通信原理实验指导书05077

1、武汉凌特电子技术有限公司 LTE-TX-02E通讯原理实验指导书目 录第一章 信号源实验1实验一 CPLD可编程数字信号发生器实验1实验二 模拟信号源实验6第二章 语音编码技术12实验三 抽样定理和PAM调制解调实验12实验四 增量调制编译码系统实验20实验五 脉冲编码调制解调实验36实验六 ADPCM编译码实验50第三章 锁相环实验61实验七 模拟锁相环实验（选做）61实验八 数字频率合成实验（选做）73第四章 数字调制与差错控制技术77实验九 振幅键控（ASK）调制与解调实验77实验十 移频键控FSK调制与解调实验83实验十一 移相键控（PSK/DPSK）调制与解调实验89实验十二 QPS

2、K/OQPSK调制与解调实验（选做）97实验十三 矢量调制星座图实验（选做）105实验十四 汉明码编译码实验（选做）109第五章 数字基带传输技术114实验十五 码型变换实验114实验十六 眼图实验121第六章 同步技术124实验十七 载波同步提取实验124实验十八 位同步提取实验130实验十九 帧同步提取实验139第七章 时分复用技术148实验二十 两路PCM时分复用实验148实验二十一 两路PCM解复用实验154实验二十二 计算机数据通信实验157第八章 信道模拟174实验二十三 眼图观测实验（选做）174实验二十四 数字信号的最佳接收实验（选做）177实验二十五 信道模拟实验（选做）18

3、1第九章 系统实验184实验二十六 载波传输系统实验184实验二十七 数字基带传输系统实验186实验二十八 两路话音两路计算机数据综合传输系统实验188第十章 二次开发实验191实验二十九 分频器实验191实验三十 PN序列产生实验194实验三十一 AMI编码实验197实验三十二 AMI译码实验200实验三十三 HDB3编码实验202实验三十四 HDB3译码实验205实验三十五 CMI编码实验207实验三十六 CMI译码实验209第十一章 模拟调制实验（选做）211实验三十七 调幅及同步检波实验211实验三十八 调频及正交鉴频实验219武汉凌特电子技术有限公司 LTE-TX-02E型通信原理实

4、验指导书第一章 信号源实验实验一 CPLD可编程数字信号发生器实验一、 实验目的1、 熟悉各种时钟信号的特点及波形。2、 熟悉各种数字信号的特点及波形。二、 实验内容1、 熟悉CPLD可编程信号发生器各测量点波形。2、 测量并分析各测量点波形及数据。3、 学习CPLD可编程器件的编程操作。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 连接线 若干3、 20M双踪示波器 一台四、 实验原理CPLD可编程模块用来产生实验系统所需要的各种时钟信号和各种数字信号。它由CPLD可编程器件ALTERA公司的EPM240T100C5、下载接口电路和一块晶振组成。晶振JZ1用来产生系统内的32.768MHz主时钟

5、。1、 CPLD数字信号发生器包含以下五部分：1) 时钟信号产生电路将晶振产生的32.768MHZ时钟送入CPLD内计数器进行分频，生成实验所需的时钟信号。通过拨码开关S4和S5来改变时钟频率。有两组时钟输出，输出点为“CLK1”和“CLK2”，S4控制“CLK1”输出时钟的频率，S5控制“CLK2”输出时钟的频率。2) 伪随机序列产生电路通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列，通常简称为m序列。以15位m序列为例，说明m序列产生原理。在图1-1中示出一个4级反馈移存

6、器。若其初始状态为（）（1,1,1,1），则在移位一次时和模2相加产生新的输入，新的状态变为（）（0,1,1,1），这样移位15次后又回到初始状态（1,1,1,1）。不难看出，若初始状态为全“0”,即“0,0,0,0”，则移位后得到的仍然为全“0”状态。这就意味着在这种反馈寄存器中应避免出现全“0”状态，不然移位寄存器的状态将不会改变。因为4级移存器共有24=16种可能的不同状态。除全“0”状态外，剩下15种状态可用，即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15。图1-1 15位m序列产生信号源产生一个15位的m序列，由“PN”端口输出，可根据需要生成不同频率的伪随机码，码型为111100

7、010011010，频率由S4控制，对应关系如表1-2所示。3) 帧同步信号产生电路信号源产生8K帧同步信号，用作脉冲编码调制的帧同步输入，由“FS”输出。4) NRZ码复用电路以及码选信号产生电路码选信号产生电路：主要用于8选1电路的码选信号；NRZ码复用电路：将三路八位串行信号送入CPLD，进行固定速率时分复用，复用输出一路24位NRZ码，输出端口为“NRZ”，码速率由拨码开关S5控制，对应关系见表1-2。5) 终端接收解复用电路将NRZ码（从“NRZIN”输入）、位同步时钟（从“BS”输入）和帧同步信号（从“FSIN”输入）送入CPLD，进行解复用，将串行码转换为并行码，输出到终端光条（

