PCM编码和FSK调制与解调.docx
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PCM编码和FSK调制与解调
实验二PCM编码调制和FSK调制与解调
姓名：
左立刚学号：
031040522
简要说明：
本次实验分为两个部分，第一部分包括：
PCM实验原理，实验结果输出波形，问题解答（实验课上老师提出的6个问题）以及心得体会；第二部分包括：
FSK调制解调的原理，实验结果输出波形，心得体会。
一．PCM编译系统
1.1实验原理：
脉冲编码调制（PCM）是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号在信道中传输。
脉冲编码调制是对模拟信号进行抽样，量化和编码三个过程完成的。
PCM通信系统的实验方框图如图2-1所示。
图2-1PCM通信系统实验方框图
在PCM脉冲编码调制中，话音信号经防混叠低通滤波器后进行脉冲抽样，变成时间上离散的PAM脉冲序列，然后将幅度连续的PAM脉冲序列用类似于“四舍五入”办法划归为有限种幅度，每一种幅度对应一组代码，因此PAM脉冲序列将转换成二进制编码序列。
对于电话，CCITT规定抽样率为8KHz，每一抽样值编8位码（即为28=256个量化级），因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kB。
本实验应用的单路PCM编、译码电路是TP3057芯片（见图2-1中的虚线框）。
此芯片采用A律十三折线编码，它设计应用于PCM30/32系统中。
它每一帧分32个时隙，采用时分复用方式，最多允许接入30个用户，每个用户各占据一个时隙，另外两个时隙分别用于同步和标志信号传送，系统码元速率为2.048MB。
各用户PCM编码数据的发送和接收,受发送时序与接收时序控制,它仅在某一个特定的时隙中被发送和接收，而不同用户占据不同的时隙。
若仅有一个用户，在一个PCM帧里只能在某一个特定的时隙发送和接收该用户的PCM编码数据，在其它时隙没有数据输入或输出。
本实验模块中，为了降低对测试示波器的要求，将PCM帧的传输速率设置为64Kbit/s或128Kbit/s两种，这样增加了编码数据码元的宽度，便于用低端示波器观测。
此时一个PCM帧里，可容纳的PCM编码分别为1路或2路。
另外，发送时序FSX与接收时序FSR使用相同的时序，测试点为34TP01。
实验结构框图已在模块上画出了，实验时需用信号连接线连接34P02和34P03两铆孔，即将编码数据直接送到译码端，传输信道可视为理想信道。
另外，TP3057芯片内部模拟信号的输入端有一个语音带通滤波器，其通带为200HZ～4000HZ，所以输入的模拟信号频率只能在这个范围内有效。
1.2各测量点的作用
34TP01：
发送时序FSX和接收时序FSR输入测试点，频率为8KHz的矩形窄脉冲；
34TP02：
PCM线路编译时钟信号的输入测试点；
34P01：
模拟信号的输入铆孔；
34P02：
PCM编码的输出铆孔；
34P03：
PCM译码的输入铆孔；
34P04：
译码输出的模拟信号铆孔，波形应与34P01相同。
注：
一路数字编码输出波形为8比特编码（一般为7个半码元波形,最后半个码元波形被芯片内部移位寄存器在装载下一路数据前复位时丢失掉），数据的速率由编译时钟决定，其中第一位为语音信号编码后的符号位，后七位为语音信号编码后的电平值。
1.3实验内容及步骤
1．插入有关实验模块：
在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“PCM/ADPCM编译码模块”，插到底板“G、H”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。
注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。
2．加电：
打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。
若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。
3．PCM的编码时钟设定：
“时钟与基带数据产生器模块”上的拨码器4SW02设置“01000”，则PCM的编码时钟为64KHZ（后面将简写为：
拨码器4SW02）。
拨码器4SW02设置“01001”，则PCM的编码时钟为128KHZ。
4．时钟为64KHZ，模拟信号为同步正弦波的PCM编码数据观察：
（1）用专用铆孔导线将P04、34P01，34P02、34P03相连。
（2）拨码器4SW02设置“01000”，则PCM的编码时钟为64KHZ。
