實驗一 CPLD可編程數(shù)字信號發(fā)生器實驗

1、武漢凌特電子技術(shù)有限公司 LTE-TX-02E通訊原理實驗指導書目 錄目 錄I第一章 信號源實驗1實驗一 CPLD可編程數(shù)字信號發(fā)生器實驗1實驗二 模擬信號源實驗6第二章 語音編碼技術(shù)121實驗三 抽樣定理和PAM調(diào)制解調(diào)實驗121實驗四 脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實驗20第三章 數(shù)字調(diào)制技術(shù)342實驗五 振幅鍵控（ASK）調(diào)制與解調(diào)實驗342實驗六 移頻鍵控FSK調(diào)制與解調(diào)實驗402實驗七 移相鍵控（PSK/DPSK）調(diào)制與解調(diào)實驗46第四章 數(shù)字基帶傳輸技術(shù)543實驗八 碼型變換實驗54第五章 同步技術(shù)614實驗九 載波同步提取實驗614實驗十 位同步提取實驗674實驗十一 幀同步提取實驗76第六章

2、 時分復用技術(shù)855實驗十二 兩路PCM時分復用實驗855實驗十三 兩路PCM解復用實驗91第七章 系統(tǒng)實驗946實驗十四 載波傳輸系統(tǒng)實驗946實驗十五 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實驗96南開大學信息技術(shù)科學學院 LTE-TX-02E型通信原理實驗指導書第一章 信號源實驗實驗一 CPLD可編程數(shù)字信號發(fā)生器實驗一、 實驗目的1、 熟悉各種時鐘信號的特點及波形。2、 熟悉各種數(shù)字信號的特點及波形。二、 實驗內(nèi)容1、 熟悉CPLD可編程信號發(fā)生器各測量點波形。2、 測量并分析各測量點波形及數(shù)據(jù)。3、 學習CPLD可編程器件的編程操作。三、 實驗器材1、 信號源模塊 一塊2、 連接線 若干3、 20M雙蹤示

3、波器 一臺四、 實驗原理CPLD可編程模塊用來產(chǎn)生實驗系統(tǒng)所需要的各種時鐘信號和各種數(shù)字信號。它由CPLD可編程器件ALTERA公司的EPM240T100C5、下載接口電路和一塊晶振組成。晶振JZ1用來產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)的32.768MHz主時鐘。1、 CPLD數(shù)字信號發(fā)生器包含以下五部分：1) 時鐘信號產(chǎn)生電路將晶振產(chǎn)生的32.768MHZ時鐘送入CPLD內(nèi)計數(shù)器進行分頻，生成實驗所需的時鐘信號。通過撥碼開關(guān)S4和S5來改變時鐘頻率。有兩組時鐘輸出，輸出點為“CLK1”和“CLK2”，S4控制“CLK1”輸出時鐘的頻率，S5控制“CLK2”輸出時鐘的頻率。2) 偽隨機序列產(chǎn)生電路通常產(chǎn)生偽隨機序列的

4、電路為一反饋移存器。它又可分為線性反饋移存器和非線性反饋移存器兩類。由線性反饋移存器產(chǎn)生出的周期最長的二進制數(shù)字序列稱為最大長度線性反饋移存器序列，通常簡稱為m序列。以15位m序列為例，說明m序列產(chǎn)生原理。在圖1-1中示出一個4級反饋移存器。若其初始狀態(tài)為（）（1,1,1,1），則在移位一次時和模2相加產(chǎn)生新的輸入，新的狀態(tài)變?yōu)椋ǎ?,1,1,1），這樣移位15次后又回到初始狀態(tài)（1,1,1,1）。不難看出，若初始狀態(tài)為全“0”,即“0,0,0,0”，則移位后得到的仍然為全“0”狀態(tài)。這就意味著在這種反饋寄存器中應避免出現(xiàn)全“0”狀態(tài)，不然移位寄存器的狀態(tài)將不會改變。因為4級移存器共有24=

5、16種可能的不同狀態(tài)。除全“0”狀態(tài)外，剩下15種狀態(tài)可用，即由任何4級反饋移存器產(chǎn)生的序列的周期最長為15。圖1-1 15位m序列產(chǎn)生信號源產(chǎn)生一個15位的m序列，由“PN”端口輸出，可根據(jù)需要生成不同頻率的偽隨機碼，碼型為111100010011010，頻率由S4控制，對應關(guān)系如表1-2所示。3) 幀同步信號產(chǎn)生電路信號源產(chǎn)生8K幀同步信號，用作脈沖編碼調(diào)制的幀同步輸入，由“FS”輸出。4) NRZ碼復用電路以及碼選信號產(chǎn)生電路碼選信號產(chǎn)生電路：主要用于8選1電路的碼選信號；NRZ碼復用電路：將三路八位串行信號送入CPLD，進行固定速率時分復用，復用輸出一路24位NRZ碼，輸出端口為“NR

6、Z”，碼速率由撥碼開關(guān)S5控制，對應關(guān)系見表1-2。5) 終端接收解復用電路將NRZ碼（從“NRZIN”輸入）、位同步時鐘（從“BS”輸入）和幀同步信號（從“FSIN”輸入）送入CPLD，進行解復用，將串行碼轉(zhuǎn)換為并行碼，輸出到終端光條（U6和U4）顯示。2、 24位NRZ碼產(chǎn)生電路本單元產(chǎn)生NRZ信號，信號速率根據(jù)輸入時鐘不同自行選擇，幀結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。幀長為24位，其中首位無定義（本實驗系統(tǒng)將首位固定為0），第2位到第8位是幀同步碼（7位巴克碼1110010），另外16位為2路數(shù)據(jù)信號，每路8位。此NRZ信號為集中插入幀同步碼時分復用信號。光條（U1、U2和U3）對應位亮狀態(tài)表示信號1

