通信原理实验指导书—正文

1、实验一 抽样定理实验一、 实验目的1、了解抽样信号和抽样保持信号的形成。2、验证抽样定理。3、了解多路抽样路际串话的原因。二、 实验内容1、时钟信号和定位定时信号。 7、抽样信号的恢复。2、抽样窄脉冲8KHz信号波形。 8、滤波幅频特性。3、多路抽样信号。 9、抽样定理验证。4、同步测试信号源的波形和频率。 10、抽样保持信号的失真。5、抽样信号波形。 11、多路抽样的路际串话。6、抽样保持信号波形。三、 概述在通信技术中为了获取最大的经济效益，就必须充分利用信道的传输能力，扩大通信容量。因此，采取多路化是极为重要的通信手段。最常用的多路复用体制是频分多路复用（FDM）通信系统和时分多路复用（

2、TDM）通信系统，频分多路技术是利用不同频率的正弦载波对基带信号进行调制，把各路基带信号频谱搬移到不同的频段上，在同一信道上传输。而时分多路系统中则是利用不同时序的脉冲对基带信号进行抽样，把抽样后的脉冲按时序排列起来，在同一信道中传输。利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为“抽样”，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号，在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真恢复出原信号。抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础的。在工作设备中，抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到整

3、个系统的性能指标。作为例子图1示意地画出传输一路语音信号的PCM系统。从图中可以看出要实现对语音的PCM编码，首先就要对语音信号进行抽样，然后才能进行量化和编码。因此，抽样过程是语音数字化的重要环节，也是一切模拟数字化的重要环节。为了让实验者形象的观察抽样过程，加深对抽样定理的理解，本实验提供了一种典型的抽样电路。此外，本实验还模拟了两路PCM通信系统，从而帮助实验者初步了解时分多路的通信方式。通过本实验，学生应达到以下要求：1、验证抽样定样；2、观察了解PAM信号形成过程，平顶展宽解调过程；3、了解时分多路系统中的路际串话现象。图1 PCM系统示意图四、实验原理和电路说明1、抽样定理抽样定理

4、指出，一个频带受限信号m（t），如果它的最高频率为fh（即m（t）的频谱中没有fh以上的分量），可以唯一地由频率大于2fh的样值序列所决定。因此，对于一个最高频率为3400Hz的语音信号m（t），可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示，抽样频率fs和语音信号m（t）的频谱如图2和图3所示。由频谱可知，用截止频率为fh的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m（t），这就说明了抽样定理的正确性。实际上，考虑到低通滤波器特性不可能理想，对最高频率为3400Hz的语言信号，通常采用8KHz抽样频率，这样可以留出1200Hz的防卫带。见图4。如果fs2fh，就会出现频谱混迭的现象，如图5所示

5、。在验证抽样定理的实验中，我们用单一频率fh的正弦波来代替实际的语音信号。采用标准抽样频率fs8KHz。改变音频信号的频率fh，分别观察不同频率时，抽样序列和低通滤波器的输出信号，体会抽样定理的正确性。验证抽样定理的实验方框图如图6所示。连接实验箱中（8）和（14），就构成了抽样定理实验电路。抽样电路采用场效应晶体管开关电路。抽样门在抽样脉冲的控制下以每秒千次的速度开关，T3为结型场效应晶体管，T2为驱动三极管。当抽样脉冲没来时，9012.3DK2都处于饱和导通状态，12V电压加在场效应管栅极，使其处于夹断状态，输出信号“0”。抽样脉冲到来时，9012.3DK2处于截止状态，场效应管栅极电压升

6、高，使其处于导通状态。这样，抽样脉冲期间模拟电路负载是一个电阻，因此抽样门的输出端能得到一串脉冲信号。此脉冲信号的幅度与抽样时输入信号的瞬时值成正比例，脉冲的宽度与抽样脉冲的宽度相同。这种脉冲信号就是脉冲调幅信号。当抽样脉冲宽度远小于抽样周期时，电路输出的结果接近于理想抽样序列。由图6可知。用一低通滤波器即可实现对模拟信号的恢复。为了便于观察，解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成，低通滤波器的截止频率为3400Hz。2、多路脉冲调幅系统中的路际串话多路脉冲调幅的实验方框图如图7所示。连接实验箱中（8）和（11）、（13）和（14）就构成了多路脉冲调幅实验电路。分路抽样电路的作用是：将在时间上

7、连续的语音信号经脉冲抽样形成时间上离散的脉冲调幅信号。N路抽样脉冲在时间上是互不交叉、顺序排列的。各路的抽样信号在多路汇接的公共负载上相加便形成合路的脉冲调幅信号。本实验设置了两路分路抽样电路。多路脉冲调幅信号进入接收端后，由分路选通脉冲分离成n路，亦即还原出单路PAM信号。发送端分路抽样与接收端分路选通是一一对应的，这是依靠他们所使用的定时脉冲的对应关系决定的。为简化实验系统，本实验的分路选通脉冲直接利用该路的分路抽样脉冲经适当延迟获得。接收端的选通电路也采用结型场效应晶体管作开关元件，但输出负载不是电阻而是电容。采用这种类似与平顶抽样的电路是为了解决PAM解调信号的幅度问题。由于时分多路的

