通信原理实验脉冲编码调制解调实验

通信原理实验报告实验 四 ：脉冲编码调制解调实验实验 五 ：两路PCM时分复用实验系 别： 信息科学与技术系 专业班级： 电信0902 学生姓名： 同组学生： 成 绩： 指导教师： 惠龙飞 （实验时间：2011年11月24日）华中科技大学武昌分校 实验 四 ：脉冲编码调制解调实验一、 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及测量方法。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W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，分析调制信号与基带信号之间的关系。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。4、 改变位同步时钟，观测脉冲编码调制波形。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 60M双踪示波器 一台4、 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5-1所示。PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是把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。图4-1 PCM 调制原理框图1、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5-2所示。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。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。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。模拟入量化器量化值图4-2 模拟信号的量化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值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。2、 编码所谓编码就是把量化后的信号变换成二进制码，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，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。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、段内码的顺序排列。五、 实验步骤1、将信号源模块和模块2固定在主机箱上。双踪示波器，设置CH1通道为同步源。2、观测PCM编码波形（1）用示波器测量信号源板上“2K同步正弦波”点，调节信号源板上手调电位器W1使输出信号峰-峰值在1V左右。（2）将信号源板上S4设CLK1为0111（位定时时钟速率为256K），S5设CLK2为0100(主时钟速率为2.048M)。K1、K2设为A律。（3）关闭系统电源，按下列方式进行连线：源端口目的端口连线说明信号源：2K同步正弦模块2：SIN IN-A提供音频信号信号源：CLK2模块2：MCLK提供W工作的主时钟2.048M，S5=0100信号源：CLK1模块2：BSX提供位同步信号256K，S4=0111信号源：FS模块2：FSXA提供帧同步信号8Khz，S4=0111模块2：FSXA模块2：FSRA自环实验，直接将接收帧同步和发送帧同步相连模块2：BSX模块2：BSR自环实验，直接将接收位同步和发送位同步相连模块2：PCMOUT-A模块2：PCMIN-A将PCM编码输出结果送入译码电路进行译码（4）打开电源，用示波器观测并记录编码各测试点SIN IN-A、CLK1/BSX、CLK2/MCLK、FS/FSXA。 图4-1 2K同步正弦波 图4-2 256K位同步信号 图4-3 2.048M主时钟（5）观察帧同步信号与编码信号的关系。CH1接FS信号做示波器的触发源，CH2接PCMOUT-A波形。 图4-4 8KHZ帧同步信号（CH1是8KHZ帧同步信号，CH2是PCM编码信号） 分析1：每两个帧信号之间就是一帧，经变换后的PCM码是在一个时隙中被发送出去的，在其他时隙中编码器是没有输出的，即对一个单路编码器来说，它在一个PCM帧里，只在一个特定的时隙里发送编码信号，故每一帧只在特定位子出现编码信号。 分析2：PCM系统中的编码是指用二进制代码来表示有限个量化电平的过程。在13折线法中，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，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（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。其它四位表示段内码，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27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表5-1所示；段内码与16个量化级之间的关系见表5-2。表5-1 段落码 表5-2 段内码段落序号段落码量化级段内码81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010020013001120010100010001000003、观测PCM译码波形。CH1接 SIN IN-A信号做示波器的触发源，CH2接SIN OUT-A波形。观察译码信号与原信号的关系。 图4-5 提取的256K位同步信号 图4-6 PCM译码波形 （CH1是原始信号，CH2是译码恢复信号）分析3：原始信号与译码恢复信号都是同频率的正弦波，但是是相位的不同，且解调信号上有量化噪声。解码器的作用是进行D/A变化。分析4：PCM编码过程中，由于量化电平不可能全部等于样值电平，故产生量化误差，在编码信号上产生量化噪声。而在解码器端，解码器按量化电平恢复信号，不可能消除量化噪声，故信号产生失真。实验 五 ：两路PCM时分复用实验一、 实验目的1、 掌握时分复用的概念。2、 了解时分复用的构成及工作原理。3、 了解时分复用的优点与缺点。