试验一脉冲编码调制PCM及系统试验长春工业大学人文信息学院.docx
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试验一脉冲编码调制PCM及系统试验长春工业大学人文信息学院
通信原理
实验指导书
电子信息系
长春工业大学人文信息学院电子信息系
2011年09月
目录
实验一脉冲幅度调制PAM系统实验…………………………………….2
实验二脉冲编码调制（PCM）及系统实验…………………………………5
实验三增量调制编码系统实验……………………………………………8
实验四FSK调制解调实验………………………………………………..12
实验五二相PSK（DPSK）调制实验…………………………………...19
实验一脉冲幅度调制PAM系统实验
一．实验目的：
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特点和这种调制方式的组合原理，从而使学生不但能更清楚脉冲幅度的调制原理，而且还能通过实验电路的组成和所测量的数据，加深理解这种调制的优缺点；同时，还能通过脉冲调制实验，对脉冲调制系统中最重要的抽样定理，在理论和实际演示过程中得到巩固。
二．实验预习要求
主要预习《通信原理系统教程》中关于脉冲模拟调制系统这一章中的“低通信号的抽样定理”和“脉冲幅度调制”等主要内容。
三．实验仪器：
示波器一台
低频信号源一台
电子与通信原理实验系统实验箱一台
四．实验内容：
1.脉冲幅度调制实验
本实验主要完成三个方面的内容
第一．观察被调制信号正弦波形、取样脉冲波形和已调信号波形的相互之间的关系及特点，特别是语音频带内各频率点的情况。
第二．观察抽样前后的两种波形的相同点和不同点。
第三．观察验证抽样定理，并加以理论分析和必要的说明。
2.PAM通信系统实验：
本实验主要完成三个方面的内容
第一．观察整个系统收发各点信号的特点并测量其参数
第二．在输出端再次验证抽样定理的正确性，并分析这两种方法验证抽样定理的差别。
第三．观察本实验系统对语音信号的传输能力及系统参数的测量。
五．实验步骤及注意事项
1.脉冲幅度调制实验步骤
第一步：
在S201处，用外加信号源送入0—4KHZ语音频带内的某一频率信号f,然后用是比起在TP601处观察测量，以该点信号输出幅度不失真时较大为好，如有削顶是真则减小外加信号源的输出幅度，达到上述要求。
在TP606处观察其方波抽样脉冲信号。
调整CA601处可变电容，使该脉冲信号的频率达到5—10倍的f，在TP602处观察并用示波器测量该点波形。
并做详细记录和绘图。
第二步：
讲f变成4KHZ，该表抽样脉冲发生电路中的CA601，使TP606处的脉冲信号频率分别为大于2f,等于2f，小于2f三种情况，并将每次的各点波形数据详细记录，借助理论分析说明抽样定理的正确性。
2.脉冲幅度调制实验的注意事项
第一．+5V工作
第二．按下按键开关：
K2,K100,K600,K3
第三．按一下“开始”与“PAM”功能键，显示代码“8”
第四．跳线开关设置
当K601拨到1、2两点时，作PAM调制和解调实验。
当K601拨到2、3两点时，作PAM取样保持实验。
第五．验证抽样定理的时候，有时会产生不同步现象，在示波器中观察不到稳定的信号。
此时要适当的调整外加信号频率，使之同步，需要反复耐心的调整才能观察到。
3.PAM通信系统实验步骤
第一步、在S201处分别送入信号0.3KHZ,0.8KHZ,1.6KHZ,2.4KHZ,4KHZ,6KHZ信号，将K601的1端和2端相连，分别用示波器观测TP601至TP606各点波形，并做详细记录和绘图。
第二步、在输入信号固定在3KHZ，然后改变脉冲发生电路中的CA601，使抽样频率大于二倍的f,等于二倍f,小于二倍f，在TP605处用示波器观测系统输出波形，判断和验证抽样定理在系统中的正确性，同时做详细记录和绘图。
六．讨论思考题
1.简述抽样定理
2.本实验是什么方式的抽样？
3.本实验的抽样形式同理想抽样有什么区别？
七．实验报告要求
1.绘出本实验所测个点的波形图以及相关数据。
2.实验中如果有重要的建议和发现特殊现象请在实验报告上注明。
3.实验中发生的现象要在实验报告中解释清楚。
实验二脉冲编码调制（PCM）及系统实验
一、实验目的
1、加深对PCM编码工作过程的理解.