8、U6和U4）显示。2、 24位NRZ码产生电路本单元产生NRZ信号，信号速率根据输入时钟不同自行选择，帧结构如图1-2所示。帧长为24位，其中首位无定义（本实验系统将首位固定为0），第2位到第8位是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数据信号，每路8位。此NRZ信号为集中插入帧同步码时分复用信号。光条（U1、U2和U3）对应位亮状态表示信号1，灭状态表示信号0。图1-2 帧结构1) 并行码产生器由手动拨码开关S1、S2、S3控制产生帧同步码和16路数据位，每组发光二极管的前八位对应8个数据位。拨码开关拨上为1，拨下为0。2）八选一电路采用8路数据选择器74LS151，其管脚定

9、义如图1-3所示。真值表如表1-1所示。表1-1 74LS151真值表CBASTRYLLLLD0LLHLD1LHLLD2LHHLD3HLLLD4HLHLD5HHLLD6HHHLD7HL图1-3 74LS151管脚定义74LS151为互补输出的8选1数据选择器，数据选择端（地址端）为C、B、A，按二进制译码，从8个输入数据D0D7中选择一个需要的数据。STR为选通端，低电平有效。本信号源采用三组8选1电路，U12，U13，U15的地址信号输入端A、B、C分别接CPLD输出的74151_A、74151_B、74151_C信号，它们的8个数据信号输入端D0D7分别与S1,S2,S3输出的8个并行信号

10、相连。由表1-1可以分析出U12，U13，U15输出信号都是以8位为周期的串行信号。五、 测试点说明CLK1：第一组时钟信号输出端口，通过拨码开关S4选择频率。CLK2：第二组时钟信号输出端口，通过拨码开关S5选择频率。FS：脉冲编码调制的帧同步信号输出端口。（窄脉冲，频率为8K）NRZ：24位NRZ信号输出端口，码型由拨码开关S1，S2，S3控制，码速率和第二组时钟速率相同，由S5控制。PN：伪随机序列输出，码型为111100010011010，码速率和第一组时钟速率相同，由S4控制。NRZIN：解码后NRZ码输入。BS：NRZ码解复用时的位同步信号输入。FSIN：NRZ码解复用时的帧同步信

11、号输入。六、 实验步骤1、 打开信号源模块的电源开关POWER1，使信号源模块工作。2、 观测时钟信号输出波形。信号源输出两组时钟信号，对应输出点为“CLK1”和“CLK2”，拨码开关S4的作用是改变第一组时钟“CLK1”的输出频率，拨码开关S5的作用是改变第二组时钟“CLK2”的输出频率。拨码开关拨上为1，拨下为0，拨码开关和时钟的对应关系如下表所示表1-2拨码开关时钟拨码开关时钟000032.768M1000128K000116.384M100164K00108.192M101032K00114.096M101116K01002.048M11008K01011.024M11014K0110

12、512K11102K0111256K11111K1) 根据表1-2改变S4，用示波器观测第一组时钟信号“CLK1”的输出波形；2) 根据表1-2改变S5，用示波器观测第二组时钟信号“CLK2”的输出波形。3、 用示波器观测帧同步信号输出波形信号源提供脉冲编码调制的帧同步信号，在点“FS”输出，一般时钟设置为2.048M、256K，在后面的实验中有用到。将拨码开关S4分别设置为“0100”、“0111”或别的数字，用示波器观测“FS”的输出波形。4、 用示波器观测伪随机信号输出波形伪随机信号码型为111100010011010，码速率和第一组时钟速率相同，由S4控制。根据表1-2改变S4，用示波

13、器观测“PN”的输出波形。5、 观测NRZ码输出波形信号源提供24位NRZ码，码型由拨码开关S1，S2，S3控制，码速率和第二组时钟速率相同，由S5控制。1) 将拨码开关S1，S2，S3设置为“01110010 11001100 10101010”，S5设为“1010”，用示波器观测“NRZ”输出波形。2) 保持码型不变，改变码速率（改变S5设置值），用示波器观测“NRZ”输出波形。3) 保持码速率不变，改变码型（改变S1、S2、S3设置值），用示波器观测“NRZ”输出波形。七、 实验报告要求1、 分析各种时钟信号及数字信号产生的方法，叙述其功用。2、 画出各种时钟信号及数字信号的波形。3、

14、记录实验过程中遇到的问题并进行分析，提出改进建议。第 231 页 共228页实验二 模拟信号源实验一、实验目的1、熟悉各种模拟信号的产生方法及其用途。2、观察分析各种模拟信号波形的特点。二、实验内容1、测量并分析各测量点波形及数据。2、熟悉几种模拟信号的产生方法，了解信号的来源、变换过程和使用方法。三、实验器材1、信号源模块 一块2、连接线 若干3、20M双踪示波器 一台四、实验原理 模拟信号源电路用来产生实验所需的各种低频信号：同步正弦波信号、非同步信号和音乐信号。（一）同步信号源（同步正弦波发生器）1、 功用同步信号源用来产生与编码数字信号同步的2KHz正弦波信号，可用在PAM抽样定理、增

