通信原理實(shí)驗(yàn)脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)

1、通信原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn) 四 ：脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 五 ：兩路PCM時(shí)分復(fù)用實(shí)驗(yàn)系 別： 信息科學(xué)與技術(shù)系 專業(yè)班級(jí)： 電信0902 學(xué)生姓名： 同組學(xué)生： 成 績： 指導(dǎo)教師： 惠龍飛 （實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2011年11月24日）華中科技大學(xué)武昌分校 實(shí)驗(yàn) 四 ：脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 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(cè)量方法。3、 了解脈沖編碼調(diào)制信號(hào)的頻譜特性。4、 了解大規(guī)模集成電路W681512的使用方法。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，分析調(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

2、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、 改變位同步時(shí)鐘，觀測(cè)脈沖編碼調(diào)制波形。三、 實(shí)驗(yàn)器材1、 信號(hào)源模塊 一塊2、 號(hào)模塊 一塊3、 60M雙蹤示波器 一臺(tái)4、 連接線 若干四、 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(duì)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(duì)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

3、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5-1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)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。圖4-1 PCM 調(diào)制原理框圖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5-2所示。模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。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)。量化間隔（量化臺(tái)階）V取

4、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。模擬入量化器量化值圖4-2 模擬信號(hào)的量化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)m(t)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣，對(duì)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(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔V也??；反之,量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)

5、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(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。2、 編碼所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成二進(jìn)制碼，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

6、型。本實(shí)驗(yàn)?zāi)K中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。五、 實(shí)驗(yàn)步驟1、將信號(hào)源模塊和模塊2固定在主機(jī)箱上。雙蹤示波器，設(shè)置CH1通道為同步源。2、觀測(cè)PCM編碼波形（1）用示波器測(cè)量信號(hào)源板上“2K同步正弦波”點(diǎn)，調(diào)節(jié)信號(hào)源板上手調(diào)電位器W1使輸出信號(hào)峰-峰值在1V左右。（2）將信號(hào)源板上S4設(shè)CLK1為0111（位定時(shí)時(shí)鐘速率為256K），S5設(shè)CLK2為0100(主時(shí)鐘速率為2.048M)。K1、K2設(shè)為A律。（3）關(guān)閉系統(tǒng)電源，按下列方式進(jìn)行連線：源端口目的端口連線說明信號(hào)源：2K同步正弦模塊2：SIN IN-A提供音頻信

7、號(hào)信號(hào)源：CLK2模塊2：MCLK提供W681512工作的主時(shí)鐘2.048M，S5=0100信號(hào)源：CLK1模塊2：BSX提供位同步信號(hào)256K，S4=0111信號(hào)源：FS模塊2：FSXA提供幀同步信號(hào)8Khz，S4=0111模塊2：FSXA模塊2：FSRA自環(huán)實(shí)驗(yàn)，直接將接收幀同步和發(fā)送幀同步相連模塊2：BSX模塊2：BSR自環(huán)實(shí)驗(yàn)，直接將接收位同步和發(fā)送位同步相連模塊2：PCMOUT-A模塊2：PCMIN-A將PCM編碼輸出結(jié)果送入譯碼電路進(jìn)行譯碼（4）打開電源，用示波器觀測(cè)并記錄編碼各測(cè)試點(diǎn)SIN IN-A、CLK1/BSX、CLK2/MCLK、FS/FSXA。 圖4-1 2K同步正弦波

8、 圖4-2 256K位同步信號(hào) 圖4-3 2.048M主時(shí)鐘（5）觀察幀同步信號(hào)與編碼信號(hào)的關(guān)系。CH1接FS信號(hào)做示波器的觸發(fā)源，CH2接PCMOUT-A波形。 圖4-4 8KHZ幀同步信號(hào)（CH1是8KHZ幀同步信號(hào)，CH2是PCM編碼信號(hào)） 分析1：每兩個(gè)幀信號(hào)之間就是一幀，經(jīng)變換后的PCM碼是在一個(gè)時(shí)隙中被發(fā)送出去的，在其他時(shí)隙中編碼器是沒有輸出的，即對(duì)一個(gè)單路編碼器來說，它在一個(gè)PCM幀里，只在一個(gè)特定的時(shí)隙里發(fā)送編碼信號(hào)，故每一幀只在特定位子出現(xiàn)編碼信號(hào)。 分析2：PCM系統(tǒng)中的編碼是指用二進(jìn)制代碼來表示有限個(gè)量化電平的過程。在13折線法中，無論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)

9、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，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(duì)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(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5-1所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表5-2。表5-1 段落碼 表5-2 段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼81111511111411107110131101121100610111101110