2、掌握PCM编、译码的时序关系.
3、熟悉PCM编、译码专用集成芯片的使用方法及其要求.
4、了解PCM系统的工作过程。
二、实验预习要求
首先预习《数字通信原理》教材中关于脉冲编码调制PCM原理的有关章节，然后，再阅读本实验内容。
三、实验所用仪表
1、+5V、±12三路直流稳压电源一台
2、二踪示波器一台
3、电子与通信原理实验箱一台
四、实验电路工作原理
（一）PCM基本工作原理
众所周知,脉冲调制通信就是把一个时间连续、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后在信道中进行传输.而脉冲编码调制就是对模拟信号先进行抽样后,再对样值的幅度进行量化、编码的过程.
所谓抽样,就是对模拟信号进行周期性扫描,从而把时间上的连续的信号变成时间上离散的信号.该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息,也就是说能无失真的恢复原模拟信号.它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的.在该实验中,抽样速率采用8Kbit/s.
所谓量化,就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散,及用一组规定的电平,把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示.
一个模拟信号,经过抽样量化后,得到已量化的脉冲幅度调制信号,它仅为有限个数值.
所谓编码,就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值.然而,实际上量化是在编码过程中同时完成的,故编码过程也称为模\数变换,可记作A\D.
由此可见,脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式.
图1-1PCM的原理框
POM的原理如图1-1所示.语音信号先经防混叠低通滤波器,得到限带带信号（300~3400HZ）,进行
脉冲抽样,变成8KHZ重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号）,然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号,再经编码,转换成二进制码。
对于电话，CCITT规定抽样率为8KHZ，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值,因此每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s.为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题,在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法,即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小,而在大信号时分层疏、量化间隔大,如图1-2所示.
VOVO
11
Au
A=0u=0
01vi01Vi
（a）（b）
图1-2A律与u率的压缩特性
在实际中广泛使用的是两种对数形式的压缩特性：
A律与u律。
对压缩器而言，其输入输出归一化特性表示式为：
A律
=
U律
A律PCM主要用于欧洲，U律主要用于北美和日本，我国采用欧洲体制。
五、实验内容
（一）PCM编码调制实验
1、在不加信号的情况下，用二踪示波器测量TP501—TP505各测量点处的波形，仔细观察。
2、从实验一信号发生器系统单元中输入一单音频正弦信号至S201中，再测量TP501-TP508各点波形，画出各点波形并分析其相位关系。
3、从外加信号输入一正弦信号至S202中，重复上述“2”的过程及步骤进行实验。
（二）PCM编解码系统实验
4、在上述“1”、“2”、“3”的基础上，继续测量TP506—TP508各测量点处的波形。
并画出波形，作详细分析。
六、实验步骤及注意事项
1、+5V、-5V工作。
2、动手进行实验时，先看清楚本实验内容所在实验箱中的电路板中的位置。
3、按下开关：
K2、K3、K100、K500。
4、按一下“开始”与“PCM”功能键，显示代码“2”。
这样就给PCM系统中送上三组信号，即：
a.2048KHz主时钟信号
b.8KHz收发分帧同步信号
c.使能信号，此为低电平有效。
5、跳线开关放置：
K101的1–2脚、K501的1–2脚。
七、讨论思考题
1、TP3067PCM编码器输出的PCM数据的速率是多少？
在本次实验系统中，为什么要给TP3067提供2.048MHZ的时钟？
2、认真分析TP3067主时钟与8KHZ分
收、发同步时钟的相位关系？
八、实验报告要求