7、，滅狀態(tài)表示信號0。圖1-2 幀結(jié)構(gòu)1) 并行碼產(chǎn)生器由手動撥碼開關(guān)S1、S2、S3控制產(chǎn)生幀同步碼和16路數(shù)據(jù)位，每組發(fā)光二極管的前八位對應8個數(shù)據(jù)位。撥碼開關(guān)撥上為1，撥下為0。2）八選一電路采用8路數(shù)據(jù)選擇器74LS151，其管腳定義如圖1-3所示。真值表如表1-1所示。表1-1 74LS151真值表CBASTRYLLLLD0LLHLD1LHLLD2LHHLD3HLLLD4HLHLD5HHLLD6HHHLD7HL圖1-3 74LS151管腳定義74LS151為互補輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，數(shù)據(jù)選擇端（地址端）為C、B、A，按二進制譯碼，從8個輸入數(shù)據(jù)D0D7中選擇一個需要的數(shù)據(jù)。STR為選

8、通端，低電平有效。本信號源采用三組8選1電路，U12，U13，U15的地址信號輸入端A、B、C分別接CPLD輸出的74151_A、74151_B、74151_C信號，它們的8個數(shù)據(jù)信號輸入端D0D7分別與S1,S2,S3輸出的8個并行信號相連。由表1-1可以分析出U12，U13，U15輸出信號都是以8位為周期的串行信號。五、 測試點說明CLK1：第一組時鐘信號輸出端口，通過撥碼開關(guān)S4選擇頻率。CLK2：第二組時鐘信號輸出端口，通過撥碼開關(guān)S5選擇頻率。FS：脈沖編碼調(diào)制的幀同步信號輸出端口。（窄脈沖，頻率為8K）NRZ：24位NRZ信號輸出端口，碼型由撥碼開關(guān)S1，S2，S3控制，碼速率和第

9、二組時鐘速率相同，由S5控制。PN：偽隨機序列輸出，碼型為111100010011010，碼速率和第一組時鐘速率相同，由S4控制。NRZIN：解碼后NRZ碼輸入。BS：NRZ碼解復用時的位同步信號輸入。FSIN：NRZ碼解復用時的幀同步信號輸入。六、 實驗步驟1、 打開信號源模塊的電源開關(guān)POWER1，使信號源模塊工作。2、 觀測時鐘信號輸出波形。信號源輸出兩組時鐘信號，對應輸出點為“CLK1”和“CLK2”，撥碼開關(guān)S4的作用是改變第一組時鐘“CLK1”的輸出頻率，撥碼開關(guān)S5的作用是改變第二組時鐘“CLK2”的輸出頻率。撥碼開關(guān)撥上為1，撥下為0，撥碼開關(guān)和時鐘的對應關(guān)系如下表所示表1-2

10、撥碼開關(guān)時鐘撥碼開關(guān)時鐘000032.768M1000128K000116.384M100164K00108.192M101032K00114.096M101116K01002.048M11008K01011.024M11014K0110512K11102K0111256K11111K1) 根據(jù)表1-2改變S4，用示波器觀測第一組時鐘信號“CLK1”的輸出波形；2) 根據(jù)表1-2改變S5，用示波器觀測第二組時鐘信號“CLK2”的輸出波形。3、 用示波器觀測幀同步信號輸出波形信號源提供脈沖編碼調(diào)制的幀同步信號，在點“FS”輸出，一般時鐘設(shè)置為2.048M、256K，在后面的實驗中有用到。將撥碼開

11、關(guān)S4分別設(shè)置為“0100”、“0111”或別的數(shù)字，用示波器觀測“FS”的輸出波形。4、 用示波器觀測偽隨機信號輸出波形偽隨機信號碼型為111100010011010，碼速率和第一組時鐘速率相同，由S4控制。根據(jù)表1-2改變S4，用示波器觀測“PN”的輸出波形。5、 觀測NRZ碼輸出波形信號源提供24位NRZ碼，碼型由撥碼開關(guān)S1，S2，S3控制，碼速率和第二組時鐘速率相同，由S5控制。1) 將撥碼開關(guān)S1，S2，S3設(shè)置為“01110010 11001100 10101010”，S5設(shè)為“1010”，用示波器觀測“NRZ”輸出波形。2) 保持碼型不變，改變碼速率（改變S5設(shè)置值），用示波器

12、觀測“NRZ”輸出波形。3) 保持碼速率不變，改變碼型（改變S1、S2、S3設(shè)置值），用示波器觀測“NRZ”輸出波形。七、 實驗報告要求1、 分析各種時鐘信號及數(shù)字信號產(chǎn)生的方法，敘述其功用。2、 畫出各種時鐘信號及數(shù)字信號的波形。3、 記錄實驗過程中遇到的問題并進行分析，提出改進建議。第 99 頁 共210頁實驗二 模擬信號源實驗一、實驗目的1、熟悉各種模擬信號的產(chǎn)生方法及其用途。2、觀察分析各種模擬信號波形的特點。二、實驗內(nèi)容1、測量并分析各測量點波形及數(shù)據(jù)。2、熟悉幾種模擬信號的產(chǎn)生方法，了解信號的來源、變換過程和使用方法。三、實驗器材1、信號源模塊 一塊2、連接線 若干3、20M雙蹤示