（3）双踪示波器探头分别接在测量点34TP01和34P02，观察抽样脉冲及PCM编码数据。
调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，并仔细观察PCM编码数据的变化。
特别注意观察，当无信号输入时，或信号幅度为0时，PCM编码器编码为11010101或为01010101，并不是一般教材所讲授的编全0码。
因为无信号输入时，或信号幅度为0经常出现，编全0码容易使系统失步。
此时时钟为64KHZ，一帧中只能容纳1路信号。
注意：
（4）双踪示波器探头分别接在34P01和34P04，观察译码后的信号与输入模拟信号是否一致。
5．时钟为128KHZ，模拟信号为同步正弦波的PCM编码数据观察：
上述信号连接不变，将拨码器4SW02设置“01001”，则PCM的编码时钟为128KHZ。
双踪示波器探头分别接在测量点34TP01和34P02，观察抽样脉冲及PCM编码数据。
调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，并仔细观察PCM编码数据的变化。
注意，此时时钟为128KHZ，一帧中能容纳2路信号。
本PCM编码仅一路信号，故仅占用一帧中的一半时隙。
用示波器观察34P01和34P04两点波形，比较译码后的信号与输入信号是否一致。
6．模拟信号为异步正弦波的PCM编码数据观察：
改用异步函数信号输入，分别改变输入模拟信号的幅度和频率，重复上列6、7步骤，观察异步正弦波及PCM编码数据波形。
注意，频率范围不能超过4KHZ。
此处由于异步正弦波频率与抽样、编码时钟不同步，需仔细调节异步正弦波频率才能在普通示波器上看到稳定的编码数据波形。
7．语音信号PCM编码、译码试听：
将拨码器4SW02设置为“01111”，此时PCM编码时钟为64KHZ，接收滤波器截止频率为2.65KHZ。
用专用导线将P05（用户电话A语音信号发送输出）与34P01（模拟信号的输入）连接；34P04（译码输出的模拟信号）与P08（用户电话B语音信号接收输入）或与P4连接，34P02（编码输出）与34P03（译码输入）相连。
对着用户电话A话筒讲话，在用户电话B耳机或扬声器中试听，直观感受PCM编码译码的效果。
8．关机拆线：
实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。
1.3实验波形图及简单分析
图一时钟频率为64K，模拟信号为同步正弦波时，34TP01和34P02测试点的波形
图二时钟频率为64K，模拟信号为同步正弦波时，34P01和34P04处的波形
即是译码后的信号与输入模拟信，观察可知译码输出的信号与输入模拟信号一致，都是正弦波，相位相同，只是幅值有所差异，从而得到编码与译码的正确性。
图三时钟频率为128K，模拟信号为同步正弦波时，34TP01和34P02测试点的波形
图四时钟频率为128K，模拟信号为同步正弦波时，34P01和34P04处的波形
即是译码后的信号与输入模拟信，观察可知译码输出的信号与输入模拟信号一致，都是正弦波，相位相同，只是幅值有所差异，从而得到编码与译码的正确性。
图五时钟频率为64K，模拟信号为异步正弦波时，34P01和34P04处的波形
由波形可以观察出，输入模拟信号与译码输出的信号在相位上有较大延迟。
图六时钟频率为128K，模拟信号为异步正弦波时，34P01和34P04处的波形
由波形可以观察出，输入模拟信号与译码输出的信号在相位上有较大延迟。
1.4问题解答
1.模拟信号从哪里来的？
有什么作用？
解：
模拟信号由“时钟与基带数据发生模块”产生，作用是得到模拟信号，产生调制信号。
2.工频时钟有哪些？
起什么作用？
解：
工频时钟有：
时钟与基带数据产生器模块，异步正弦波发生器。
前者在实验过程中产生64KHz和128KHz的同步正弦波，后者产生异步正弦波，用于设置PCM帧的传输速率，这样增加了编码数据码元的宽度，便于用低端示波器观测。
3.抽样频率如何确定？
解：
由于语音信道的频率范围为300-3400HZ，所以，根据奈奎斯特抽样定理（要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍的信号最高频率），抽样频率应该大于6800HZ（3400HZ的2倍）而CCITT（现ITU-T）规定语音信号的采样速率为8KHz。
所以实验过程中抽样频率确定为8KHz
4.PCM量化方案如何确定？
把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程称为量化。
即：
抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。
