云南师范大学通信原理实验-05(脉冲编码调制与调解PCM).doc

本科学生实验报告

云南师范大学教务处编印
一、实验设计方案
实验序号
实验5
实验名称
脉冲编码调制与调解PCM
实验时间
2014-4-11
实验室
云南师范大学同析3栋通信原理实验室
1、 实验目的
1.1掌握脉冲编码调制与解调的基本原理。
1.2 定量分析并掌握模拟信号按照13折线A律特性编成八位码的方法。
1.3 通过了解大规模集成电路TP3067的功能与使用方法，进一步掌握PCM通信系统的工作流程。
2、 实验内容
2.1 观察脉冲编码调制与解调的整个变换过程，分析PCM调制信号与基带模拟信号之间的关系，掌握其基本原理。
2.2 定量分析不同幅度的基带模拟正弦信号按照13折线A律特性编成的八位码，并掌握该编码方法。
3、 实验仪器及实物图
3.1 信号源模块（一块），如下图；

图一 信号源实物图
其中信号源中的主要器件有：
① CPLD：ALTER MAX EPM3256ATC144-10，该器件是Altera公司的MAX 3000系列CPID，其特点如下：
l 高性能，低功耗CMOS EEPOM技术
l 遵循IEEE STD.1149.1 JOINT TEST ACTION GROUP(JTAG)增强的ISP功能
l 高密度可编程逻辑器件，5000可用门
l 4.5-ns pin to pin 延时，最高频率227.3Mhz
l I/O接口支持5V、3.3V和2.5V等多种电平，实物图如下：

② 存储器：ATMEL AT28C64B
l ATMEL(爱特梅尔)AT28C64是一种采用NMOS、CMOS工艺制成的8K×8位28引脚的可用碘擦除可编程只读存储器。
l 其读写像SRAM操作一样，不需要外加任何元器件，读访问速度可为45ns-450ns,在写入之前自动擦除，有部分芯片具有两种写入方式，一种像28（C）17一样的字节写入方式，还有另一种页写入方式，AT28C64的也寄存器为64B。
l ATMEL并行节后EEPROM程序储存器芯片AT28C64采用单一电源+5V±0,1V，低功耗工作电流30mA,备用状态时只有100pA出，与TTL电平兼容。
l 一般商业品工作温度范围为0-70℃，工业品为-40-+85℃。
实物图如下：

③ MCU:ATMEL AT89S51
AT89S51-24PC单片机，最高工作频率24M，供电电压范围4.0-5.5V，40脚DIP封装，片内4K字节的FLASH程序存储器，128字节的片内ram，2个定时器、计数器，6个中断源等。
实物图如上：

3.2 20M双综示波器（一台），如下图：

3.3 连接线（若干），如下图：
3.4模拟信号数字化模块，如下图：
模拟信号数字化模块：
（1） PCM编解码器：TP3067数字信号处理芯片
TP3067芯片作为PCM编解码器，它把编解码器(Codec)和滤波器(Filter)集成在一个芯片上，其功能和原理说明如下。

