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1、信息科学与工程学院通信原理实验报告专业班级电信1902班姓名龚永好学号20191106078同 组指导老师 王军舰起止时间武昌首义学院实验2脉冲编码调制解调实验、两路PCM时分复用实验脉冲编码调制解调实验2.1.1 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。1.1.1 了解脉冲编码调制信号的频谱特性。1.1.2 了解大规模集成电路W681512的使用方法。1.1.3 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
2、)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。1.1.4 实验原理(1)基本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，那么接 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。国际标准化的PCM码组( 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
3、。预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300Hz 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， 用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N来表示。国际电报 咨询委员会(ITU-T) 详细规定了它的指标，还规定比特率为64kbps,使用A律或u律编码律。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5-3所示。其量化间隔(量化台阶)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
4、化范围和量化电平数确定后， 量化间隔也被确定。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，当信号较小时，那么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到达给定的要求。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
5、， 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U压缩 律和A压缩律。美国采用u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。A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
6、=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W681512正是采用这种压扩特性来进行 编码的。编码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 里的编码和译码与过失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，假设按编码的速度来分，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 比拟型、折叠级联型、混合型。本实验模块中的编码芯片W681512采用的是逐次比 较型。在逐次比拟型编码方式中，无论采用几位码，
7、一般均按极性码、段落码、段 内码的顺序排列。(2)实验电路说明本实验采用大规模集成电路W681512对语音信号进行PCM编、解码。W681512 是应用于语音、模拟转数字、数字转模拟的单通道CODECo此语音CODEC以全差动 输出功能来将噪音最小化。芯片符合ITU-TG. 712及ITU-TG. 711工业标准，所以能 提供最可能的清晰讯号。W681512可工作在256KHz、512kHz、1536kHz、1544kHz、2048kHz、 2560kHz 和 4096kHz。这里选择编码速率为2.048MHz,每一时隙数据为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、
8、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，在其他的时隙中编 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，否那么接收不到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。1.1.5 实验步骤（1）将信号源模块和模块2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，翻开主机箱右侧的交流开关，将信号源模块和模块2的电 源开关拨下，观察指示灯是否点
9、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，再翻开电源做实验，不要带电连线）。（3）观测PCM编、译码波形。 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3V左右。 将信号源板上S4设为0111 （时钟速率为256K）, S5设为0100（时钟速率为 2. 048M） o实验系统连线一一关闭系统电源，进行如下连接：源端口目的端口连线说明信号源：2K同步正弦 波模块 2： SIN IN-A提供音频信号信号源：CLK2模块2： MCLK提供W681512工
10、作的主时钟（2. 048M）信号源：CLK1模块2： BSX提供位同步信号（256K）信号源;FS模块2： FSXA提供帧同步信号模块2： FSXA模块2： FSRA作自环实验，直接将接收帧同步和发送帧同 步相连模块2： BSX模块2： BSR作自环实验，直接将接收位同步和发送位同 步相连模块 2： PCM0UT-A模块 2： PCMIN-A将PCM编码输出结果送入PCM译码电路进行 译码*检查连线是否正确，检查无误后翻开电源 用示波器观测各测试点以及PCM编码输出点“PCMOUT-A”和解调信号输出 点“SINOUT-A”输出的波形。 改变位时钟为2.048M (将S4设为“0100”),观
11、测PCM调制和解调波形。 改变KI、K2开关，观测PCM调制和解调波形。(4)从信号源引入非同步正弦波，调节W4改变输入正弦信号的频率，使其 频率分别大于3400Hz或小于300Hz,观察点“PCMOUT-A、“SINOUT-A”的输出波形， 记录下来(应可观察到，当输入正弦波的频率大于3400Hz或小于300Hz时，PCM解 码信号的幅度急剧减小)。(5) FS帧同步信号(chi)与PCMOUT-A (ch2)波形图，如图2-1所示。图2T FS帧同步信号(ch1)与PCMOUT-A (ch2)波形图(6) SININ-A2K正弦波与SIN0UT-A解调信号波形图，如图2-2所示。图2-2
12、SININ-A2K正弦波与SINOUT-A解调信号波形图实验总结通过本次实验，我掌握了脉冲编码调制与解调的原理，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，了解了大规模集成电路W681512的使 用方法。在观察脉冲编码调制与解调的结果时，我不知道如何分析调制信号与基带 信号之间的关系，经过同学的讲解，我终于明白了。2.2两路PCM时分复用实验2.2.1 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。2.2.2 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
13、号。2.2.3 实验原理在数字通信中，PCM、瓜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 ，且各 路 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
14、传送假设干个基带信号，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）原理的差异在于：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那么提出了较高要 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 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
15、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。原那么上是先把一定 路数 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。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。抽样频率fs为8kHz,所以帧长度Ts=l/8kHz=125 u s。一帧分为32个时隙， 其中3
16、0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*0011011,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。假设将总比特率为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。假设将T
17、S16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。根据以上帧结 构，我们不难看到，PCM30/32系统传码率为RBP=sf XnXN=8000X32X8=2. 048Mbps在本实验中通过FPGA产生的帧同步信号FS3和FS_SEL来使两个W681512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。2.2.4 实验步骤PCM时分复用实验（1）将信号源模块和模块2、8固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确 保电源接触良好
18、。（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：CLK1 (2048K)模块8： CLK；S4拨为“0100”，时钟输入信号源：CLK2 (2048K)模块 2： MCLK； BSXS5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编码帧同步输入模块 8： FS_SEL模块2： FSXBB路PCM编码帧同步输入模块 2： PCMOUT-A模块 8： PCMAINA路PCM编码输入信
19、号模块 2： PCM0UT-B模块 8： PCMBINB路PCM编码输入信号*检查连线是否正确，检查无误后翻开电源（4）将模块8上的拨码开关SI, S2分别设置为00000100,用示波器观察模 块8上“FJOUT”处的输出波形，改变拨码开关为其它值，观察输出波形变化情况。（5）实验结束关闭电源。（6） FS3： A路第3时隙的帧同步信号和FS_SEL:B路可选时隙的帧同步信号 波形图，如图2-3所示。图2-3帧同步信号（7） FS3与FJOUT:时分复用信号输出波形图，如图2-4所示。图2-4 FS3与FJOUT:时分复用信号输出波形图实验总结经过本次实验的学习，我掌握了时分复用的概念，了解了时分复用的构成及工 作原理，分复用的优点与缺点以及时分复用在整个通信系统中的作用。因为我对仪 器操作不熟练，对两路模拟信号进行PCM编码这一步卡壳，还好有同学的帮助和 老师的耐心指导，我得以解决问题，然后快速进行复用，观察复用后的信号，完成 实验。