8、需要，分路脉冲的宽度S是很窄的。当占空比为STS的图7 多路脉冲调幅实验框图脉冲通过话路低通滤波器后，低通滤波器输出信号的幅度很小。这样大的衰减带来的后果是严重的。但是，在分路选通后加入保持电容，可使分路后的PAM信号展宽到100的占空比，从而解决信号幅度衰减大的问题。但我们知道平顶抽样将引起固有的频率失真。PAM信号在时间上是离散的，但在幅度上却是连续的。而在PCM系统里，PAM信号只有在被量化和编码后才有传输的可能。本实验仅提供一个PAM系统的简单模式。路际串话是衡量多路系统的重要指标之一。路际串话是指在同一时分多路系统中，某一路或某几路的通话信号串扰到其它话路上去，这样就产生了同一端机中

9、各路通话之间的串话。串话分可懂串话和不可懂串话，前者造成失密或影响正常通话；后者等于噪声干扰。对路标话必须设法防止。一个实用的通话系统必须满足对路标串话规定的指标。在一个理想的传输系统中，各路PAM信号应是严格地限制在本路时隙中的矩形脉冲。但是如果传输PAM信号的通道频带是有限的，则PAM信号就会出现“拖尾”的现象。当“拖尾”严重，以至入侵邻路时隙时，就产生了路际串话。在考虑通道频带高频谱时，可将整个通道简化为图9所示的低通网络，它的上截止频率为：f1=1/(2R1C1)图9 通道的低通等效网络为了分析方便，设第一路有幅度为V的PAM脉冲，而其它路没有。当矩形脉冲通过图9（a）所示的低通网络，

10、输出波形如图9（b）所示。脉冲终了时，波形按R1C1时间常数指数下降。这样，就有了第一路脉冲在第二路时隙上的残存电压串话电压。这种由于信道的高频响应不够引起的路际串话就叫高频串话。当考虑通道频带的低频端时，可将通道简化为图10所示的高通网络。它的下截止频率为：f2=1/(2R2C2)，由于R2C2，所以当脉冲通过图10(a)所示的高通网络后，输出波形如图10(b)所示，长长的“拖尾”影响到相隔很远的时隙。若计算某一话路上的串话电压，则需要计算前n路以这一路分别产生的串话电压，积累起来才是总的串话电压。这种由于信道的低频响应不够引起的路际串话就叫做低频串话。解决低频串话是一项很困难的工作。图10

11、 通道的高频等效网络限于实验条件，本实验只模拟高频串话的信道。五、实验仪器抽样定理实验箱 1台双踪同步示波器 1台数字频率计 1台低频信号发生器 1台毫伏表 1台直流稳压电源 1台六、实验内容准备工作：1、按实验板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机；2、把实验板电源连接线接好接好；3、开机注意观察电流表正电流 I<180mA 负电流 I<60mA 若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。(一)抽样和分路脉冲的形成用示波器和频率计观察并核对各脉冲信号的频率，波形及脉冲宽度，并记录相应的波形频率，示波器工作方式置“CHOP”1、在P1观察主振脉冲信号，

12、P2观察位定时信号。2、用A线观察分路抽样脉冲（12）8KH2。用B线观察分路抽样脉冲（22）8KH2。3、观察（6）同步测试信号源的波形和频率。(二)抽样信号和PAM信号的形成K1接2、3 即处于单路工作状态。K3接1、2 即处于抽样保持工作状态。1、同步正弦信号（6）接（4）输入，示波器A线接（4），B线接（8）。记录波形，然后A线接（12）。记录波形，观察取样信号的波形。2、（12）接（12），（8）接（11）， A线接（13）， B线接（8），观察抽样保持的波形并作记录。(三)抽样信号的恢复在(二)工作状态下：1、把（13）接（14），A线接（13），B线接（15），观察取样保持信号经

13、过滤波还原的信号，比较（4）和（15）的波形、频率。2、断开（14）和（13）连接，音频信号发生器信号接入（14），幅度1V，测量滤波器的频率特性并作记录，画出幅频特性曲线。（14）1V300Hz1KHz2KHz3KHz3.4 KHz4 KHz6 KHz8 KHz(15)幅度(四)验证抽样定理K1接2、3 K3接1、21、断开（6）和（4）连接，（8）接（11），（13）接（14），（12）接（12）2、外接音频信号输入（4），幅度约1V，A线接（4），B线接（15），改变音频信号发生器的频率，观察（15）的波形和频率并与（4）比较，核对信号频率和取样频率的关系，重点观察300Hz、1KHz、

14、2KHz、3KHz、3.4 KHz、4 KHz、6 KHz、8 KHz信号的波形和幅度，并画出系统频响特性，观察抽样保持的失真现象。(五)多路抽样的路际串话K1接1、2 即处于多路抽样工作状态。K3接1、2 即处于抽样保持工作状态。K5接1、2 即模拟信道有串话传输特性。1、（6）接（4），（8）接（11），外接音频信号1V 300Hz，输入（5）。2、当（12）接（12）时，A线接（6），B线接（13），在（13）选通的是（6）输入的1KHz信号。3、当（22）接（12）时，A线接（5），B线接（13），在（13）选通的是300Hz信号，不会发生串话。4、（8）接（9），（10）接（11），

