二、实验内容1、完成常规双边带调幅，观测AM信号的波形及其频谱。2、采用二极管包络检波法，解调AM信号。三、实验仪器1、信号源模块 一块2、模拟调制模块 一块3、模拟解调模块 一块4、20M双踪示波器 一台5、带话筒立体声耳机 一副四、实验原理幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使之随调制信号作线性变化的过程。幅度调制器的一般模型如图4-1所示。图4-1 幅度调制器的一般模型设调制信号的频谱为，冲激响应为的滤波器特性为，则该模型输出已调信号的时域和频域一般表达式为式中，为载波角频率，。由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。1、常规双边带调幅（AM）常规双边带调制简称调幅（AM）。假设调制信号的平均值为0，将其叠加一个直流偏量后与载波相乘，即可形成调幅信号。其时域表示式为若为确知信号，则AM信号的频谱为其典型波形和频谱（幅度谱）如图4-2所示图4-2 AM信号的波形和频谱若为随机信号，则已调信号的频域表示必须用功率谱描述。由波形可以看出，当满足条件：时，AM调幅波的包络与调制信号的形状完全一样，因此用包络检波的方法很容易恢复出原始调制信号；如果上述条件没有满足，就会出现“过调幅”现象，这时用包络检波将会发生失真。但是可以采用其它的解调方法。由频谱可以看出，AM信号的频谱由载频分量、上边带、下边带三部分组成，参照图4-2所示，通常我们将已调信号频谱中画斜线的部分称为上边带，不画斜线的部分称为下边带。上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波分量的上边带信号，它的带宽是基带信号带宽的2倍，即AM信号的载波分量并不携带信息。当调制信号为单音余弦信号，即时，有用功率（用于传输有用信息的边带功率）占信号总功率的比例，即调制效率可以写为在“满调幅”（ 时，也称100调制）调节下，这时调制效率的最大值为。因此，AM信号的功率利用率比较低。AM的优点在于系统结构简单，价格低廉，所以至今调幅制仍广泛用于无线电广播。本实验采用的AM调幅框图如下图4-3所示。图4-3 AM调幅实验框图上图中，由信号源模块DDS模拟信源直接提供调制信号，即含直流分量的正弦模拟信号，同时将信号源模块384KHz正弦载波作为载波输入，两者相乘得到“AM调幅信号”输出。模块电路中“调制深度调节1（2）”旋转电位器可调节乘法器的调制深度。2、包络检波法解调是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复出原基带信号（即调制信号）。解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调（包络检波）。前面提到，当AM信号在满足的条件下，其包络与调制信号的形状完全一样。因此，AM信号一般都采用简单的包络检波法来恢复信号。本实验采用的二极管峰值包络检波器如下图4-4所示。图4-4 AM解调实验框图（包络检波法）实验中将AM调幅信号送入“调幅输入”，经二极管包络检波得到“检波输出”信号，它是AM调幅信号的包络，然后再经一级RC低通滤波器，还原出原调制信号。五、实验步骤1、将信号源模块、模拟调制模块、模拟解调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电源开关，对应的发光二极管灯亮，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、AM调幅（1）信号源模块“DDSOUT”测试点输出2KHz正弦波信号，调节“DDS调幅”旋转电位器，使其峰峰值为1V左右。同时，调节“384K调幅”旋转电位器，使“384K正弦载波”输出峰峰值为3.6V左右。（2）实验连线如下：信号源模块 模拟调制模块“相乘调幅1”DDSOUT 基波输入384K正弦载波 载波输入（3）调节“调制深度调节1”旋转电位器，用示波器观测“调幅输出”信号波形。这里也可采用“相乘调幅2”电路完成同样过程。（4）示波器双踪观测模拟调制模块“基波输入”与“调幅输出”信号时，将示波器两通道幅度单位调到同一档，例如均为“1V/格”档位，理解基波信号是AM调幅信号的“包络”这一概念。4、AM解调（包络检波法）将AM调幅信号送入模拟解调模块中包络检波法“调幅输入”测试点，观测“检波输出”与“解调输出”测试点波形，并对比模拟信号还原的效果。5、模拟语音信号AM调幅与解调用信号源模块模拟语音信源输出的“TOUT”话音信号代替2K正弦信号送入模拟调制模块中，模拟解调模块还原的“解调输出”信号送回信号源模拟语音信源“RIN”测试点，耳机接收话筒语音信号，完成模拟语音信号AM调幅与解调的整个过程。六、课后扩展题阅读教师参考书光盘中附带的MC1496芯片数据手册，掌握模拟乘法器电路的典型结构。推荐阅读电子线路设计、实验、测试（华中科技大学出版社 谢自美主编）“集成电路模拟乘法器的应用”一节内容。有兴趣的同学可尝试在面包板上搭建一个AM调幅电路，通过实验调试检验实际效果。实验七 频分复用实验（FDM）一、实验目的1、了解复用的概念。2、理解频分复用的原理。3、掌握频分复用的系统框图及其实现方法。