实验四脉冲编码调制与解调实验.docx

　　　　 实验四 脉冲编码调制与解调实验
一、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
3、了解脉冲编码调制信号的频谱特性
4、了解大规模集成电路TP3067的使用方法
二、实验内容
1、观察脉冲调制与解调的结果，观察调制信号与基带信号之间的关系
2、改变基带信号的幅度，观察脉冲调制与解调信号的信噪比的变化范围
3、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、观察脉冲编码调制信号的频谱
三、实验器材
1、信号源模块
2、模拟信号数字化模块
3、终端模块
4、频谱分析模块
5、20M双踪示波器 一台
6、音频信号发生器 一台
7、连接线 若干
四、实验原理
编码调制（PCM）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。脉码调制的过程如图4-1所示。
PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。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。
发送端
接收端
模拟
信源
抽样器
预滤
波器
模拟
终端
波形编码器
量化、编码
数字
信道
波形
解码器
重建滤波器
抽样保持、低通

图4-1 PCM 调制原理框图
1.量化
从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图4-2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，…，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为：

模拟入

量化器
量化值
这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。
图4-2 模拟信号的量化
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。
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，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，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压缩律和A压缩律。美国采用压缩律，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。
2.编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错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，若按编码的速度来分，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：逐次比较型、折叠级联型、混合型。本实验模块中的编码芯片TP3067采用的是逐次比较型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序。
五、实验步骤
1、将信号源模块、模拟信号数字化模块、终端模块、频谱分析模块小心的固定；固定柱主机箱中，确保电源接触良好
2、插上电源线打开主机箱右侧的交流开关，再分别拨下四个模块中的开关POWER1，POWER2.s2.s3，对应的发光二极管发光，按一下信号源模块的复位键，四个模块均开始工作
3、将信号源模块的拨码开关SW101，SW102设置为00000000 00000001。
4、将信号源模块产生的正弦波（频率2.5KHz，峰-峰植为3V）从点“S-IN”输入模拟信号数字化模块将信号源模块的输出点“64K”，“8K”，“BS”分别与模拟信号数字化模块输入点“CLKB-IN”，“FRAMB-IN”，“2048K-IN”连接，观察信号输出点“PCMB-OUT”的波形，观察该点的频谱分析，并记录下来。
5、连接“CLKB-IN”和“CLK2-IN”，“FRAM2-IN”，连接信号输出点“PCMB-OUT”和输入点“PCM2-IN”，观察信号输出点“OUT”的波形。将该点的信号送入频谱分析模块，观察该点信号的频谱，记录下来。
6、改变输入正弦信号的幅度，使其峰，峰值分别等于和大于5V（若幅度无法达到5V，可将输入正弦信号先通过信号源模块的模拟信号放大通道，再送入模拟信号数字化模块），将示波器分别接到信号输出点“OUT”、“PCMB-OUT”上，观察满载和过载时的脉冲幅度调制和解调波形，记录下来。
7、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“OUT”、“PMB-OUT”并记录下来。
六、实验记录
输入5V的基带信号图：

频谱分析图：

输入正弦波5V时“OUT”的波形：

频谱分析图：

输入正弦波大于5V时f=200hz时的“OUT”的波形：

频谱分析图：

输入正弦波大于5V时f=3500hz时的“OUT”的波形：

频谱分析图：

七、思考题
1.TP3067 PCM编码器输出的PCM码的速率是多少？在本实验中，为什么要给TP3067提供2.048MHz的时钟？
答：TP3067 PCM编码器输出的PCM码的速率是64Kb/S，属于国际标准。由PCM帧结构知，1帧共有32路时隙，每路时隙8bit，每秒有8000帧，故30/32路PCM基群的码率为：8000*32*8=2.048Mb/s，即TP3067提供的PCM编译码电路的时钟频率。
八、实验心得
通过这次实验我们掌握脉冲编码调制与解调的原理,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,了解脉冲编码调制信号的频谱特性