13、波器 一臺四、實驗原理 模擬信號源電路用來產(chǎn)生實驗所需的各種低頻信號：同步正弦波信號、非同步信號和音樂信號。（一）同步信號源（同步正弦波發(fā)生器）1、 功用同步信號源用來產(chǎn)生與編碼數(shù)字信號同步的2KHz正弦波信號，可用在PAM抽樣定理、增量調(diào)制、PCM編碼實驗，作為模擬輸入信號。在沒有數(shù)字存貯示波器的條件下，用它作為編碼實驗的輸入信號，可在普通示波器上觀察到穩(wěn)定的編碼數(shù)字信號波形。2、 電路原理圖2-1為同步正弦信號發(fā)生器的電路圖。它由2KHz方波信號產(chǎn)生器（圖中省略了）、同相放大器和低通濾波器三部分組成。圖2-1 同步正弦波產(chǎn)生電路2KHz的方波信號由CPLD可編程器件U8內(nèi)的邏輯電路通過編程

14、產(chǎn)生?！?K同步正弦波”為其測量點。U19A及周邊的電阻組成一個的同相放大電路，起到隔離和放大作用，。U19C及周邊的阻容網(wǎng)絡(luò)組成一個截止頻率為2K的二階低通濾波器，濾除方波信號里的高次諧波和雜波，得到正弦波信號。調(diào)節(jié)W1改變同相放大器的放大增益，從而改變輸出正弦波的幅度（05V）。（二）非同步信號源非同步信號源利用混合信號SoC型8位單片機C8051F330，采用DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)產(chǎn)生。通過波形選擇器S6選擇輸出波形，對應發(fā)光二極管亮。它可產(chǎn)生頻率為180Hz18KHz的正弦波、180Hz10KHz的三角波和250Hz250KHz的方波信號。按鍵S7、S8分別可對各波形頻率進行增

15、減調(diào)整。非同步信號輸出幅度為04V，通過調(diào)節(jié)W4改變輸出信號幅度?？衫盟ㄐ缘赜^察通信話路的頻率特性，同時用作增量調(diào)制、脈沖編碼調(diào)制實驗的模擬輸入信號。圖2-2 非同步信號發(fā)生器電路圖（三）音樂信號產(chǎn)生電路1、功用音樂信號產(chǎn)生電路用來產(chǎn)生音樂信號，作模擬輸入信號檢查話音信道的開通情況及通話質(zhì)量。2、工作原理圖2-3 音樂信號產(chǎn)生電路音樂信號產(chǎn)生電路見圖2-3。音樂信號由U21音樂片厚膜集成電路產(chǎn)生。該片的1腳為電源端，2腳為控制端，3腳為輸出端，4腳為公共地端。VCC經(jīng)R34、D4向U21的1腳提供3.3V電源電壓，當2腳通過K1輸入控制電壓+3.3V時，音樂片即有音樂信號從第3腳輸出，經(jīng)低

16、通濾波器輸出，輸出端口為“音樂輸出”（四）載波產(chǎn)生電路1、功用載波產(chǎn)生電路用來產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制所需的正弦波信號，頻率有64KHz和128KHz兩種。2、工作原理64K載波產(chǎn)生電路如圖2-4所示，128K載波產(chǎn)生電路如圖2-5所示64KHz(128KHz)的方波信號由CPLD可編程器件U8內(nèi)的邏輯電路通過編程產(chǎn)生?！?4K同步正弦波”（“64K”同步正弦波）為其測量點。U17A(U18A)及周邊的電阻組成一個的同相放大電路，起到隔離和放大作用。U17D(U18D)及周邊的阻容網(wǎng)絡(luò)組成一個截止頻率為64K（128KHz）的二階低通濾波器，濾除方波信號里的高次諧波和雜波，得到正弦波信號。調(diào)節(jié)W2(W3)

17、改變同相放大器的放大增益，從而改變輸出正弦波的幅度（05V）。圖2-4 64K載波產(chǎn)生電路圖2-5 128K載波產(chǎn)生電路五、測試點說明2K同步正弦波：2K的正弦波信號輸出端口，幅度（05V）由W1調(diào)節(jié)。64K同步正弦波：64K的正弦波信號輸出端口，幅度（05V）由W2調(diào)節(jié)。128K同步正弦波：128K的正弦波信號輸出端口，幅度（05V）由W3調(diào)節(jié)。非同步信號源：普通正弦波、三角波和方波信號輸出端口，波形由S6選擇，頻率由S7、S8調(diào)節(jié)，幅度(04V)由W4調(diào)節(jié)。音樂輸出：音樂片輸出端口。音頻信號輸入：音頻功放輸入端口（功放輸出信號幅度由W6調(diào)節(jié)）。K1：音樂片信號選擇開關(guān)。K2：揚聲器輸出選擇

