内蒙古工业大学通信原理实验三

1实验三脉冲编码调制与解调实验一、实验目的1、掌握脉冲编码调制与解调的原理。2、掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义和测量方法。3、了解脉冲编码调制信号的频谱特性。4、了解大规模集成电路TP3067的使用方法。二、实验内容1、观察脉冲编码调制与解调的结果，观察调制信号与基带信号的关系。2、改变基带信号的幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况。3、改变基带信号的频率，观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况。三、实验器材1、信号源模块2、模拟信号数字化模块3、终端模块4、20M双踪示波器一台5、立体声耳机一副6、连接线若干四、实验原理模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，当这些连续变化的抽样值通过有噪声的信道传输时，接收端就不能对所发送的抽样值进行准确地估值。如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能对所发送的抽样准确地估值，从而有可能消除随机噪声的影响。脉冲编码调制（PCM）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。脉码调制的过程如图4-1所示。PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是将时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。国际标准化的PCM码组（电话语音）是八位码组代表一个抽样值。编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300—3400HZ左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。在整个PCM系统中，重建信号的失真主要来源于量化及信道传输误码，通常，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N来表示，国际电报电话咨询委员会（ITU-T）详细规定了它的指标，还规定比特率为64Kb/s，使用A律或µ律编码律。下面将详细介绍PCM编码的整个过程。2模拟信源预滤波器抽样器波形编码器量化、编码数字信道波形解码器重建滤波器抽样保持、低通模拟终端发送端接收端图4-1PCM调制原理框图1．抽样抽样定理表明：一个频带限制在（0，fH）内的连续信号m(t)，如果以Hf21秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。假定将信号m(t)和周期为T的冲击函数δT(t)相乘，乘积便是均匀间隔为T秒的冲击序列，这些冲击序列的强度等于相应瞬时上m(t)的值，它表示对函数m(t)的抽样。若用ms(t)表示此抽样函数，则有：)()()(ttmtmTs假设m(t)、δT(t)和ms(t)的频谱分别为M(w)、δT(w)和Ms(w)，按照频率卷积定理，m(t)δT(t)的傅立叶变换如下：)](*)([21)(wwMwMTs因为nsTTnwwT)(2Tws2所以])(*)([1)(nsTsnnsnwwMTwMs)(1)(该式表明，已抽样信号ms(t)的频谱Ms(w)是无穷多个间隔为ws的M(w)相叠加而成。这就意味着Ms(w)中包含M(w)的全部信息。需要注意，若抽样间隔T变得大于Hf21，则Ms(w)在相邻的周期内存在混叠，因此不3能由Ms(w)恢复M(w)。可见，HfT21是抽样的最大间隔，它被称为奈奎斯特间隔。2．量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图4-2所示，量化器Q输出L个量化值yk，k=1,2,3,…,L。yk常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度X落在xk与xk+1之间时，量化器输出电平为yk。这个量化过程可以表达为：y=Q(x)=Q{xkx≤xk+1}=ykk=1,2,3,…,L这里xk称为分层电平或判决阈值。通常△K=xk+1-xk称为量化间隔。量化器模拟入量化值xy图4-2模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，我们先讨论均匀量化。把输入模拟信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图4-3所示。其量化间隔（量化台阶）△V取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当输入信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。例如，输入信号的最小值和最大值分用a和b表示，量化电平数为M，那么，均匀量化的量化间隔为：Mabv图4-3均匀量化过程示意图量化器输出mq为：mq=qi，当mi-1＜m≤mi式中mi为第i个量化区间的终点，可写成mi=a+i△Vqi为第i个量化区间的量化电平，可表示为21iiimmqi=1、2、…M上述均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变，因此，当信号m(t)较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值较小的区间，其量化间隔△V也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的是两种对数压缩律是µ压缩律和A压缩律。