1.画出实验电路的实验方框图，并叙述其工作过程。
2.画出实验过程中各测量点的波型图，注意对应相位关系。
实验三增量调制编码系统实验
一、实验目的
1.掌握增量调制编码的基本原理，并理解实验电路的工作过程。
2.了解不同速率的编码，以及低速率编码时的输出波形。
二、实验预习要求
实验前认真预习有关增量调制原理内容和本教材的附录。
三、实验仪器仪表及芯片简介
（一）实验仪器仪表
1.+5V、+12V、-12V三路稳压电源一台
2.二踪示波器一台
3.信号源一台
4.三用表一台
5.电子与通信原理实验系统实验箱一台
（二）本实验所用芯片简介
1.LM747直流放大器
外引线排列图
2.MC34115增量调制解调集成电路
（1）典型参数：
工作电压Vcc=4.75—16.5V
功耗（Vcc=5V—16.5V）,20—90mW
（2）外引线排列图
四、实验电路工作原理
（一）电路组成
图2-1增量调制编码器实验结构框图
图2-2是增量调制编码器电原理框图
图2-3是增量调制编码器电原理图
（二）基本工作原理
众所周知，增量调制是由PCM发展而来的模拟信号数字化的一种编码方式，它是PCM的一种特例，关于PCM编码的原理及其实验，已在实验中做过了。
增量调制编码基本原理是只用一位编码，这一位不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，既采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对前一个抽样时刻的值是增大还是减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。
输出“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的绝对值。
关于增量调制的详细工作原理，请认真阅读附录。
五、实验内容
1.在不信号的情况下，用二踪示波器测量TP201～TP207各测量点的波形。
2.用低频信号源输出信号，产生一频率为800Hz，幅度为2.5Vp-p加到信号输入插座S201中，再测量TP201～TP207各点波形，并画出波形。
3.输入音频信号保持f=800Hz不变，而改变信号幅度再重复逐点观测TP201～TP207各点波形
4.输入音频信号保持幅度不变，改变信号的频率再逐点观测TP201～TP207各点波形。
5.用外加信号源输入信号f=800Hz，幅度3Vp-p也保持不变，而改变工作时钟频率，如64KHZ、32KHZ、16KHZ、8KHZ分别逐点测量TP201～TP207各点波形，并分析测试结。
六、实验步骤及注意事项
1.+5V、+12V、-12V工作。
2.按下按键开关：
K2、K3、K1000、K200。
3.按一下“开始”与“M编码”功能键，显示代码“1”。
（1）跳线开关设置：
K101的1、2脚、K201的1、2脚或K201的2、3脚或K201的4、5脚或K201的5、6脚。
（2）外加正弦波300Hz～3400Hz的信号从S201进入。
（3）在分析电路，动手做实验时，看清楚实验电路元器件在实验箱中的分布位置。
七、讨论思考题
1.在做实验内容中的第六项实验时，实验结果的结论如何？
2.MC3417、MC3418、MC34115、MC3517、MC3518这几个集成电路的主要特点如何？
3.MC24115的第15引脚为何要接上高电平才能作编码电路。
八、实验报告要求
1.画出实验电路的实验方框图，并作简要叙述。
2.画出实验内容2中的各点波形图，注意对应时间相位关系。
3.结合理论分析说明在测量各点波形时，所发生的各种现象。
4.写出本次实验的心得体会，以及对本实验有何改进意见。
实验四FSK调制解调实验
一、实验目的
1理解FSK调制工作原理及电路组成。
2理解利用锁相环解调FSK的原理和实现方法。
二、预习要求
实验前预习《通信原理》关于二进制频率键控FSK及解调有关章节。
三、实验仪器仪表和芯片
（一）实验仪器仪表
1、+5V、+12V稳压电源一台
2、示波器一台
3、电子与通信实验系统实验箱一台
4、三用表一块
（二）本实验所用芯片功能简介
本次实验电路所用的集成电路芯片有：
74LS04、74LS32、74LS74、MC14046、
MC14066。
其中除了74LS32之外，其它芯片均在前面的实验中介绍过。
故这里不再列出
74LS32四2输入或门
（1）典型参数：
tPD=14nsPD=5mW/每门
（2）外引线排列及逻辑图（3）逻辑表达式：
Y=A+B
四、实验电路工作原理
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，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到较为广泛的应用。
数字调频又可称为移频键控FSK，它是利用载频频率变化来传递数字信息。
数字调频信号可以分为相位离散和相位连续两种情况。
