實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 通信原理 通信原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

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1、目 錄 實(shí)驗(yàn)一 　 抽樣定理和脈沖調(diào)幅(PAM)實(shí)驗(yàn)……………………1 實(shí)驗(yàn)二 　 脈沖編碼調(diào)制(PCM)實(shí)驗(yàn) …………………………9 實(shí)驗(yàn)三　 增量調(diào)制(ΔM)編譯碼實(shí)驗(yàn) ………………………18 實(shí)驗(yàn)四 　 移相鍵控(PSK)實(shí)驗(yàn) ………………………………28 實(shí)驗(yàn)五 　 HDB3碼型變換實(shí)驗(yàn) ………………………………40 實(shí)驗(yàn)七　 數(shù)字基帶信號(hào)處理實(shí)驗(yàn) …………………………60 實(shí)驗(yàn)一 抽樣定理和脈沖調(diào)幅（PAM）實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、驗(yàn)證抽樣定理； 2、觀察了解PAM信號(hào)

2、形成過(guò)程，平頂展寬解調(diào)過(guò)程； 3、了解時(shí)分多路系統(tǒng)中的路際串話現(xiàn)象。 二、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明 1、概述 在通信技術(shù)中為了獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，就必須充分利用信道的傳輸能力，擴(kuò)大通信容量。因此，采取多路化制式是極為重要的通信手段。最常用的多路復(fù)用體制是頻分多路復(fù)用(FDM)通信系統(tǒng)和時(shí)分多路復(fù)用(TDM)通信系統(tǒng)。頻分多路技術(shù)是利用不同頻率的正弦載波對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，把各路基帶信號(hào)頻譜搬移到不同的頻段上，在同一信道上傳輸。而時(shí)分多路系統(tǒng)中則是利用不同時(shí)序的脈沖對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行抽樣，把抽樣后的脈沖信號(hào)按時(shí)序排列起來(lái)，在同一信道中傳輸。 利用抽樣脈沖把一個(gè)連

3、續(xù)信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間樣值的過(guò)程稱為“抽樣”，抽樣后的信號(hào)稱為脈沖調(diào)幅(PAM)信號(hào)。在滿足抽樣定理的條件下，抽樣信號(hào)保留了原信號(hào)的全部信息。并且，從抽樣信號(hào)中可以無(wú)失真地恢復(fù)出原信號(hào)。 抽樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。數(shù)字通信系統(tǒng)是以此定理作為理論基礎(chǔ)的。在工作設(shè)備中，抽樣過(guò)程是模擬信號(hào)數(shù)字化的第一步。抽樣性能的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 圖1-1 單路PCM系統(tǒng)示意圖 作為例子，圖1-1示意地畫(huà)出了傳輸一路語(yǔ)音信號(hào)的PCM系統(tǒng)。從圖中可 以看出要實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音的PCM編碼，首先就要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行抽樣，

4、然后才能進(jìn)行量化和編碼。因此，抽樣過(guò)程是語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化的重要環(huán)節(jié)，也是一切模擬信號(hào)數(shù)字化的重要環(huán)節(jié)。 為了讓實(shí)驗(yàn)者形象地觀察抽樣過(guò)程，加深對(duì)抽樣定理的理解，本實(shí)驗(yàn)提供了一種典型的抽樣電路。除此，本實(shí)驗(yàn)還模擬了兩路PAM通信系統(tǒng)，從而幫助實(shí)驗(yàn)者初步了解時(shí)分多路的通信方式。 2、抽樣定理 抽樣定理指出，一個(gè)頻帶受限信號(hào)m(t)如果它的最高頻率為fH(即m(t)的頻譜中沒(méi)有fH以上的分量)，可以唯一地由頻率等于或大于2fH的樣值序列所決定。因此，對(duì)于一個(gè)最高頻率為3400Hz的語(yǔ)音信號(hào)m(t)，可以用頻率大于或等于6800Hz的樣值序列來(lái)表示。抽樣頻率fs和語(yǔ)音信號(hào)m(

5、t)的頻譜如圖1-2和圖1-3所示。由頻譜可知，用截止頻率為fH的理想低通濾波器可以無(wú)失真地恢復(fù)原始信號(hào)m(t)，這就說(shuō)明了抽樣定理的正確性。 實(shí)際上，考慮到低通濾波器特性不可能理想，對(duì)最高頻率為3400Hz的語(yǔ)音信號(hào)，通常采用8KHz抽樣頻率，這樣可以留出1200Hz的防衛(wèi)帶，見(jiàn)圖1-4。如果fs＜2fH，就會(huì)出現(xiàn)頻譜混迭的現(xiàn)象，如圖1-5所示。 圖1-2 語(yǔ)音信號(hào)的頻譜 圖1-3 語(yǔ)言信號(hào)的抽樣頻譜和抽樣信號(hào)的頻譜 在驗(yàn)證抽樣定理的實(shí)驗(yàn)中，我們用單一頻率fH的正弦波來(lái)代替實(shí)際的語(yǔ)音信號(hào)，采用標(biāo)準(zhǔn)抽樣頻率fs=8KHz,改變音頻信號(hào)的頻率fH,分別

6、觀察不同頻率時(shí)，抽樣序列和低通濾波器的輸出信號(hào)，體會(huì)抽樣定理的正確性。 圖1-4 留出防衛(wèi)帶的語(yǔ)音信號(hào)的抽樣頻譜 圖1-5 fs＜2fH時(shí)語(yǔ)音信號(hào)的抽樣頻譜 驗(yàn)證抽樣定理的實(shí)驗(yàn)方框如圖1-6所示。在圖1-8中，連接(TP8)和(TP14)，就構(gòu)成了抽樣定理實(shí)驗(yàn)電路。抽樣電路采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)電路。抽樣門在抽樣脈沖的控制下以每秒八千次的速度開(kāi)關(guān)。T1為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，T2為驅(qū)動(dòng)三極管。當(dāng)抽樣脈沖沒(méi)來(lái)時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，-5V電壓加在場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極G，只要G極電位負(fù)于源極S的電位，并且|UGS|>|UP|，則場(chǎng)效應(yīng)晶體管處于夾斷狀態(tài)，輸出信號(hào)為“

7、0”。抽樣脈沖來(lái)時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，發(fā)射極+5V電壓加到驅(qū)動(dòng)二極管，使之反向偏置。從截止到導(dǎo)通的跳變電壓經(jīng)跨接在二極管兩端的電容加到場(chǎng)效應(yīng)晶體管的G極。使柵極、源極之間的電壓迅速達(dá)到場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通的數(shù)值，并一直達(dá)到使源極電壓等于漏極上的模擬電壓。這樣，抽樣脈沖期間模擬電壓經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)加到負(fù)載上。由于抽樣電路的負(fù)載是一個(gè)電阻，因此抽樣的輸出端能得到一串脈沖信號(hào)。此脈沖信號(hào)的幅度與抽樣時(shí)輸入信號(hào)的瞬時(shí)值成正比例，脈沖的寬度與抽樣脈沖的寬度相同。這樣，脈沖信號(hào)就是脈沖調(diào)幅信號(hào)。當(dāng)抽樣脈沖寬度遠(yuǎn)小于抽樣周期時(shí)，電路輸出的結(jié)果接近于理想抽樣序列。由圖1-6可知，用一低通濾波器即可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的恢