二、实验内容1、两路不同载频的DSB调幅信号频分复用，观测频分复用前后信号波形及频谱的变化。2、对频分复用信号先解频分复用，再分别解调幅还原。三、实验仪器1、信号源模块 一块2、模拟调制模块 一块3、模拟解调模块 两块4、复用模块 一块5、终端模块 一块6、20M双踪示波器 一台7、带话筒立体声耳机 两副8、虚拟仪器（选配） 一块9、频谱分析仪 一台四、实验原理当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时，该信道就可以被多路信号共享，例如电话的干线通常有数千路信号在一根光纤中传输。复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了充分利用信道的频带或时间资源，提高信道的利用率。信号多路复用有两种常用的方法：频分复用（FDM）和时分复用（TDM）。时分复用通常用于数字信号的多路传输，将在时分复用实验（TDM）中阐述。频分复用是一种按频率来划分信道的复用方式，主要用于模拟信号的多路传输，也可用于数字信号。在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段（子通道），每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带（防护频带）进行分隔，以防止信号重叠。在接收端，采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。频分复用系统的实验框图如下图7-1所示。图7-1 频分复用系统实验框图信号源模块提供两路模拟信号，经模拟调制模块分别与192K正弦载波、384K正弦载波相乘，得两路DSB调幅信号，其调制深度可由“调制深度调节”旋转电位器调整。然后将两路不同载频的DSB调幅信号送入复用模块频分复用电路中相加，得频分复用信号。为防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率，以使各路已调信号频谱之间留有一定的防护频带。这里选择载波频率分别是192K和384K，满足每路话音信号4KHz的标准带宽。在接收端，先经复用模块频分解复用电路，分离出两路已调信号，再将已调信号送入模拟解调模块分别进行相干解调，还原出原始模拟信号。五、实验步骤1、将信号源模块、模拟调制模块、模拟解调模块、复用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，再分别按下五个模块中的电源开关，对应的发光二极管灯亮，五个模块均开始工作。（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、频分复用（1）信号源模块提供1K正弦基波、2K正弦基波和192K正弦载波、384K正弦载波，正弦基波的峰峰值约1V左右，正弦载波的峰峰值约3.6V左右。（2）实验连线如下：信号源模块 模拟调制模块“相乘调幅1”1K正弦基波 基波输入192K正弦载波 载波输入信号源模块 模拟调制模块“相乘调幅2”2K正弦基波 基波输入384K正弦载波 载波输入模拟调制模块 复用模块调幅输出（相乘调幅1） 调制1调幅输出（相乘调幅2） 调制2（3）参照DSB调幅实验的步骤，分别调节“调制深度调节”旋转电位器，使调幅输出两路DSB信号。（4）观测复用模块频分复用“输出”测试点，对比频分复用前后信号波形及频谱的变化。这里可采用频谱分析仪或选配的虚拟仪器进行信号频谱分析。4、频分解复用（1）实验连线如下：复用模块“频分复用” 复用模块“频分解复用”输出 输入（2）观测频分解复用“输出1”、“输出2”测试点的波形及频谱，并与频分复用前的两路DSB信号的波形及频谱进行对比。（3）实验再连线如下：复用模块 模拟解调模块1“相干解调法”输出1调幅输入信号源模块 模拟解调模块1“相干解调法192K载波载波输入（4）分别观测模拟解调模块1“相乘输出”与“解调输出”测试点波形，并对比原1K正弦基波还原的效果。（5）同理，重复以上实验步骤（3）、（4），将频分解复用“输出2”引入模拟解调模块2，与信号源模块384K正弦相干解调，并对比原2K正弦基波还原的效果。5、模拟语音信号频分复用用信号源模块模拟语音信源输出的“TOUT”话音信号和终端模块模拟终端输出的“TOUT”话音信号代替信号源模块的两路正弦基波，分别与信号源模块192K、384K正弦载波相乘调幅并频分复用，接收端将频分解复用再解调幅还原的模拟信号分别送回信号源模块模拟语音信源“RIN”测试点和终端模块模拟终端“RIN”测试点，耳机接收对方话筒语音信号，完成通信双方模拟语音信号频分复用的整个过程。六、课后扩展题回顾模拟电子技术基础等教材中关于移相电路设计的相关内容。有兴趣的同学可参照相移法SSB调幅实验框图和频分复用系统实验框图，自行设计1K正弦基波和192K正弦载波的90度移相电路，搭建硬件电路，在原有模拟调制、模拟解调、复用等模块的基础上，实现两路不同载频的SSB调幅信号频分复用及解复用的整个过程。实验九 脉冲编码调制与解调实验（PCM）一、实验目的1、掌握抽样信号的量化原理。2、掌握脉冲编码调制的基本原理。3、了解PCM系统中噪声的影响。二、实验内容1、对模拟信号脉冲编码调制，观测PCM编码。2、将PCM编码解调还原。