若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，他们之间相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，只是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。
本实验电路中，由实验一提供的载频频率经过本实验电路分频而得到的两个不同频率的载频信号，则为相位连续的数字调频信号。
（一）FSK调制电路工作原理
1.FSK调制电原理框图，见图3-1；图3-2是它的电原理图。
2.FSK调制工作原理
由图3-1可知，输入的基带信号由转换开关K904转换后分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经倒相去控制f2=16KHz的载频。
当基带信号为‘1‘时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=62KHz，当基带信号为’0‘时，模拟开关1关闭，模拟开关2开通。
此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到已调的FSK信号。
电路中的两路载频（f1,f2）由内时钟信号发生器产生，经过开关K901，K902送入。
两路载频分别经射随、选频滤波、射随、再送至模拟开关U901：
A与U901：
B（4066）。
关于FSK调制原理波形见图3-3所示。
（二）FSK解调电路工作原理
FSK集成电路模拟锁相环解调器由于性能优越，价格低廉，体积小，所以得到越来越广泛的应用。
1.FSK解调电原理框图。
FSK集成电路模拟锁相环解调器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f1上，对应输出高电平，而对另一载频f2失锁，对应输出低电平，那末在锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列，解调器框图如图3-4所示。
解调器电原理图如图3-5所示。
FSK锁相环解调器中的集成锁相选用了MC14046，其特性参数见实验七。
集成电路内部结构如图3-6所示。
MC14046集成电路内有两个数字式鉴相器（PDⅠ、PDⅡ）、一个压控振荡器（VCO），还有输入放大电路等，环路低通滤波器接在集成电路的外部。
压控振荡器的中心频率设计在32KHz。
图3-6中R1，R2，C1主要用来确定压控振荡器的振荡频率。
R3，R2构成外接低通滤波器，其参数选择要满足环路性能指标的要求。
从要求环路能快速捕捉，迅速锁定来看，低通滤波器的通带要宽些；从提高环路的跟踪特性来看，低通滤波器的通带又要窄些。
因此电路设计应在满足捕捉时间前提下，尽量减小环路低通滤波器的宽带。
由图3-5可知，当锁相环锁定时，环路对输入FSK信号中的32KHz载波处于跟踪状态，32KHz载波（正弦波）经输入整形电路后变成矩形载波。
此时鉴位器PDⅡ输入端（引脚13）为低电平，锁定指示输出（引脚1）为高电平，鉴相器PDⅠ输出（引脚2）为底电平，PDⅠ输出和锁定指示输出经或非门U903：
A（74LS32）和U904：
B（74LS04）后输出为低电平，再经积分电信号插座S902输出。
环路锁定时的各点工作波形如图3-7所示。
当输入信号为16KHz时，环路失锁。
此时环路对16KHz载频的跟踪破坏，鉴相器输入端的两个比较信号存在频差，经鉴相器PDⅠ后输出一串无规则矩形脉冲，而锁定指示（第1引脚）输出为低电平，PDⅠ输出和锁定指示输出经或非门U903：
A和U904：
B后，输出仍为无规则矩形脉冲，这些矩形脉冲积分器和非门U904：
C后输出为低电平。
环路失锁时的各点波形如图3-8所示。
可见，环路对32KHz再品锁定时输出高电平，对16KHz载频失锁时就输出低电平。
只要适当选择环路参数，使它对32KHz锁定，对16KHz失锁，则在解调器输出端就得到解调输出的基带信号序列。
五、实验内容
1、测试FSK调制电路TP901-TP907各测量点波形，并作详细分析。
2、测试FSK调制电路TP908-TP910各测量点波形，并作详细分析。
为便于对照，现将调制与解调电路画在一张图上，如图10-2所示。
而图10-9是该FSK调制解调系统实验电路的元器件位置分布图，在进行实验时，可参照该图进行操作。
六、实验步骤及注意事项
（一）FSK调制实验
（1）+5V工作。
（2）按下按键开关：
K2、K100、K900。
（3）按一下“开始”与“FSK”功能键，显示代码“3”。
（4）跳线开关设置：
K1011-2、K9011-2、K9021-2。
K9041-2、2KHz的伪随机码，码序列为：
1110010。
K9042-3、8KHz方波，码序列为：
1100码。
做FSK解调实验时，K9041-2、K9031-2。