8、復(fù)。為便于觀察，解調(diào)電路由射隨、低通濾波器和放大器組成，低通濾波器的截止頻率為3400Hz。 圖1-6 抽樣定理實(shí)驗(yàn)方框圖 3、多路脈沖調(diào)幅(PAM信號(hào)的形成和解調(diào)) 多路脈沖調(diào)幅的實(shí)驗(yàn)框圖如圖1-7所示。在圖1-8電原理圖中，連接(TP8)和(TP11)、(TP13)和(TP14)就構(gòu)成了多路脈沖調(diào)幅實(shí)驗(yàn)電路。 分路抽樣電路的作用是：將在時(shí)間上連續(xù)的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)脈沖抽樣形成時(shí)間上離散的脈沖調(diào)幅信號(hào)。n路抽樣脈沖在時(shí)間上是互不交叉、順序排列的。各路的抽樣信號(hào)在多路匯接的公共負(fù)載上相加便形成合路的脈沖調(diào)幅信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩路分路抽

9、樣電路。 圖1-7 多路脈沖調(diào)幅實(shí)驗(yàn)框圖 多路脈沖調(diào)幅信號(hào)進(jìn)入接收端后，由分路選通脈沖分離成n路，亦即還原出單路PAM信號(hào)。發(fā)送端分路抽樣與接收端分路選通是一一對(duì)應(yīng)的，這是依靠它們所使用的定時(shí)脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系決定的。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)的分路選通脈沖直接利用該路的分路抽樣脈沖經(jīng)適當(dāng)延遲獲得。接收端的選通電路也采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為開(kāi)關(guān)元件,但輸出負(fù)載不是電阻而是電容。采用這種類似于平頂抽樣的電路是為了解決PAM解調(diào)信號(hào)的幅度問(wèn)題。由于時(shí)分多路的需要，分路脈沖的寬度τS是很窄的。當(dāng)占空比為τS/TS 的脈沖通過(guò)話路低通濾波器后，低通濾波器輸出信號(hào)的幅度很

10、小。這樣大的衰減帶來(lái)的后果是嚴(yán)重的。但是，在分路選通后加入保持電容，可使分路后的PAM信號(hào)展寬到100%的占空比，從而解決信號(hào)幅度衰減過(guò)大的問(wèn)題。但我們知道平頂抽樣將引起固有的頻率失真。 PAM信號(hào)在時(shí)間上是離散的，但在幅度上卻是連續(xù)的。而在PCM系統(tǒng)里，PAM信號(hào)只有在被量化和編碼后才有傳輸?shù)目赡堋１緦?shí)驗(yàn)僅提供一個(gè)PAM系統(tǒng)的簡(jiǎn)單模式。 4、多路脈沖調(diào)幅系統(tǒng)中的路際串話 路際串話是衡量多路系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。路際串話是指在同一時(shí)分多路系統(tǒng)中，某一路或某幾路的通話信號(hào)串?dāng)_到其它話路上去，這樣就產(chǎn)生了同一端機(jī)中的各路通話之間的串話。串話分可懂串話和不可懂串話,前者造成失密或

11、影響正常通話；后者等于噪聲干擾。對(duì)路際串話必須設(shè)法防止。一個(gè)實(shí)用的通話系統(tǒng)必須滿足對(duì)路際串話規(guī)定的指標(biāo)。 在一個(gè)理想的傳輸系統(tǒng)中，各路PAM信號(hào)應(yīng)是嚴(yán)格地限制在本路時(shí)隙中的矩形脈沖。但如果傳輸PAM信號(hào)的通道頻帶是有限的，則PAM信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)“拖尾”的現(xiàn)象，當(dāng)“拖尾”嚴(yán)重，以至侵入鄰路隙時(shí)，就產(chǎn)生了路際串話。 在考慮通道頻帶高頻端時(shí)，可將整個(gè)通道簡(jiǎn)化為圖1—9所示的低通網(wǎng)絡(luò)，它的上截止頻率為： f1=1/(2πR1C1) 圖1-9 通道的低通等效網(wǎng)絡(luò) 為了分析方便，設(shè)第一路有幅度為V的PAM脈沖，而其它路沒(méi)有。當(dāng)矩形脈沖

12、通過(guò)圖1-9(a)所示的低通網(wǎng)絡(luò)，輸出波形如圖1-9(b)所示。脈沖終了時(shí)，波形按R1C1時(shí)間常數(shù)指數(shù)下降。這樣，就有了第一路脈沖在第二路時(shí)隙上的殘存電壓——串話電壓ΔU，這種由于信道的高頻響應(yīng)不夠引起的路際串話就叫做高頻串話。 當(dāng)考慮通道頻帶的低頻端時(shí)，可將通道簡(jiǎn)化為圖1—10所示的高通網(wǎng)絡(luò)。它的下截止頻率為： f2=1/(2πR2C2) 由于R2C2>>τ ，所以，當(dāng)脈沖通過(guò)圖1-10(a)所示的高通網(wǎng)絡(luò)后，輸出波形如圖1-10(b)所示。長(zhǎng)長(zhǎng)的“拖尾”影響到相隔很遠(yuǎn)的時(shí)隙。若計(jì)算某一話路上的串話電壓，則需要計(jì)算前n路對(duì)這一路

13、分別產(chǎn)生的串話電壓，積累起來(lái)才是總的串話電壓。這種由于信道的低頻響應(yīng)不夠而引起的路際串話就叫做低頻串話。解決低頻串話是一項(xiàng)很困難的工作。 圖1-10 通道的高頻等效網(wǎng)絡(luò) 限于實(shí)驗(yàn)條件，本實(shí)驗(yàn)只模擬了高頻串話的信道。 以上幾部分電路所需要的定時(shí)脈沖均由圖1-8中的定時(shí)電路提供。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 雙蹤同步示波器 SR8 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 (一) 抽樣和分路脈沖的形成 用示波器和頻率計(jì)觀察并核對(duì)各脈沖信號(hào)的頻率、波形及脈沖寬度，并記錄相應(yīng)的波形。

14、 1、在(TP1)觀察主振脈沖信號(hào)。 2、在(TP2)觀察分路抽樣脈沖；在(TP3)觀察分路抽樣脈沖。 3、在(TP2′)觀察分路抽樣脈沖；在(TP3′)觀察分路抽樣脈沖。 4、用雙蹤示波器比較（TP2）—（TP2′），（TP3）—（TP3′）的時(shí)序。 (二) 驗(yàn)證抽樣定理 1、 正弦信號(hào)從(TP4)輸入，fH=1KHz，幅度2VP-P。 2、 連接（TP2）—（TP6）。 3、以(TP4)作雙蹤同步示波器的比較信號(hào)，觀察(TP8)抽樣后形成的PAM信號(hào)。調(diào)整示波器觸發(fā)同步，使PAM信號(hào)在示波器上現(xiàn)示穩(wěn)定，計(jì)算在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的抽樣次數(shù)。核對(duì)信號(hào)頻率與