15、即信道有积分特性时，（22）接（12）比较（5）（13），（6）（13）波形，有第一路的（6）1KHz信号，串入第二路300Hz信号，即发生了串话。5、把K5改接2、3，即加大积分传输特性，重做4。七、实验报告1、整理实验数据，画出相应的曲线和波形。2、本实验在（8）和（13）得到的是哪一类抽样波形？从理论上对理想抽样、自然抽样和平顶抽样进行对比和说明。3、对实验内容（二）（三）进行讨论，当fS2fh和fS2fh时，低通滤波器输出的波形是什么？试总结一般规律。4、实验内容（五）中的2、3、4项内容有什么区别？分析影响串话的主要因素。根据本实验电路的元件数据计算信道上的截止频率。5、对改进实验内

16、容和电路有什么建议？实验二 PCM编解码单路多路实验一、实验目的1. 了解PCM编译码的基本工作原理及实现过程。2. 了解语音信号数字化技术的主要技术指标，学习并掌握相应的测试方法。3. 初步了解通信专用集成电路的工作原理和使用方法。二、实验内容1. 信号源实验 1) 取样脉冲、定时时钟实验 2) 同步测试信号源实验 2. PCM单路编码实验 1) 极性码编码实验 2) 段内电平码编码实验3) 段落码编码实验3. PCM单路译码实验 4. PCM多路编译码实验5. 学生常犯的测量错误三、基本原理图1.1模拟信号数字化可以用数种方式实现。脉冲编码调制(PCM)技术在数字通信系统中得到了广泛的应用

17、。脉冲编码调制系统的原理方框图如图1.1所示。模拟信号经滤波后频带受到了限制。限带信号被抽样后形成PAM信号。PAM信号在时间上是离散化的，但是幅度取值却是连续变化的。编码器将PAM信号规定为有限种取值，然后把每个取值用二进制码组表示并传送出去。接收端收到二进制编码信号后经译码还原为PAM信号，再经滤波器恢复为模拟信号。经理论分析可知，人的语音信号的幅度概率密度为拉普拉斯分布。这是一种负指数分布，小幅度时概率密度大，而大幅度时概率密度小。因此，语言编码必须设法提高小信号时的信噪比。如果既要考虑到语音信号的幅度变化范围约有40一5OdB，又要考虑到在小信号时有足够好的通话质量，则至少需要11位至

18、12位的线性编码。通常，一路信号的抽样频率为8kHz。这样，当采用线性编码时传输一路PCM符号约需1OOkbit/s的传信率。但是非线性编码却可以用7位至8位的编码使通话质量令人满意，而相应的一路PCM信号的传信率为64kbit/s。因此实用的PCM编译码器都是非线性的。 非线性编码器具有特定的压缩特性，这种特性是为了使编码结果与信号幅度相匹配，以最大限度地减小量化噪声功率。目前得到广泛使用的是两种对数形式的压缩特性，即A 和律对数线近似。这两种体制均己成为国际建议。实验选用的集成化PCM编译码器CC2914片具有13折线逼近的对数压缩特性。编码器与译码器的压缩特性如图1.2和图1.3所示。图

19、1.2中，每一个折线段各自被划分为16个分层电平。二相段落的分层按步阶1/2递减分段，而每个段落内的分层都是均匀的。模拟信号经分段分层处理后被编成二进制码组，码组的形式为折叠二进制。在A律l3折线的编码方式中，国际标准规定最大量化输人为2048个量化单位，各段量化间隔。由于采用非线性编码，码组中每位电平码的权重是变化的。以上编码规律可用表1.1、表1.2详细说明。这里对应模拟信号为正值的情况，若输入为负，则PCM码字的最高位“符号位”由“1”改为“0”，其他规律不变。1. 逐次反馈比较编码 所谓编码， 就是将抽样后的样值信号变换成二进码序列的方法， 用的最多的是逐次反图1.4馈编码方案。图1.

20、4是逐次反馈编码方框图。编码的工作原理与天平称量物体重量的方法相似。图1.4 逐次反馈比较编码方框图(1) 判定值(权值)的提供与编码方法 逐次反馈编码相当于天平称物，要提供一套大小不同的判定值(砝码)来作标准权值。当称量(比较)一次后，如果物体重量(相当于信号的抽样值)重于砝码(相当于设备中提供的判定值)时，下一次称量需保留原砝码外再增加一个砝码(换一个较大的判定值)，反之若发现物体重量轻于砝码重量时，则需更换一个较小的砝码，逐次反馈比较编码方式就是仿此概念而来的。 确定A律13折线8位码的判定值的方法是：极性码的判决不需要判定值(严格讲，其判定值为零)，它根据输入信号(电流值0的极性来决定