15、量调制、PCM编码实验，作为模拟输入信号。在没有数字存贮示波器的条件下，用它作为编码实验的输入信号，可在普通示波器上观察到稳定的编码数字信号波形。2、 电路原理图2-1为同步正弦信号发生器的电路图。它由2KHz方波信号产生器（图中省略了）、同相放大器和低通滤波器三部分组成。图2-1 同步正弦波产生电路2KHz的方波信号由CPLD可编程器件U8内的逻辑电路通过编程产生。“2K同步正弦波”为其测量点。U19A及周边的电阻组成一个的同相放大电路，起到隔离和放大作用，。U19C及周边的阻容网络组成一个截止频率为2K的二阶低通滤波器，滤除方波信号里的高次谐波和杂波，得到正弦波信号。调节W1改变同相放大器

16、的放大增益，从而改变输出正弦波的幅度（05V）。（二）非同步信号源非同步信号源利用混合信号SoC型8位单片机C8051F330，采用DDS(直接数字频率合成)技术产生。通过波形选择器S6选择输出波形，对应发光二极管亮。它可产生频率为180Hz18KHz的正弦波、180Hz10KHz的三角波和250Hz250KHz的方波信号。按键S7、S8分别可对各波形频率进行增减调整。非同步信号输出幅度为04V，通过调节W4改变输出信号幅度。可利用它定性地观察通信话路的频率特性，同时用作增量调制、脉冲编码调制实验的模拟输入信号。图2-2 非同步信号发生器电路图（三）音乐信号产生电路1、功用音乐信号产生电路用来

17、产生音乐信号，作模拟输入信号检查话音信道的开通情况及通话质量。2、工作原理图2-3 音乐信号产生电路音乐信号产生电路见图2-3。音乐信号由U21音乐片厚膜集成电路产生。该片的1脚为电源端，2脚为控制端，3脚为输出端，4脚为公共地端。VCC经R34、D4向U21的1脚提供3.3V电源电压，当2脚通过K1输入控制电压+3.3V时，音乐片即有音乐信号从第3脚输出，经低通滤波器输出，输出端口为“音乐输出”（四）载波产生电路1、功用载波产生电路用来产生数字调制所需的正弦波信号，频率有64KHz和128KHz两种。2、工作原理64K载波产生电路如图2-4所示，128K载波产生电路如图2-5所示64KHz(

18、128KHz)的方波信号由CPLD可编程器件U8内的逻辑电路通过编程产生。“64K同步正弦波”（“64K”同步正弦波）为其测量点。U17A(U18A)及周边的电阻组成一个的同相放大电路，起到隔离和放大作用。U17D(U18D)及周边的阻容网络组成一个截止频率为64K（128KHz）的二阶低通滤波器，滤除方波信号里的高次谐波和杂波，得到正弦波信号。调节W2(W3)改变同相放大器的放大增益，从而改变输出正弦波的幅度（05V）。图2-4 64K载波产生电路图2-5 128K载波产生电路五、测试点说明2K同步正弦波：2K的正弦波信号输出端口，幅度（05V）由W1调节。64K同步正弦波：64K的正弦波信

19、号输出端口，幅度（05V）由W2调节。128K同步正弦波：128K的正弦波信号输出端口，幅度（05V）由W3调节。非同步信号源：普通正弦波、三角波和方波信号输出端口，波形由S6选择，频率由S7、S8调节，幅度(04V)由W4调节。音乐输出：音乐片输出端口。音频信号输入：音频功放输入端口（功放输出信号幅度由W6调节）。K1：音乐片信号选择开关。K2：扬声器输出选择开关。W6：调节扬声器音量。六、实验步骤1、 用示波器测量“2K同步正弦波”、“64K同步正弦波”、“128K同步正弦波”各点输出的正弦波波形，对应的电位器W1，W2，W3可分别改变各正弦波的幅度。2、 用示波器测量“非同步信号源”输出

20、波形。1) 按键S6选择为“正弦波”，改变W4，调节信号幅度（调节范围为04V），用示波器观察输出波形。2) 保持信号幅度为3V，改变S7、S8，调节信号频率（调节范围为180Hz18KHz），用示波器观察输出波形。3) 将波形分别选择为三角波、方波，重复上面两个步骤。3、 将控制开关K1设为“ON”，令音乐片加上控制信号，产生音乐信号输出，用示波器在“音乐输出”端口观察音乐信号输出波形。七、实验报告要求1、画出各测量点波形，并进行分析。2、画出各模拟信号源的电路组成方框图，叙述其工作原理。3、记录实验过程中遇到的问题并进行分析，提出改进建议。武汉凌特电子技术有限公司 LTE-TX-02E型通