15、抽樣頻率的關(guān)系。 4、連接(TP8)—(TP14)，在(TP15)觀察經(jīng)低通濾波器和放大器的解調(diào)信號(hào)。測(cè)量其頻率，確定和輸入信號(hào)的關(guān)系，驗(yàn)證抽樣定理。 5、改變fH，令fH=6KHz，重復(fù)2、3、4項(xiàng)內(nèi)容，驗(yàn)證抽樣定理。 (三) PAM信號(hào)的形成和解調(diào) 連接(TP8)—(TP11)、(TP13)—(TP14)、(TP3)—（TP12)，觀察并畫(huà)出以下各點(diǎn)的波形。 1、 在(TP4)輸入正弦信號(hào)，fH=1KHz，幅度2Vp-p。 2、以(TP4)作為雙蹤同步示波器的比較信號(hào)，在(TP8)觀察單路PAM信號(hào)。 3、在(TP13)觀察選通

16、后的單路解調(diào)展寬信號(hào)，用示波器讀出τ的寬度（用μS作單位）。 4、在(TP15)觀察經(jīng)低通濾波器放大后的音頻信號(hào)。 5、改變輸入正弦信號(hào)的頻率(fmax≤3.4KHz可取500、1K、2K、3K)，在(TP15)測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的頻率特性,測(cè)試數(shù)據(jù)填入下表。 f(Hz) 500 1000 2000 3000 TP15（V） (四) 多路PAM系統(tǒng)中的路際串話現(xiàn)象 連接(TP2′)—(TP12)，接入分路選通脈沖。 1、在(TP4)輸入正弦信號(hào)，fH＜1KHz。 2、在(TP15)觀察第一路串入第二路的信號(hào)，

17、用示波器觀察并測(cè)量其頻率和幅度。 3、連接(TP8)—(TP9)、(TP10)—(TP11)，將開(kāi)關(guān)K向下置于電容C11處，重復(fù)1、2項(xiàng)的內(nèi)容，并與之比較。 4、將開(kāi)關(guān)K向上置于電容C12處，重復(fù)1、2項(xiàng)的內(nèi)容，并與2、3項(xiàng)的結(jié)果比較。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的曲線和波形。 2、本實(shí)驗(yàn)在(TP8)和(TP13)得到的是哪一類抽樣的波形？從理論上對(duì)理想抽樣、自然抽樣和平頂抽樣進(jìn)行對(duì)比和說(shuō)明。 3、對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(二)進(jìn)行討論。當(dāng)fs>2fH和fs<2fH時(shí)，低通濾波器輸出的波形是什么？試總結(jié)一般規(guī)律。 4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(四)

18、中的2、3、4項(xiàng)內(nèi)容有什么區(qū)別？分析影響串話的主要原因。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)電路的元件數(shù)據(jù)計(jì)算信道上的截止頻率。 5、對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和電路有什么建議？ 實(shí)驗(yàn)二 脈沖編碼調(diào)制(PCM)實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、了解語(yǔ)音信號(hào)編譯碼的工作原理； 2、驗(yàn)證PCM編碼原理； 3、初步了解PCM專用大規(guī)模集成電路的工作原理和應(yīng)用； 4、了解語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化技術(shù)的主要指標(biāo)及測(cè)試方法。 二、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明 1、 概述 脈沖編碼(PCM)技術(shù)已經(jīng)在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。十多年來(lái)，由于超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，PCM通信設(shè)

19、備在縮小體積、減輕重量、降低功耗、簡(jiǎn)化調(diào)試以及方便維護(hù)等方面都有了顯著的改進(jìn)。目前，數(shù)字電話終端機(jī)的關(guān)鍵部件，如編譯碼器(Codec)和話路濾波器等都實(shí)現(xiàn)了集成化。本實(shí)驗(yàn)是以這些產(chǎn)品編排的PCM編譯碼系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以期讓實(shí)驗(yàn)者了解通信專用大規(guī)模集成電路在通信系統(tǒng)中應(yīng)用的新技術(shù)。 PCM數(shù)字電話終端機(jī)的構(gòu)成原理如圖2-1所示。實(shí)驗(yàn)只包括虛線框內(nèi)的部分，故名PCM編譯碼實(shí)驗(yàn)。 圖2-1 PCM數(shù)字電話終端機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 2、 實(shí)驗(yàn)原理和電路 PCM編譯碼系統(tǒng)由定時(shí)部分和PCM編譯碼器構(gòu)成，電路原理圖如圖2-2所示。

20、 1、PCM編譯碼原理 為適應(yīng)語(yǔ)音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)用的PCM編譯碼必須是非線性的。目前，國(guó)際上采用的均是折線近似的對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性。CCITT的建議規(guī)定以13段折線近似的A律(A=87.56)和15段折線近似的μ律(μ＝255)作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。A律和μ律的量化特性初始段如圖2-3(a)和圖2-3(b)所示。A律和μ律的編譯碼表分別列于表2-1和表2-2。 這種折線近似壓擴(kuò)特性的特點(diǎn)是：各段落間量階關(guān)系都是2的倍數(shù)，在段落內(nèi)為均勻分層量化，即等間隔16個(gè)分層。這些對(duì)于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)非線性編碼與譯碼是極為方便的。 2、PCM編譯碼器簡(jiǎn)介 本實(shí)驗(yàn)PCM編譯碼器采用了

21、TP3067專用大規(guī)模集成電路，它是CMOS工藝制造的單片PCM A/μ律編譯碼器，并且片內(nèi)帶有輸入輸出話路濾波器。TP3067的管腳如圖2-4所示，內(nèi)部組成框圖如圖2-5所示。 圖2-3 量化特性 表2-1 A＝8756編譯碼表 輸入幅度 范圍 量階 △ 段落碼 S 電平碼 | 量化 電平 譯碼 幅度 0-1 … 15-16 1 000 0000 … 1111 0 … 15 0.5 … 15.5 16-17 … 31-32 1 001 0000

22、 … 1111 16 … 31 16.5 … 31.5 32-34 … 62-64 2 010 0000 … 1111 32 … 47 32 … 63 64-68 … 124-128 4 011 0000 … 1111 48 … 63 66 … 126 128-136 … 248-256 8 100 0000 … 1111 64 … 79 132 … 252 256-272 … 496-512 16 101 0000 … 1111 8

23、0 … 95 264 … 504 512-544 … 992-1024 32 110 0000 … 1111 96 … 111 528 … 1008 1024-1088 … 1984-2048 64 111 0000 … 1111 112 … 127 1056 … 2016 TP3067的管腳定義簡(jiǎn)述如下： (1) VPO+ 接收功放的同向輸出。 (2) GNDA 模擬地。所有信號(hào)以這個(gè)引腳為參考點(diǎn)。 (3) VPO- 接收功放的反