显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。
为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。
量化后的抽样信号与量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。
这种量化失真在接收端还原模拟信号时表现为噪声，并称为量化噪声。
量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。
在PCM-30/32通信设备中，采用A律13折线的分段方法，具体是：
Y轴均匀分为8段，每段均匀分为16份，每份表示一个量化级，则Y轴一共有16×8＝128个量化级。
；X轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。
13折线示意图如下：
由于分成128个量化级，故有7位二进制码（27＝128），又因为Y轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有8位二进制码。
5.编码如何实现？
量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。
若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0），在码前以“＋”、“－”号为前缀，来区分样值的正、负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。
简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。
根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。
这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。
话音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bits×8kHz＝64kb/s。
量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。
量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。
因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。
自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。
PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。
编码器分为逐次反馈型、折叠级联型和混合型三种，在本实验中采用逐次反馈型的编码器。
6.再生的作用是什么？
如何实现？
解：
再生的作用是将经信道传输的PCM调制信号经过ＤＡ转换后，译码恢复出原来输入的模拟信号，通过示波器观察此译码出的信号与输入模拟信号是否一致，可以验证PCM编码调制是否正确。
1.5心得体会
1.首先，正如老师所说，一走进实验室，不是马上打开实验箱，开通电源，当然更加不是说闲话，而是认真阅读实验材料上的实验原理以及注意事项，避免误操作，损坏实验仪器；
2.通过这次试验，明白了A律PCM编码原理，是采用的折叠二进制码；以及A律PCM编码规则；
3.明白了实验原理中包括：
采样，量化，编码，再生，译码，低通滤波等步骤；
4.最重要的是，明白了采样频率的确定（奈奎斯特抽样定理），量化的规则（采用A律13折线的分段方法），编码的原理（量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码，本实验中采用逐次反馈型的编码器），再生，译码以及低通滤波的作用（是为了恢复处原来输入的模拟信号，看最后输出的信号波形与原波形是否一致，若一致，说明了PCM编码与译码的正确性）；
5.明白了影响PCM系统性能的噪声有两种，极传输中引入的信道噪声和量化中引入的噪声。
误差产生原因：
（1）.由于实际取样脉冲不可能是理想的冲激函数而引入的孔径失真;
（2）.由于无穷内插公式和许多高频分量而混入了插入噪声;
（3）.因解码端再生取样脉冲时而导致的定时抖动失真等。
误差的表现：
恢复的图像成阶梯形而不圆滑。
2．FSK（ASK）调制解调实验
2.1实验原理
数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。