（5）在CA901上插电容，使锁相环中的压控振荡器工作在32KHz,电容在1800pf～2200pf之间。
（6）注意选择不同的数字基带信号的频率。
有1110010码（2KHz）、1010交替码（8KHz）。
由信号转接开关K904进行选择。
（二）FSK解调实验
1、接通开关K903“1”和“2”脚，输入FSK信号给解调电路，注意观察“1”“0”码内所含载波的数目。
2、观察FSK解调输出TP910～TP912波形，并做记录。
并同时观察FSK调制端的基带信号，比较两者波形，观察是否有失真。
七、讨论思考题
1、改变4046的那些外围元件参数对其解调正确输出有影响？
2、采用锁相环解调时，其输出信号序列与发送信号序列相比有否产生延迟？
3、当K904的2与3相接时，其它条件不变，观察能否解调出数字基带信号，为什么？
实验五二相PSK（DPSK）调制实验
一.实验目的
1.掌握二相BPSK（DPSK）调制的工作原理及电路组成。
2.了解载频信号的产生方法。
3.掌握二相绝对码与相对码的码变换方法。
二.预习要求
认真预习《通信原理》中关于PSK调制有关章节的内容。
三.实验仪器仪表
（一）实验仪器仪表
1、+5V、+12V、-12V三路稳压电源一台
2、二踪示波器一台
3、三用表一台
4、电子与通信原理实验系统实验箱一台
（二）集成电路芯片介绍
1、4066四双向模拟开关
（1）典型参数：
a.导通电阻Ron≤500欧
b.截止电阻Roff≥50兆欧
c.每路见偏差小于50欧
（2）外引线排列图（3）逻辑排列图
2.LM318运算放大器3.LM311单比较器
外引线排列图外引线排列图
四．实验电路工作原理
在本实验中，绝对移相鉴控（PSK）是采用直接调相法来实现，也就是用输入的基带信号直接控制已输入载波相位的变化来实现相位键控。
（一）电路组成
图4—1是本实验系统二相PSK（DPSK）调制器电路框图。
图4—2是本实验系统二相PSK（DPSK）调制器电路原理图。
（二）电路基本工作原理
众所周知，数字相位调制又称为移相键控。
它是利用载波相位的变化来传递数字信息的。
通常又可把它分成绝对相移与相对相移两种方式。
本实验是采用绝对移相方式，所为绝对移相就是利用载波不同相位的绝对值来传递信息。
那么怎样才能让载波不同相位的绝对值来传递信息呢？
如果让所传输的数字基带信号控制载波相位的该变，而载波的幅度和相位都不变，那么就得到载波相位发生变化的已调信号。
我们把这种调制方式称为数字相位调制。
即移相键控PSK调制。
PSK调制在数字通信系统中是一种极重要的态制方式，它的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK移幅键控和FSK仪频键控。
因此，PSK技术在中、高速数据传输中得到了十分广泛的应用。
本实验采用的是二相PSK调制，其它还有四相键相键控（QPSK）、B八相移相键控（8PSK）、正交部分响应（QPRS）、十六进制正交调幅（16QAM）等。
图4-1PSK调制及测量点分布原理框图
图4-2PSK调制电路电原理图
设在二相调制情况下，某一数字基带信号的码元时隙传送消息为“1”时，发送相位为0°的振荡信号。
S1（t）=Acos（w0t+Ψ0）0≤tS1（t）=0t为其它（4-1）
传送消息“0”时，发送相位为1800振荡信号：
S0（t）=Acos（w0+Ψ0+1800）
=-Acos（w0t+Ψ0）0≤tS0（t）=0t为其它（4-2）
当设Ψ0=0时，则
S1（t=Acos（w0t）0≤tS1（t）=0t为其它（4-3）
S0（t）=-Acos（w0t+Ψ0）0≤tS0（t）=0t为其它（4-4）
当传送的消息为一随机序列时，例如话音信号经过编码后的数字信号或其它数据信号，则传送的调相信号也相应的为一随机振荡序列，其相位与传送消息相对应，如图4-3所示。
图4-3二相PSK调制信号波形
五.实验内容
（一）二相PSK调制实验
用内载波发生器产生的信号作输入载波信号来观察TP301∽TP309各测量点的波形。
（二）二相DPSK调制实验
加入差分编码器电路来传输二相DPSK信号，重做上述内容。
六.实验步骤及注意事项
（1）看清楚本次实验电路的元器件在实验箱的分布结构。
七.实验讨论思考题
1．DPSK波形与载波幅度、基带信码有何关系？
PSK与DPSK从波形上看是无法分辨的，那么，他们到底又有何不同？
2．设给定一码组1011001110010，试画出对这个码组进行DPSK调制的波形。
八.实验报告要求
1.根据实验结果，画出DPSK已调信号的波形。
2.简述DPSK调制电路的工作原理及工作过程。
3.画出二相PSK调制器详细框图，并简述其工作过程。
4.根据实验测试记录（波形、频率、相位、幅度以及时间对应关系）依此画出调制器各测量点的工作波形，并给以必要的说明。
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