21、。即 幅度码的位数是7位，需要个判定值，它们分别是：第1段 0、1、2、3 15共15种第2段 16、17、18 31共16种第3段 32、34、36 62共16种第4段 64、68、72 124共16种第5段 128、136、144248共16种第6段 256、272、288496共16种第7段 512、544、576 992共16种第8段 1024、1088、11521984共16种实际上没有必要产生这127种判定值(否则设备太复杂)，根据13折线压扩特性是通过图中本地解码电路中7/11变换来实现，即将压缩后7位非线性码变换成11位线性码，也就是只需要利用这11位线性码所对应的权值作为判定

22、值即可。考虑到量化段为8段，其对分点为7个，它们是、 、。再考虑到每一段中均匀分为16个量化级，它们的对分点是4个，即 、。可采用这11种对分点作为判定值。这样11种判定值可以组合成以上所需的127种判定值。下面举例来介绍编码方法。假设输入抽样值(电流值) ，按A律13折线编8位码。第一次比较：，说明信号为正, 第二次比较：样值取绝对值，因为信号的极性已由确定，判定值表示编出码的判定值。，是第14量化段和第58量化段的对分点。 (信号在第58段)第三次比较：前一次比较结果，表示判定值小了，这次比较时，应使判定值增加。反之，要减小判定值。表示信号在第58段，而正好是第56段和第78段的对分点。

23、(信号在第56段)，第四次比较： 表示信号在第56段，正好是第5段和第6段的对分点 (信号在第6段)三次比较结果，段落码为101，表示信号在第6段，第6段起点电平。段内码的判定值的提供，可用下列表示 (2.27) 第五次比较：第六次比较：按式(2.27)，第七次比较：第八次比较：结果编码码字为11011011。编码又称逐次渐近型编码。图1.5是以为例画出逐次反馈编码的时间波形图。(2) 极性判决与全波整流话音信号是具有正、负的双极性信号输入的话音信号，分别送入极性判决和全波整流电路，一方面将正或负信号编成码或码，另一方面将双极性信号整流成单极性“正”信号再送入编码器编码。对编码用的全波整流器的

24、要求是： 对大、小信号都能整流，同时具有良好的线性特性。对于普通二极管整流器来讲，由于二极管的结电压以及伏安特性的非线性。上述两点要求均无法实现为此常采用运算放大器的折叠放大电路来组成全波整流电路。(3) 比较器比较器是一种模数变换部件，它是双端模拟输入单端数字输出的三端器件，如图1.6(a)所示，对于理想的电压或(电流)比较器，其输入与输出的转移特性如图(b)所示。如果在正端输入样值；负端接判定值，显然USUR时，输出 (“1”码)；当时，输出为低电平 (“0”码)。但这种理想比较器是不可能做到的，实际比较器的转移性如图(c)所示，它在后才转换，而在区间是不转换的，这区间称为模糊区。在模糊区

25、内不能肯定是“1”码还是“0”码。而比较器的灵敏度是从输出“0”码转换成“1”码所需要的差值来衡量的，大时，比较器灵敏度就低，而小时，比较器灵敏度就高，显然图(c)的灵敏度为，从要求比较器灵敏度高的条件，希望模糊区越小越好。图1.5 逐次反馈比较编码时间图(一种方案)对转移特性影响较大的还有比较器输入失调电压，它不仅使灵敏度降低，而且失调电压的不稳定会形成比较器工作点漂移，严重时会引起编码误差，所谓失调即不等，如图(d)所示。解决办法可采用自动稳零路如图(e)所示。这样可使模糊区的中点对准 称为稳零。图1.6 比较器7比特串并变换及记亿电路如由图1.7所示。图1.7 7比特串并变换及记忆电路(

26、4) 本地解码器图1.4 所示的方框图中，输入经保持的PAM信号分作两路，一路送入极性判决电路，在时刻进行判决，信号为正极性或负极性时，分别用或表示。另一路经全波整流后与本地解码器输出的判决值比较，在位脉冲时隙比较后，形成码字。本地解码器的作用就是将除极性码以外的码逐位反馈经串并变换，并存贮在记亿电路中，记亿电路输出分别为，再将这7位非线性码变换为11位线性码(又称7/11变换)，再经11位线性解码网络，就可得到11种判定值()。所以本地解码器包括7比特串并变换及记亿电路、7/11变换电路及11比特线性解码网络。 7比特串并变换及记忆电路每个样值开始比较前，下权脉冲将置于1，同时将清0，由于，

27、正好是第5量化段的起点电平，它等于，用这个和输入经保持的PAM值比较。当PAM值(以表示)大于时，经非门后，然后反馈至 (与非门)的一个输入端，在这时反馈用脉冲同时加到的另一端，输出高电位，即，时，保留，另外在这同时又将置1，结果，正好是第7段的起点电平，它等于。下一次比较时， 。当PMA值()小于时，经非门后，反馈至的一个输入端，同时加至的另一输入端，这时被清零即，同时将置1，结果，这正好是第3段起点电平，它等于，下一次比较时。 7/11变换电路7/11变换又称非线性码/线性码变换，即将非线性7位幅度码变换成线性11位幅度码它们的变换关系可用表1.3表示。表1.3 A律13折线非线性码与线性