21、信原理实验指导书第二章 语音编码技术实验三 抽样定理和PAM调制解调实验一、 实验目的1、 通过脉冲幅度调制实验，使学生能加深理解脉冲幅度调制的原理。2、 通过对电路组成、波形和所测数据的分析，加深理解这种调制方式的优缺点。二、 实验内容1、 观察模拟输入正弦波信号、抽样时钟的波形和脉冲幅度调制信号，并注意观察它们之间的相互关系及特点。2、 改变模拟输入信号或抽样时钟的频率，多次观察波形。 三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 20M双踪示波器 一台4、 连接线 若干四、 实验原理（一）基本原理1、抽样定理抽样定理表明：一个频带限制在（0，）内的时间连续信号，如果以T秒的

22、间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。假定将信号和周期为T的冲激函数相乘，如图3-1所示。乘积便是均匀间隔为T秒的冲激序列，这些冲激序列的强度等于相应瞬时上的值，它表示对函数的抽样。若用表示此抽样函数，则有：图3-1 抽样与恢复假设、和的频谱分别为、和。按照频率卷积定理，的傅立叶变换是和的卷积：因为 所以 由卷积关系，上式可写成 该式表明，已抽样信号的频谱是无穷多个间隔为s的相迭加而成。这就意味着中包含的全部信息。需要注意，若抽样间隔T变得大于，则和的卷积在相邻的周期内存在重叠（亦称混叠），因此不能由恢复。可见，是抽样的最大间隔，它被称为奈奎斯特间隔。上面讨论了低通型连续信号的

23、抽样。如果连续信号的频带不是限于0与之间，而是限制在（信号的最低频率）与（信号的最高频率）之间（带通型连续信号），那么，其抽样频率并不要求达到，而是达到2B即可，即要求抽样频率为带通信号带宽的两倍。00图3-2画出抽样频率2B（无混叠）和2B（有混叠）时两种情况下冲激抽样信号的频谱。(a) 连续信号的频谱100 （b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（无混叠）0 10（c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）图3-2 采用不同抽样频率时抽样信号的频谱2、脉冲振幅调制（PAM）所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随输入信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则前面所说的抽样定理，

24、就是脉冲增幅调制的原理。但是实际上真正的冲激脉冲串并不能付之实现，而通常只能采用窄脉冲串来实现。因而，研究窄脉冲作为脉冲载波的PAM方式，将具有实际意义。图3-3 自然抽样及平顶抽样波形PAM方式有两种：自然抽样和平顶抽样。自然抽样又称为“曲顶”抽样，已抽样信号ms(t)的脉冲“顶部”是随m(t)变化的，即在顶部保持了m(t)变化的规律（如图3-3所示）。平顶抽样所得的已抽样信号如图3-3所示，这里每一抽样脉冲的幅度正比于瞬时抽样值，但其形状都相同。在实际中，平顶抽样的PAM信号常常采用保持电路来实现，得到的脉冲为矩形脉冲。（二) 电路组成 脉冲幅度调制实验系统如图3-4所示，主要由抽样保持芯

25、片LF398和解调滤波电路两部分组成，电路原理图如图3-5所示。图3-4 脉冲振幅调制电路原理框图图3-5 脉冲幅度调制电路原理图（三）实验电路工作原理1、 PAM调制电路如图3-5所示，LF398是一个专用的采样保持芯片，它具有很高的直流精度和较高的采样速率，器件的动态性能和保持性能可以通过合适的外接保持电容达到最佳。LF398的内部结构如图3-6所示； 图3-6 LF398的内部电路结构N1是输入缓冲放大器，N2是高输入阻抗射极输出器。S为逻辑控制采样/保持开关，当S接通时，开始采样；当S断开时，开始保持。LF398的引脚功能为：3、12脚：正负电源输入端。1脚：Vi，模拟电压输入端。11

26、脚：MCTR，逻辑控制输入端，高电平为采样，低电平为保持。10脚：MREF，逻辑控制电平参考端，一般接地。8脚：HOC，采样/保持电容接入端。7脚：OUT，采样/保持输出端。如图3-5所示，被抽样信号从PAM-SIN输入，进入LF398的1脚Vi端，经内部输入缓冲放大器N1放大后送到模拟开关S，此时，将抽样脉冲作为S的控制信号，当LF398的11脚MCTR端为高电平时开关接通，为低电平时开关断开。然后经过射极输出器N2输出比较理想的脉冲幅度调制信号。K1为“平顶抽样”、“自然抽样”选择开关。2、PAM解调与滤波电路解调滤波电路由集成运放电路TL084组成。组成了一个二阶有源低通滤波器，其截止频

