通信原理第二次实验.docx
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通信原理第二次实验
实验二：
信源编码实验
一、实验目的
1．通过通过抽样定理加深对抽样定理的理解；加深理解脉冲幅度调制的特点；学习PAM调制硬件实现电路，掌握调整测试方法。
2．通过PCM实验掌握PCM编译码原理与系统性能测试；熟悉PCM编译码专用集成芯片的功能和使用方法；学习PCM编译码器的硬件实现电路，掌握它的调整测试方法。
3．通过ADPCM实验加深对自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）工作原理的理解；了解大规模集成电路CP1306的电路组成及工作过程；了解利用编写程序对其芯片CP1306的控制与输出处理过程。
4．通过增量调制实验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；了解不同速率的编译码，以及低速率编译码时的输出波形；学习增量调制编译码器的硬件实现电路，掌握它的调整测试方法。
二、实验仪器
1．PAM脉冲调幅模块，位号：
H
2．时钟与基带数据发生模块，位号：
G
3．数字示波器1台
4．小平口螺丝刀1只
5．信号连接线3根
6．PCM/ADPCM编译码模块，位号：
H
7．增量调制编译码模块，位号：
D
三、实验原理
（一）抽样定理及其应用实验
抽样定理告诉我们：
如果对某一带宽有限的时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么根据这些抽样值就能准确地还原原信号。
这就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输按抽样定理得到的抽样值。
通常，按照基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位置）的不同，把脉冲调制分为脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PDM）和脉位调制（PPM）。
虽然这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量是连续的，因此也都属于模拟调制。
关于PDM和PPM，国外在上世纪70年代研究结果表明其实用性不强，而国内根本就没研究和使用过，所以这里我们就不做介绍。
本实验平台仅介绍脉冲幅度调制，因为它是脉冲编码调制的基础。
抽样定理实验电路框图，如图1-1所示。
图1-1抽样的实验过程结构示意图
本实验中需要用到以下5个功能模块。
1．非同步函数信号或同步正弦波发生器模块：
它提供各种有限带宽的时间连续的模拟信号，并经过连线送到“PAM脉冲调幅模块”，作为脉冲幅度调制器的调制信号。
P03/P04测试点可用于调制信号的连接和测量；另外，如果实验室配备了电话单机，也可以使用用户电话模块，这样验证实验效果更直接、更形象，P05/P07测试点可用于语音信号的连接和测量。
2．抽样脉冲形成电路模块：
它提供有限高度，不同宽度和频率的的抽样脉冲序列，并经过连线送到“PAM脉冲调幅模块”，作为脉冲幅度调制器的抽样脉冲。
P09测试点可用于抽样脉冲的连接和测量。
该模块提供的抽样脉冲有同步和非同步两种，同步的抽样脉冲是频率为8KHz，占空比为50%或近似50%的矩形脉冲；非同步的抽样脉冲由555定时器产生，其频率通过W05连续可调。
3．PAM脉冲调幅模块：
它采用模拟开关CD4066实现脉冲幅度调制。
抽样脉冲序列为高电平时，模拟开关导通，有调制信号输出；抽样脉冲序列为低电平，模拟开关断开，无信号输出。
因此，本模块实现的是自然抽样。
在32TP01测试点可以测量到已调信号波形。
调制信号和抽样脉冲都需要外接连线输入。
已调信号经过PAM模拟信道（模拟实际信道的惰性）的传输，从32P03铆孔输出，它可能会产生波形失真。
PAM模拟信道电路示意图如图1-2所示，32W01（R1）电位器可改变模拟信道的传输特性，当R1C1=R2C2时，PAM已调信号理论上无失真。
4．接收滤波器与功放模块：
接收滤波器是数字低通滤波器，它的作用是恢复原调制信号。
数字低通滤波器的截止频率受工作时钟控制，它由4SW02的置位确定。
铆孔P14是接收滤波器与功放的输入端，实验时需用外接导线将32P03与P14连接。
5．时钟与基带数据发生模块：
它提供系统工作时钟和接收数字低通滤波器工作时钟。
接收数字低通滤波器截止频率的设置由该模块中微型连排拨动开关4SW02置位确定。
图1-2PAM信道仿真电路示意图
最后强调说明：
实际应用的抽样脉冲和信号恢复与理想情况有一定区别。
理想抽样的抽样脉冲应该是冲击脉冲序列，在实际应用中，这是不可能实现的。
因此一般是用高度有限、宽度较窄的窄脉冲代替，本实验中提供的抽样脉冲，是频率为8KHz，占空比为50%或近似50%的矩形脉冲或由555定时器产生的频率连续可调的脉冲。
