脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)實驗

實驗五脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實驗一、實驗?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，觀察調(diào)制信號與基帶信號之間的關(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.信號源模塊模擬信號數(shù)字化模塊終端模塊（可選）頻譜分析模塊20M雙蹤示波器一臺6.音頻信號發(fā)生器（可選）一臺7.立體聲單放機（可選）一臺8.立體聲耳機一副9.連接線若干四、實驗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(dāng)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(zhǔn)確地估值。如果發(fā)送端用預(yù)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(zhǔn)確地估值，從而有可能消除隨機噪聲的影響。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8-1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(biāo)準(zhǔn)化的PCM碼組（電話語音）是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(yù)濾波是為了把原始語音信號的頻帶限制在300－3400Hz左右，所以預(yù)濾波會引入一定的頻帶失真。模擬 模擬 信源預(yù)濾 1^- ■波形編碼器卄且口. 波器 1抽樣器量化、編碼、￥AjJLr發(fā)送端、￥AjJLr發(fā)送端接收端數(shù)字

信道模擬

終端重建濾波器

抽樣保持、低通波形

解碼器模擬

終端重建濾波器

抽樣保持、低通波形

解碼器圖8-1PCM調(diào)制原理框圖在整個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(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。1．量化從數(shù)學(xué)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8-2所示，量化器Q輸出L個量化值y,k=l,2,3,…，L。y常稱為重建kk電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號幅度x落在x與x之間時，量化器輸出電平為y。TOC\o"1-5"\h\zk k+1 k這個量化過程可以表達為：y=Q(x)=Q{x<x<x}=y,k=1,2,3, ,Lk k+1 k這里x稱為分層電平或判決閾值。通?！?x-x稱為量化間隔。k kk+1ky量化值x | y量化值 量化器模擬入 圖8-2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8-3所示。其量化間隔（量化臺階）Av取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。當(dāng)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:,b一aAv=M圖8-3均勻量化過程示意圖量化器輸出m為：qm=q,當(dāng)m<m<mqi i-1 i式中m?為第i個量化區(qū)間的終點，可寫成iq為第i個量化區(qū)間的量化電平，可表示為ii=1、2、 、M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(dāng)信號m(t)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。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Av也小；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(dāng)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)壓縮律是卩壓縮律和A壓縮律。美國采用卩壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，因此，本實驗?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:

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(dāng)復(fù)雜的。實際中，往往都采用近似方法。圖8-413折線似于A律函數(shù)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?zāi)K中所用到的PCM編碼芯片TP3067正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。圖8-4示出了這種壓擴特性。表8-1列出了13折線時的x值與計算x值的比較。表8-1y0123456718888888x01111111112860.630.615.47.793.931.98按折線分段時的x0112816413211814121段落12345678斜率161684211214表中第二行的x值是根據(jù)A=87.6時計算得到的，第三行的x值是13折線分段時的值?？梢?，13折線各段落的分界點與A=87.6曲線十分逼近，同時x按2的幕次分割有利于數(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?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。在13折線法中，無論輸入信號是正是負(fù)，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時，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個段落的起點電平。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個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成27=128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表8-2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表8-3?？梢?，上述編碼方法是把壓縮、量化和編碼合為一體的方法。本實驗采用大規(guī)模集成電路TP3067對語音信號進行PCM編、解碼。TP3067在一個芯片內(nèi)部集成了編碼電路和譯碼電路，是一個單路編譯碼器。其編碼速率為2.048MHz，每一幀數(shù)據(jù)為8位，幀同步信號為8KHz。模擬信號在編碼電路中，經(jīng)過抽樣、量化、編碼，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(yīng)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。。五、實驗步驟1．將信號模塊和模塊二固定在主機箱上，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)，將信號模塊和模塊2電源開關(guān)撥下，觀看指示燈是否點亮。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)信號板上手調(diào)

將信號源板上S4設(shè)計為0111,S5設(shè)為0100。實驗系統(tǒng)連線源端口目的端口連線說明信號源：2K同步正弦波模塊2：SININ-A提供音頻信號信號源：CLK2模塊2：MCLK提供W681512工作的時鐘信號源：CLK1模塊2：BSX提供位同步信號信號源：FS模塊2：FSXA提供幀同步信號模塊2：FSXA模塊2：FSRA作自環(huán)實驗，直接將接受幀同步和發(fā)送幀同步連接模塊2：BSX模塊2：BSR作自環(huán)實驗，直接將接受幀同步和發(fā)送幀同步連接模塊2：PCMOUT-A模塊2：PCMIN-A將PCM編碼輸出結(jié)果送入PCM譯碼電路進行譯碼電位器W1電位器W1使輸出信號峰峰值在3V。4)用示波器觀測模擬信號“同步正弦波”、PCM編碼輸出點“PCMOUT-A”和解調(diào)信號輸出點“SINOUT-A”輸出波形。5)改變位時鐘為2.048M，重復(fù)以上操作。觀察波形。1嵯-絳值5.08V :周期RMS646mV 取】1嵯-絳值5.08V :周期RMS646mV 取】闿期1235 ［頻率8,110kHz 動jCH11.00V CH1Z-21.5O124-131ft35 1W93?HzCHI周期RMS1.1-頻率2.000曲JIM500.0" CHI RIB"rH1垂直位置432div八-320ev〉V取,動iCH1/-21&1從信號源引入非同步正弦波，調(diào)節(jié)S7、S8改變正弦信號的頻率，使其頻率分別大于3400Hz或小于300Hz,觀察“PCMOUT-A”、“SIN-OUT-A”的輸出波形，記錄下來（應(yīng)可觀察，當(dāng)輸入正弦波的頻率大于3400Hz或小于300Hz時，PCM解碼信號的幅度急劇減小）。幅度急劇減?。?。5、用音樂輸出信號代替信號源模塊的正弦波，輸入模塊2,的點“SININ-A”，重復(fù)上述操作和觀察，并記錄下來。CH1峰?岐值5.580msCHI500mVMPgOOOOj1周期RMS676mV頻車17S.8H：12-Dec-131(M1取消自動設(shè)賈CH1峰?岐值5.580msCHI500mVMPgOOOOj1周期RMS676mV頻車17S.8H：12-Dec-131(M1取消自動設(shè)賈CH1/-21SnVmaesHr周期RMS、頻率178.8HzBllllllllimum*CH2期5.592： CHI2XWVCH2'SfiOmV*'M1J?rm12-Dec-131043WCH1刖TCir細L醮誘MPo?0.0005帶寬限帝■lOOMM伏/格4探頭1X.Vdta9e七、實驗思考題1、 為什么實驗時觀察到的PCM編碼信號總是隨時變化？PCM是真正的數(shù)字編碼。它將每個通道的指令數(shù)字化了，比如脈沖由1毫秒到2毫秒的變化，在PCM編碼里用模數(shù)轉(zhuǎn)換成1和0的數(shù)字碼，再發(fā)出去。所以你用示波器會看到這各編碼總是在變化中的。2、 W681512PCM編碼器輸出的PCM碼的速率是多少?為什么要給W681512提供2.048MHZ的時鐘?速率為2.045MHZ，PCM編碼器在同步工作中，對于發(fā)送和接收兩個方向應(yīng)當(dāng)用相同的主時鐘和位時鐘，在這一模式中，MCLKx上必須有時鐘信號在起作用，而MCLKR/PDN引腳則起了掉電控制作用。在異步工