通信原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告--脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)

1、本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 通信原理 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目： 脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 通信原理實(shí)驗(yàn)室 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2012 年 6 月 16 日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅?.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(dòng)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(hào)的頻譜特性。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.觀察脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)的結(jié)果，觀察調(diào)制信號(hào)與基帶信號(hào)之間的關(guān)系。2.改變基帶信號(hào)的幅度，觀察脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)信號(hào)的信噪比的變化情況。3.改變基帶信號(hào)的頻率，觀察脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)信號(hào)幅度的變化情況。4.觀察脈沖編碼調(diào)制信號(hào)的頻譜。三、主要儀器設(shè)備：信

2、號(hào)源模塊、PAM、AM模塊、終端模塊、頻譜分析模塊四、實(shí)驗(yàn)原理：模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣后，其抽樣值還是隨信號(hào)幅度連續(xù)變化的，當(dāng)這些連續(xù)變化的抽樣值通過有噪聲的信道傳輸時(shí)，接收端就不能對所發(fā)送的抽樣準(zhǔn)確地估值。如果發(fā)送端用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)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(zhǔn)確地估值，從而有可能消除隨機(jī)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(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的編碼方式。脈碼調(diào)制的過程如圖4-1所示。PCM主要包括抽樣、量化與編碼三個(gè)過程。抽樣是把時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度連續(xù)的抽樣信號(hào)；量化是把時(shí)間離散、幅度連續(xù)的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)

3、換成時(shí)間離散幅度離散的數(shù)字信號(hào)；編碼是將量化后的信號(hào)編碼形成一個(gè)二進(jìn)制碼組輸出。國際標(biāo)準(zhǔn)化的PCM碼組（電話語音）是八位碼組代表一個(gè)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(jìn)制碼組重建模擬信號(hào)，在解調(diào)過程中，一般采用抽樣保持電路。預(yù)濾波是為了把原始語音信號(hào)的頻帶限制在3003400Hz左右，所以預(yù)濾波會(huì)引入一定的頻帶失真。圖4-1 PCM 調(diào)制原理框圖發(fā)送端接收端模擬信源抽樣器預(yù)濾波器模擬終端波形編碼器量化、編碼數(shù)字信道波形解碼器重建濾波器抽樣保持、低通在整個(gè)PCM系統(tǒng)中，重建信號(hào)的失真主要來源于量化以及信道傳輸誤碼，通常，用信號(hào)與量化噪聲的功率比，即信噪比S/N來表示，國際

4、電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（ITU-T）詳細(xì)規(guī)定了它的指標(biāo)，還規(guī)定比特率為64kb/s，使用A律或律編碼律。下面將詳細(xì)介紹PCM編碼的整個(gè)過程，由于抽樣原理已在前面實(shí)驗(yàn)中詳細(xì)討論過，故在此只講述量化及編碼的原理。1.量化從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖4-2所示，量化器Q輸出L個(gè)量化值，k=1，2，3，L。常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度落在與之間時(shí)，量化器輸出電平為。這個(gè)量化過程可以表達(dá)為：模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。圖4-2 模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化，我們先討論均勻

5、量化。把輸入模擬信號(hào)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(gè)量化區(qū)間的量化電平均取在各區(qū)間的中點(diǎn)，如圖4-3所示。其量化間隔（量化臺(tái)階）取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)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(hào)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：0 量化誤差 信號(hào)實(shí)際值信號(hào)量化值圖4-3 均勻量化過程示意圖量化器輸出為： 當(dāng)式中為第個(gè)量化區(qū)間的終點(diǎn)，可寫成 為第個(gè)量化區(qū)間的量化電平，可表示為 上述均勻量化的主要缺點(diǎn)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(dāng)信號(hào)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲

6、功率比也就很小，這樣，對于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號(hào)的影響大致相同，即

7、改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)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(shí)驗(yàn)?zāi)K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：未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0A律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實(shí)際中，往往都采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（A=87.6）的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路

8、實(shí)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)?zāi)K中所用到的PCM編碼芯片TP3067正是采用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。圖4-4示出了這種壓擴(kuò)特性。圖4-4 13折線下表列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。0101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值是13折線分段時(shí)的值?？梢?，13折線各段落的分界點(diǎn)與曲線十分逼近，同時(shí)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(hào)變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)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

9、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(jí)聯(lián)型、混合型。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的編碼芯片TP3067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。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。表4-2 段落碼 表4-3 段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000在13折線法中，無論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均

10、按8段折線（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號(hào)的抽樣量化值時(shí)，其中用第一位表示量化值的極性，其余7位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。具體的做法是：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(gè)段落的起點(diǎn)電平。其它4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(gè)均勻劃分的量化級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表4-2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表4-3?？梢?，上述編碼方法是把壓縮、量化和編碼合為一體的方法。本實(shí)驗(yàn)采用大規(guī)模集成電路TP3067對語音信號(hào)進(jìn)行PCM編、解碼。TP306

11、7在一個(gè)芯片內(nèi)部集成了編碼電路和譯碼電路，是一個(gè)單路編譯碼器。其編碼速率為2.048MHz，每一幀數(shù)據(jù)為8位，幀同步信號(hào)為8KHz。模擬信號(hào)在編碼電路中，經(jīng)過抽樣、量化、編碼，最后得到PCM編碼信號(hào)。在單路編譯碼器中，經(jīng)變換后的PCM碼是在一個(gè)時(shí)隙中被發(fā)送出去的，在其他的時(shí)隙中編譯碼器是沒有輸出的，即對一個(gè)單路編譯碼器來說，它在一個(gè)PCM幀（32個(gè)時(shí)隙）里，只在一個(gè)特定的時(shí)隙中發(fā)送編碼信號(hào)。同樣，譯碼電路也只是在一個(gè)特定的時(shí)隙（此時(shí)隙應(yīng)與發(fā)送時(shí)隙相同，否則接收不到PCM編碼信號(hào)）里才從外部接收PCM編碼信號(hào)，然后進(jìn)行譯碼，經(jīng)過帶通濾波器、放大器后輸出。具體電路圖如圖4-4所示。圖4-4 PCM