18、開關(guān)。W6：調(diào)節(jié)揚聲器音量。六、實驗步驟1、 用示波器測量“2K同步正弦波”、“64K同步正弦波”、“128K同步正弦波”各點輸出的正弦波波形，對應的電位器W1，W2，W3可分別改變各正弦波的幅度。2、 用示波器測量“非同步信號源”輸出波形。1) 按鍵S6選擇為“正弦波”，改變W4，調(diào)節(jié)信號幅度（調(diào)節(jié)范圍為04V），用示波器觀察輸出波形。2) 保持信號幅度為3V，改變S7、S8，調(diào)節(jié)信號頻率（調(diào)節(jié)范圍為180Hz18KHz），用示波器觀察輸出波形。3) 將波形分別選擇為三角波、方波，重復上面兩個步驟。3、 將控制開關(guān)K1設(shè)為“ON”，令音樂片加上控制信號，產(chǎn)生音樂信號輸出，用示波器在“音樂輸出

19、”端口觀察音樂信號輸出波形。七、實驗報告要求1、畫出各測量點波形，并進行分析。2、畫出各模擬信號源的電路組成方框圖，敘述其工作原理。3、記錄實驗過程中遇到的問題并進行分析，提出改進建議。南開大學信息技術(shù)科學學院 LTE-TX-02E型通信原理實驗指導書第二章 語音編碼技術(shù)實驗三 抽樣定理和PAM調(diào)制解調(diào)實驗一、 實驗目的1、 通過脈沖幅度調(diào)制實驗，使學生能加深理解脈沖幅度調(diào)制的原理。2、 通過對電路組成、波形和所測數(shù)據(jù)的分析，加深理解這種調(diào)制方式的優(yōu)缺點。二、 實驗內(nèi)容1、 觀察模擬輸入正弦波信號、抽樣時鐘的波形和脈沖幅度調(diào)制信號，并注意觀察它們之間的相互關(guān)系及特點。2、 改變模擬輸入信號或抽

20、樣時鐘的頻率，多次觀察波形。 三、 實驗器材1、 信號源模塊 一塊2、 號模塊 一塊3、 20M雙蹤示波器 一臺4、 連接線 若干四、 實驗原理（一）基本原理1、抽樣定理抽樣定理表明：一個頻帶限制在（0，）內(nèi)的時間連續(xù)信號，如果以T秒的間隔對它進行等間隔抽樣，則將被所得到的抽樣值完全確定。假定將信號和周期為T的沖激函數(shù)相乘，如圖3-1所示。乘積便是均勻間隔為T秒的沖激序列，這些沖激序列的強度等于相應瞬時上的值，它表示對函數(shù)的抽樣。若用表示此抽樣函數(shù)，則有：圖3-1 抽樣與恢復假設(shè)、和的頻譜分別為、和。按照頻率卷積定理，的傅立葉變換是和的卷積：因為 所以 由卷積關(guān)系，上式可寫成 該式表明，已抽樣

21、信號的頻譜是無窮多個間隔為s的相迭加而成。這就意味著中包含的全部信息。需要注意，若抽樣間隔T變得大于，則和的卷積在相鄰的周期內(nèi)存在重疊（亦稱混疊），因此不能由恢復?？梢?，是抽樣的最大間隔，它被稱為奈奎斯特間隔。上面討論了低通型連續(xù)信號的抽樣。如果連續(xù)信號的頻帶不是限于0與之間，而是限制在（信號的最低頻率）與（信號的最高頻率）之間（帶通型連續(xù)信號），那么，其抽樣頻率并不要求達到，而是達到2B即可，即要求抽樣頻率為帶通信號帶寬的兩倍。00圖3-2畫出抽樣頻率2B（無混疊）和2B（有混疊）時兩種情況下沖激抽樣信號的頻譜。(a) 連續(xù)信號的頻譜100 （b） 高抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（無混疊）0

22、10（c） 低抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（混疊）圖3-2 采用不同抽樣頻率時抽樣信號的頻譜2、脈沖振幅調(diào)制（PAM）所謂脈沖振幅調(diào)制，即是脈沖載波的幅度隨輸入信號變化的一種調(diào)制方式。如果脈沖載波是由沖激脈沖組成的，則前面所說的抽樣定理，就是脈沖增幅調(diào)制的原理。但是實際上真正的沖激脈沖串并不能付之實現(xiàn)，而通常只能采用窄脈沖串來實現(xiàn)。因而，研究窄脈沖作為脈沖載波的PAM方式，將具有實際意義。圖3-3 自然抽樣及平頂抽樣波形PAM方式有兩種：自然抽樣和平頂抽樣。自然抽樣又稱為“曲頂”抽樣，已抽樣信號ms(t)的脈沖“頂部”是隨m(t)變化的，即在頂部保持了m(t)變化的規(guī)律（如圖3-3所示）。平頂抽

23、樣所得的已抽樣信號如圖3-3所示，這里每一抽樣脈沖的幅度正比于瞬時抽樣值，但其形狀都相同。在實際中，平頂抽樣的PAM信號常常采用保持電路來實現(xiàn)，得到的脈沖為矩形脈沖。（二) 電路組成 脈沖幅度調(diào)制實驗系統(tǒng)如圖3-4所示，主要由抽樣保持芯片LF398和解調(diào)濾波電路兩部分組成，電路原理圖如圖3-5所示。圖3-4 脈沖振幅調(diào)制電路原理框圖圖3-5 脈沖幅度調(diào)制電路原理圖（三）實驗電路工作原理1、 PAM調(diào)制電路如圖3-5所示，LF398是一個專用的采樣保持芯片，它具有很高的直流精度和較高的采樣速率，器件的動態(tài)性能和保持性能可以通過合適的外接保持電容達到最佳。LF398的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示； 圖3

