實驗四-脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實驗

實驗四脈沖編碼調(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，分析調(diào)制信號與基帶信號之間的關(guān)系；2、改變基帶信號幅度，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、實驗儀器1、信號源模塊一塊2、模塊2一塊3、20M雙蹤示波器一臺4、立體聲耳機一副5、連接線假設(shè)干四、實驗原理〔一〕根本原理脈沖編碼調(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4-1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)準化的PCM碼組〔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(yù)濾波是為了把原始語音信號的頻帶限制在300Hz～3400Hz左右，所以預(yù)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4-2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(dāng)量化器輸入信號幅度落在與之間時，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4模擬入量化器量化值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4-3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(dāng)輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)確定后，量化間隔也被確定圖4-3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(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根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?zāi)K采用的PCM編碼方式也是A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，往往都采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線〔A=87.6〕的壓擴特性。這樣，它根本上保持了連續(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W681512正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。圖4-4示出了這種壓擴特性。圖4-413折線表4-5列出了13折線時的值與計算值的比擬。0101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421表4-5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。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(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，無論輸入信號是正是負，均按8段折線〔8個段落〕進行編碼。假設(shè)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〕那么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27＝128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表4-6所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表4-7?？梢?，上述編碼方法是把壓縮、量化和編碼合為一體的方法。表4-6段落碼表4-7段內(nèi)碼段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000五、實驗步驟1、將信號源模塊和模塊2固定在主機箱上。雙蹤示波器，設(shè)置CH1通道為同步源。2、觀測PCM編碼波形〔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1V左右?！?〕將信號源板上S4設(shè)CLK1為0111〔位定時時鐘速率為256K〕，S5設(shè)CLK2為0100(主時鐘速率為2.048M)。K1、K2設(shè)為A律?！?〕關(guān)閉系統(tǒng)電源，按以下方式進行連線：源端口目的端口連線說明信號源：2K同步正弦模塊2：SININ-A提供音頻信號信號源：CLK2模塊2：MCLK提供W681512工作的主時鐘2.048M，S5=0100信號源：CLK1模塊2：BSX提供位同步信號256K，S4=0111信號源：FS模塊2：FSXA提供幀同步信號8Khz，S4=0111模塊2：FSXA模塊2：FSRA自環(huán)實驗，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)實驗，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)果送入譯碼電路進行譯碼〔4〕翻開電源，用示波器觀測并記錄編碼各測試點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〔CLK1〕圖4-32.048MHZ主時鐘〔CLK2〕〔5〕觀察幀同步信號與編碼信號的關(guān)系。