27、率设计在3.4KHz左右，因为该滤波器有着解调的作用，因此它的质量好坏直接影响着系统的工作状态。该电路还在后续实验接收部分有用到。电路如图3-7所示图3-7 PAM解调滤波电路五、 测试点说明1、输入点参考说明PAM-SIN：音频信号输入端口PAMCLK：抽样时钟信号输入端口IN：PAM解调滤波电路输入端口2、输出点说明自然抽样输出：自然抽样信号输出端口平顶抽样输出：平顶抽样信号输出端口OUT：PAM解调滤波输出端口六、 实验步骤及注意事项1、 将信号源模块、模块1固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。2、 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，将信号源模块和模块1的电源开关拨

28、下，观察指示灯是否点亮，红灯为+5V电源指示灯，绿灯为-12V电源指示灯，黄色为+12V电源指示灯。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，再打开电源做实验，不要带电连线）。3、 观测PAM自然抽样波形1) 用示波器观测信号源“2K同步正弦波”输出，调节W1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4V左右。2) 将信号源上S4设为“1010”，使“CLK1”输出32K时钟。3) 将模块1上K1选到“自然”。4) 关闭电源，按如下方式连线源端口目标端口连线说明信号源：“2K同步正弦波”模块1:“PAM-SIN”提供被抽样信号信号源：“CLK1”模块1:“PAMCLK”提供抽样时钟*

29、检查连线是否正确，检查无误后打开电源5) 用示波器在“自然抽样输出”处观察PAM自然抽样波形。4、 观测PAM平顶抽样波形a) 用示波器观测信号源“2K同步正弦波”输出，调节W1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4V左右。b) 将信号源上S1、S2、S3依次设为“10000000”、“10000000”、“10000000”，将S5拨为“1000”，使“NRZ”输出速率为128K，抽样频率为：NRZ频率/8（实验中的电路，NRZ为“1”时抽样，为“0”时保持。在平顶抽样中，抽样脉冲为窄脉冲）。c) 将K1设为“平顶”。关闭电源，按下列方式进行连线。源端口目标端口连线说明信号源：“2K同步正

30、弦波模块1：“PAM-SIN”提供被抽样信号信号源：“NRZ”模块1：“PAMCLK”提供抽样脉冲d) 打开电源，用示波器在“平顶抽样输出”处观察平顶抽样波形。5、 改变抽样时钟频率，观测自然抽样信号，验证抽样定理。6、 观测解码后PAM波形与原信号的区别1) 步骤3的前3步不变,按如下方式连线源端口目标端口连线说明信号源：“2K同步正弦波”模块1:“PAM-SIN”提供被抽样信号信号源：“CLK1”模块1:“PAMCLK”提供抽样时钟模块1:“自然抽样输出”模块1:“IN”将PAM信号进行译码2) 将K1设为“自然”，用“PAM-SIN”信号做示波器的触发源，用双踪示波器对比观测“PAM-S

31、IN”和“OUT”波形。7、 将信号源产生的音乐信号输入到模块1的“PAM-SIN”，“自然抽样输出”和“IN”相连，PAM解调信号输出到信号源上的“音频信号输入”，通过扬声器听语音，感性判断该系统对话音信号的传输质量。七、 实验思考题1、 简述平顶抽样和自然抽样的原理及实现方法。2、 在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？3、 造成系统失真的原因有哪些？4、 为什么采用低通滤波器就可以完成PAM解调？八、 实验报告要求1、 分析电路的工作原理，叙述其工作过程。2、 绘出所做实验的电路、仪表连接调测图。并列出所测各点的波形、频率、电压等有关数据，对所测数据做简要分析说明。必要时借助于

32、计算公式及推导。3、 对实验思考题加以分析，按照要求作出回答。实验四 增量调制编译码系统实验一、 实验目的1、 掌握增量调制编译码的基本原理，并理解实验电路的工作过程。2、 了解不同速率的编译码，以及低速率编译码时的输出波形。3、 理解连续可变斜率增量调制系统的电路组成与基本工作原理。4、 熟悉增量调制系统在不同工作频率、不同信号频率和不同信号幅度下跟踪输入信号的情况。二、 实验内容1、 观察增量调制编码各点处的波形并记录下来。2、 观察增量调制译码各点处的波形并记录下来。3、 工作时钟可变时M编译码比较实验。三、 实验器材1、 信号源模块 一块2、 号模块 一块3、 20M 双踪示波器 一台

33、4、 连接线 若干四、 实验原理（一） 基本原理增量调制简称为，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化方法。近年来在高速超大规模集成电路中用作转换器。增量调制获得应用的主要原因是：1）在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCM；2）增量调制的抗误码性能好。能工作于误比特率为10-210-3的信道，而PCM则要求误比特率为10-410-6；3）增量调制的编译码器比PCM简单。我们知道，一位二进制码只能代表两种状态，当然就不可能去表示抽样值的大小。可是，用一位码却可以表示相邻抽样值的相对大小，而相邻抽样值的相对变化将能同样反馈模拟信号的变化规律。为了证明这一点，我们通过下面的例子来说明。设一