4、 了解时分复用在整个通信系统中的作用。二、 实验内容对两路模拟信号进行PCM编码，然后进行复用，观察复用后的信号。三、实验器材1、信号源模块 一块2、号模块 一块3、号模块 一块4、60M 双踪示波器 一台5、连接线 若干三、 实验原理在数字通信中，PCM、M、ADPCM或者其它模拟信号的数字化，一般都采用时分复用方式来提高信道的传输效率。所谓复用就是多路信号（语音、数据或图像信号）利用同一个信道进行独立的传输。如利用同一根同轴电缆传输1920路电话，且各路电话之间的传递是相互独立的，互不干扰。时分复用（TDM）的主要特点是利用不同时隙来传递各路不同信号，时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理是连续（模拟）的基带信号有可能在被时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。TDM与FDM（频分复用）原理的差别在于：TDM在时域上是各路信号分割开来的；但在频域上是各路信号混叠在一起的。FDM在频域上是各路信号分割开来的；但在时域上是混叠在一起的。TDM的方法有两个突出的优点：（1） 多路信号的汇合与分路都是数字电路，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。（2） 信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真与高次谐波，引起路际串话，因此，对信道的非线性失真要求很高；而TDM系统的非线性失真要求可降低。然而，TDM对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题则提出了较高要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加上标志信号（称为帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，可以是特定宽度的脉冲。在实际通信系统中还必须传送命令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等命令。上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来， 称为帧结构。采用TDM制的数字通信系统，在国际上已逐步建立起标准。原则上是先把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速的数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。图5-1 两个信号的时分复用本实验单元由PCM编码电路，复接器，解复接器，PCM译码电路，话路终端电路组成。PCM编译码原理在脉冲编码调制实验中已作详细介绍，下面主要介绍复用原理。解复用原理和话路终端电路。1、 时分复用原理我国使用的PCM系统，规定采用PCM30/32路的帧结构，如图5-2所示。图5-2 PCM基群帧结构抽样频率s为8kHz，所以帧长度Ts=1/8 kHz=125s。一帧分为32个时隙，其中30个时隙供30个用户（即30路话）使用，即TS1TS15和TS17TS31为用户时隙。因为采用的是13折线A律编码，因此所有的时隙都是采用8位二进制码。TS0是帧同步时隙，TS16是信令时隙。帧同步码组成为*，它是在偶数帧中TS0的固定码组，接收端根据此码组建立正确的路序，即实现帧同步。其中的第一位码元“*”供国际间通信用。奇数帧中TS0不作为帧同步用，供其他用途。TS16用来传送话路信令。话路信令有两种：一种是共路信令，另一种是随路信令。若将总比特率为64kbps的各TS16统一起来使用，称为共路信令传输，这里必须将16个帧构成一个更大的帧，称之为复帧。若将TS16按时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路的信令，称之随路信令传送。此时每个信令占4bit,即每个TS16含两路信令在本实验中通过FPGA产生的帧同步信号FS1和FS_SEL来使两个W其编码产生的数据分别在3时隙和可选时隙。其中FS_SEL是由拨码开关来选择27个时隙，十位由一个两位的拨码开关选择，个位由一个四位的拨码开关选择。如下图：拨码开关拨ON为“1”，拨OFF为“0”拨码开关所对应的时隙如下表：十位个位所选时隙0000000011第4时隙0001001001第49时隙0010101111第4时隙0100001001第1019时隙0110101111第4时隙1000001001第2029时隙1010101111第4时隙1100000001第3031时隙1100101111第4时隙注：16时隙为信令时隙，不可选时分复用的原理框图如图5-3所示：图5-3 时分复用原理框图五、实验步骤1、将信号源模块和模块2、8固定在主机箱上。双踪示波器，设置CH1通道为同步源。2、将信号源模块上S4拨为“0100”，S5也拨为“0100”。3、在电源关闭的状态下，按照下表完成实验连线：源端口目的端口连线说明信号源：CLK2（2048K）模块8：CLK；S5拨为“0100”，时钟输入信号源：CLK1（2048K）模块2：MCLK；BSXS4拨为“0100”，时钟输入信号源：同步正弦波（2K）模块2：SIN IN-A；SIN IN-BPCM编码输入信号模块8：FS3模块2：FSXAA路PCM编码帧同步输入8k模块8：FS_SEL模块2：FSXBB路PCM编码帧同步输入8k（时序可改变）模块2：PCMOUT-A模块8：PCMAINA路PCM编码输出复用输入模块2：PCMOUT-B模块8：PCMBINB路PCM编码输出复用输入4、打开电源，观察时钟、2K同步信源和A路固定时隙的PCM编码信号（为了便于比较时隙位置，A路帧同步信号FS3不可改变）。 图5-1 2.048M系统主时钟 图5-2 2K同步信源（图5-1 CH1是A路2.048M主时钟，CH2是B路2.048M主时钟）（图5-2 CH1是A路2K同步信源,CH2是B路2K同步信源） 图5-3 A路TS3时隙的PCM编码信号 （图5-3 CH1是A路帧同步信号，CH2是A路PCM编码信号）5、观察B路随时隙变化的编码信号，按指导书38页表的内容设置B路可变帧同步脉冲FS_SEL，将模块8上的拨码开关S1，S2分别设置为S1S2=00 0100（TS4）、S1S2=01 0000（TS10）、S1S2=10 0000（