24、-6 LF398的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)N1是輸入緩沖放大器，N2是高輸入阻抗射極輸出器。S為邏輯控制采樣/保持開關(guān)，當S接通時，開始采樣；當S斷開時，開始保持。LF398的引腳功能為：3、12腳：正負電源輸入端。1腳：Vi，模擬電壓輸入端。11腳：MCTR，邏輯控制輸入端，高電平為采樣，低電平為保持。10腳：MREF，邏輯控制電平參考端，一般接地。8腳：HOC，采樣/保持電容接入端。7腳：OUT，采樣/保持輸出端。如圖3-5所示，被抽樣信號從PAM-SIN輸入，進入LF398的1腳Vi端，經(jīng)內(nèi)部輸入緩沖放大器N1放大后送到模擬開關(guān)S，此時，將抽樣脈沖作為S的控制信號，當LF398的11腳MCTR端為高

25、電平時開關(guān)接通，為低電平時開關(guān)斷開。然后經(jīng)過射極輸出器N2輸出比較理想的脈沖幅度調(diào)制信號。K1為“平頂抽樣”、“自然抽樣”選擇開關(guān)。2、PAM解調(diào)與濾波電路解調(diào)濾波電路由集成運放電路TL084組成。組成了一個二階有源低通濾波器，其截止頻率設(shè)計在3.4KHz左右，因為該濾波器有著解調(diào)的作用，因此它的質(zhì)量好壞直接影響著系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該電路還在后續(xù)實驗接收部分有用到。電路如圖3-7所示圖3-7 PAM解調(diào)濾波電路五、 測試點說明1、輸入點參考說明PAM-SIN：音頻信號輸入端口PAMCLK：抽樣時鐘信號輸入端口IN：PAM解調(diào)濾波電路輸入端口2、輸出點說明自然抽樣輸出：自然抽樣信號輸出端口平頂抽樣

26、輸出：平頂抽樣信號輸出端口OUT：PAM解調(diào)濾波輸出端口六、 實驗步驟及注意事項1、 將信號源模塊、模塊1固定在主機箱上，將黑色塑封螺釘擰緊，確保電源接觸良好。2、 插上電源線，打開主機箱右側(cè)的交流開關(guān)，將信號源模塊和模塊1的電源開關(guān)撥下，觀察指示燈是否點亮，紅燈為+5V電源指示燈，綠燈為-12V電源指示燈，黃色為+12V電源指示燈。（注意，此處只是驗證通電是否成功，在實驗中均是先連線，再打開電源做實驗，不要帶電連線）。3、 觀測PAM自然抽樣波形1) 用示波器觀測信號源“2K同步正弦波”輸出，調(diào)節(jié)W1改變輸出信號幅度，使輸出信號峰-峰值在4V左右。2) 將信號源上S4設(shè)為“1010”，使“C

27、LK1”輸出32K時鐘。3) 將模塊1上K1選到“自然”。4) 關(guān)閉電源，按如下方式連線源端口目標端口連線說明信號源：“2K同步正弦波”模塊1:“PAM-SIN”提供被抽樣信號信號源：“CLK1”模塊1:“PAMCLK”提供抽樣時鐘* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源5) 用示波器在“自然抽樣輸出”處觀察PAM自然抽樣波形。4、 觀測PAM平頂抽樣波形a) 用示波器觀測信號源“2K同步正弦波”輸出，調(diào)節(jié)W1改變輸出信號幅度，使輸出信號峰-峰值在4V左右。b) 將信號源上S1、S2、S3依次設(shè)為“10000000”、“10000000”、“10000000”，將S5撥為“1000”，使“NR

28、Z”輸出速率為128K，抽樣頻率為：NRZ頻率/8（實驗中的電路，NRZ為“1”時抽樣，為“0”時保持。在平頂抽樣中，抽樣脈沖為窄脈沖）。c) 將K1設(shè)為“平頂”。關(guān)閉電源，按下列方式進行連線。源端口目標端口連線說明信號源：“2K同步正弦波模塊1：“PAM-SIN”提供被抽樣信號信號源：“NRZ”模塊1：“PAMCLK”提供抽樣脈沖d) 打開電源，用示波器在“平頂抽樣輸出”處觀察平頂抽樣波形。5、 改變抽樣時鐘頻率，觀測自然抽樣信號，驗證抽樣定理。6、 觀測解碼后PAM波形與原信號的區(qū)別1) 步驟3的前3步不變,按如下方式連線源端口目標端口連線說明信號源：“2K同步正弦波”模塊1:“PAM-S

29、IN”提供被抽樣信號信號源：“CLK1”模塊1:“PAMCLK”提供抽樣時鐘模塊1:“自然抽樣輸出”模塊1:“IN”將PAM信號進行譯碼2) 將K1設(shè)為“自然”，用“PAM-SIN”信號做示波器的觸發(fā)源，用雙蹤示波器對比觀測“PAM-SIN”和“OUT”波形。7、 將信號源產(chǎn)生的音樂信號輸入到模塊1的“PAM-SIN”，“自然抽樣輸出”和“IN”相連，PAM解調(diào)信號輸出到信號源上的“音頻信號輸入”，通過揚聲器聽語音，感性判斷該系統(tǒng)對話音信號的傳輸質(zhì)量。七、 實驗思考題1、 簡述平頂抽樣和自然抽樣的原理及實現(xiàn)方法。2、 在抽樣之后，調(diào)制波形中包不包含直流分量，為什么？3、 造成系統(tǒng)失真的原因有哪

