实验一抽样定理和脉冲编码实验

1、实验由样定理与脉冲编码实验实验目的1、掌握抽样定理的概念。2、掌握脉冲编码调制与解调的原理。实验仪器1、信号源模块2、PAM/AM 模块3、模拟信号数字化模块4、双踪示波器实验原理信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分，分别产生模拟信号和数字信号。1、模拟信号源部分模拟信号源部分可以输出频率和幅度任意改变的正弦波（频率变化范围100Hz10KHZ、三角波（频率变化范围 100Hz1KHZ）、方波（频率变化范围 100Hz10KHZ、锯齿波（频率变化范围100Hz1KHZ）以及32KHz 64KHz的点 频正弦波（幅度可以调节），各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。 该部分电路原理框

2、图如图頻率调节器波形选择开关一DfA转换器*ITCPLD1所示。p2彷波0K方彼*战大电路倍翳岀E4KLE张枝模拟信号源部分原理框图在实验前，我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U04,并存放在固定的地址中。当单片机U03检测到波形选择开关和频率调节开关送入 的信息后，一方面通过预置分频器调整 U01中分频器的分频比（分频后的信号频 率由数码管SM0SM04显示）;另一方面根据分频器输出的频率和所选波形的种 类，通过地址选择器选中数据存储器 U04中对应地址的区间，输出相应的数字信 号。该数字信号经过D/A转换器U05和开关电容滤波器U06后得到所需模拟信号。2、数字信号源部分数

3、字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码（可通过拨码开关SW01 SW02 SW03改变码型)以及位同步信号和帧同步信号。绝大部分电路功 能由U01来完成，通过拨码开关SW04 SW0旳改变整个数字信号源位同步信号 和帧同步信号的速率，该部分电路原理框图如图2所示。图2数字信号源部分原理框图晶振出来的方波信号经 3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器 分频，前一分频器分频后可得到 1024KHZ 256KHZ 64KHz 32KHz 8KHz的方波。 可预置分频器的分频值可通过拨码开关 SW04 SW05来改变，分频比范围是1 9999。分频后的信号即为整个系统的位同步信号(从信

4、号输出点“BS”输出)。数字信号源部分还包括一个 NRZ码产生电路，通过该电路可产生以 24位为一帧 的周期性NRZ码序列，该序列的码型可通过拨码开关 SW01 SW02 SW03来改变。 在后继的码型变换、时分复用、CDM等实验中，NRZ码将起到十分重要的作用。3、低通抽样定理1抽样定理表明：一个频带限制在(0, fH )内的时间连续信号 m(t)，如果以T 2B时（不混叠）及当抽样频率fs 2B时（混叠）两种情况下冲激抽样信号的频谱。I fs(t)0lltlItJ,Itro0Ts连续信号的频谱（b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠）（c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）图4采用

5、不同抽样频率时抽样信号的频谱4、带通抽样定理实际中遇到的许多信号是带通信号。例如超群载波电话信号，其频率在 312KHZ至552KHZ之间。若带通信号的上截止为频率 fH，下截止频率为 匸，此时 并不一定需要抽样频率高于两倍上截止频率。带通抽样定理说明，此时抽样频率 fs应满足:fs=2(fH-fL)(1 +晋22B(1 +普)其中，B = fH -fL，M =fH /(fH - h) -N，N 为不超过 fH /(fH - h)的最 大正整数。由此可知，必有 0M cl。由上式画出曲线。由图可知，带通信号 的抽样频率在2B至4B间变动。5、PCM工作原理所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量

6、化，然后使已量化值变换成代码。 脉码系统原理框图如图1所示。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。国际标准化的PC刚组（电话语音）是用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以及信道传输误码。通 常，用信号与

7、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律或卩律编 码律。下面将详细介绍PCM编码的整个过程，由于抽样原理已在前面实验中详细 讨论过，故在此只讲述量化及编码的原理。05图1 PCM系统原理框图（1）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，每个量化图2均匀量化过程示意图其量化间隔（量化台阶） 山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