24、向輸出。 (4) VPI 將輸入轉(zhuǎn)換到接收功放。 (5) VFRO 接收濾波器的模擬輸出。 (6) VCC 正電源引腳。VCC=+5V5% (7) FSR 接收部分的8KHZ幀同步時(shí)隙信號(hào)。 (8) DR PCM碼流解碼輸入。 (9) BCLKR/CLKSET 接收數(shù)據(jù)(DR)時(shí)鐘,在固定速率工作模式下為2048K。FSR的上升沿，可以從64KHZ變化到2.048MHZ。邏輯輸入可以交替地選擇在同步模式下提供給主時(shí)鐘的1.536MHZ/1.5

25、54MHZ或2.048MHZ，BCLKX用于傳輸和接收。 表2-2 μ=255編譯碼表 輸入幅度 范圍 量階 △ 段落碼 S 電平碼 | 量化 電平 譯碼 幅度 0-0.5 … 14.5-15.5 1 000 0000 … 1111 0 … 15 0 … 15 15.5-17.5 … 45.5-47.5 2 001 0000 … 1111 16 … 31 16.5 … 46.5 47.5-51.5 … 107.5-111.5

26、 4 010 0000 … 1111 32 … 47 49.5 … 109.5 111.5-119.5 … 231.5-239.5 8 011 0000 … 1111 48 … 63 115.5 … 235.5 239.5-255.5 … 479.5-495.5 16 100 0000 … 1111 64 … 79 247.5 … 487.5 495.5-527.5 … 975.5-1007.5 32 101 0000 … 1111 80 … 95 511

27、.5 … 991.5 1007.5-1071.5 … 1967.5-2031.5 64 110 0000 … 1111 96 … 111 1039.5 … 1999.5 2031.5-2159.5 … 3951.5-4079.5 128 111 0000 … 1111 112 … 127 2095.5 … 4015.5 (10) MCLKR/PDN 接收主時(shí)鐘。1.544MHZ或2.048MHZ?？梢耘cMCLKX同步，但最好是在最佳性能時(shí)與MCLKX同步。在MCLKR持續(xù)低時(shí)，全部?jī)?nèi)部定時(shí)選擇MCLKX。

28、在MCLKR持續(xù)高時(shí)，器件處于低功耗狀態(tài)。 (11) MCLKX 傳輸主時(shí)鐘必須是1.536MHZ、1.544MHZ或2.048MHZ?？梢耘cMCLKR同步。 (12) BCLKX 傳輸數(shù)據(jù)(DX)位時(shí)鐘, 固定速率工作模式下為2048K。可以從64KHZ變化到2.048MHZ,但必須與MCLKX同步。 (13) DX 編碼數(shù)據(jù)輸出,通過(guò)FSX使能。 (14) FSX 發(fā)送部分的8KHZ幀同步時(shí)隙信號(hào)。 (15) TSX 編碼時(shí)的消耗輸出。 (16) ANLB 控制輸入的模擬

29、回路。操作時(shí)必須置邏輯“0”。 (17) GSX 傳輸輸入放大器的模擬輸出，用于內(nèi)部設(shè)置增益。 (18) VFXI- 傳輸輸入放大器的反向輸入。 (19) VFXI+ 傳輸輸入放大器的同向輸入。 (20) VBB 負(fù)電源引腳。VBB=-5V5%。 3、定時(shí)部分 TP3067編譯碼器所需的定時(shí)脈沖均由定時(shí)部分提供。這里只需要主時(shí)鐘2048KHz和幀定時(shí)8KHz信號(hào)。 圖2-4 TP3067管腳圖 為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的編譯碼部分公用一個(gè)定時(shí)源以

30、確保發(fā)收時(shí)隙的同步。在實(shí)際的PCM數(shù)字電話設(shè)備中，確有一個(gè)同步系統(tǒng)來(lái)保證發(fā)收同步的。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 雙蹤同步示波器 SR8 *雜音計(jì) ND5 *失真度測(cè)量?jī)x BS1 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 (一) 時(shí)鐘部分 主振頻率為4096KHz，經(jīng)分頻后得到2048KHz的位定時(shí)和128KHz的定時(shí)，再經(jīng)分頻分相后得到8KHz的主同步時(shí)鐘和路時(shí)鐘。用示波器在(TP1)觀察主振波形，用頻率計(jì)測(cè)量其頻率。同樣在(TP2)、(TP3)和(T

31、P4)觀察并測(cè)量其它時(shí)鐘信號(hào),并記錄各點(diǎn)波形的頻率和幅度。 (二) PCM編譯碼器 音頻信號(hào)（fH=1KHZ,幅度2VP-P）從(TP5)輸入，則在(TP6)可觀察到PCM編碼輸出的碼流。 連接(TP6)—（TP7），則在(TP8)可觀察到經(jīng)譯碼和接收低通濾波器恢復(fù)出的同向輸出音頻信號(hào)和反向輸出音頻信號(hào)（TP8′），記錄各測(cè)試點(diǎn)的波形參數(shù)。 圖2-5 TP3067的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 (三) 系統(tǒng)性能測(cè)試 系統(tǒng)性能測(cè)試有三項(xiàng)指標(biāo)，即動(dòng)態(tài)范圍、信噪比特性和頻率特性。 1、動(dòng)態(tài)范圍 在滿足一定信噪比(S/N)條件下，編

32、譯碼系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的音頻信號(hào)的幅度范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍。通常規(guī)定音頻信號(hào)的頻率為800Hz(或1000Hz)。動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于CCITT(國(guó)際電報(bào)、電話咨詢委員會(huì))建議的框架(樣板值)，如圖2-6所示。 動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試框圖如圖2-7所示。 圖2-6 PCM編譯碼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍樣板值 圖2-7 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試框圖 在原理部分已經(jīng)提到，PCM編譯碼器允許輸入信號(hào)的最大幅度為4.36V。為了確保器件的安全使用，本實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍這一指標(biāo)測(cè)試時(shí)，不再對(duì)輸入信號(hào)的臨界過(guò)載進(jìn)行驗(yàn)證。取輸入信號(hào)的最大幅度為5VP-P(注意：信號(hào)要由小至大調(diào)節(jié))，

33、測(cè)出此時(shí)的S/N值。 設(shè)臨界過(guò)載幅度為Vmax，這是正弦輸入信號(hào)編碼不過(guò)載的最大幅度。當(dāng)輸入信號(hào)大于臨界過(guò)載幅度之后，輸出信號(hào)的S/N急劇下降。首先找出臨界過(guò)載點(diǎn)，然后以10dB一個(gè)點(diǎn)衰減輸入信號(hào)，將測(cè)試數(shù)據(jù)填入下表。 -10dB -20dB -30dB -40dB -50dB Vin(mv)p-p 5000 1500 500 150 50 15 S/N(dB) 2、信噪比特性 在上一項(xiàng)測(cè)試中選擇出最佳編碼電平(S/N最高)，在此電平下測(cè)試不同頻率下的信噪比值。頻率選擇在500Hz/1KHZ/2KHz