30、些？4、 為什么采用低通濾波器就可以完成PAM解調(diào)？八、 實驗報告要求1、 分析電路的工作原理，敘述其工作過程。2、 繪出所做實驗的電路、儀表連接調(diào)測圖。并列出所測各點的波形、頻率、電壓等有關(guān)數(shù)據(jù)，對所測數(shù)據(jù)做簡要分析說明。必要時借助于計算公式及推導。3、 對實驗思考題加以分析，按照要求作出回答。實驗四 脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實驗一、 實驗目的1、 掌握脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)的原理。2、 掌握脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)范圍和頻率特性的定義及測量方法。3、 了解脈沖編碼調(diào)制信號的頻譜特性。4、 了解大規(guī)模集成電路W681512的使用方法。二、 實驗內(nèi)容1、 觀察脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)的結(jié)果，分析調(diào)制信號與基

31、帶信號之間的關(guān)系。2、 改變基帶信號的幅度，觀察脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)信號的信噪比的變化情況。3、 改變基帶信號的頻率，觀察脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)信號幅度的變化情況。4、 改變位同步時鐘，觀測脈沖編碼調(diào)制波形。三、 實驗器材1、 信號源模塊 一塊2、 號模塊 一塊3、 20M雙蹤示波器 一臺4、 立體聲耳機 一副5、 連接線 若干四、 實驗原理（一）基本原理模擬信號進行抽樣后，其抽樣值還是隨信號幅度連續(xù)變化的，當這些連續(xù)變化的抽樣值通過有噪聲的信道傳輸時，接收端就不能對所發(fā)送的抽樣準確地估值。如果發(fā)送端用預先規(guī)定的有限個電平來表示抽樣值，且電平間隔比干擾噪聲大，則接收端將有可能對所發(fā)送的抽樣準確地估值

32、，從而有可能消除隨機噪聲的影響。脈沖編碼調(diào)制（PCM）簡稱為脈碼調(diào)制，它是一種將模擬語音信號變換成數(shù)字信號的編碼方式。脈碼調(diào)制的過程如圖5-1所示。PCM主要包括抽樣、量化與編碼三個過程。抽樣是把時間連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成時間離散、幅度連續(xù)的抽樣信號；量化是把時間離散、幅度連續(xù)的抽樣信號轉(zhuǎn)換成時間離散、幅度離散的數(shù)字信號；編碼是將量化后的信號編碼形成一個二進制碼組輸出。國際標準化的PCM碼組（電話語音）是用八位碼組代表一個抽樣值。編碼后的PCM碼組，經(jīng)數(shù)字信道傳輸，在接收端，用二進制碼組重建模擬信號，在解調(diào)過程中，一般采用抽樣保持電路。預濾波是為了把原始語音信號的頻帶限制在300Hz3400Hz

33、左右，所以預濾波會引入一定的頻帶失真。在整個PCM系統(tǒng)中，重建信號的失真主要來源于量化以及信道傳輸誤碼。通常，用信號與量化噪聲的功率比，即信噪比S/N來表示。國際電報電話咨詢委員會（ITU-T）詳細規(guī)定了它的指標，還規(guī)定比特率為64kbps，使用A律或律編碼律。下面將詳細介紹PCM編碼的整個過程，由于抽樣原理已在前面實驗中詳細討論過，故在此只講述量化及編碼的原理。圖5-1 PCM 調(diào)制原理框圖1、 量化從數(shù)學上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖5-2所示，量化器Q輸出L個量化值，k=1，2，3，L。常稱為重建電平或量化電平。當量化器輸入信號幅度落在

34、與之間時，量化器輸出電平為。這個量化過程可以表達為：這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。模擬入量化器量化值圖5-2 模擬信號的量化模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化，我們先討論均勻量化。把輸入模擬信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化。在均勻量化中，每個量化區(qū)間的量化電平均取在各區(qū)間的中點，如圖5-3所示。其量化間隔（量化臺階）取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。當輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)確定后，量化間隔也被確定。例如，輸入信號的最小值和最大值分用a和b表示，量化電平數(shù)為M，那么，均勻量化的量化間隔為：量化器輸出為： 當式中為第個量化區(qū)間的終點，可寫成 為第個量化區(qū)間

35、的量化電平，可表示為 上述均勻量化的主要缺點是，無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時的量化信噪比就難以達到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍，可見，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個缺點，實際中，往往采用非均勻量化。圖5-3 均勻量化過程示意圖非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量

36、化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，因此，本實驗模塊采用的PCM編碼方式也是A壓縮律。所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：A律壓擴特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴特性亦不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當復雜的。實際中，往往都采用近似于A律函數(shù)

37、規(guī)律的13折線（A=87.6）的壓擴特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，本實驗模塊中所用到的PCM編碼芯片W681512正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。圖5-4示出了這種壓擴特性。圖5-4 13折線表5-1列出了13折線時的值與計算值的比較。表 5-10101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421表中第二行的值是根據(jù)時計算得到的，第三行的值是13折線分段時的值?？梢?，13折線各段落的分界點與曲線十分逼近，同時按2的冪次分割有利于數(shù)字化。2、 編碼所謂編碼就是把量化后的信號變換成二進制碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和譯碼與差錯