另外，实际应用中使信号恢复的滤波器不可能是理想的。
当滤波器特性不是理想低通时，抽样频率不能就等于被抽样信号频率的2倍，否则会使信号失真。
考虑到实际滤波器的特性，抽样频率要求选得较高。
由于PAM通信系统的抗干扰能力差，目前很少实用。
它已被性能良好的脉冲编码调制（PCM）所取代。
（二）PCM编译码系统实验
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，另外两个时隙分別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。
（三）ADPCM编译码系统实验
ADPCM（AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation，自适应差分脉冲编码调制）综合了APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性，是一种性能较好的波形编码。
它的核心思想是：
利用自适应改变量化台阶的大小，即使用小的量化台阶去编码小的差值，使用大的量化台阶去编码大的差值；使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。
ADPCM记录的量化值不是每个采样点的幅值，而是该点的幅值与前一个采样点幅值之差。
ADPCM是利用样本与样本之间的高度相关性和量化台阶自适应来压缩数据的一种波形编码技术。
ADPCM标准是一个代码转换系统，它使用ADPCM转换技术实现64kb/sA律或u律PCM（脉冲编码调制）速率和32kb/s速率之间的相互转换。
ADPCM的简化框图如图3-1所示。
本ADPCM编解码器的输入信号是PCM代码，采样率是8kHz，每个代码用8位表示，因此它的数据率为64kb/s。
而ADPCM的输出代码是“自适应量化器”的输出，该输出是用4位表示的差分信号，它的采样率仍然是8kHz，它的数据率为32kb/s，这样就获得了2∶1的数据压缩。
（a）ADPCM编码器
（b）ADPCM解码器
图3-1ADPCM简化框图
本实验模块采用一款单路全双工PCM/ADPCM语音编解码芯片CP1306实现功能。
选用主时钟频率MCLK为10.368MHz，收、发同步信号SYNC为8KHz窄脉冲信号，数据的时钟BCLK采用64kHz。
输入的模拟信号经34P05连接送入，隔直后经运放跟随后输入CP1306（1脚）。
CP1306将模拟信号进行PCM信号编码，转换成µ律64Kps的PCM信号，从“PCMSO”（27脚）输出，没有设测试点。
PCM信号经“PCMSI”（26脚）送入片内进行ADPCM编码，编码后的32KpsADPCM信号可从34P06铆孔输出。
连接34P06和34P07进行自环，将32Kbps的ADPCM信号送入片内进行ADPCM解码，得到µ律64Kps的PCM信号，从“PCMRO”（23脚）送出，没有测试点。
64Kps的PCM信号从“PCMRI”（22脚）送入片内进行PCM信号解码，解码后的模拟信号从VOUT（11脚）送出，经运放跟随后输出在34P08铆孔输出。
其测试示意图见图3-2。
34TP03
MCP1306
输入信号调整电路
ADPCM
编码
•
•
•
•
•
•
译码
64KHz数据时钟BCLK
输入模拟信号
34TP04
2
8KHz同步时钟SYNC
64KHz的PCM信号发
输出信号调整电路
编码输出32KHz的ADPCM信号
输出模拟信号
输入的32KHz的ADPCM信号
64KHz的PCM信号收
10.368MHz振荡时钟源
图3-2ADPCM自适应差分脉冲编码测试示意图
（四）CVSD编译码系统实验
增量调制编码每次取样只编一位码，这一位编码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量，即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于前一个抽样时刻的值是增大还在减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。
输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的幅值。
MC34115是单片增量调制大规模集成电路芯片。
其内部组成框图分别如图4-1所示，MC34115集成电路内部电路由下列八个部分组成：
模拟输入运算放大器、数字输入运算放大器、V—I电压/电流转换运算放大器、积分运算放大器、斜率过载检测电路、斜率极性控制电路、工作状态选择开关电路、Vcc/2稳压电源。
（1）编码电路工作过程
由图4-1可知，音频模拟输入信号，经过低通滤波器至MC34115的模拟信号输入端，第1引脚。
其编码、译码工作方式由MC34115芯片的第15引脚的电平决定（高电平为编码方式、低电平为译码方式）。
此时芯片内的模拟输入运算放大器与移位寄存器接通，从第1引脚（ANI）输入的音频模拟信号与2脚（ANF）输入的本地解码信号相减并放大得到误差信号，然后根据该信号极性编成数据信码从第9引脚（DOT）输出。
