实验一 第二章 模拟信号数字化

1、第二章 模拟信号数字化实验一 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、终端模块（可选）4、频谱分析模块（可选）5、20M双踪示波器 一台6、频率计（可选） 一台7、音频信号发生器（可选） 一台8、立体声单放机（可选） 一台9

2、、立体声耳机（可选） 一副10、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5-1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5-1 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

3、，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5-2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5-2 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

4、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。图5-3 脉冲幅度调制原理框图但是，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5-3所示的原理方框图。具体的电路原理图如图5-4所示。图5-4 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

5、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5-5所

6、示。图5-5 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

7、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。 注：以下将正弦波选定为2020Hz和2000Hz两种频率，是为了能够清晰、稳定的双路观察正弦信号、抽样脉冲及PAM调制信号三者之间的关系。 （1）占空比为1/2的抽样脉冲信号PAM实验正弦信号选择2

8、020Hz，“24位NRZ码型设置”为10101010 10101010 10101010，“BCD码分频值设置”为00000001 00100100（124分频）。 （2）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）。 （3）占空比为1/4的抽样脉冲信号PAM实验正弦信号选择2020Hz，“24位NRZ码型设置”为10001000 10001000 10001000，“BCD码分频值设置”为00000000 01100010

9、（62分频）。 （4）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）。 （5）占空比为1/8的抽样脉冲信号PAM实验正弦信号选择2020Hz，“24位NRZ码型设置”为10000000 10000000 10000000，“BCD码分频值设置”为00000000 00110001（31分频）。4、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、输入、输出点参考说明1、输入点参

10、考说明PAM音频输入：基带正弦信号输入点。PAM时钟输入：抽样时钟信号输入点。解调输入： PAM信号解调输入点。2、输出点参考说明调制输出： PAM调制信号输出点。解调输出： PAM解调信号输出点。七、实验报告要求1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。2、根据实验测试记录，在坐标纸上画出各测量点的波形图，并分析实验现象。3、对实验思考题加以分析，按照要求做出回答，并尝试画出本实验的电路原理图。八、实验思考题1、简述抽样定理。2、在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？3、造成系统失真的原因有哪些？4、为什么采用低通滤波器就可以完成PAM解调？实验二 脉冲编码调制与解调实验一、实验

11、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、20M双踪示波器 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

12、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6-1所示。 图6-1 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

13、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6-2所示。图6-2 均匀量化过程示意图

14、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

15、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

16、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6-3所示。图6-3 13折线表6-1列出了13折线时的值与计算得的值的比较。表 6-10101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

17、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6-2 段落码 表6-3 段内码段落序

18、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

19、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6-2所示，段内码与16个量化级之间的关系见表6-3。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

20、，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

21、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。）（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”。（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、