(B) TP3067芯片管脚功能介绍
(1)VPO+；接收功率放大器的非倒相输出端。
(2) GNDA,模拟地端，所有信号均以该引脚为参考点。
(3) WO-;接收功率放大器的倒相输出端。
(4) VPI：接收功率放大器的倒相输入端。
(5) VFRO;接收滤波器的模拟输出端。
(6) Vcc:正电源引脚，Vcc=+5V±5%。
(7) FSR:接收帧同步脉冲，它启动BCLKR，于是PCM数据移入DR，FSR为8KHz脉冲序列。
(8)DR：接收数据帧输入。PCM数据随着FSR前沿移入DR。
（9）BCLKR/CLKSEL:在FSR的前沿把输入移入DR时位时钟，其频率可以从64KHz至2.048MHz。另一方而它也可能是一个逻辑输入，以此为在同步模式 中的主时钟选择频率1.536MHz、1.544Mhz或2.048Zhz，BCLKR用在发送和接收两个方向。
(10) MCLKR/PDN:接收主时钟，其频率可以为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。他允许与MCLKx异步，但为了取得最佳性能应当与MCLKx同步，当MCLKR连续连在低电位时，MCLKx被选用为所有内部定时，当MCLKR连续工作在高电位时，器件就处于掉电模式。
( 11) MCLKx:发送主时钟，其频率可以是1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，允许与MCLKR异步，同步工作能实现最佳性能。
( 12) BCLKx:把PCn数据从Dx上移出的位时钟，其频率可以从64KHz至48MHz，但必须与MCLKx同步。
(13)Dx:由FSx启动的三态PCM数据输出。
(14)FSx,发送帧同步脉冲输入，它启动BCLKx并使Dx上PCM数据移出到Dx上。
(15)TS开漏输出。在编码器时隙内为低脉冲。
（C）TP3067芯片的功能说明
在同步工作中，对于发送和接收两个方向应当用相同的主时钟和位时钟，在这一模式中，MCLKx上必须有时钟信号在起作用，而MCLKR/PDN引脚则起了掉电控制作用。MCLKR/PDN上的低电平使器什上电，而高电平则使器件掉电。这两种情况中，不论发送或接收方向，MCLKx都用作为主时钟输入，位时钟也必须作用在MCLKx上，对于频率为l-536MHz、1.544MHz或2. 048MHz的主时钟，BCLKR/CLKCEL可用来选择合适的内部分频器，在1.544MHz上作状态下，本器件可自动补偿每帧内的第193个时钟脉冲。当BCLKR/CLKSEL引脚上的电平固定时，BCLKx将被选为发送和接收方向兼用的位时钟。表8-1说明可选用的工作频率，其值视BCLKx/CLKSEL的状态而定。在同步模式中，位时钟BCLKx可以从64KHz变至2.048MHz，但必须与MCLKx同步。每一个FSx脉冲标志着编码周期的开始，而在BCLKx的正沿上，从前一个编码周期来的PCM数据从已启动的Dx输出中移出。在8个时钟周期后，三态Dx输出恢复到高阻抗状态。随着FSR脉冲来临，依赖BCLKx(或在运行中的BCLKR)负沿上的DR输入，PCM数据被锁定，FSx和FSR必须与MCLKx或CLKR同步。
（2） 多功能ADPCM编码解码器：M75OL-01
M757OL-01为多功能ADPCM编解码器，其具体功能参见PDF文档。
（3） 可编程逻辑器件：ALTREA EPM3032A
详见3000A系列可编程逻辑器件的PDF文档。
5、实验方法步骤及注意事项
5.1 将信号源模块、模拟信号数字化模块小心地同定在主机箱中，确保电源接触良好。
5.2 插上电源线，扣开主机箱右侧的交流开关，再分别按F两个模块中的开关POWERI、 POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只足验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后扣升电源做实验，不要带电连线）。
5.3对任意频率、幅度的模拟正弦信号脉冲编码调制与解调实验
(1)将信号源模块中BCD码分频值(拨码开关SW04、SW05)设置为000000和OOOOOOl(分频后“BS”端输出频率即为基频2.048MHz)，模拟信号数字化模块中拨码开关SI设置为0000，“编码幅度”电位器逆时针旋转到顶。
(2)信号源模块产生一频率为2KHz，峰一峰值约为2V的正弦模拟信号，由“模拟输出”端送入到模拟信号数字化模块的"S-IN”端，再分别连接信号源模块的信号输出端“64K”、“8K”、“BS”与模拟信号数字化模块的信号输入端“CLKB-IN、“FRAMEB-IN”、“2048K-lN”。开电，观察PCMB-OUT”端PCM编码。（因为是对随机信号进行编码，所以建议使用数字存储示波器观察。）
(3)断电，分别连接模拟信号数字化模块上编译码时钟信号“CLKB-IN”和“CLK2-IN”，帧同步信号“FRAMEB-lN”和“FRANIE2-IN”，PCM编译码信号输出点“PCMB-OUT”和信号输入点“PCM2-IN”。开电，观察并比较基带模拟信号“S-IN”和解调信号“JPCM”。
(4)改变正弦模拟信号的幅度及频率，观察PCM编码信号和解调信号随之的波形变化情况，同时注意观察满载和过载时的脉冲幅度和解调信号波形，超过音频信号频带范围时的解调信号波形。（应可观察到，当输入TF弦波信号幅度大于5v时，解调信号中带有明显的噪声；当输入正弦波的频率人于3400Hz或小于300Hz时，因为TP3067集成芯片主要针对音频信号，芯片内部输入端有一个带通滤波器滤除带外信号，所以解调信号的幅度将逐渐减小为零。）
5.4用模拟示波器定量观察PCM八位编码实验
注：该模块电路使用同一时钟源产生所有的时钟信号及频率固定、幅度可调的基带信号，故而可用模拟示波器同步观察PCM编译码过程。
(l)断电，拆除所有信号连线，将拨码丌关Sl设置为1111。
(2)开电，观察2KHz基带信号“S-IN2”、8KHz帧同步信号“FRAMEB-lN”
、64KHz编码时钟信号CLKB-IN”与PCM编码信号“PCMB-OUT”的波形。（这里建议用8KHz帧同步信号与PCM编码信号同时观察，侮四帧为一个周期编码。）调节“编码幅度”电位器，分析PCM八位编码中极性码、段落码与段内码的码型随基带信号幅值大小变化而变化的情况。
(3)断电，分别连接信号点“CLKB-IN”和“CLK2-1N”，“FRAMEB-lN”和“FRAME2-IN”，PCMB-OUT”和“PCM2-IN”。开电，观察并比较基带模拟信号“S-IN2”和解调信号“JPCM”。
注：实验完后务必将拨码开关SI秉新设置为0000。
二．实验过程
1、实验现象及结果
① 按照步骤一的连接好实验实物，如图：

测得PCM编码信号（PCMB-OT）的波形如下：

与上路帧同步信号对比波形为：

两者比较波形如下：

其中上路系带模拟信号（S-IN）与下路PCM解调信号（JPCM）波形如下：

课后总结及思考：
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，l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。
2、在脉码调制中，选用折叠二进码为什么比选用自然二进码好？
答：采用折叠二进码可以大为简化编码的过程，而且在传输过程中如果出现误码，对小信号的影响较小，有利于减小平均量化噪声。
3、脉冲编码调制系统的输出信噪比与哪些因素有关？
答：均匀量化器的输出信号量噪比为S/Nq=M2。对于PCM系统，解码器中具有这个信号量噪比的信号还要通过低通滤波器。用N位二进制码进行编码时，上式可写为S/Nq=22N。这表明，PCM系统的输出信号蓐噪比仅和编码位数N有关，且随N按指数规律增大。对于一个频带限制在f的低通信号，按抽样定理，有S/Nq=22（B/f），即PCM系统的输出信号晕噪比随系统的带宽B按指数规律增长。

教师评语及评分：

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