34、/3KHz。 信噪比特性的測(cè)試框圖如圖2-8所示。 圖2-8 信噪比特性測(cè)試框圖 信噪比特性測(cè)試數(shù)據(jù)記錄于下表。 信噪比特性(Vin=2VP-P) f(Hz) 500 1000 2000 3000 S/N(dB) 3、頻率特性 選一合適的輸入電平(Vin=2VP-P) ，改變輸入信號(hào)的頻率，在(TP8)逐頻率點(diǎn)測(cè)出譯碼輸出信號(hào)的電壓值,頻率特性測(cè)試數(shù)據(jù)記錄于下表。 f(Hz) 500 1000 2000 3000 TP8（V） 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告

35、 1、整理實(shí)驗(yàn)記錄，畫(huà)出相應(yīng)的曲線和波形。 2、PCM編譯碼系統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成？各部分的作用是什么？ 3、對(duì)PCM和△M系統(tǒng)的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較，總結(jié)它們各自的特點(diǎn)。 4、在實(shí)際的通信系統(tǒng)中收端(譯碼)部分的定時(shí)信號(hào)是怎樣獲取的？ 5、對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)有什么建議？ 實(shí)驗(yàn)三 增量調(diào)制（ΔM）編譯碼實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、了解語(yǔ)音信號(hào)的ΔM編碼過(guò)程； 2、驗(yàn)證ΔM的編譯碼原理； 3、 粗略了解ΔM編譯碼專用集成電路的基本工作原理、外部電路設(shè)計(jì)原則和一般使用方法； 4、 了解語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化技術(shù)的主要指標(biāo)，

36、學(xué)習(xí)指標(biāo)的測(cè)試方法。 二、單片ΔM編碼系統(tǒng)組成和電路原理 1、概述 隨著中、大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，各種通信專用集成電路迅速發(fā)展。ΔM編譯碼器、開(kāi)關(guān)電容濾波器以及用戶接口電路的集成化，為全集成化ΔM數(shù)字電話終端設(shè)備提供了物質(zhì)條件。目前，由三塊中規(guī)模集成電路加少量外接元件設(shè)計(jì)的新型集成化ΔM數(shù)字電話終端機(jī)已投入批量生產(chǎn)。圖3－1就是這種設(shè)備的一個(gè)話路的方框圖。 圖3－1 集成化ΔM數(shù)字電話框圖 與通用的分立元件及小規(guī)模集成電路的編譯碼器相比，集成化系統(tǒng)在縮小體積、降低功耗等方面有明顯的效益，對(duì)減少量化噪聲、增大動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)起了良好的作用。

37、 本實(shí)驗(yàn)用單片MC3418ΔM編譯碼器和UA741運(yùn)放電容濾波器組成一個(gè)ΔM編譯碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其功能只涉及圖3－1中虛線以右的部分。 2、系統(tǒng)組成與電路原理 系統(tǒng)組成的方框圖如圖3-2所示，它是由定時(shí)部分、△M編譯碼器及收、發(fā)運(yùn)放電容濾波器組成的。電路原理圖如圖3-3所示。 圖3-2 △M編譯碼系統(tǒng)框圖 (一) 單片△M編譯碼器 1、MC3418簡(jiǎn)介 MC3418是MOTOLOLA公司生產(chǎn)的通信專用集成電路，它是數(shù)字檢測(cè)音節(jié)壓擴(kuò)增量編譯碼器。圖3-4給出了MC3418的原理框圖。由原理框圖可以看出，它是由模擬輸

38、入放大器、數(shù)字輸入運(yùn)算放大器、電壓/電流轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器、極性開(kāi)關(guān)、工作選擇開(kāi)關(guān)和數(shù)字檢測(cè)(移位寄存器和邏輯電路)等部分構(gòu)成的。 第15腳的工作電平可以控制該片工作于編碼狀態(tài)或譯碼狀態(tài)：當(dāng)?shù)?5腳接高電平(VCC/2)時(shí)，該片做編碼器用；當(dāng)?shù)?5腳接低電平(地)時(shí)，該片做譯碼器用。 當(dāng)單片作為編碼器使用時(shí)，15腳接高電平，這時(shí)工作開(kāi)關(guān)使模擬運(yùn)放與移位寄存器接通。模擬信號(hào)由1腳輸入，本地譯碼信號(hào)由2腳輸入，運(yùn)算放大器對(duì)它們進(jìn)行比較并將差值放大。運(yùn)算放大器輸出經(jīng)電平轉(zhuǎn)換給出數(shù)字信碼。在14腳輸入的時(shí)鐘后沿時(shí)刻，運(yùn)算放大器輸出的結(jié)果進(jìn)入移位寄存器。這一結(jié)果也同時(shí)接到9腳和極性開(kāi)關(guān)，

39、前者作為數(shù)字碼輸出，后者用來(lái)控制流入積分器的電流的極性，積分運(yùn)算放大器與外接的RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成積分器，受極性開(kāi)關(guān)控制的電流在此積分后累加形成本地譯碼信號(hào)。四級(jí)移位寄存器和邏輯電路完成檢測(cè)功能。當(dāng)有四個(gè)連“1”或連“0”碼出現(xiàn)時(shí)，從11腳輸出一個(gè)負(fù)極性的一致脈沖，一致脈沖經(jīng)外接音節(jié)濾波器平滑之后得到量階控制電壓，此電壓反映了前一段時(shí)間內(nèi)模擬輸入信號(hào)的平均斜率。量階控制電壓加到第3腳。由內(nèi)部V/I轉(zhuǎn)換電路決定4腳的電壓隨3腳的電壓變化。當(dāng)4腳通過(guò)外接電阻連接到某一固定電位上，則流入4腳的電流就隨3腳的控制電壓變化，從而將控制電壓的變化轉(zhuǎn)換為控制電流的變化。V/I轉(zhuǎn)換器的輸出電流與4腳的輸入電流相等。此

40、電流經(jīng)極性開(kāi)關(guān)送到積分器，因此，積分量階的大小就隨著輸入模擬信號(hào)的平均斜率而變化。這樣就形成了數(shù)字檢測(cè)音節(jié)的壓擴(kuò)過(guò)程。 圖3-4 MC3418編譯碼器原理框圖 在作譯碼器應(yīng)用時(shí)，第15腳通過(guò)一只10KΩ電阻接地，這時(shí)數(shù)字運(yùn)算放大器與移位寄存器接通。信碼由13腳輸入與12腳的閥電平比較，然后經(jīng)運(yùn)算放大器整形后送到移位寄存器，經(jīng)再定時(shí)的信碼從9腳輸出。其后的工作過(guò)程則與編碼器一樣，只是譯碼信號(hào)不再送回第2腳而是送往接收低通濾波器。 2、單積分電路 MC3418內(nèi)部?jī)H有積分運(yùn)算放大器，為完成本地譯碼過(guò)程，需要外接一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。用戶可以根據(jù)自己的需要用外接R

41、C網(wǎng)絡(luò)接成單積分、雙積分、△－∑等電路。本實(shí)驗(yàn)給出一種單積分電路的實(shí)例。 積分器電路如圖3-5所示。積分運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，從極性開(kāi)關(guān)的量階控制電流幾乎全部進(jìn)入電阻R和電容C。網(wǎng)絡(luò)的阻抗傳遞函數(shù)可以寫成： H(s)=(V(s))/(I(s))=-(1/((1/R)+SC)) 經(jīng)整理后得到 -(V(s))/(I(s))=(I/C)/(S+1/(RC))=K/(S+WO ) (1) 其中K=1/C，WO=1/(RC)。 一般認(rèn)為是300Hz。 當(dāng)R＝10KΩ，C=0.1μf時(shí)，f0 ＝159Hz。 將式