8、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：量化器输出mq为:mq = qi,当式中mi为第i个量化区间的终点，可写成mij =a +iAvqi为第i个量化区间的量化电平，可表示为i =1、2、Mm miqi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

9、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3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。实际中，非均匀量化的实际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。广泛采用的两种对数压缩律是 卩压 缩律和A压缩律。美国采用卩压缩律，我国和欧洲各国均采用

10、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：Ax C 1 y =,0 ex 1+| nAA1+|n Ax 1 八， y=， X AhfAURVVSrVFxl*wpg*nc ACTIVE FILTERIn VVPO-(UwitoiRC ATrrvEFILTER图5 TP3067典型外部电路（部分）VFA0+1 !VF0+1 111VP0-11111 11ftI ACKM0E电压基惟勰波器自动-霎團a开关电蓉带通勰波器-A打D控制匿辑ECVRIGcut(13)(14)Dx:FSx:(15)TSx :DE开关电,_容带通1磁霜S/MDA

11、JC走时和S制图6 TP3067内部结构方框图由FSx启动的三态PCM据输出。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。开漏输出。在编码器时隙内为低脉冲。(16) ANLB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“T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。(17)(18)(19)(20)GSx发送输入放大器的模拟输出，用来在外部调节增益。 VFxl-:发送输入放大器的倒相输入端。VFxl+:发送输入放大器的非倒相输入端。VBb：负电源引脚，VBB = -5V+5%。2）、TP3067芯片功能

12、说明（1） 上 电当开始上电瞬间，加压复位电路启动COMB并使它处于掉电状态，所有非主 要电路都失效，而Dx、VFRO VPO- VPO均处于高阻抗状态。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/PD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/PD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脉冲之后相隔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

13、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，在这一模式中，MCLK止必须有时钟信号在起作用，而 MCLKR/PD引脚则起了掉电 控制作用。MCLKR/PD上的低电平使器件上电，而高电平则使器件掉电。这两种 情况中，不论发送或接收方向，MCLK都用作为主时钟输入，位时钟也必须作用 在 MCLKx上，对于频率为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz的主时 钟，BCLKR/CLKCE可用来选择合适的内部分频器，在 1.544MHz工作状态下，本器件 可自动补偿每帧内的第193个时钟脉冲。当BCLKR/CLKSE引脚上的电平固定时， BCLKX将被选为发送和接收方向兼

14、用的位时钟。表 4说明可选用的工作频率，其 值视BCLKx/CLKSE的状态而定。在同步模式中，位时钟 BCLKx可以从64KHz变 至2.048MHz,但必须与MCLKX同步。每一个FSx脉冲标志着编码周期的开始， 而在BCLKx的正沿上，从前一个编码周期来的 PCM数据从已启动的Dx输出中移 出。在8个时钟周期后，三态Dx输出恢复到高阻抗状态。随着 FSR脉冲来临， 依赖BCLKx（或在运行中的BCLKR负沿上的DR输入，PCM数据被锁定，FSx和 FSR必须与 MCLK或 MCLK同步。表4 主时钟频率的选择BCLKR/CLKSEL被选主时钟频率TP3067时钟2.048MHz01.53

15、6MHz 或 1.544MHz12.048MHz（3）异步工作在异步工作状态中，发送和接收时钟必须独立设置，MCLK和MCLR必须为2.048MHz,只要把静态逻辑电平加到 MCLKx/PD引脚上，就能实现这一点。FSx 启动每个编码周期而且必须与 MCLK和BCLKx保持同步。FSR启动每一个译码周 期而且必须与BCLKF同步。BCLKR必须为时钟信号。表6-1中的逻辑电平对于异 步模式是不成立的。BCLKx和BCLKRT作频率可从64KHz变至U 2.048MHz（ 4）短帧同步工作COMB既可以用短帧，也可以用长帧同步脉冲。在加电开始时，器件采用短 帧模式，在这种模式中，FSx和FSr这