由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗群时延性能较强，因此在无线中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。
2.1.1FSK调制电路工作原理
FSK调制电路是由两个ASK调制电路组合而成，它的电原理图，如图5-1所示。
16K02为两ASK已调信号叠加控制跳线。
用短路块仅将1-2脚相连，输出“1”码对应的ASK已调信号；用短路块仅将3-4脚相连，输出“0”码对应的ASK已调信号。
用短路块将1-2脚及3-4脚都相连，则输出FSK已调信号。
因此，本实验箱没有专门设置ASK实验单元电路。
图5-1FSK调制解调电原理框图
图5-1中，输入的数字基带信号分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经反相器去控制f2=16KHz的载频。
当基带信号为“1”时，模拟开关B打开，模拟开关A关闭，此时输出f1=32KHz；当基带信号为“0”时，模拟开关B关闭，模拟开关A打开，此时输出f2=16KHz；在输出端经开关16K02叠加，即可得到已调的FSK信号。
电路中的两路载频（f1、f2）由时钟与基带数据发生模块产生的方波，经射随、选频滤波变为正弦波，再送至模拟开关4066。
载频f1的幅度调节电位器16W01，载频f2的幅度调节电位器16W02。
2.1.2FSK解调电路工作原理
FSK解调采用锁相解调，锁相解调的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频上，此时对应的环路滤波器输出电压为零，而对另一载频失锁，则对应的环路滤波器输出电压不为零，那末在锁相环路滤波器输出端就可以获得原基带信号的信息。
FSK锁相环解调器原理图如图5-2所示。
FSK锁相解调器采用集成锁相环芯片
17P01
17P02
图5-2FSK锁相环解调器原理示意图
MC4046。
其中，压控振荡器的频率是由17C02、17R09、17W01等组件参数确定，中心频率设计在32KHz左右，并可通过17W01电位器进行微调。
当输入信号为32KHz时，调节17W01电位器，使环路锁定，经形成电路后，输出高电平；当输入信号为16KHz时，环路失锁，经形成电路后，输出低电平，则在解调器输出端就得到解调的基带信号序列。
2.2各测量点和可调组件的作用
1.FSK调制模块
16K02：
两ASK已调信号叠加控制跳线。
用短路块将1-2脚及3-4脚都相连，则输出FSK已调信号。
仅1-2脚连通，则输出ASK已调信号。
16TP01：
32KHz方波信号输入测试点，由4U01芯片（EPM240）编程产生。
16TP02：
16KHz方波信号输入测试点，由4U01芯片（EPM240）编程产生。
16TP03：
32KHz载波信号测试点，可调节电位器16W01改变幅度。
16TP04：
16KHz载波信号测试点，可调节电位器16W02改变幅度。
16P01：
数字基带信码信号输入铆孔。
16P02：
FSK已调信号输出铆孔，此测量点需与16P01点波形对比测量。
2．FSK解调模块
17W01：
解调模块压控振荡器的中心频率调整电位器。
17P01：
FSK解调信号输入铆孔。
17TP02：
FSK解调电路中压控振荡器输出时钟的中心频率，正常工作时应为32KHz左右，频偏不应大于2KHz，若有偏差，可调节电位器17W01。
17P02：
FSK解调信号输出，即数字基带信码信号输出，波形同16P01。
3．噪声模块
3W01:
噪声电平调节。
3W02：
加噪后信号幅度调节。
3TP01:
噪声信号测试点，电平由3W01调节。
3P01:
外加信号输入铆孔。
3P02:
加噪后信号输出铆孔。
2.3实验内容及步骤
1．插入有关实验模块：
在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“FSK调制模块”、“噪声模块”、“FSK解调模块”，插到底板“G、A、B、C”号的位置插座上（具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”）。
注意模块插头与底板插座的防呆口一致，模块位号与底板位号的一致。
2．信号线连接：
用专用导线将4P01、16P01；16P02、3P01；3P02、17P01连接（注意连接铆孔的箭头指向，将输出铆孔连接输入铆孔）。
3．加电：
打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。
若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。