三、实验仪器1、信号源模块 一块2、模拟信号数字化模块 一块3、20M双踪示波器 一台4、带话筒立体声耳机 一副四、实验原理1、抽样信号的量化原理模拟信号抽样后变成在时间离散的信号后，必须经过量化才成为数字信号。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化两种。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，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图9-1所示。图9-1 均匀量化过程示意图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。本实验中PCM编码方式也是采用A压缩律。A律压扩特性是连续曲线，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，如下图9-2所示。图9-2 13折线特性表9-1列出了13折线时的值与计算得的值的比较。表 9-1 A律和13折线比较0101按折线分段的01段落12345678斜率16168421表中第二行的值是根据计算得到的，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、脉冲编码调制的基本原理量化后的信号是取值离散的数字信号,下一步是将这个数字信号编码。通常把从模拟信号抽样、量化，指导变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）。在13折线法中，无论输入信号是正是负，均用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9-2所示，段内码与16个量化级之间的关系见表9-3。上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。表9-2 段落码 表9-3 段内码段落序号段落码量化级段内码81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010020013001120010100010001000003、PCM原理框图PCM原理框图如下图9-3所示。图9-3 PCM原理框图上图中，信号源模块提供音频范围内模拟信号及时钟信号，包括工作时钟2048K、位同步时钟64K、帧同步时钟8K，送模拟信号数字化模块，经抽样保持、量化、编码过程，产生64K码速率的PCM编码信号。译码部分同样将PCM编码与各时钟信号送入，经译码、低通滤波器，还原出模拟信号。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电源开关，对应的发光二极管灯亮，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、PCM编码（1）信号源模块“2K正弦基波”幅度调节至3V左右。（2）实验连线如下：信号源模块 模拟信号数字化模块（模块左下方PCM编解码）2K正弦基波SIN2048K2048KIN64 KCLKIN8KFRAMIN（3）以“FRAM-IN”信号为内触发源，示波器双踪观测“FRAM-IN”、“PCM-OUT”测试点波形,PCM编码能够稳定观测，且每四帧编码为一个周期。说明：帧信号对应的4位PCM编码的第一位码，是上一帧8位PCM编码的第8位，可能出现半位为0，半位为1的情况，这是由使用的PCM编译码芯片的工作时序决定。（4）以“S-IN”信号为内触发源，示波器双踪观测“S-IN”、“PCM-OUT”测试点波形，PCM编码能够稳定观测，每一周期正弦波对应4帧共32位PCM编码，且32位一循环，码速率为64K。说明：可用四通道数字存储示波器三路同时观测“S-IN”、“FRAM-IN”和“PCM-OUT”信号，直观理解模拟信号“S-IN”经“FRAM-IN”抽样后编为“PCM-OUT”8位编码。（5）改变输入模拟信号“SIN”，重复上述实验步骤。4、PCM译码（1）以上模块设置和连线均不变，增加连线如下：模拟信号数字化模块内连线（模块左下方PCM编解码）2048KIN J2048KINPCMOUTJPCMINCLKIN JCLKINFRAMINJFRAMIN（2）示波器观测“JPCM-OUT”测试点波形，为还原的正弦波，且幅度相当。5、模拟语音信号PCM编译码用信号源模块模拟语音信源输出的“TOUT”话音信号代替2K正弦信号输入模拟信号数字化模块中，还原的“解调输出”信号送回信号源模拟语音信源“RIN”测试点，耳机接收话筒语音信号，完成模拟语音信号PCM编译码的整个过程。六、课后扩展题阅读教师参考书光盘中附带的TP3067芯片数据手册，特别是对“同步工作模式”和“异步工作模式”的理解。思考实验中观测每帧的第8位PCM编码，为什么有时会出现半位为0，半位为1的情况？有兴趣的同学可参考TP3067芯片的典型电路，自行设计一个PCM编解码电路，搭建硬件电路，通过实验调试检验实际效果。实验十一 时分复用实验（TDM）一、实验目的1、了解时分复用的基本概念。2、掌握时分复用与解复用的原理框图。3、掌握时分复用信号的结构。