16、两个帧同步脉冲的长度均为一个位时钟周 期。在BCLKx的下降沿当FSx为高时，BCLKx的下一个上升沿可启动输出符号位 的三态输出Dx的缓冲器，紧随其后的7个上升沿以时钟送出剩余的7个位，而 下一个下降沿则阻止 Dx输出。在BCLKR勺下降沿当FSr为高时（BCLKx在同步 模式），其下一个下降沿将锁住符号位，跟随其后的 7 个下降沿锁住剩余的 7 个 保留位。（ 5）长帧同步工作为了应用长帧模式，FSx和FSr这两个帧同步脉冲的长度应等于或大于位时 钟周期的三倍。在64KHZ工作状态中，帧同步脉冲至少要在160ns内保持低电位。 随着FSx或BCLKx的上升沿（无论哪一个先到）来到，Dx三态

17、输出缓冲器启动， 于是被时钟移出的第一比特为符号位，以后到来的BCLKx的 7个上升沿以时钟移 出剩余的7位码。随着第8个上升沿或FSx变低（无论哪一个后发生），Dx输出 由BCLKx的下降沿来阻塞，在以后8个BCLKR勺下降沿（BCLKR，接收帧同步脉 冲FSR的上升沿将锁住DR的PCM数据。（ 6）发送部件发送部件的输入端为一个运算放大器， 并配有两个调整增益的外接电阻。 在 低噪声和宽频带条件下，整个音频通带内的增益可达20dB以上。该运算放大器驱动一个增益为1的滤波器（由RC有源前置滤波器组成），后面跟随一个时钟频 率为256KHZ的8阶开关电容带通滤波器。该滤波器的输出直接驱动编码器

18、的抽 样保持电路。在制造中配入一个精密电压基准，以便提供额定峰值为2.5V的输入过载（ tmax）。 FSx 帧同步脉冲控制滤波器输出的抽样，然后逐次逼近的编码 周期就开始。8位码装入缓冲器内，并在下一个 FSx脉冲下通过Dx移出，整个 编码时延近似地等于165ns加上125ns （由于编码时延），其和为290ns。（7）接收部件接收部件包括一个扩展 DAC（数模转换器），而它又驱动一个时钟频率为 256KHZ的5阶开关电容低通滤波器。译码器是依照 A律（TP3067设计的，而5 阶低通滤波器矫正8KHZ抽样一保持电路所引起的sinx/x衰减。在滤波器后跟随 一个输出在VFRQt的2阶RC低通

19、后置滤波器。接收部件的增益为 1,但利用功 率放大器可加大增益。当FSr出现时在后续的8个BCLKR（ BCLKx的下降沿， DR输入端上的数据将被时钟控制。在译码器的终端，译码循环就开始了。（ 8）接收功率放大器 两个倒相模式的功率放大器用来直接驱动一个匹配的线路接口电路。 本编译码器的功能比较强，它既可以进行 A律变换，也可以进行u律变换, 它的数据既可用固定速率传送， 也可用变速率传送， 它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧， 并且还可以控制它处于低功耗备用状态， 到底使用它的什 么功能可由用户通过一些控制来选择。在实验中我们选择它进行 A律变换，以2.048Mbit/s的速率来传

20、送信息，信 令帧为无信令帧，它的发送时序与接收时序直接受 FSx和FSR控制。还有一点， 编译码器一般都有一个PDN降功耗控制端，PDN=1寸，编译码能正常工作，PDN=0 编译码器处于低功耗状态，这时编译码器其它功能都不起作用，我们在设计时， 可以实现对编译码器的降功耗控制。四、实验步骤抽样定理调节信号源模块，产生的1KHZ正弦波（峰.峰值Vpp=2V左右，从信 号输出点输出 ），送入 PAM 模块的信号输入点“ PAM 音频输入”24 位 NRZ 码型设置为 10000000 10000000 10000000 BCD 码分频值设置为 0000000 00110001（31 分频）。此时，信号源模块的信号输出点“NRZ”输出为占空比为1/8的8KHZ方波。将 8KHz 方波信号送入 PAM 模块的信号输入点“ PAM 时钟输入”。记 录“调制输出”测试点 PAM 抽样信号的波形，连接 PAM 模块的信号输出点“调制输出”和