该信码在片内经过3级或4级移位寄存器及检测逻辑电路。
检测过去的3位或4位信码中是否为连续“1”或连续“0”的出现。
一旦当移位寄存器各级输出为全“1”码或全“0”码时，表明积分运算放大器增益过小，检测逻辑电路从第11引脚（COIN端）输出负极性一致脉冲，经过外接音节平滑滤波器后得到量阶控制电压输入到第3引脚（SYL端），由内部电路决定，GC端电压与SYL端相同，这相当于量阶控制电压加到第4引脚GC端。
该端外接调节电位器，改变此电位器即可改变GC端的输入电流，以此控制积分量阶的大小，从而改变环路增益，展宽动态范围。
第4引脚（GC）输入电流经过V—I变换运算放大器，再经量阶极性控制开关送到积分运算放大器，极性开关则由信码控制。
外接积分网络（由电阻、电容组成）与芯片内部积分运算放大器相连，在二次积分网络上得到本地解码信号送回ANF端与输入信号再进行比较，以完成整个编码过程。
该芯片的外围辅助电路由三大部分组成:
音节平滑滤波器电路、二次积分网络电路和直流放大器。
图4-1增量调制系统编译码器内部方框图
在没有音频模拟信号输入时，话路是空闲状态，则编码器应能输出稳定的“1”、“0”交替码，这需要一最小积分电流来实现，该电流可通过增大调节电位器来获得。
由于极性开关的失配，积分运算放大器与模拟输入运算放大器的电压失调，此电流不能太小，否则无法得到稳定的“l”、“0”交替码。
该芯片总环路失调电压约为1.5mv，所以量阶可选择为3mv。
当本地积分时间常数1mS时，则最小积分电流取1OμA，就可得到稳定的“l”、“0”交替码。
如果输出不要求有稳定的“l”、“0”交替码，量阶可减小到0.lmV，而环路仍可正常工作。
（2）译码电路工作过程
连接6P03和7P01铆孔，将发端送来的编码数据信号送到7U02（MC34115）芯片的第13引脚，即接收数据输入端。
对译码电路，CPU中央控制单元送出低电平至7U02（MC34115）的15引脚，使模拟输入运算放大器与移位寄存器断开，而数字输入运算放大器与移位寄存器接通。
这样，接收数据信码经过数字输入运算放大器接收后送到移位寄存器，后面的工作过程与编码时相同，只是解调信号不再送回第2引脚，而是直接送入后面的积分网络中，再通过低通滤波电路滤去高频量化噪声，然后送出话音信号，话音信号可连接至“接收端滤波放大模块”。
虽然增量调制系统的话音质量不如脉冲编码调制PCM数字系统的音质，但是增量调制电路比较简单，能以较低的数码率进行编码，通常为16～32kbit/s，而且在用于单路数字电话通信时，不需要收发端同步，故增量调制系统仍然广泛应用于数字话音通信系统中，如应用在传输数码率较低的军事，野外及保密数字电话等方面。
四、实验内容、步骤及结果记录
（一）抽样定理及其应用实验
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”、“PAM脉冲幅度调制模块”，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．信号线连接：
用专用铆孔导线将P04、32P01；P09、32P02；32P03、P14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．输入模拟信号观察：
模拟信号发生器产生的模拟信号送入抽样模块的32P01点，用示波器在32P01处观察，调节同步正弦波电位器W04，使该点正弦信号幅度约2V（峰一峰值）。
5．取样脉冲观察：
示波器接在32P02上，拨动抽样脉冲形成电路的开关K02，当K02置于C8位，示波器显示8K同步的抽样脉冲；当K02置于C555位，示波器显示非同步的抽样脉冲，其频率通过W05连续可调。
6．取样信号观察：
示波器接在32TP01上，可观察PAM取样信号，示波器接在32P03上，调节“PAM脉冲幅度调制”上的32W01可改变PAM信号传输信道的特性，PAM取样信号波形会发生改变。
7．取样恢复信号观察：
PAM解调用的低通滤波器电路（接收端滤波放大模块，信号从P14输入）共设有三组参数，其截止频率分别为2.65KHZ、5.3KHZ、10.6KHZ。
根据被抽样的信号频率，通过拨码器4SW02可设置的滤波器参数，由于模拟信号接的是2KHZ的同步正弦波，所以选择滤波器截止频率为2.65KHZ，即拨码器4SW02设置为01010。
根据下面建议自己设计实验步骤，进行取样恢复信号观察实验。
（1）在一定频率的模拟信号（一般2KHZ）下，设置低通滤波器2.65KHZ截止频率。
调节不同的抽样时钟，用示波器观测各点波形，验证抽样定理，并做详细记录、绘图。
注意，PAM传输模块的32TP01、32P03测试点波形调节近似，即不失真为准。
（2）在一定频率的抽样时钟（一般8KHZ）fs下，调节模拟信号源的频率f（一般小于4KHZ），即保持抽样时钟与模拟信号间的fs>2f频率关系，设置低通滤波器2.65KHZ截止频率。