美4国采用的是µ压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，本实验模块采用的PCM编码方式也是A压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：11,ln1ln110,ln1xAAAxAxAAxYA律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本实验模块中所用到的PCM编码芯片TP3067正是采用这种压扩特性来进行编码的。图4-4示出了这种压扩特性。表4-1列出了I3折线时的x值与计算x值的比较。表中第二行的x值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A=87.6曲线十分逼近，同时x按2的幂次分割有利于数字化。3．编码所谓编码就是把量化后的信号变成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，按编码的速度来分，大致可分为两类：低速编码和高速编码。在通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。本实验模块中的编码芯片TP3067采用的是逐次比较型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序。下面结合13折线的量化来加以说明。图4-413折线表4-1在13折线中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值时，其中用第一位表示量化值的极性，其余7位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它4位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成27=128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表4-2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表4-3。可见，上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。5表4-2表4-3本实验采用大规模集成电路TP3067对语音信号进行PCM编、解码。TP3067在一个芯片内部集成了编码电路和译码电路，是一个单路编译码器。其编码速率为2.048MHz，每一帧数据为8位，帧同步信号为8KHZ。模拟信号在编码电路中，经过抽样、量化、编码，最后得到PCM编码信号。在单路编译码器中，经变换后的PCM码是在一个时隙中被发送出去的，在其它的时隙中编译码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM帧（32个时隙）里，只在一个特定的时隙中发送编码信号。同样，译码电路也只是在一个特定的时隙（此时隙应与发送时隙相同，否则接收不到PCM编码信号）里才从外部接收PCM编码信号，然后进行译码，经过带通滤波器，放大器后输出。具体电路图如图4-5所示。图4-5PCM编译码电路原理图下面对PCM编译码专用集成电路TP3067做一些简单的介绍。图4-6为TP3067的内部结构方框图，图4-7是TP3067的管脚排列图。图4-6TP3067逻辑方框图6图4-7TP3067管脚排列图1.TP3067管脚的功能⑴VPO+：接收功率放大器的非倒相输出。⑵GNDA：模拟地，所有信号均以该引脚为参考点。⑶VPO-：接收功率放大器的倒相输出。⑷VPI：接收功率放大器的倒相输入。⑸VFRO：接收滤波器的模拟输出。⑹VCC：正电源引脚，VCC=+5V±5%。⑺FSR：接收帧同步脉冲，它启动BCLKR，于是PCM数据移入DR，FSR为8KHZ脉冲序列。⑻DR：接收数据帧输入，PCM数据随着FSR前沿移入DR。⑼BCLKR/CLKSESL：在FSR前沿把输入移入DR时的位时钟，其频率可以从64KHz至2.048MHz。另一方面它也可能是一个逻辑输入，以此为在同步模式中的主时钟选择频率1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，BCLKR用在发送和接收两个方向。⑽MCLKR/PDN：接收主时钟，其频率可以为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。它允许与MCLKX异步，但为了取得最佳性能应当与MCLKX同步，当MCLKR连续在低电位时，CLKX被选用为所有内部定时，当MCLKR连续工作在高电位时，器件就处于掉电模式。⑾MCLKX：发送主时钟，其频率可以是1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，它允许与MCLKR异步，同步工作能实现最佳性能。⑿BCLKX：把PCM数据从DX移出的位时钟，其频率可以从64KHz至2.048MHz,但必须与MCLKX同步。⒀DX：由FSX启动的三态PCM数据输出。⒁FSX：发送帧同步脉冲输入，它启动BCLKX并使DX上PCM数据移出到DX上。⒂XTS：开漏输出。在编码器时隙内为低脉冲。⒃ANLB：模拟环路控制输入，在正常工作时必须置为逻辑“0”，当拉到逻辑“1”时，发送滤波器和发送前置放大器输出的连接线被断开，而改为和接收功率放大器的VPO+输出连接。⒄GSX：发送输入放大器的模拟输出，用来在外部调节增益。⒅VFXI+：发送输入放大器的非倒相输入。7⒆VFXI-：发送输入放大器的倒相输入。⒇VBB：负电源引脚，VBB=﹣5V±5%。2.功能说明①上电当开始上电瞬间，加压复位电路启动COMBO并使它处于掉电状态，所有非主要电路失效，而DX、VFRO、VPO-、VPO+均处于高阻状态。为了使器件上电，一个逻辑低电平或时钟脉冲必须作用在MCLKR/PDN引脚上，并且FSX和FSR脉冲必须存在。于是有两种掉电控制模式可以利用。在第一种中MCLKR/PDN引脚电位被拉高。在另一种模式中使FSX和FSR二者的输入均连续保持低电平，在最后一个FSX或FSR脉冲后相隔2ms左右，器件将进入掉电状态，一旦第一个FSX和FSR脉冲出现，上电就会发生。三态数据输出将停留在高阻抗状态中，一直到第二个FSX脉冲出现。②同步工作在同步工作中，对于发送和接收两个方向应当用相同的主时钟和位时钟，在这一