38、控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。本實驗模塊中的編碼芯片W681512采用的是逐次比較型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。具

39、體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成27128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表5-2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表5-3?？梢?，上述編碼方法是把壓縮、量化和編碼合為一體的方法。表5-2 段落碼 表5-3 段內(nèi)碼段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010020

40、01300112001010001000100000（二）實驗電路說明本實驗采用大規(guī)模集成電路W681512對語音信號進行PCM編、解碼。W681512是應用于語音、模擬轉(zhuǎn)數(shù)字、數(shù)字轉(zhuǎn)模擬的單通道CODEC。此語音CODEC以全差動輸出功能來將噪音最小化。芯片符合ITU-T G.712及ITU-T G.711工業(yè)標準，所以能提供最可能的清晰訊號。W681512可工作在256KHz、512kHz、1536kHz、1544kHz、2048kHz、2560kHz和4096kHz。這里選擇編碼速率為2.048MHz，每一時隙數(shù)據(jù)為8位，幀同步信號為8KHz。模擬信號在編碼電路中，經(jīng)過抽樣、量化、編碼，

41、最后得到PCM編碼信號。在單路編譯碼器中，經(jīng)變換后的PCM碼是在一個時隙中被發(fā)送出去的，在其他的時隙中編譯碼器是沒有輸出的，即對一個單路編譯碼器來說，它在一個PCM幀（32個時隙）里，只在一個特定的時隙中發(fā)送編碼信號。同樣，譯碼電路也只是在一個特定的時隙（此時隙應與發(fā)送時隙相同，否則接收不到PCM編碼信號）里才從外部接收PCM編碼信號，然后進行譯碼，經(jīng)過帶通濾波器、放大器后輸出。下面對PCM編譯碼專用集成電路W681512芯片做一些簡單的介紹。圖5-6為W681512的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖，圖5-7是W681512的管腳排列圖。圖5-6 W681512邏輯方框圖44圖5-7 W681512管腳排列圖

42、3、 W681512管腳的功能（1）RO+：接收濾波器的非倒相輸出（2）RO-：接收濾波器的倒相輸出（3）PAI：功率放大器的倒相輸入（4）PAO-：功率放大器的倒相輸出（5）PAO+：功率放大器的非倒相輸出（6）VDD：供電引腳（7）FSR：接收幀同步脈沖，它啟動BCLKR，于是PCM數(shù)據(jù)移入PCMR，F(xiàn)SR為8KHz脈沖序列。（8）PCMR：接收數(shù)據(jù)幀輸入。PCM數(shù)據(jù)必須與FSR和BCLKR同步。（9）BCLKR：接收數(shù)據(jù)位時鐘輸入。（10）PUI：省電模式的控制端，接VDD時為正常工作模式，接VSS時為省電模式。（11）MCLK：系統(tǒng)主時鐘輸入，其頻率可以是256KHz、512KHz、1

43、.536MHz、1.544MHz、2.048MHz、2.56MHz、4.096MHz。（12）BCLKT：發(fā)送數(shù)據(jù)位時鐘輸入（13）PCMT：輸出數(shù)據(jù)發(fā)送。（14）FST：8KHz發(fā)送幀同步脈沖輸入，它發(fā)送PCM數(shù)據(jù)同步。（15）VSS：地，必須接到0V。（16）/A-Law：壓縮方式選擇引腳。接VDD時為律，接VSS時為A律。（17）AO：發(fā)送輸入放大器的模擬輸出。（18）AI-：發(fā)送輸入放大器的倒相輸入。（19）AI+：發(fā)送輸入放大器的非倒相輸入。（20）VAG：為模擬信號提供2.4V的參考電壓。4、 功能說明i 上電當開始上電瞬間，復位電路啟動，芯片處于掉電狀態(tài)，所有非主要電路都沒有正常

44、工作，而PCMT、RO+、PAO-、PAO+均處于高阻狀態(tài)。為了使器件上電，一個邏輯低電平或時鐘脈沖必須作用在PUI引腳上，并且FST和FSR脈沖必須存在。于是有兩種掉電控制模式可以利用。在第一種中PUI引腳電位被拉高。在另一種模式中使FST和FSR二者的輸入均連續(xù)保持低電平，在最后一個FST或FSR脈沖之后相隔2ms左右，器件將進入掉電狀態(tài)，一旦第一個FST和FSR脈沖出現(xiàn)，上電就會發(fā)生。三態(tài)數(shù)據(jù)輸出將停留在高阻抗狀態(tài)中，一直到第二個FST脈沖出現(xiàn)。ii 短幀同步工作芯片既可以用短幀，也可以用長幀同步脈沖。在加電開始時，器件采用短幀模式，在這種模式中，F(xiàn)ST和FSR這兩個幀同步脈沖的長度均為

45、一個位時鐘周期。在BCLKT的下降沿當FST為高時，BCLKT的下一個上升沿可啟動輸出符號位的三態(tài)輸出PCMT的緩沖器，緊隨其后的7個上升沿以時鐘送出剩余的7個位，而下一個下降沿則阻止PCMT輸出。在BCLKR的下降沿當FSR為高時（BCLKT在同步模式），其下一個下降沿將鎖住符號位，跟隨其后的7個下降沿鎖住剩余的7個保留位。iii 長幀同步工作為了應用長幀模式，F(xiàn)ST和FSR這兩個幀同步脈沖的長度應等于或大于位時鐘周期的三倍。在64KHz工作狀態(tài)中，幀同步脈沖至少要在160ns內(nèi)保持低電位。隨著FST或BCLKx的上升沿（無論哪一個先到）來到，PCMT三態(tài)輸出緩沖器啟動，于是被時鐘移出的第一