28、码的关系其中为第段的“段落标志”，即表示是第1个量化段，于是有，根据表1.3可得出与之间的逻辑表达式。例如线性码的权为，哪几种情况要求出的权值呢? 对应于的非线性码有4种情况。第一种是第8量化段()时的；即；第二种是第7段()的时；第三种是第6段()的时;第四种是第5段()时。均表示求变换后的线性码根据公式227可写出下列7/11变换逻辑表达式：式中“+”表示“或”运算；相乘表示“与”运算，标“*”者为收端解码用。 线性解码网络线性解码网络用于线性码的数/模转换，它的特点是变换后电流(电压)值，对应着每一位幅度码权值的总和。图1.8是11位线性型解码网络。该电路是某集成电路(11位幅度码)的解

29、码网络，其特点如下：图1.8 11位线码解码器a、网络中电阻仅两种，容易满足精度要求，也有利于集成化;b、不论幅度码码时的或码时的不等于零，而且两者的电流近似相等，(因运算放大器输入端为虚地)；c、从任一节点(111点)向右看进去的阻抗都为 (如图所示)，因此每个支路中的电流自左向右以1/2系数逐渐递减。每个支路电流分别为： 而送到运放输入端的总电流，决定于幅度码的状态，即当时，才送到运放输人端，因此总电流为： (2.28)设，则(2.28)式可写成： 由此可见，梯形网络利用电流的1/2递减系数起到使电流(电压)幅值依次减半的作用。7/11变换后的11位线性码分别控制开关，各幅度码的总和就是变

30、换后的电流(电压)值。(5) A律13折线解码解码的作用是把接收到的PCM 信码还原成相应的PAM 信号，即数/模(D/A)变换。 A律13折线解码器的方框图如图1.9 所示，它与图1.4中本地解码电路很相似，又有不同点： 增加了极性控制部分：根据接收到的PCM信号的极性码是“1”码还是“0”码，来辨别PAM信号的极性，极性码的状态在记亿寄存器中，由，或来控制“极性控制电路，使解码后的PAM信号的极性得以恢复成与发送端相同的极性。 逻辑压扩部分由原7/11变换改为7/12变换：由7/11变换变成7/12变换是使变换后输出的线性码增加一个码位，其目的是使解码输出的信号值，对应于量化编码时的每一量

31、化间隔的中间值，就是说可保证解码后的量化误差不会超过。举例说明如前所述某抽样值，经过A律13折线编码后，其码字为11011011。从减小量化误差这概念来讲，量化值应取量化级(量化间隔)的中间值。而，是在第6量化段中第12个量化级中，量化间隔为，按理说量化值取中间值为时图1.9 13折线(A线)解码器方框图其量化误差最小。 但从编码 11011011 解码后的电平来看是 ， 这样的结果量化误差为，大于，如果在解码后固定加一个，则量化误差为，这样量化误差就小于半个量化级，因此，在解码后固定加入一个，就可保证解码后的量化误差小于。表1.3中各相应段的1*加入后，相当于补加了一个，第6段中的1*是，即

32、解码后第6段要固定加上。 寄存器读出是接收端解码器中所特有的，它的作用是把输入信号(PCM信号)寄存起来(相当于一个栈房)，在一定的时刻一齐输出到解码网络去。(6) 时分复用以上是对单路PCM编译码过程的说明。由于脉冲编码调制传送的是量化后消息信号的抽样值，因此可以采用时分复用的方法来实现多路通信。这一方式广泛地应用于电话通信。目前国际上采用脉冲编码调制传送多路电话的制式有两种，一种是以24路作为一个基群，另一种是以32路作为一个基群。在这两种基群基础上，脉冲编码调制时分多路复用系统己发展成为系列。随着传信率的提高，分别称为基群(或一次群)、二次群、三次群、四次群等。在时分多路通信系统中各路信

33、号占据了不同的时间间隔，为了在接收时能正确地区分各路信号的顺序，必须传送同步信号。此外，由于通信的需要还必须传送一些控制信号。这些辅助信号也要占据一定的时间间隔。所有的信号按一定的格局在时间上排列起来形成特定的数码结构。32路基群的数码结构简单示意图如图1.10所示。发端定时脉冲波形图如图1.11，标准电话信号的频带为3003400Hz，抽样频率为8000Hz，因此每隔1/8000s(125us)送一个抽样值。把125us称为一帧。一帧由32个时间间隔(路时隙)组成。将每个路时隙从0到31序编号，分别记作，其中至和至这30路时隙用来传送30路电话信号。TS0分配给帧同步，专用于传送控制信号。每

34、路时隙包含8位码，占时3.9lus，每位码占488ns，一帧共含256个码元。帧同步码组0011011，它是每隔一帧插入的固定码组，接收端识别出帧同步码组后即可建立确定的路序。集中编码方式PCM30/32方框图如图1.12。图1.11 PCM30/32发端定时脉冲时间波形图附录：单片集成PCM编解码器早期的编解码器模拟部分电路采用双极工艺，数字部分电路要用MOS工艺；因而要由两块芯片组成一个编解码器。随着生产工艺的改进和MOS电路性能指标的提高，己可以全部用MOS工艺在一块芯片上制成单片单路编解码器。其中，CMOS工艺制成的电路利于降低功耗，但工艺过程较复杂；而采用NMOS工艺的电路耗电量较高