42、(1)寫成時(shí)域形式 -I=V/R+C(dv)/dt （2） 圖3-5 單積分電路圖 有關(guān)資料指出編碼器約在+12dBm(f=1000Hz)處為臨界過(guò)載，另外，輸入信號(hào)的最大幅度為4.36V，這時(shí)流過(guò)積分器的最大電流為 Imax≈Icmax＝C(dv)/dt＝0.110-6 2π10004.36 ≈2.7mA 另一方面，由編碼器要求的最小量階電壓可求出當(dāng)采樣率fS =32KHz時(shí)，最小控制電流應(yīng)為 Imin≈9

43、.6μA 因此，積分電路對(duì)應(yīng)的控制電流壓縮比應(yīng)達(dá)到258，相當(dāng)于49dB。最大與最小控制電流分別由4腳外接電阻Rx和Rmin決定。 3、音節(jié)平滑濾波器 MC3418只具有數(shù)字檢測(cè)功能，為實(shí)現(xiàn)壓擴(kuò)作用還需要一外接網(wǎng)絡(luò)。用戶可根據(jù)需要接成線性壓擴(kuò)、非線性壓擴(kuò)、復(fù)雜推遲壓擴(kuò)等各種形式。本實(shí)驗(yàn)只列舉一種非線性音節(jié)平滑濾波器。 音節(jié)平滑濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波電路，電路形式如圖3-6所示。集成片MC3418的數(shù)字檢測(cè)器連碼一致脈沖信號(hào)是由一個(gè)集電極開(kāi)路的晶體管從11腳輸出的。所以需要一個(gè)外接的集電極負(fù)載電阻。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電容器CS通過(guò)電阻RS充電；當(dāng)晶體管截

44、止時(shí)，電容器CS通過(guò)電阻RP放電。充電時(shí)間常數(shù) τ＝CS(RS+RP)。 設(shè)G為一致脈沖在一個(gè)音節(jié)時(shí)間內(nèi)占空比的統(tǒng)計(jì)值。設(shè)第3腳電位為VS，11腳電位為V0，當(dāng)G值一定時(shí)，電路應(yīng)維持充放電電荷相等。設(shè)充電時(shí)間為GT，放電時(shí)間為(1-G)T，因此有 ((VS-V0)/RS)GT＝((VCC/2-VS)/(RS+RP)(1-G)T （3） 令D=RP/RS，則有 VS=((1+D)V0G+(VCC/2)(1-G)/(1+DG) （4） 圖3-6 音節(jié)平滑濾波器

45、 其中，VO為晶體管飽和壓降，約為0.12V。 音節(jié)控制電壓為電容CS兩端的電壓，設(shè)它為VCS，因此有 VCS=VCC/2-VS 即 VCS=VCC/2-((1-D)VOG+(VCC/2)(1-G))/(1+DG) （5） 由式(5)可以看出，當(dāng)PP>>Rs，即D≈0時(shí)有 Vcs≈(Vcc/2-Vo)G （6） 這時(shí)控制電壓與G 成線性關(guān)系。 將Vo=0.12V，(Vcc/2)＝6

46、V代入上式，得 Vcs1≈5.98G （7） 當(dāng)D＝0，控制電壓V與G成非線性關(guān)系。設(shè)D=3，得 VCS2=(23.52G)/(1+3G) （8） 圖3-7給出VCS1和VCS2與C的關(guān)系曲線，曲線VCS2的斜率大于曲線VCS1的斜率，這就意味著VCS2的壓擴(kuò)特性更接近于理想特性。 語(yǔ)音音節(jié)包絡(luò)的變化范圍約為5ms到20ms。取τ1＝5ms，τ2＝20ms，這時(shí) τ2/

47、τ1=4 ∵ τ2/τ1=(CS(RS+RP))/(CSRS)=1+D ∴ D=3 選CS=0.33μF，則RS＝15.15KΩ，RP=15.15KΩ，取RS=15KΩ，RP=47KΩ得D≈3.13。 在臨界過(guò)載時(shí)，G達(dá)到最小值。對(duì)正弦信號(hào)可得G＝0.436，這時(shí)控制電壓Vcs的最大值約為(計(jì)算從略) Vmax≈4.48V 此值決定了限流電阻Rx≈1.5KΩ。 圖3-7 V與G的關(guān)系曲線 (二) 定時(shí)電路 圖3-9 定時(shí)部分時(shí)間關(guān)系圖 MC3

48、418編譯碼器所需的定時(shí)脈沖均由定時(shí)部分提供，為模擬一個(gè)實(shí)際的時(shí)分多路系統(tǒng)的工作狀態(tài)，定時(shí)部分可給出2048KHz及8路32KHz的定時(shí)，定時(shí)部分的時(shí)間關(guān)系如圖3-9所示。為確保收、發(fā)同步，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的編碼和譯碼部分公用一個(gè)定時(shí)源，這是有別于實(shí)際情況的。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 *雜音計(jì) ND5 *失真度測(cè)試儀 BS1 雙蹤同步示波器 SR8 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

49、(一)、 時(shí)鐘部分 主振頻率為4096KHz，經(jīng)分頻后得到2048KHz的定時(shí)，再經(jīng)分頻分相后得到8路32KHz的定時(shí)。用示波器在(TP1)點(diǎn)觀察主振波形，用頻率計(jì)測(cè)量其頻率。在(TP2)、(TP3)、(TP4)觀察并測(cè)量2048KHz和32KHz定時(shí)。 (二)、 發(fā)送濾波器 在(TP5)輸入頻率為1KHz、幅度為2Vp-p的音頻信號(hào)。在(TP5)觀察輸入信號(hào)，在(TP6)觀察輸出信號(hào)，記下它們的幅度和波形。 (三)、 △M編碼器 在(TP6)觀察經(jīng)發(fā)送濾波器限帶后輸入編碼器的音頻信號(hào)，在(TP7)觀察本地譯碼信號(hào)。在(TP8)觀察編碼輸出的數(shù)

50、字信號(hào)(幅度約為10Vp-p)。以音頻信號(hào)作為同步信號(hào)，觀察信碼的變化規(guī)律。對(duì)應(yīng)正弦波過(guò)零處應(yīng)有連“0”或聯(lián)“1”碼型出現(xiàn)；對(duì)應(yīng)正弦波的波峰和波谷處應(yīng)有“0”、“1”交替碼型出現(xiàn)。 (四)、 △M譯碼器 用短線連接(TP8)—(TP9)，即將編碼信號(hào)送入譯碼器。在(TP9)觀察輸入譯碼器的編碼信號(hào)，在(TP10)觀察譯碼器輸出的模擬信號(hào)，畫(huà)出波形。 (五)、 接收濾波器 在(TP10)觀察濾波器的輸入信號(hào)。在(TP11)觀察濾波器輸出的模擬信號(hào)。記下它們的波形和幅度。 (六)、 系統(tǒng)性能測(cè)試 系統(tǒng)性能有三項(xiàng)指標(biāo)：動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和頻