34、个频带受限的模拟信号如图4-1中的所示，此模拟信号用一个阶梯波形来逼近。在图中，若用二进制码的“1”代表在给定时刻上升一个台阶，用“0”表示下降一个台阶，则就被一个二进制的序列所表征。图4-1 增量调制波形示意图一个简单的系统组成如图4-2所示。它由相减器、判决器、本地译码器、积分器、抽样脉冲产生器及低通滤波器组成。本地译码器实际为一脉冲发生器和积分器，它与接收端的译码器完全相同。图4-2 系统组成框图其工作过程如下：消息信号与来自积分器的信号相减后得到量化误差信号。如果在抽样时刻，判决器（比较器）输出则为“1”；反之时则为“0”。判决器输出一方面作为编码信号经信道送往接收端，另一方面又送往编

35、码器内部的脉冲发生器：“1”产生一个正脉冲，“0”产生一个负脉冲，积分后得到。由于与接收端译码器中积分输出信号是一致的，因此常称为本地译码信号。接收端译码器与发送端编码器中本地译码部分完全相同，只是积分器输出再经过一个低通滤波器，以滤除高频分量。下面，进一步举例阐述简单增量调制的工作过程。设为单一的正弦波信号，频率为1000Hz的模拟话音信号加入到发端编码器的输入端，如图4-3所示。由图4-3可知，根据上述编码规则，当时刻，输入信号的正斜率增大，并且是连续上升的，即时，编码器连续输出“1”码；当时刻，输入信号相对平稳，一会儿大于0，又一会儿小于0，则编码器输出码型也是一会儿输出“1”码，一会儿

36、输出“0”码。从时刻，可根据编码规则，输出其相应的二进制数字信号。在接收端，译码器的电路与工作过程同发送端编码器中的本地译码器完全相同。图4-3 增量调制编码输出波形从理论上，简单增量调制的最大信号量化噪声比为： (4-1)在(4-1)式中，是频率，是低通滤波器的截止频率， 是信号频率。当=32KHz，=3.4KHz，1KHz时： 由于语音信号幅度的变化范围较宽，为了获得满意的通话质量，语音信号的动态范围至少要达到30才能满足通话的要求，然而，信号的幅度与信号量化噪声比的变化有关，所以，还必须分析在不同语音信号幅度时的信号量化噪声比。当信号幅度的最大值为，信号的幅度为时，求出对应的信噪比如下：

37、 (4-2)由（4-2）式可知，任意幅值信号的信噪比与最大信噪比减小的分贝数，等于信号幅度值较减小的分贝数。如果，而信号在其所要求的动态范围内幅度下降20，信号量化噪声比为，当信号量化噪声比为5.8时，已不能满足保证话音质量的基本要求。从上述讨论可以看出，信号是按台阶来量化的，因而同样存在量化噪声问题。系统中的量化噪声有两种形式：一种称为过载量化噪声，另一种称为一般量化噪声，如图4-4所示。过载量化噪声发生在模拟信号斜率陡变时，由于阶梯电压波形跟不上信号的变化，形成了很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称为过载现象，也称过载噪声；如果无过载噪声发生，则模拟信号与阶梯波形之间的误差就是一般的量化噪

38、声。一般量化噪声 过载量化噪声图4-4 两种形式的量化噪声综上所述，简单增量调制电路在实际通信中没有得到应用是因为它的信号量化噪声比小，主要是量化阶距（量阶）固定不变，即为均匀量化。对均匀量化而言，如果量阶取值较大，则信号斜率变化较小的信号量化噪声（又称颗粒噪声）就大；如果量阶取值较小，则信号斜率较大的量化噪声（又称过载噪声）就大。均匀量化无法使两种噪声同时减小，这样，以致于信号的动态范围变窄，但是它为增量调制技术提供了理论基础。在语音通信中应用较为广泛的是音节压扩自适应增量调制，它是在数字码流中提取脉冲控制电压，经过音节平滑，按音节速率（也就是语音音量的平均周期）去控制量化阶距的。在各种音节

39、压扩自适应增量调制中，连续可变斜率增量调制（CVSD）系统用得较多。在实验箱中，也以连续可变斜率增量调制作为实验内容进行。（二） 实验电路组成及原理连续可变斜率增量调制（Continuously Variable Slope Delta Modulation），其英文缩写为CVSD，有专用集成芯片，其型号有：MC34115，MC3417，MC3418，MC3517，MC3518，MC35115等等。它是美国摩托罗拉（MOTOROLA）公司生产，只需要一个时钟信号，在该集成芯片的外围适当接上一些分立元器件作为辅助电路，即可实现音节压扩自适应增量调制。若在该芯片管脚的第15端接上不同的电平（高电平