CH1接FS信號做示波器的觸發(fā)源，CH2接PCMOUT-A波形。圖4-48kHZ幀同步信號和編碼信號CH1是8kHZ幀同步信號，CH2是PCM編碼波形分析:每兩個幀之間就是一幀，經(jīng)變換后的PCM譯碼是在一個時隙被發(fā)送出去的，在每一幀的特定位置出現(xiàn)編碼信號，有了幀同步信號就可以編碼了，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PCM譯碼波形。CH1接SININ-A信號做示波器的觸發(fā)源，CH2接SINOUT-A波形。觀察譯碼信號與原信號的關(guān)系。圖4-5提取的256KHZ位同步信號圖4-6PCM譯碼波形CH1是原始信號，CH2是譯碼恢復(fù)信號分析：原始信號與譯碼恢復(fù)信號都是同頻率的正弦波，只是相位稍微有一點偏差，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)原始信號進行了模數(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產(chǎn)生誤判，還有量化誤差對譯碼波形也會產(chǎn)生影響。7、實驗結(jié)束關(guān)閉電源。實驗五兩路PCM時分復(fù)用實驗實驗?zāi)康?.掌握時分復(fù)用的概念。2.了解時分復(fù)用的構(gòu)成及工作原理。3.了解時分復(fù)用的優(yōu)點與缺點。4.了解時分復(fù)用在整個通信系統(tǒng)中的作用。實驗內(nèi)容對兩路模擬信號進行PCM編碼，然后進行復(fù)用，觀察復(fù)用后的信號。實驗器材信號源模塊一塊②號模塊一塊⑧號模塊一塊20M雙蹤示波器一臺連接線假設(shè)干耳麥一副實驗原理時分復(fù)用〔TDM〕的主要特點是利用不同時隙來傳遞各路不同信號，時分復(fù)用是建立在抽樣定理根底上的，因為抽樣定理是連續(xù)〔模擬〕的基帶信號有可能在被時間上離散出現(xiàn)的抽樣脈沖所代替。這樣，當(dāng)抽樣脈沖占據(jù)較短時間時，在抽樣脈沖之間就留出了時間空隙。利用這些空隙便可以傳輸其他信號的抽樣值，因此，就可能用一條信道同時傳送假設(shè)干個基帶信號,并且每一個抽樣值占用的時間越短，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在時域上是各路信號分割開來的；但在頻域上是各路信號混疊在一起的。FDM在頻域上是各路信號分割開來的；但在時域上是混疊在一起的。此圖為兩個信號的時分復(fù)用時分復(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20-2所示。圖5-1PCM基群幀結(jié)構(gòu)在本實驗中通過FPGA產(chǎn)生的幀同步信號FS1和FS_SEL來使兩個W681512其編碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分別在3時隙和可選時隙。其中FS_SEL是由撥碼開關(guān)來選擇27個時隙，十位由一個兩位的撥碼開關(guān)選擇，個位由一個四位的撥碼開關(guān)選擇。圖5-3時分復(fù)用原理框圖五、實驗步驟1、將信號源模塊和模塊2、8固定在主機箱上。雙蹤示波器，設(shè)置CH1通道為同步源。2、將信號源模塊上S4撥為“0100〞，S5也撥為“0100〞。3、在電源關(guān)閉的狀態(tài)下，按照下表完成實驗連線：源端口目的端口連線說明信號源：CLK2〔2048K〕模塊8：CLK；S5撥為“0100〞，時鐘輸入信號源：CLK1〔2048K〕模塊2：MCLK；BSXS4撥為“0100〞，時鐘輸入信號源：同步正弦波〔2K〕模塊2：SININ-A；SININ-BPCM編碼輸入信號模塊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，觀察時鐘、2K同步信源和A路固定時隙的PCM編碼信號〔為了便于比擬時隙位置，A路幀同步信號FS3不可改變〕。圖5-12.048MHZ系統(tǒng)主時鐘圖5-22KHZ同步信源CH1是A路2.048M主時鐘CH1是A路2KHZ同步信源CH2是B路2.048M主時鐘CH2是B路2KHZ同步信源圖5-3TS3時隙的PCM編碼信號CH1是A路幀同步信號，CH2是A路PCM編碼信號分析：幀同步信號就是定時分量，給了一個判斷依據(jù)。根據(jù)13折線的編碼規(guī)那么編碼，在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線〔8個段落〕進行編碼。假設(shè)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〕那么表示抽樣量化值的絕對大小。5、觀察B路隨時隙變化的編碼信號，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=000100〔TS4〕、S1S2=010000〔TS10〕、S1S2=100000〔TS20〕。十位S1個位S2所選時隙000000~0011TS3000100~1001TS4~9001010~1111TS3010000~1001TS10~19011010~1111TS3100000~1001TS20~29101010~1111TS3110000~0001TS30~31110010~1111TS3圖5-4TS4時隙的B路PCM編碼信號圖5-5TS10時隙的B路PCM編碼信號CH1是0時隙幀同步信號，CH1是0時隙幀同步信號，CH2是TS4時隙的PCM編碼信號CH2是TS10時隙的PCM編碼信號CH1是0時隙幀同步信號，圖5-6TS20時隙的B路PCM編碼信號CH2是TS20時隙的PCM編碼信號分析：圖5-4，圖5-5，圖5-