46、比特為符號位，以后到來的BCLKx的7個上升沿以時鐘移出剩余的7位碼。隨著第8個上升沿或FST變低（無論哪一個后發(fā)生），PCMT輸出由BCLKx的下降沿來阻塞，在以后8個BCLKR的下降沿（BCLKR），接收幀同步脈沖FSR的上升沿將鎖住PCMR的PCM數(shù)據(jù)。iv 發(fā)送部件發(fā)送部件的輸入端為一個運算放大器，并配有兩個調(diào)整增益的外接電阻。在低噪聲和寬頻帶條件下，整個音頻通帶內(nèi)的增益可達20dB以上。該運算放大器驅(qū)動一個增益為1的濾波器（由RC有源前置濾波器組成），后面跟隨一個時鐘頻率為256KHz的8階開關(guān)電容帶通濾波器。該濾波器的輸出直接驅(qū)動編碼器的抽樣保持電路。在制造中配入一個精密電壓基準，

47、以便提供額定峰值為2.4V的輸入過載（tmax）。FST幀同步脈沖控制濾波器輸出的抽樣，然后逐次逼近的編碼周期就開始。8位碼裝入緩沖器內(nèi)，并在下一個FST脈沖下通過PCMT移出，整個編碼時延近似地等于165ns加上125ns（由于編碼時延），其和為290ns。v 接收部件接收部件包括一個擴展DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器），而它又驅(qū)動一個時鐘頻率為256KHz的5階開關(guān)電容低通濾波器。譯碼器是依照A律（W681512）設(shè)計的，而5階低通濾波器矯正8KHz抽樣保持電路所引起的sinx/x衰減。在濾波器后跟隨一個輸出在RO+上的2階RC低通后置濾波器。接收部件的增益為1，但利用功率放大器可加大增益。當FSr出

48、現(xiàn)時在后續(xù)的8個BCLKR（BCLKT）的下降沿，PCMR輸入端上的數(shù)據(jù)將被時鐘控制。在譯碼器的終端，譯碼循環(huán)就開始了。vi 接收功率放大器兩個倒相模式的功率放大器用來直接驅(qū)動一個匹配的線路接口電路。本編譯碼器的功能比較強，它既可以進行A律變換，也可以進行律變換，它的數(shù)據(jù)既可用固定速率傳送，也可用變速率傳送，它既可以傳輸信令幀也可以選擇它傳送無信令幀，并且還可以控制它處于低功耗備用狀態(tài)，到底使用它的什么功能可由用戶通過一些控制來選擇。在實驗中我們可以自由選擇它進行A律、律變換，以2.048Mbit來傳送信息，信令幀為無信令幀，它的發(fā)送時序與接收時序直接受FST和FSR控制。還有一點，編譯碼器一

49、般都有一個PUI降功耗控制端，PUI=1時，編譯碼能正常工作，PUI=0，編譯碼器處于低功耗狀態(tài)，這時編譯碼器其它功能都不起作用，我們在設(shè)計時，可以實現(xiàn)對編譯碼器的降功耗控制，這時，用戶摘機，編譯碼器工作，用戶掛機，編譯碼器低功耗。五、 輸入、輸出點參考說明1、 輸入點說明MCLK：芯片工作主時鐘，頻率為2.048M。SIN IN-A：模擬信號輸入點。BSX：PCM編碼所需時鐘信號輸入點。BSR：PCM解碼所需時鐘信號輸入點。FSXA：PCM編碼幀同步信號輸入點。FSRA：PCM解碼幀同步信號輸入點。PCMIN-A：PCM解調(diào)信號輸入點。EARIN1：耳機語音信號輸入點。MICOUT1：麥克風

50、語音信號輸出點。K1、K2：A律、律切換開關(guān)2、 輸出點說明PCMAOUT-A：脈沖編碼調(diào)制信號輸出點。SIN OUT-A：PCM解調(diào)信號輸出點。六、 實驗步驟1、 將信號源模塊和模塊2固定在主機箱上，將黑色塑封螺釘擰緊，確保電源接觸良好。2、 插上電源線，打開主機箱右側(cè)的交流開關(guān)，將信號源模塊和模塊2的電源開關(guān)撥下，觀察指示燈是否點亮，紅燈為+5V電源指示燈，綠燈為-12V電源指示燈，黃色為+12V電源指示燈。（注意，此處只是驗證通電是否成功，在實驗中均是先連線，再打開電源做實驗，不要帶電連線）。3、 觀測PCM編、譯碼波形。1）用示波器測量信號源板上“2K同步正弦波”點，調(diào)節(jié)信號源板上手調(diào)電位器W1使輸出信號峰-峰值在3V左右。1) 將信號源板上S4設(shè)為0111（時鐘速率為256K），S5設(shè)為0100(時鐘速率為2.048M)。2) 實驗系統(tǒng)連線關(guān)閉系統(tǒng)電源，進行如下連接：源端口目的端口連線說明信號源：2K同步正弦波模塊2：SIN IN-A提供音頻信號信號源：CLK2模塊2：MCLK提供W681512工作的主時鐘（2.048M）信號源