35、，但工艺较简单，权衡利弊，从目前美、日等国商品来看，大多采用CMOS工艺。话路滤波器是 PCM 编解码器不可缺少的部件， 在话音信号的抽样之前， 先通过低通滤波器(截止频率为3400Hz)，将3400Hz以上的成分滤掉，以防止用8kHz抽样频率抽样后产生折叠噪声，这个滤波器要采用5阶椭圆函数有源滤波器来实现。另外PCM解码后输出的是阶梯形的PAM信号，为了防止高频失真，需加入一个具有x/sinx函数的均衡低通滤波器，以补偿高频成份。七十年代前音频滤波器是采用LC分立元件组成，七十年代出现了实用的RC有源滤波器以及薄膜混合电路，七十年代末，采用MOS工艺技术，成功地制成一种新型的音频话路滤波器一

36、一MOS开关电容滤图1.12 集中编码方式PCM30/32方框图波器，由于这种MOS开关电容滤波器可以采用NMOS或CMOS工艺实现，这样就可能在同一块硅片上利用大规模集成电路技术将话路滤波器和编解码器集成在一起成为单片PCM编解码器。A、单片开关电容话路滤波器1. 开关电容代替电阻用开关电容替代电阻，十分适合于大规模集成工艺，因为在硅片上制作扩散电阻不仅面积大，而且精度较难保证。开关电容滤波器由开关、电容和运算放大器组成，首先介绍开关电容等效电阻的基本原理，如图1.13(a)所示。图中表示开关，它是由两个MOS晶体管来实现的，如图(b)所示，同频反相的信号接于两管栅极以保证两管交替导通，等效

37、于开关左右接通的作用。开关以一定的频率在和之间接换，当与接通时，电容上储存的电荷通过一次切换，在周期内由端送往端的电荷等于 (1.1)这就等效于在端和端有一电流通过，其数值为只有开关频率比、端信号的最高频率还要高得多，开关切换过程中、之间可认为不变，那么电流也基本维持不变，则、之间可等效于一个电阻，如图(c)所示。其阻值为 (1.2)由(1.2)式说明电阻与电容的容量和开关频率有关，一旦两个因素确定，也随之确定。图1.13开关电容代替电阻B、电容阵列式解码网络单片集成编解码器内部电路的核心部分是解码网络(D/A变换)，为适应大规模集成工艺制造的特点，解码网络的构成方式已不同于分立元件或小规模集

38、成电路，目前用的最多的是电容阵列式解码网络。典型的适用于MOS工艺的解码网络是电容阵列式(电荷分布式)解码网络，它是利用MOS电容存储电荷的原理，由一组具有二倍比的电容阵列受开关控制，使其电荷再分布来实现解码。图1.14是电容阵列式解码网络MOS开关(，本例中)由位二进制数字控制，当时，接参考基准电源；当时，接地。初始时，开关接地，受数字位控制，此时点充有电荷，在点的电荷： (1.3)随后开关倒向悬空位置，并使所有开关全部接地，若运放输入阻抗足够大无漏电， 图1.14 电容阵列式解码网络此时点电位等于： (1.4)式1.4中的为点对地总电容，设运放增益为，则运放在输出电压为; (1.5)可以看

39、出输出电压与送入的二进制数字信息有着对应的关系从而实现了D/A转换功能。四、实验原理实验电路由定时部分，编、译码部分，同步测试信号原部分，译码功效四大部分组成。方框原理图如图1.15所示。五、实验仪器PCM编解码单路多路实验箱 1台双踪同步示波器 1台数字频率计 1台低频信号发生器 1台毫伏表 1台直流稳压电源 1台学生自带小型FM收音机（备耳机插孔）图1.15 PCM编译码实验原理图六、实验内容准备工作：1、按实验板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机；2、把实验板电源连接线接好；示波器探头1：10，严禁1：1。3、开机注意观察电流表 正电流 I<180mA ， 负电流 I&l

40、t;60mA 若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。实验前请认真阅读八：学生常犯的测量错误。 (一) 时钟部分1. 用示波器线接，测量晶振波形。线接测量位定时波形应为对称方波。2. 用频率计测量晶振频率和测量位定时频率应分别为4.096MHz和2.048MHz。3. 用示波器线接，线接测量其波形均应为窄脉冲系列。用频率计测量、两点频率都应为8KHz, 、两点信号相位差别180º。是多路编码的取样脉冲，是多路编码的信铃时隙。 (二) 同步测试信号源部分开关位置，接触3.41. 示波器接测量应为正弦波，用频率计测量其频率应为2KHz。信号是专门为实验设计的同步测

41、试信号源。请注意的峰峰值应小于，否则有可能损坏IC2914。2. 测波形、调整, 为连续可变的正弦波。然后用毫伏表测量的幅度，应调整到刚好为1000Mv(有效值)。3. 示波器线接,线接, 4个取样脉冲(单路工作取样脉冲)。有两个对准正弦波峰顶。另两个对准正弦波信号过零点。如果不在此位置上，可调整。一般由指导老师调整，建议学生不要调整。并作好记录。(三) PCM单路编，译码实验 开关位置接3、4，即选同步测试信号源2KH；接2、3 即选择单路编码工作状态接1、3 即功放输出接假负载1. 示波器线接,线接，示波器工作方式(MODE)开关置Chop(断续)位置。在低电位期间，输出PCM 8位编码值