12、編譯碼電路原理圖下面對PCM編譯碼專用集成電路TP3067芯片做一些簡單的介紹。下為TP3067的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖下圖是TP3067的管腳排列圖。TP3067管腳的功能（1）VPO+：接收功率放大器的非倒相輸出（2）GNDA：模擬地，所有信號(hào)均以該引腳為參考點(diǎn)（3）VPO-：接收功率放大器的倒相輸出（4）VPI：接收功率放大器的倒相輸入（5）VFRO：接收濾波器的模擬輸出（6）Vcc：正電源引腳，Vcc=+5V+5%（7）FSR：接收幀同步脈沖，它啟動(dòng)BCLKR，于是PCM數(shù)據(jù)移入DR，F(xiàn)SR為8KHz脈沖序列。（8）DR：接收數(shù)據(jù)幀輸入。PCM數(shù)據(jù)隨著FSR前沿移入DR。（9）BCLKR/CL

13、KSESL：在FSR的前沿把輸入移入DR時(shí)位時(shí)鐘，其頻率可以從64KHz至2.048MHz。另一方面它也可能是一個(gè) 邏輯輸入，以此為在同步模式中的主時(shí)鐘選擇頻率1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，BCLKR用在發(fā)送和接收兩個(gè)方向。（10）MCLKR/PDN：接收主時(shí)鐘，其頻率可以為1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。它允許與MCLKx異步，但為了取得最佳性能應(yīng)當(dāng)與MCLKx同步，當(dāng)MCLKR連續(xù)連在低電位時(shí)，CLKx被選用為所有內(nèi)部定時(shí)，當(dāng)MCLKR連續(xù)工作在高電位時(shí)，器件就處于掉電模式。（11）MCLKx：發(fā)送主時(shí)鐘，其頻率可以是1.536MHz、1.54

14、4MHz或2.048MHz，它允許與MCLKR異步，同步工作能實(shí)現(xiàn)最佳性能。（12）BCLKx：把PCM數(shù)據(jù)從Dx上移出的位時(shí)鐘，其頻率可以從64KHz至2.048MHz，但必須與MCLKx同步。（13）Dx：由FSx啟動(dòng)的三態(tài)PCM數(shù)據(jù)輸出。（14）FSx：發(fā)送幀同步脈沖輸入，它啟動(dòng)BCLKx并使Dx上PCM數(shù)據(jù)移出到Dx上。（15）：開漏輸出。在編碼器時(shí)隙內(nèi)為低脈沖。（16）ANLB：模擬環(huán)路控制輸入，在正常工作時(shí)必須置為邏輯“0”，當(dāng)拉到邏輯“1”時(shí)，發(fā)送濾波器和發(fā)送前置放大器輸出的連接線被斷開，而改為和接收功率放大器的VPO+輸出連接。（17）GSx：發(fā)送輸入放大器的模擬輸出，用來在外

15、部調(diào)節(jié)增益。（18）VFxI-：發(fā)送輸入放大器的倒相輸入。（19）VFxI+：發(fā)送輸入放大器的非倒相輸入。（20）VBB：負(fù)電源引腳，VBB=-5V+5%。五、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟：1.將信號(hào)源模塊、模擬信號(hào)數(shù)字化模塊、終端模塊、頻譜分析模塊小心地固定在主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。2.插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)、再分別按下四個(gè)模塊中的開關(guān)POWER1、POWER2，S2.S3，對應(yīng)的發(fā)光二極管LED001、LED002、D200、D201、L1、L2、LED600、LED300、LED301發(fā)光，按一下信號(hào)源模塊的復(fù)位鍵，四個(gè)模塊均開始工作。3.將信號(hào)源模塊的撥碼開關(guān)SW101.SW1

16、02設(shè)置為0000000 0000001。4.將信號(hào)源模塊產(chǎn)生的正弦波信號(hào)從點(diǎn)“SIN”輸入模擬信號(hào)數(shù)字模塊，將信號(hào)源模塊的信號(hào)輸入點(diǎn)“64K”、“8K”、“BS”分別與模擬信號(hào)數(shù)字化模塊的輸入點(diǎn)“CLKBIN”、“FRAMB IN”、“2048KIN”連接，觀察信號(hào)輸入點(diǎn)“PCMBOUT”的波形。將該點(diǎn)的信號(hào)送入頻譜分析模塊，觀察該點(diǎn)信號(hào)的頻譜，記錄下來。5.連接“CLKBIN”和“CLK2IN”，“FRAMBIN”和“FRAM2IN”，連接信號(hào)輸出點(diǎn)“PCMBOUT”和信號(hào)輸入點(diǎn)“PCM2IN”，觀察信號(hào)輸出點(diǎn)“OUT”的波形。將該點(diǎn)的信號(hào)送入頻譜分析模塊，觀察該點(diǎn)信號(hào)的頻譜，記錄下來。6.改變輸入正弦信號(hào)的幅度，使其峰峰值分別大于和等于5V，將示波器探頭分別接在信號(hào)輸出點(diǎn)“OUT”、“PCMBOUT”上，觀察滿載和過載時(shí)的脈沖幅度調(diào)制和解調(diào)波形，記錄下來。7.改變輸入正弦信號(hào)的頻率，使其頻率分別大于3400Hz或小于300