通信原理實驗脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實驗

1、通信原理實驗報告實驗 四 ：脈沖編碼調(diào)制解調(diào)實驗實驗 五 ：兩路PCM時分復(fù)用實驗系 別： 信息科學(xué)與技術(shù)系 專業(yè)班級： 電信0902 學(xué)生姓名： 同組學(xué)生： 成 績： 指導(dǎo)教師： 惠龍飛 （實驗時間：2011年11月24日）華中科技大學(xué)武昌分校 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、 改變基帶信號的幅度，觀

2、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 一塊2、 號模塊 一塊3、 60M雙蹤示波器 一臺4、 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。脈沖編碼調(diào)制（PCM）簡稱為脈碼調(diào)制，它是一種將模

3、擬語音信號變換成數(shù)字信號的編碼方式。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。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5-2所示。模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。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。量化間隔（量化臺階）V取

4、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。模擬入量化器量化值圖4-2 模擬信號的量化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V也?。环粗?量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個

5、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。2、 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

6、型。本實驗?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。（2）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。（3）關(guān)閉系統(tǒng)電源，按下列方式進行連線：源端口目的端口連線說明信號源：2K同步正弦模塊2：SIN IN-A提供音頻信

7、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）打開電源，用示波器觀測并記錄編碼各測試點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 圖4-3 2.048M主時鐘（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4-4 8KHZ幀同步信號（CH1是8KHZ幀同步信號，CH2是PCM編碼信號） 分析1：每兩個幀信號之間就是一幀，經(jīng)變換后的PCM碼是在一個時隙中被發(fā)送出去的，在其他時隙中編碼器是沒有輸出的，即對一個單路編碼器來說，它在一個PCM幀里，只在一個特定的時隙里發(fā)送編碼信號，故每一幀只在特定位子出現(xiàn)編碼信號。 分析2：PCM系統(tǒng)中的編碼是指用二進制代碼來表示有限個量化電平的過程。在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個

9、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，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27128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表5-1所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表5-2。表5-1 段落碼 表5-2 段內(nèi)碼段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼81111511111411107110131101121100610111101110

10、101051009100181000401170111601103010501014010020013001120010100010001000003、觀測PCM譯碼波形。CH1接 SIN IN-A信號做示波器的觸發(fā)源，CH2接SIN OUT-A波形。觀察譯碼信號與原信號的關(guān)系。 圖4-5 提取的256K位同步信號 圖4-6 PCM譯碼波形 （CH1是原始信號，CH2是譯碼恢復(fù)信號）分析3：原始信號與譯碼恢復(fù)信號都是同頻率的正弦波，但是是相位的不同，且解調(diào)信號上有量化噪聲。解碼器的作用是進行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，不可能消除量化噪聲，故信號產(chǎn)生失真。實驗 五 ：兩路PCM時分復(fù)用實驗一、 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。二、 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。三、實驗器材1、信號源模塊 一塊2、號模塊 一塊3、號模塊 一塊4、60M 雙蹤示波器 一臺5、連接線 若干三、 實驗原理在數(shù)字通信中，PCM、M、ADPCM或者其它模擬信號的數(shù)字化，一般都采用時分復(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（語

12、音、數(shù)據(jù)或圖像信號）利用同一個信道進行獨立的傳輸。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立的，互不干擾。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基礎(chǔ)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若干個基帶信號,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）原理的差別在于：TDM在時域上是各路信號分割開來的；但在頻域

13、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。TDM的方法有兩個突出的優(yōu)點：（1） 多路信號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對信道中時鐘相位抖動及接收端與發(fā)送端的時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)流中識別各路序號。為此，必須在每幀內(nèi)加上標(biāo)志信號（稱為幀同步信號）。它可以是一組特定的碼組，可以是特定寬度的脈沖。在實際通信系統(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、摘機與掛機信號以及振鈴信號等命令。上述所有信號都是時間分割，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，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 兩個信號的時分復(fù)用本實驗單元由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)制實驗中已作詳細介紹，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個時隙，其中30個時隙供30個用戶（即30路話）使用，即TS1TS15和TS17TS31為用戶時隙。因為采用的是13折線A律編碼，因此所有的時隙都是采用8位二進制碼。TS0是幀同步時隙，TS16是信令時隙。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個幀構(gòu)成一個更大的幀，稱之為復(fù)幀。若將TS16按時間順序分配給各個話路，直接傳送各話路的信令，稱之隨路信令傳送。此時每個信令占4bit,即每個TS16含兩路信令在本實驗中通過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。如下圖：撥碼開關(guān)撥ON為“1”，撥OFF為“0”撥

17、碼開關(guān)所對應(yīng)的時隙如下表：十位個位所選時隙0000000011第4時隙0001001001第49時隙0010101111第4時隙0100001001第1019時隙0110101111第4時隙1000001001第2029時隙1010101111第4時隙1100000001第3031時隙1100101111第4時隙注：16時隙為信令時隙，不可選時分復(fù)用的原理框圖如圖5-3所示：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

18、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：SIN IN-A；SIN IN-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、打開電源，觀察時鐘、2K同步信源和A路固定時隙

19、的PCM編碼信號（為了便于比較時隙位置，A路幀同步信號FS3不可改變）。 圖5-1 2.048M系統(tǒng)主時鐘 圖5-2 2K同步信源（圖5-1 CH1是A路2.048M主時鐘，CH2是B路2.048M主時鐘）（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時隙的PCM編碼信號 （圖5-3 CH1是A路幀同步信號，CH2是A路PCM編碼信號）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=00 0100（TS4）、S1S2=01 0000（TS10）、S1S2=10 00