42、。改变示波器扫描频率，使荧光屏可以显示到5个取样周期。观察码位时，示波器同步信号必须以作触发。仔细观察这5个取样值的编码码型。第一个和第5个取样点的码型是完全一样的。即完成了正弦波的一个周期。要注意的是，编码器2914输出的是ADI码，即偶位码“0”码变“1”码，“1”码变“0”码。记录下这5个取样点的码型。a、观察第一位极性码，4个取样点中，有两个取样点第一位码为正，另两个取样点第一位码为负。把线改接与线比较，并且把2914片内开关电容滤波时延和反相也考虑进去。你会发现信号正半周时第一位码本应编为“1”码，而实际编为“0”码。信号负半周时，第一位码本应编为“0”码，而实际编为“1”码。这是由

43、于开关电容滤波后，实际的取样信号与反相的缘故。b、观察段落码。把信号减小至40mv左右。记录下4个取样点的编码值，并与a、的记录结果进行比较。大信号的段落码落在第7、8段。而小信号的段落码落在第3、4段。在作较大范围变化时，其段落码才开始发生变化。c、观察段内电平码。信号40 mv (有效值)。线接, 线接，微调，观察每个取样点第5、6、7、8码位变化。你会发现，只要作极其微小的变动其段内电平码也是不一样的。从这里看出PCM的编码精度是比较高的。记录9mv，l0mv(有效值)的编码值。d、动态观察编码输出。调整，使信号在1000mv一40mv之间变化。观察输出的码型变化（不记录）。e、观察静态

44、输出码型。接1、2(即无信号输入时)，PCM编码本应输出全0码，但输出变为1、0交替码。这是根据国际电报委员会规定。编码器输出偶位翻转（ADI）以利于传输时钟提取，与P3比较码位有闪动的是哪一位信号。f、观察解码输出。输出1、0交替码时，把线改接。此时解码器无信号输出。再把线改接，此时无信号输入。然后，接3.4，调整，随着幅度增大，输出同步增长。幅度减小时，输出同步减小。并且输出波形较好。g、观察功放输出。把线改接，打开音量电位器，可看到放大了的信号，把接2、4，喇叭会有2KHz音频信号。2、试听译码还原信号FM收音机接收电台信号用耳机连接线接FM收音机和实验板，接1.2，示波器A线接，调，使

45、观察到音频信号为最大，音量电位器开置最大，示波器B线接，接2、4，细观察试听还原的信号。(四) PCM多路编、译码实验开关位置：接1、2，即送外非同步信号；接1、2，即选择多路编译码工作状态 接1、3，即功放输出接假负载1. 观察静态时多路PCM编码输出波形线接, 线接取样脉冲8KHz，把示波器扫描频率转至较低时，两个窄脉冲间就是PCM基群的一帧时间。把示波器扫描频率转至较高的位置，A线有稳定的1、0交替码输出，从往后数八位码，这就是一帧的一个时隙。把线改接，静态时无解码信号输出。注意，这里未加入同步时隙(请参考图1.12)。2. 观察有信号时多路PCM编码输出波形接3、4，送入2 KHz音频

46、信号，这时编码输出波形立即变为码位发生模糊，这就表明已经编了码，看不到码元变化是由于信号每次取样值都不一样，其编码码型不同，在示波器显示同一位置，有时为“1“码，有时为“0”码，由于示波器平均余辉作用，我们只能观察到两条线。3. 接3、4，线接，线接，调节大小，与同步增大或减小。4. 接2、4，接1、2，把电位器调至较大，用收音机接收调频信号，用耳机连接线连接收音机和实验板耳机插孔，打开音量电位器，试听编码、译码还原的信号，用示波器观察和的音频信号。七、实验报告1. 整理实验记录，画出相应的曲线和波形，标时序相位关系。2. PCM编译码系统由哪些部分构成?各部分的作用是什么?3. 对PCM和系

47、统的系统性能进行比较，总结它们各自的特点。4. 在实际的通信系统中收端(译码)部分的定时信号是怎样获取的?5. 对改进实验有什么建议?八、学生常犯的测量错误1. 学生只单独测量、画出某点波形，没有标出PCM严格的时序关系。且使用ALT测量挡。正确测量方法，示波器选Chop挡（断续），标出输入输出及各测量点严格时序关系。2. 测量时钟、编码信号、抽样脉冲时，把示波器Y衰减置mv档测量，观察到的是感应高频信号，并非真实信号波形。正确测量方法是示波器Y衰减置0.2V档，探头置×10档，即每格为2VP-P进行测量。实验三 HDB3编译码实验一、实验目的了解由二进制单极性码变换为AMI码HDB