51、率特性。 1、動(dòng)態(tài)范圍 在滿足一定信噪比(S/N)條件下，編譯碼系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)于800Hz(或1000Hz)音頻信號(hào)的幅度范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于電子工業(yè)部1982年暫定的標(biāo)準(zhǔn)框架(樣板值)。圖3-10示意給出了這個(gè)樣板。 圖3-10 △M編譯碼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍樣板圖 動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試框圖如圖3-11所示。 在原理部分已經(jīng)提到，△M編譯碼器允許輸入信號(hào)的最大幅度為4.36V。為了確保器件的安全使用，本實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍這一指標(biāo)測(cè)試時(shí)，不再對(duì)輸入信號(hào)的臨界過(guò)載進(jìn)行驗(yàn)證。取輸入信號(hào)的最大幅度為5Vp-p(注意：信號(hào)要由小至大調(diào)節(jié))，測(cè)

52、出此時(shí)的S/N值。然后以10dB間隔衰減輸入信號(hào)，將測(cè)試數(shù)據(jù)填入下表。 -10dB -20dB -30dB -40dB -50dB Vin(mv)p-p 5000 1500 500 150 50 15 S/N(dB) 圖3-11 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試框圖 2、信噪比特性 在上一項(xiàng)測(cè)試中選擇出最佳編碼電平(S/N最高，推薦為2Vp-p)。在此電平下測(cè)試不同頻率下的信噪比值。頻率選擇在500Hz/1KHz/2KHz/3KHz,將測(cè)試數(shù)據(jù)填入下表。 f(Hz) 500 1000 2000 300

53、0 S/N（dB） 信噪比特性的測(cè)試框圖如圖3-12所示。 圖3-12 信噪比特性測(cè)試框圖 3、頻率特性 選一合適的輸入電平(Vin=2VP-P)，改變輸入信號(hào)的頻率，頻率范圍從500Hz到3000Hz。在(TP11)用示波器測(cè)量譯碼輸出信號(hào)的電壓值,數(shù)據(jù)填入下表。 f(Hz) 500 1000 2000 3000 TP11（V） 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1、整理實(shí)驗(yàn)記錄，畫(huà)出相應(yīng)的曲線和波形。 2、集成化△M編譯碼系

54、統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成？各部分的作用是什么？ 3、設(shè)想臨界過(guò)載時(shí)本地譯碼信號(hào)和信碼信號(hào)的形狀。試畫(huà)出它們的波形。 4、什么叫數(shù)字檢測(cè)音節(jié)壓擴(kuò)的可變斜率？在本實(shí)驗(yàn)中是如何實(shí)現(xiàn)的？ 5、積分電路的設(shè)計(jì)原則是什么？ 6、對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和電路有什么建議？ 實(shí)驗(yàn)四 移相鍵控(PSK)實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、了解M序列的性能，掌握其實(shí)現(xiàn)方法及其作用； 2、了解2PSK系統(tǒng)的組成驗(yàn)證，其調(diào)制解調(diào)原理； 3、驗(yàn)證同步解調(diào)的又一方式—同相正交環(huán)(或稱Costas環(huán))的工作原理； 4、學(xué)習(xí)集成電路壓控振蕩器

55、在系統(tǒng)中的應(yīng)用； 5、學(xué)習(xí)2PSK系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的測(cè)試方法。 二、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明 (一) 概述 數(shù)字通信系統(tǒng)的模型可以用圖4-1表示，虛線框內(nèi)的部分稱為數(shù)字調(diào)制和解調(diào)部分，以完成數(shù)字基帶信號(hào)到數(shù)字頻帶信號(hào)之間的變換。 圖4-1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 與模擬通信系統(tǒng)相比，數(shù)字調(diào)制和解調(diào)同樣是通過(guò)某種方式，將基帶信號(hào)的頻譜由一個(gè)頻率位置搬移到另一個(gè)頻率位置上去。不同的是，數(shù)字調(diào)制的基帶信號(hào)不是模擬信號(hào)而是數(shù)字信號(hào)。 在大多數(shù)情況下，數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號(hào)的離散值去鍵控載波。對(duì)載波的幅度、頻率或相位進(jìn)行鍵控，便可

56、獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號(hào)頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)得到廣泛應(yīng)用。 近年來(lái)，在數(shù)字微波通信中進(jìn)一步提高頻譜利用率的課題已獲得重要進(jìn)展。除2PSK外，已派生出多種調(diào)制形式，如四相移相鍵控(QPSK)、八相移相鍵控(8PSK)、正交部分響應(yīng)(QPRS)、十六狀態(tài)正交電幅(16QAM)以及64QAM、256QAM等，這些都是高效率的調(diào)制手段。 為了模擬實(shí)際數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)的調(diào)制和解調(diào)基本上由數(shù)字電路構(gòu)成。數(shù)字電路具有變換速度快、解調(diào)測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察方便，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的載波選為5

57、MHz。 (二) 調(diào)制 2PSK系統(tǒng)的調(diào)制部分框圖如圖4-2所示，電路原理如圖4-3所示，下面分幾部分說(shuō)明。 1、M序列發(fā)生器 實(shí)際的數(shù)字基帶信號(hào)是隨機(jī)的，為了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試方便，一般都是用M序列發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列來(lái)充當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)源。按照本原多項(xiàng)式f(x)=X5+X3+1組成的五級(jí)線性移位寄存器，就可得到31位碼長(zhǎng)的M序列。碼元定時(shí)與載波的關(guān)系可以是同步的，以便清晰觀察碼元變化時(shí)對(duì)應(yīng)調(diào)制載波的相應(yīng)變化；也可以是異步的，因?yàn)閷?shí)際的系統(tǒng)都是異步的，碼元速率約為1Mbt/s。 2、相對(duì)移相和絕對(duì)移相 移相鍵控分為絕對(duì)移相和相對(duì)移相兩種。

58、以未調(diào)載波的相位作為基準(zhǔn)的相位調(diào)制叫作絕對(duì)移相。以二進(jìn)制調(diào)相為例，取碼元為“1”時(shí)，調(diào)制后載波與未調(diào)載波同相；取碼元為“0”時(shí)，調(diào)制后載波與未調(diào)載波反相；“1”和“0”時(shí)調(diào)制后載波相位差1800。絕對(duì)移相的波形如圖4-4所示。 在同步解調(diào)的PSK系統(tǒng)中，由于收端載波恢復(fù)存在相位含糊的問(wèn)題，即恢復(fù)的載波可能與未調(diào)載波同相，也可能反相，以至使解調(diào)后的信碼出現(xiàn)“0”、“1” 倒置，發(fā)送為“1”碼，解調(diào)后得到“0”碼；發(fā)送為“0”碼，解調(diào)后得到“1”碼。這是我們所不希望的，為了克服這種現(xiàn)象，人們提出了相對(duì)移相方式。 圖4-2 2PSK調(diào)制部分框圖 相對(duì)移相的調(diào)制