10、101051009100181000401170111601103010501014010020013001120010100010001000003、觀測(cè)PCM譯碼波形。CH1接 SIN IN-A信號(hào)做示波器的觸發(fā)源，CH2接SIN OUT-A波形。觀察譯碼信號(hào)與原信號(hào)的關(guān)系。 圖4-5 提取的256K位同步信號(hào) 圖4-6 PCM譯碼波形 （CH1是原始信號(hào)，CH2是譯碼恢復(fù)信號(hào)）分析3：原始信號(hào)與譯碼恢復(fù)信號(hào)都是同頻率的正弦波，但是是相位的不同，且解調(diào)信號(hào)上有量化噪聲。解碼器的作用是進(jìn)行D/A變化。分析4：PCM編碼過程中，由于量化電平不可能全部等于樣值電平，故產(chǎn)生量化誤差，在編碼信號(hào)上產(chǎn)

11、生量化噪聲。而在解碼器端，解碼器按量化電平恢復(fù)信號(hào)，不可能消除量化噪聲，故信號(hào)產(chǎn)生失真。實(shí)驗(yàn) 五 ：兩路PCM時(shí)分復(fù)用實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握時(shí)分復(fù)用的概念。2、 了解時(shí)分復(fù)用的構(gòu)成及工作原理。3、 了解時(shí)分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。4、 了解時(shí)分復(fù)用在整個(gè)通信系統(tǒng)中的作用。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)兩路模擬信號(hào)進(jìn)行PCM編碼，然后進(jìn)行復(fù)用，觀察復(fù)用后的信號(hào)。三、實(shí)驗(yàn)器材1、信號(hào)源模塊 一塊2、號(hào)模塊 一塊3、號(hào)模塊 一塊4、60M 雙蹤示波器 一臺(tái)5、連接線 若干三、 實(shí)驗(yàn)原理在數(shù)字通信中，PCM、M、ADPCM或者其它模擬信號(hào)的數(shù)字化，一般都采用時(shí)分復(fù)用方式來提高信道的傳輸效率。所謂復(fù)用就是多路信號(hào)（語

12、音、數(shù)據(jù)或圖像信號(hào)）利用同一個(gè)信道進(jìn)行獨(dú)立的傳輸。如利用同一根同軸電纜傳輸1920路電話，且各路電話之間的傳遞是相互獨(dú)立的，互不干擾。時(shí)分復(fù)用（TDM）的主要特點(diǎn)是利用不同時(shí)隙來傳遞各路不同信號(hào)，時(shí)分復(fù)用是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的，因?yàn)槌闃佣ɡ硎沁B續(xù)（模擬）的基帶信號(hào)有可能在被時(shí)間上離散出現(xiàn)的抽樣脈沖所代替。這樣，當(dāng)抽樣脈沖占據(jù)較短時(shí)間時(shí)，在抽樣脈沖之間就留出了時(shí)間空隙。利用這些空隙便可以傳輸其他信號(hào)的抽樣值，因此，就可能用一條信道同時(shí)傳送若干個(gè)基帶信號(hào),并且每一個(gè)抽樣值占用的時(shí)間越短，能夠傳輸?shù)穆窋?shù)也就越多。TDM與FDM（頻分復(fù)用）原理的差別在于：TDM在時(shí)域上是各路信號(hào)分割開來的；但在頻域

13、上是各路信號(hào)混疊在一起的。FDM在頻域上是各路信號(hào)分割開來的；但在時(shí)域上是混疊在一起的。TDM的方法有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：（1） 多路信號(hào)的匯合與分路都是數(shù)字電路，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。（2） 信道的非線性會(huì)在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)失真與高次諧波，引起路際串話，因此，對(duì)信道的非線性失真要求很高；而TDM系統(tǒng)的非線性失真要求可降低。然而，TDM對(duì)信道中時(shí)鐘相位抖動(dòng)及接收端與發(fā)送端的時(shí)鐘同步問題則提出了較高要求。所謂同步是指接收端能正確地從數(shù)據(jù)流中識(shí)別各路序號(hào)。為此，必須在每幀內(nèi)加上標(biāo)志信號(hào)（稱為幀同步信號(hào)）。它可以是一組特定的碼組，可以是特定寬度的脈沖。在實(shí)際通信系統(tǒng)中還必須傳送命令以建

14、立通信連接，如傳送電話通信中的占線、摘機(jī)與掛機(jī)信號(hào)以及振鈴信號(hào)等命令。上述所有信號(hào)都是時(shí)間分割，按某種固定方式排列起來， 稱為幀結(jié)構(gòu)。采用TDM制的數(shù)字通信系統(tǒng)，在國際上已逐步建立起標(biāo)準(zhǔn)。原則上是先把一定路數(shù)電話語音復(fù)合成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流（稱為基群），然后再把基群數(shù)據(jù)流采用同步或準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接技術(shù)，匯合成更高速的數(shù)據(jù)信號(hào)，復(fù)接后的序列中按傳輸速率不同，分別成為一次群、二次群、三次群、四次群等等。圖5-1 兩個(gè)信號(hào)的時(shí)分復(fù)用本實(shí)驗(yàn)單元由PCM編碼電路，復(fù)接器，解復(fù)接器，PCM譯碼電路，話路終端電路組成。PCM編譯碼原理在脈沖編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)中已作詳細(xì)介紹，下面主要介紹復(fù)用原理。解復(fù)用原理和話路終端電路