用示波器观测各点波形，验证PAM通信系统的性能，并做详细记录、绘图。
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。
注：
非同步函数信号在抽样时的波形在示波器上不容易形成稳定的波形，需耐心地调节；若要观测稳定的波形可使用同步正弦波信号和同步抽样脉冲。
（二）PCM编译码系统实验
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．模拟信号为非同步正弦波的PCM编码数据观察：
改用非同步函数信号输入，分别改变输入模拟信号的幅度和频率，重复上列6、7步骤，观察非同步正弦波及PCM编码数据波形。
注意，频率范围不能超过4KHZ。
此处由于非同步正弦波频率与抽样、编码时钟不同步，需仔细调节非同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．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。
（三）ADPCM编译码系统实验
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．信号线连接：
用专用导线将P03、34P05；34P06、34P07；34P08、P14。
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．非同步正弦波及ADPCM编码数据观察：
用非同步函数信号输入，双踪示波器探头分别接在测量点34TP05和34P06，观察非同步函数信号及4比特ADPCM编码数据。
由于ADPCM的工作时钟与非同步正弦波不同步，所以用示波器很难观察到稳定的编码数据。
用示波器观察34P05和34P08两点的波形，比较译码后的输出波形与输入信号波形是否一致。
分别改变输入模拟信号的幅度和频率，输入模拟信号的频率要求在300～3400HZ语音范围内，可用频率计监测此点信号频率，观察34P05和34P08两点波形如何变化。
5．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。
（四）CVSD编译码系统实验
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”、“增量调制编译码模块”，插到底板“G、D”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P04、6P01；6P03、7P01；7P02、P14连接，如图4-2。
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．增量调制的编码时钟设定：
拨码器4SW02设置“00110”，即增量调制的编译码时钟为32KHZ（也可设置其它时钟）。
5．同步正弦波幅度调节及监测：
“同步正弦波”上提供了频率2KHZ的同步正弦波，幅度由W04电位器调节。
满足输入模拟信号频率在300～3400HZ语音范围内的要求。
6．时钟为32KHZ，同步正弦波及阶梯波观察：
同步正弦波幅度峰峰值2V左右，双踪示波器探头分别接在测量点6P01和6TP01，观察同步正弦波及本地译码输出的阶梯波。
调整6W01电位器，使阶梯波与正弦波误差越小越好（此时呈现匀称的阶梯波）。
若6W01电位器调整不当或同步正弦波幅度过大，阶梯波可能变成三角波，此时为严重的过载量化失真。
调整6W01电位器，使测量点6TP01为匀称的阶梯波。
7．时钟为32KHZ，同步正弦波及增量调制编码数据观察：
同步正弦波幅度峰峰值2V左右，双踪示波器探头分别接在测量点6P01和6P03，观察同步正弦波及增量调制编码器输出数据。
并且，调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，增量调制编码器输出数据也作相应变化。
严重过载量化失真时，增量调制编码器输出交替的长连“1”、长连“0”码。
8.时钟为32KHZ，阶梯波及增量调制编码数据观察：
同步正弦波幅度峰峰值2V左右，双踪示波器探头分别接在测量点6TP01和6P03，观察阶梯波及增量调制编码器输出数据。
阶梯波上升，对应“1”码；阶梯波下降，对应“0”码。
并且，调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，阶梯波及增量调制编码器输出数据都作相应变化。
9.时钟为32KHZ，增量调制编码数据及一致脉冲信号输出观察：
双踪示波器探头分别接在测量点6P03和6TP02，观察增量调制编码数据及一致脉冲信号输出。
调节W04电位器，改变同步正弦波幅度，当没有长连“0”或长连“1”码时，6TP02始终为高电位；当增量调制编码数据出现3个及3个以上长连“0”或长连“1”码时，6TP02为低电位，即产生负极性一致脉冲，并且长连“0”或长连
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