二、实验内容1、双路模拟信号分别PCM编码、再时分复用，观测时分复用信号。2、对时分复用信号进行时分解复用，再分别PCM译码还原。三、实验仪器1、信号源模块 一块2、模拟信号数字化模块 两块3、复用模块 一块4、终端模块 一块5、20M双踪示波器 一台6、带话筒立体声耳机 两副四、实验原理1、时分复用的基本概念复用的目的是为了扩大通信链路的容量，实现多路通信。时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）就是其中一种重要的复用方法，它比频分复用的应用更为广泛。时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续的基带信号有可能被在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。而这种时间复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。这就是时分复用的概念。时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速的数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。2、时分复用原理框图时分复用原理框图如下图11-1所示。图11-1 时分复用原理框图两路PCM编码连同位同步BS、帧同步FS一起，送入复用模块时分复用输入对应插孔，PCM编码的码速率是64K，位同步BS的频率是64K，帧同步FS的频率是8K。在时分复用过程中，工作时钟为2048K，先由两个移位寄存器对数据1和数据2串/并转换为8位并行数据输出。然后数据选择器在帧同步信号FS的控制下，按照复用BS的位同步，轮流选通帧头、数据1、数据2、数据3，组成复用NRZ数据串行输出。时分复用输出的位同步信号频率设定为输入位时钟64K的四倍，即256K。时分复用输出一帧32位，故帧同步信号的频率为位同步信号的1/32，即8K。时分复用输出信号的结构见下图11-2所示。图11-2 时分复用输出信号的结构3、时分解复用原理框图时分解复用原理框图如下图11-3所示。图11-3 时分解复用原理框图复用数据连同对应的位同步BS、帧同步FS一起，送入复用模块时分解复用输入对应插孔，复用数据的码速率是256K，位同步BS的频率是256K，帧同步FS是8K。在时分解复用过程中，工作时钟仍为2048K，先由三个移位寄存器对复用数据串/并转换为24位并行数据输出，原复用数据中的帧头自动丢弃。然后数据选择器在帧同步信号FS的控制下，按照解复用输出的位同步信号，恢复原数据1、数据2、数据3，按照解复用输出的帧同步信号，每帧8位串行输出。时分解复用输出的位同步信号频率恢复为原复用输入的位时钟64K。时分解复用输出的帧同步信号频率恢复为原复用输入的帧时钟8K。解复用输出的数据连同解复用输出的位同步、帧同步一起，再送入模拟信号数字化模块中，PCM译码还原即可。五、实验步骤1、将信号源模块、两块模拟信号数字化模块、复用模块、终端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，再分别按下五个模块中的电源开关，对应的发光二极管灯亮，五个模块均开始工作。（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、时分复用（1）这里以信号源模块提供“1K正弦基波”和“2K正弦基波”为例，将“2K正弦基波”的幅度调节至3V左右。（2）实验连线如下：信号源模块 模拟信号数字化模块一2048K2048KIN64KCLKIN8KFRAMIN2K正弦基波 SIN信号源模块 模拟信号数字化模块二2048K2048KIN64KCLKIN8KFRAMIN1K正弦基波 SIN信号源模块 复用模块2048K2048K64K位同步（时分复用输入）8K帧同步（时分复用输入）模拟信号数字化模块一 复用模块PCMOUT 数据1（时分复用输入）模拟信号数字化模块二 复用模块PCMOUT 数据2（时分复用输入）（3）复用模块“第三路复用数据码型拨码设置”拨码开关SW01任意设置。（4）示波器观测两块模拟信号数字化模块PCM编码。（5）以时分复用输出“帧同步”信号为内触发源，示波器双踪观测时分复用输出“帧同步”、“数据”测试点，验证“数据”是否符合时分复用输出信号的结构。 此时，时分复用输出“位同步”为256K方波信号。（6）改变信号源模块“2K正弦基波”的幅度，改变复用模块“第三路复用数据码型拨码设置”拨码开关SW01设置，重复上述实验步骤。4、时分解复用（1）以上模块设置和连线均不变，增加连线如下：复用模块内连线数据（时分复用输出）数据（时分解复用输入）位同步（时分复用输出）位同步（时分解复用输入）帧同步（时分复用输出）帧同步（时分解复用输入）复用模块 模拟信号数字化模块二数据1（时分解复用输出） JPCMIN位同步（时分解复用输出）JCLKIN帧同步（时分解复用输出）JFRAMIN复用模块 模拟信号数字化模块一数据2（时分解复用输出） JPCMIN位同步（时分解复用输出）JCLKIN帧同步（时分解复用输出）JFRAMIN（2）以时分解复用输出“帧同步”信号为内触发源，示波器双踪观测时分解复用输出“帧同步