15、。1、 時(shí)分復(fù)用原理我國使用的PCM系統(tǒng)，規(guī)定采用PCM30/32路的幀結(jié)構(gòu)，如圖5-2所示。圖5-2 PCM基群幀結(jié)構(gòu)抽樣頻率s為8kHz，所以幀長度Ts=1/8 kHz=125µs。一幀分為32個(gè)時(shí)隙，其中30個(gè)時(shí)隙供30個(gè)用戶（即30路話）使用，即TS1TS15和TS17TS31為用戶時(shí)隙。因?yàn)椴捎玫氖?3折線A律編碼，因此所有的時(shí)隙都是采用8位二進(jìn)制碼。TS0是幀同步時(shí)隙，TS16是信令時(shí)隙。幀同步碼組成為*0011011，它是在偶數(shù)幀中TS0的固定碼組，接收端根據(jù)此碼組建立正確的路序，即實(shí)現(xiàn)幀同步。其中的第一位碼元“*”供國際間通信用。奇數(shù)幀中TS0不作為幀同步用，供其他用

16、途。TS16用來傳送話路信令。話路信令有兩種：一種是共路信令，另一種是隨路信令。若將總比特率為64kbps的各TS16統(tǒng)一起來使用，稱為共路信令傳輸，這里必須將16個(gè)幀構(gòu)成一個(gè)更大的幀，稱之為復(fù)幀。若將TS16按時(shí)間順序分配給各個(gè)話路，直接傳送各話路的信令，稱之隨路信令傳送。此時(shí)每個(gè)信令占4bit,即每個(gè)TS16含兩路信令在本實(shí)驗(yàn)中通過FPGA產(chǎn)生的幀同步信號(hào)FS1和FS_SEL來使兩個(gè)W681512其編碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分別在3時(shí)隙和可選時(shí)隙。其中FS_SEL是由撥碼開關(guān)來選擇27個(gè)時(shí)隙，十位由一個(gè)兩位的撥碼開關(guān)選擇，個(gè)位由一個(gè)四位的撥碼開關(guān)選擇。如下圖：撥碼開關(guān)撥ON為“1”，撥OFF為“0”撥

17、碼開關(guān)所對(duì)應(yīng)的時(shí)隙如下表：十位個(gè)位所選時(shí)隙0000000011第4時(shí)隙0001001001第49時(shí)隙0010101111第4時(shí)隙0100001001第1019時(shí)隙0110101111第4時(shí)隙1000001001第2029時(shí)隙1010101111第4時(shí)隙1100000001第3031時(shí)隙1100101111第4時(shí)隙注：16時(shí)隙為信令時(shí)隙，不可選時(shí)分復(fù)用的原理框圖如圖5-3所示：圖5-3 時(shí)分復(fù)用原理框圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1、將信號(hào)源模塊和模塊2、8固定在主機(jī)箱上。雙蹤示波器，設(shè)置CH1通道為同步源。2、將信號(hào)源模塊上S4撥為“0100”，S5也撥為“0100”。3、在電源關(guān)閉的狀態(tài)下，按照下表完成實(shí)驗(yàn)

18、連線：源端口目的端口連線說明信號(hào)源：CLK2（2048K）模塊8：CLK；S5撥為“0100”，時(shí)鐘輸入信號(hào)源：CLK1（2048K）模塊2：MCLK；BSXS4撥為“0100”，時(shí)鐘輸入信號(hào)源：同步正弦波（2K）模塊2：SIN IN-A；SIN IN-BPCM編碼輸入信號(hào)模塊8：FS3模塊2：FSXAA路PCM編碼幀同步輸入8k模塊8：FS_SEL模塊2：FSXBB路PCM編碼幀同步輸入8k（時(shí)序可改變）模塊2：PCMOUT-A模塊8：PCMAINA路PCM編碼輸出復(fù)用輸入模塊2：PCMOUT-B模塊8：PCMBINB路PCM編碼輸出復(fù)用輸入4、打開電源，觀察時(shí)鐘、2K同步信源和A路固定時(shí)隙

19、的PCM編碼信號(hào)（為了便于比較時(shí)隙位置，A路幀同步信號(hào)FS3不可改變）。 圖5-1 2.048M系統(tǒng)主時(shí)鐘 圖5-2 2K同步信源（圖5-1 CH1是A路2.048M主時(shí)鐘，CH2是B路2.048M主時(shí)鐘）（圖5-2 CH1是A路2K同步信源,CH2是B路2K同步信源） 圖5-3 A路TS3時(shí)隙的PCM編碼信號(hào) （圖5-3 CH1是A路幀同步信號(hào)，CH2是A路PCM編碼信號(hào)）5、觀察B路隨時(shí)隙變化的編碼信號(hào)，按指導(dǎo)書38頁表的內(nèi)容設(shè)置B路可變幀同步脈沖FS_SEL，將模塊8上的撥碼開關(guān)S1，S2分別設(shè)置為S1S2=00 0100（TS4）、S1S2=01 0000（TS10）、S1S2=10 00