48、3码的编码译码规则，掌握它的工作原理和实验方法。二、实验内容 1伪随机码基带信号实验2AMI码实验1）AMI码编码实验2) AMI码译码实验3) AMI码位同步提取实验3HDB3编码实验4HDB3译码实验5HDB3位同步提取实验6AMI和HDB3位同步提取比较实验三、基本原理:PCM信号基带传输线路码型PCM信号在电缆信道中传输时一般采用基带传输方式，尽管是采用基带传输方式，但也不是将PCM编码器输出的单极性码序列直接送入信道传输，因为单极性脉冲序列的功率谱中含有丰富的直流分量和较多的低频分量，不适于直接送人用变压器耦合的电缆信道传输，为了获得优质的传输特性，一般是将单数性脉冲序列进行码型变换

49、，以适应传输信道的特性。(一)传输码型的选择在选择传输码型时，要考虑信号的传输信道的特性以及对定时提取的要求等。归结起来， 传输码型的选择，要考虑以下几个原则:1传输信道低频截止特性的影响在电缆信道传输时，要求传输码型的频谱中不应含有直流分量，同时低频分量要尽量少。原因是PCM端机，再生中继器与电缆线路相连接时，需要安装变压器，以便实现远端供电(因设置无人站)以及平衡电路与不平衡电路的连接。图3.1是表示具有远端供电时变压器隔离电源的作用，以保护局内设备。图3.1变压器的隔离作用 由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性，如果信码流中存在直流和低频成分，则无法通过变压器，否则将引起波形失真。2

50、码型频谱中高频分量的影响一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁辐射而引起的串话是随着频宰的升高而加剧，因此要求频谱中高频分量尽量少，否则因串话会限制信号的传输距离或传播容量。3定时时钟的提取码型频谱中应含有定时时钟信息，以便再生中继器接收端提取必需的时钟信息。4码型具有误码检测能力若传输码型有一定的规律性，那么就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测。5.码型变换设备简单，易于实现 (二)常用的传输码型1单极性码单极性码是一种最简单、最基本的码型。图3.2(a)是全占空(占空比100%)单极性码(NRZ)及其频谱，图(b)是半占空(占空比50%)单极性码及其频谱。单极性码的直流成分

51、，信号能量大部分集中在低频部分，另外占空比越大，则直流成分也越大，信号能量越集中在低频部分。由于单极性码存在上述缺点，它不适合于作为信道传输码型，但在设备内部的传输多采用单极性码。为了减少码间干扰和便于时钟提取，常采用含有时钟频率的单极性半占空码。2传号交替反转码(AMI码)图3.2(c)所示是双极性半占空码，由于传号码(“1”码)的极性是交替反转的，所以又称传号交替反转码，简称AMI，AMI码与二进码序列的关系是：二进码序列中“0”仍编为“0”；而二进码序列中的“1”码则交替地变为“+1”码及“-1”码，例如：二进码序列： 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 AMI序列： +1 -1 0

52、 +1 0 0 0 0 1 +1 由于AMI码的传号码前后交替反转，所以该码没有直流分量，高频、低频成分也较少，而且能量集中在fB/2处，但无时钟频率fB成分(这无关紧要，可在接收端采用全波整流方法。将AMI码还原成单极性半占空码，就可提取时钟信息)。从频谱中可以看出它有以下优点:无直流成分，低频成分也少，有利于采用变压器进行远供电源的隔离，而且对变压器的要求(如体积)也可以降低。高频成分少，不仅可节省信道频带，同时也可以减少串话，因信码能量集中在fB/2处，所以通常以fB/2频率来衡量信道的传输质量。码型提供了一定的检错能力，因为传号码的极性是交替反转的，如果发现传号码的极性不是交替反转的，

53、就一定出现误码，因而可以检出单个误码。码型频谱中，虽无时钟频率成分，但AMI码经过非线性处理(全波整流)，变换单极性码后，就会有时钟fB成分由于上述优点，AMI码广泛使用于PCM系统中，它是CCITT建议采用的码型之一。AMI序列的电路及其对应的波形如图3.3所示。AMI编码的缺点是二进制序列中的“0”码变换后仍然是“0”码，如原二进制序列中连“0”码过多，则变换后AMI序列中仍然是连“0”过多，这就不利于定时信息的提取，为了克服这一缺点又提出了采用HDB3码的方案。3三阶高密度双极性码(HDB3码)HDB3码是三阶高密度双极性码简称，HDB3码保留了AMI码所有优点，还可将连“0”码限制在3

54、 个以内，它克服了AMI码对“0”码个数无法限制的缺点。HDB3码序列的频谱如图3.2(c)所示。图3.2 传输码型及其频谱HDB3码编码规则:二进制序列变换为HDB3码按下列规则进行：(1)HDB3是伪三进码，它的三个状态可用+1，-1和0来表示；(2)二进制信号序列中的“0”码在HDB3码中仍编为“0”码，但对出现四个连“0”码时应按特殊规律编码；(3)二进制信号中“1”码，在HDB3码中应交替地成+1和-1码(信号交替反转），但在编四个连“0”码时要引入传号交替反转码的“破坏点”V码(V码本身就是“1”码，可正、可负)；(4)二进制序列中四个连“0”按以下规则编码：(a)信码中出现四个连“0”码时，要将这四个连“0”码用000V或B00V取代节来代替。(B也是“1”码，可正、可负)。B、V为附加的