40、或低电平）即可作发端的编码器，也可作接收端的译码器。图4-5为CVSD编码器，解码器的方框图。图4-5 CVSD编码器、解码器方框图由图4-5可知，与简单增量调制相比，发端的编码器在反馈回路中增加了自适应控制电路，即音节压扩控制电路，它由三个部分组成： 斜率过载检测电路：用来检测过载状态，它是由一个4比特移位寄存器构成的输出四连“1”码或四连“0”码，其电路由D触发器作移位寄存器，电路辅有与门、或门。斜率过载检测电路也称为电平检测电路。 斜率量值控制电路：用来转换量化阶距的大小。其电路由RC音节平滑滤波器、电压电流转换器和非线性网络组成。 斜率极性控制电路：用来转化量化阶距的极性，当时，输出为

41、正极性，当，输出为负极性，其电路由脉冲幅度调制器和积分网络组成。其电路的工作过程是这样的：在输入端，话音信号与话音信号进行比较，将其比较的结果值进行判决，若，则输出“1”码，若 ，则输出为“0”码，这同简单增量调制器编码方式是相同的。当输入话音信号中，连续出现上升沿或连续出现下降沿，或者说输入信号中正斜率增大或负斜率增大，在编码器的输出端中将出现连续的“1”码或“0”码，这样，如果不增加自适应控制电路，则将会出现无法跟踪信号，而出现过载现象，如图4-6所示。图4-6 无法跟踪信号的变化而造成过载现象若电路中增加自适应控制电路，则当中出现连续“1”码或“0”码时，斜率过载检测电路则立即工作，当

42、出现连续的四个“1”码或四个“0”码时，斜率过载检测器从的返回信号中即输出码流中按四连“1”和四连“0”检测，其输出是一些不同宽度的正脉冲，其宽度为 ，是连码的个数，是取样信号周期，它们输入到斜率量值控制电路，因斜率量值器是由音节滤波器、电压电流转换器和非线性网络组成，因而音节平滑滤波器把正脉冲序列进行平滑滤波，变成连续缓慢变化和直流控制电压，其变化的周期等于一个音节时间（约10ms），当出现“1”码增多时，斜率过载检测器输出的正脉冲数就相对增多，通过对的充电时间相对增长放电时间相对缩短，因此，直流控制电压升高，电压电流转换器把音节平滑滤波器输出的控制电压转换为控制电流，非线性网络使控制电流的

43、变化规律能更好地跟随输入信号斜率的变化，提高自适应能力，扩大其动态范围。另外，斜率过载检测电路内部的输出信号还接至斜率极性控制电路内的脉幅调制器的输入端，与来自斜率量值控制电路的输出信号一起加到脉幅调制器的另一输入端，因斜率极性控制电路由脉幅调制器和积分网络组成，经过脉幅调制电路和积分网络后就形成了有正负极性的量阶；二是根据音节平滑滤波器输出的电压来改变量阶，使量阶的变化为自适应的变化，其量阶值由自适应逻辑控制。此时，当检测到三连“1”码或者是三连“0”码，则称为3bit规则，若为四连“1”码或者四个连“0”码，则称为4bit规则。也就是说，CVSD的量阶变化，主要是由连码检测规则决定的，因发

44、端的编码器是反馈方式工作，即量阶是从输出码流中检测的，因此，随输入信号正斜率增加，码流中连“1”码就增多；如果负斜率增加，则连“0”码增多，对CVSD而言，只要把包络音节时间内连“1”码或连“0”码的次数逐一检测出来，经过音节平滑，形成控制电压，就能得到不同输入信号斜率量阶值，以致于再生信号能始终跟踪话音信号的变化，也就是当话音信号斜率小时，它的量阶值则小，当话音信号的斜率大时，则它的量阶自适应的增大，也就是量阶值随输入信号斜率变化而做自适应和调整。这正是连续可变斜率调制（CVSD）的工作原理，如图4-7所示。图4-7 CVSD编码器正常编码时的波形在前面曾经提到过一个名词叫“音节”，其含义说

45、明如下：我们在前面也讲到话音信号，其实它是一种缓慢变化的信号，在话音信号中包含了多种频率成分，话音信号的幅度也是随机变化的。如果用话音频谱仪观察其话音信号，可以看到3003400Hz的带宽内，除了各种频率分量的瞬间幅度变化外，还有一个随音量而变化的包络线。该包络线的频率约为100Hz（即周期为10ms），称为包络音节。包络音节远小于单字音节，所谓单字音节是语言中按元音来划分的音节。表4-1是几种语言单字音节统计值。从表中可清楚看出汉语的单字音节为125ms，而汉语的包络音节约为10ms左右。表 4-1语种音节速率音节周期汉语8个/秒125ms法语6个/秒166ms英语3.7个/秒270ms大洋

