實(shí)驗(yàn)四-脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)

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)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、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)儀器1、信號(hào)源模塊一塊2、模塊2一塊3、20M雙蹤示波器一臺(tái)4、立體聲耳機(jī)一副5、連接線假設(shè)干四、實(shí)驗(yàn)原理〔一〕根本原理脈沖編碼調(diào)制〔PCM〕簡(jiǎn)稱為脈碼調(diào)制，它是一種將模擬語(yǔ)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)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的PCM碼組〔語(yǔ)音〕是用八位碼組代表一個(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(yǔ)音信號(hào)的頻帶限制在300Hz～3400Hz左右，所以預(yù)濾波會(huì)引入一定的頻帶失真。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(guó)際電報(bào)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64kbps，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。圖4-1PCM調(diào)制原理框圖量化從數(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：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4模擬入量化器量化值模擬信號(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，量化間隔也被確定圖4-3均勻量化過程示意圖非均勻量化是根據(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根本上與信號(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。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(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國(guó)采用壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)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。A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，它根本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)?zāi)K中所用到的PCM編碼芯片W681512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4-413折線表4-5列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比擬。0101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表4-5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?？梢姡?3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。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過失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)段落〕進(jìn)行編碼。假設(shè)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〕那么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27＝128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表4-6所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表4-7?？梢姡鲜鼍幋a方法是把壓縮、量化和編碼合為一體的方法。表4-6段落碼表4-7段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000五、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?！?〕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?！?〕關(guān)閉系統(tǒng)電源，按以下方式進(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：SININ-A提供音頻信號(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〕翻開電源，用示波器觀測(cè)并記錄編碼各測(cè)試點(diǎn)SININ-A、CLK1/BSX、CLK2/MCLK、FS/FSXA圖4-12KHZ同步正弦波〔SININ-A〕圖4-2256KHZ位同步信號(hào)〔CLK1〕圖4-32.048MHZ主時(shí)鐘〔CLK2〕〔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4-48kHZ幀同步信號(hào)和編碼信號(hào)CH1是8kHZ幀同步信號(hào)，CH2是PCM編碼波形分析:每?jī)蓚€(gè)幀之間就是一幀，經(jīng)變換后的PCM譯碼是在一個(gè)時(shí)隙被發(fā)送出去的，在每一幀的特定位置出現(xiàn)編碼信號(hào)，有了幀同步信號(hào)就可以編碼了，根據(jù)此PCM編碼波形可以讀出經(jīng)13折線編碼后的8位碼組為10110101。第一位為極性碼1，說明該樣值的極性為“正〞，緊接著三位為段落碼：011，最后四位為段內(nèi)碼：0101。3、觀測(cè)PCM譯碼波形。CH1接SININ-A信號(hào)做示波器的觸發(fā)源，CH2接SINOUT-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256KHZ位同步信號(hào)圖4-6PCM譯碼波形CH1是原始信號(hào)，CH2是譯碼恢復(fù)信號(hào)分析：原始信號(hào)與譯碼恢復(fù)信號(hào)都是同頻率的正弦波，只是相位稍微有一點(diǎn)偏差，這可能是由于量化誤差造成的。解碼是根據(jù)量化電平的上下來恢復(fù)原始信號(hào)進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)產(chǎn)生的失真可能是由碼間干擾產(chǎn)生的，即接收端取樣判決時(shí)產(chǎn)生誤判，還有量化誤差對(duì)譯碼波形也會(huì)產(chǎn)生影響。7、實(shí)驗(yàn)結(jié)束關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)五兩路PCM時(shí)分復(fù)用實(shí)驗(yàn)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。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)。實(shí)驗(yàn)器材信號(hào)源模塊一塊②號(hào)模塊一塊⑧號(hào)模塊一塊20M雙蹤示波器一臺(tái)連接線假設(shè)干耳麥一副實(shí)驗(yàn)原理時(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根底上的，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)傳送假設(shè)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〕原理的差異在于：TDM在時(shí)域上是各路信號(hào)分割開來的；但在頻域上是各路信號(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。此圖為兩個(gè)信號(hào)的時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用原理我國(guó)使用的PCM系統(tǒng)，規(guī)定采用PCM30/32路的幀結(jié)構(gòu)，如圖20-2所示。圖5-1PCM基群幀結(jié)構(gòu)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。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)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：SININ-A；SININ-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、翻開電源，觀察時(shí)鐘、2K同步信源和A路固定時(shí)隙的PCM編碼信號(hào)〔為了便于比擬時(shí)隙位置，A路幀同步信號(hào)FS3不可改變〕。圖5-12.048MHZ系統(tǒng)主時(shí)鐘圖5-22KHZ同步信源CH1是A路2.048M主時(shí)鐘CH1是A路2KHZ同步信源CH2是B路2.048M主時(shí)鐘CH2是B路2KHZ同步信源圖5-3TS3時(shí)隙的PCM編碼信號(hào)CH1是A路幀同步信號(hào)，CH2是A路PCM編碼信號(hào)分析：幀同步信號(hào)就是定時(shí)分量，給了一個(gè)判斷依據(jù)。根據(jù)13折線的編碼規(guī)那么編碼，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)段落〕進(jìn)行編碼。假設(shè)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〕那么表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。5、觀察B路隨時(shí)隙變化的編碼信號(hào)，按指導(dǎo)書38頁(yè)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=000100〔TS4〕、S1S2=010000〔TS10〕、S1S2=100000〔TS20〕。十位S1個(gè)位S2所選時(shí)隙000000~0011TS3000100~1001TS4~9001010~1111TS3010000~1001TS10~19011010~1111TS3100000~1001TS20~29101010~1111TS3110000~0001TS30~31110010~1111TS3圖5-4TS4時(shí)隙的B路PCM編碼信號(hào)圖5-5TS10時(shí)隙的B路PCM編碼信號(hào)CH1是0時(shí)隙幀同步信號(hào)，CH1是0時(shí)隙幀同步信號(hào)，CH2是TS4時(shí)隙的PCM編碼信號(hào)CH2是TS10時(shí)隙的PCM編碼信號(hào)CH1是0時(shí)隙幀同步信號(hào)，圖5-6TS20時(shí)隙的B路PCM編碼信號(hào)CH2是TS20時(shí)隙的PCM編碼信號(hào)分析：圖5-4，圖5-5，圖5-