4．设置好跳线及开关：
用短路块将16K02的1-2、3-4相连。
拨码器4SW02：
设置为“00000”，4P01产生2K的15位m序列输出。
5．载波幅度调节：
16W01：
调节32KHz载波幅度大小，调节峰峰值4V。
16W02：
调节16KHz载波幅度大小，调节峰峰值4V。
用示波器对比测量16TP03、16TP04两波形。
6．FSK调制信号和巳调信号波形观察：
双踪示波器触发测量探头接16P01，另一测量探头接16P02，调节示波器使两波形同步，观察FSK调制信号和巳调信号波形，记录实验数据。
7．噪声模块调节：
调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；调节3W02，调整3P02信号幅度为4V。
8．FSK解调参数调节：
调节17W01电位器，使压控振荡器锁定在32KHz（16KHz行不行？
），同时可用频率计监测17TP02信号频率。
9．无噪声FSK解调输出波形观察：
调节3W01，将3TP01噪声电平调为0；双踪示波器触发测量探头接16P01，另一测量探头接17P02。
同时观察FSK调制和解调输出信号波形，并作记录，并比较两者波形，正常情况，两者波形一致。
如果不一致，可微调17W01电位器，使之达到一致。
10．加噪声FSK解调输出波形观察：
调节3W01逐步增加调制信号的噪声电平大小，看是否还能正确解调出基带信号。
11．ASK实验与上相似，这儿不再赘述。
12．关机拆线：
实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。
注：
由于本实验中载波频率为16KHz、32KHz，所以被调制基带信号的码元速率不要超过4KHz。
2.4实验波形图及简单分析
图一16TP03、16TP04测试点的波形
即是32K和16K载波信号测试点，分别调节电位器16W01和16W02，可由示波器读得两载波信号的频率分别是31.25KHz和16.13KHz。
图二16P01和16P02测试点的波形
即是数字基带信码信号输入信号和FSK已调输出信号的波形，由对比可知：
此FSK调制信号与教材上的波形一致
图三3TP01和3P02处的波形
即是噪声信号测试点（电平由3W01调节，幅值约为100mV）和加噪后输出信号,很明显加噪后输出信号有点失真，有点毛刺。
图四有噪声时，16P01和17P02出的波形
可知：
数字基带信码信号输入信号和FSK解调输出信号的波形一致，与教材上的波形相似，不同的是，有了码型变换，由原来的非归零码变换成了归零码，并且波形有毛刺，与小许波动，但结果还是正确的。
图五无噪声时，16P01和17P02处的波形
可知：
数字基带信码信号输入信号和FSK解调输出信号的波形一致，与教材上的波形相似，不同的是，有了码型变换，由原来的非归零码变换成了归零码，并且波形平滑，没有毛刺，但结果还是正确的。
2.5心得体会
1.数字调制的本质与目的是：
用数字基带信号对载波进行调制，是基带信号的功率谱搬移到较高的载波频率上来，其中频移键控（FSK）属于数字调制的范畴；
2.通过这次实验，明白了FSK的基本原理：
它是利用载波的频率变化来传递数字信息，在二进制情况下，1对应于载波频率f1，0对应于载波频率f2，二进制频移键控如同两个不同频率交替发送的ASK信号，因此已调信号是的时域表达为：
二进制键控频移信号可以看做是两个不同载频的2ASK信号之和。
调制系数：
Rs是数字基带信号的速率，功率谱是以fc为中心频率对称分布的。
在
较小时功率谱为单峰，随着
的增大，功率谱出现了双峰这时的频带宽度可近似表示为：
3.明白了2FSK的解调方式非相干和相干两种
（a）2FSK信号产生原理图
实验中采用相干解调，解调器模型如下图：
在2FSK解调器中，2FSK信号进入带通滤波器抑制掉干扰，接着把FSK信号与相干载波相乘，把两种不同频率的FSK信号变成两种不同的电压信号,然后送低通滤波器滤除高频分量，最后通过抽样比较器得到最终的解调波形。
（1）通过两个不同频率的载波信号可以对调制信号进行2FSK调制；
（2）通过相干解调，可以较好的实现2FSK调制信号的解；；
（3）解调出来的波形与调制信号相比会有一定的延时；
（4）最后解调出来的FSK信号出现了码型变换（由原来的非归零码转变成了归零码），但这并不影响波形的观察与解调结果的正确性。
4.最后感谢通信原理这么课程，让我对模拟线性调制，模拟角调制，PCM编码与解调，数字信号调制有了一定的了解，同时也加深了对matlab软件的使用熟悉程度，另外也很感谢老师认真负责以及实验课上的指导。
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