46、洲语0.8个/秒1250ms需要进一步说明的是，话音信号大约需要150250ms左右的时间才能被人耳感觉到。从表4-1来看，这大约是一个单字音节的数量级，从实际实验试听效果来看，按包络音节速率进行压扩，其效果是最好的，因为无论哪种语言，如果按包络音节调整信号幅度，按照人耳能够响应的速度来看，已经是相当自然的了。由此可见，音节压扩的量化阶距在单音频信号的一个周期甚至几个周期内的数值是不变的，只是随着信号在一个包络音节时间的斜率成比例地改变。在接收端，在CVSD解码器的方框图中，也同样增加了自适应控制装置，其作用同发送端的编码器，它的反馈部分也完全同上述一样，正是这样，CVSD编码器与解码器在电路

47、结构上只有很小的差别，因此加上一些转换控制电路就可以使它们两者完全兼容，这正是如前所述，即可作编码器，又可做解码器。MC系列的数字信号压扩M单片集成电路主要性能介绍见表4-2。表4-2特性符号MC3417MC3517MC3418MC3518MC34115单位电源电压范围4.7516.75V典型值为12V同左同左同左同左电源电流（理想通道）当=5V时当=15V典型12V最大16.5V同左同左同左典型12V最大16.5V3.76.05.010.04.67.07.512.0时钟速率SR16K16K32K32K16K次取样/秒检测规则三连“1”码三连“0”码同左四连“1”码四连“0”码同左三连“1”码

48、三连“0”码增益控制电流范围4.75V 16.5V0.0013.0同左同左同左4.75V 16.5V0.0023.0模拟比较输入范围（pins1和2）4.75V16.5V4.75V 16.5V1.3 -1.3同左同左同左同左一致脉冲输出10L=3.04.75V 16.5V0.12 0.25同左同左同左同左积分运放最大输出电流4.75V时5.0同左同左同左同左音节滤波电压（Pin3）4.75V 16.5V+3.2同左同左同左同左工作温度范围0+70-55+1250+70 -55+125-55+125从表4-2可知，MC系列的数字压扩M单片集成电路的组成部分和功能基本相同，都是用作数字压扩增量调制

49、的话音调制/解调器(有时也称编码器/解码器)。它们都是采用线形双极性与集成注入逻辑TTL兼容的集成电路制造工艺所制作而成的。它们的主要区别是数字检测算法不同和温度不同。MC3417、MC3517、MC34115采用的是三连“1”码、三连“0”码数字检测算法；MC3418、MC3518采用的是四连“1”码、四连“0”码数字检测算法；MC3417、MC3418工作温度为0+70，适用于民用产品，MC3517、MC3518、MC34115工作温度为-55+70，适用于军品。139本实验模块中的电路采用四连“0”、四连“1”压扩检测算法的连续可变斜率增量调制器，其核心部分是MC3418大规模集成电路，

50、其引脚功能如下：第1引脚：ANI（Analog Input）模拟信号输入端。输入音频模拟信号经过直流分量转换为内部参考电压值，则应在该端与第10引脚（Vcc/2端）间接入偏置电阻。第2引脚：ANF（Analog Feedback）模拟反馈输入端。 该端为电路内模拟比较器的同相输入端。当电路工作于编码方式时，其本地解码信号从该端输入至内部的模拟比较器；当该电路工作于译码方式时，该端不用，可接到第10引脚（Vcc/2端），也可以接地或悬空。第3引脚：SYL（Syllabic Filter）量阶控制信号输入端。 当从第11引脚COIN（一致脉冲输入端）端输出的负极性一致脉冲经过音节平滑虑波器，由RC

51、网络构成（在实验电路中由R18(47K)、R19（10K）、C15（0.22uF）组成，平滑后得到量阶控制电压输入到该第3脚至内部VI变换运算放大器内，控制积分器量阶的大小，在进行音频信号编码时的典型时间常数为650ms。第4引脚：GC（Gain Control Input）增量控制输入。 该芯片内部的VI变换运算放大器使该电压跟随量阶控制电压变化，变换速率为0.5/us。因此输入该端的电流大小由外接调整电阻RX决定，为保证电路稳定工作，RX值一般不超过10K，在实验电路中用W2（10K）进行调节。第5引脚：VREF（Ref Input）参考电压输入端。 该端为积分运算放大器的同相输入端，用于调节模拟信号的直流分量。在编码时，为保证输入输出模拟信号有相同的直流分量。该端应通过偏置电阻与VCC/2相连。第6引脚：FIL（Filter Input）外接积分器输入端。 该端为积分运算放大器的反相输入端，用于外接元件组成积分滤波器。在实验电路中，由R20（10K）、R24（1K）、C16（0.047uf）组成一次积分网络，由R15（10K）与C14（0.01uf）组成二次积分网络。在编码时，如果第1引