59、規(guī)律是：每一個(gè)碼元的載波相位不是以固定的未調(diào)載波相位作基準(zhǔn)的，而是以相鄰的前一個(gè)碼元的載波相位來(lái)確定其相位的取值。例如，當(dāng)某一碼元取“1”時(shí)，它的載波相位與前一碼元的載波同相；碼元取“0”時(shí)，它的載波相位與前一碼元的載波反相。相對(duì)移相的波形如圖4-5所示。 圖4-4絕對(duì)移相的波形示意圖 一般情況下，相對(duì)移相可通過(guò)對(duì)信碼進(jìn)行變換和絕對(duì)移相來(lái)實(shí)現(xiàn)。將信碼經(jīng)過(guò)差分編碼變換成新的碼組——相對(duì)碼，再利用相對(duì)碼對(duì)載波進(jìn)行絕對(duì)移相，使輸出的已調(diào)載波相位滿足相對(duì)移相的相位關(guān)系。 設(shè)絕對(duì)碼為{ai}，相對(duì)碼為{bi}，則二相編碼的邏輯關(guān)系為：

60、 bi = ai–bi-1 (1) 差分編碼的功能可由一個(gè)模二和電路和一級(jí)移位寄存器組成。 圖4-5 相對(duì)移相的波形示意圖 調(diào)相電路可由模擬相乘器實(shí)現(xiàn)，也可由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中的調(diào)相電路是由數(shù)字選擇器(74LS153)完成。當(dāng)2腳和14腳同時(shí)為高電平時(shí)，7腳輸出與3腳輸入的0相載波相同；當(dāng)2腳和14腳同時(shí)為低電平時(shí)，7腳輸出與6腳輸入的π相載波相同。這樣就完成了差分信碼對(duì)載波的相位調(diào)制。圖4-6示出了一個(gè)數(shù)字序列的相對(duì)移相的過(guò)程。 對(duì)應(yīng)于差分編碼，在解調(diào)部分有—

61、—差分譯碼。差分譯碼的邏輯為： ci =bi +bi-1 (2) 將(1)式代入(2)式，得 Ci=ai-bi-1+bi-1 ∵ bi-1-bi-1=0 ∴ Ci=ai+0=ai 這樣，經(jīng)差分譯碼后就恢復(fù)了原始的信碼序列。 圖4－6絕對(duì)碼實(shí)現(xiàn)相對(duì)移相的過(guò)程 3、數(shù)字調(diào)相器的主要指標(biāo) 在設(shè)計(jì)與調(diào)整一個(gè)數(shù)字調(diào)相器時(shí)，主要考慮的性能指標(biāo)是調(diào)相誤差和寄生調(diào)幅

62、。 (1) 調(diào)相誤差 由于電路不理想，往往引進(jìn)附加的相移，使調(diào)相器輸出信號(hào)的載波相位取值為0及180＋ΔΦ，我們把這個(gè)偏離的相角ΔΦ稱為調(diào)相誤差。調(diào)相器的調(diào)相誤差相當(dāng)于損失了有用信號(hào)的能量。 (2) 寄生調(diào)幅 理想的二相相位調(diào)制器，當(dāng)數(shù)碼取“0”或“1”時(shí)，其輸出信號(hào)的幅度應(yīng)保持不變，即只有相位調(diào)制而沒(méi)有附加幅度調(diào)制。但由于調(diào)制器的特性不均勻及脈沖高低電平的影響，使得“0”碼和“1”碼的輸出信號(hào)幅度不等。設(shè)“0”碼和“1”碼所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅度分別為Uom或Uim，則寄生調(diào)幅為： m=(Uom-Uim)/(Uom+Uim)100%

63、 (3) (三) 解調(diào) 2PSK系統(tǒng)的解調(diào)部分框圖如圖4－7所示，原理電路如圖4－8所示。 1、同相正交環(huán) 絕大多數(shù)二相PSK信號(hào)采用對(duì)稱的移相鍵控，因而在碼元1、0等條件下都是抑制載波的，即在調(diào)制信號(hào)的頻譜中不含載波頻譜，這樣就無(wú)法用窄帶濾波器從調(diào)制信號(hào)中直接提取參考相位載波。對(duì)PSK而言，只要用某種非線性處理的方法去掉相位調(diào)制，就能產(chǎn)生與載波有一定關(guān)系的分量，恢復(fù)出同步解調(diào)所需要的參考相位載波，實(shí)現(xiàn)對(duì)抑制載波的跟蹤。 從PSK信號(hào)中提取載波的常用方法是采用載波跟蹤鎖相環(huán)，如平方環(huán)、同相正交環(huán)、逆調(diào)制環(huán)和判決反饋環(huán)等。這幾種鎖相環(huán)的性能特點(diǎn)列于表

64、4－1中。 圖4－7 2PSK解調(diào)部分框圖 本實(shí)驗(yàn)采用同相正交環(huán)，同相正交環(huán)又叫科斯塔斯（Cosatas）環(huán)。原理框圖如圖4－9所示。在這種環(huán)路里，誤差信號(hào)是由兩個(gè)鑒相器提供的。壓控振蕩器（VCO）給出兩路相互正交的載波到鑒相器，輸入的2PSK信號(hào)經(jīng)鑒相后再由低通濾波器濾除載波頻率以上的高頻分量，得到基帶信號(hào)Ud1、Ud2， 這時(shí)的基帶信號(hào)包含著碼元信號(hào)，無(wú)法對(duì)壓控振蕩器（VCO）進(jìn)行控制。將Ud1和Ud2經(jīng)過(guò)基帶模擬器相乘，就可以去掉碼元信息，得到反應(yīng)VCO輸出信號(hào)與輸入載波間相位差的控制電壓。 圖4－9 同相正交環(huán)原理框圖 表4－1 幾種鎖相環(huán)的

65、性能特點(diǎn) 鎖相環(huán) 特性 平方環(huán) 同相正交環(huán) 逆調(diào)制環(huán) 判決反饋環(huán) 環(huán)路工作頻率 f=2f0 f=f0 f=f0 f=f0 等效鑒相特性 正弦 正弦 近似距形 近似距形 解調(diào)能力 無(wú) 有 有 有 電路復(fù)雜程度 鑒相器工作頻率高 需用基帶模擬相乘器 需用二次調(diào)制器 需用基帶模擬調(diào)制器 2、集成電路壓控振蕩器（IC－VCO） 壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)的關(guān)鍵部件，它的頻率調(diào)節(jié)和壓控靈敏度決定于鎖相環(huán)的跟蹤性能。 實(shí)驗(yàn)電路采用一種集成電路的壓控振蕩器74S124。集成片配以簡(jiǎn)單的外部元件并加以適當(dāng)調(diào)

66、整，即可得到令人滿意的結(jié)果。如圖4－10所示。 集成片的每一個(gè)振蕩器都有兩個(gè)電壓控制端，Vr用于控制頻率范圍（14腳），Vf用于控制頻率范圍調(diào)節(jié)（1腳）。外接電容器Cext用于選擇振蕩器的中心頻率。當(dāng)Vr和Vf取值適當(dāng)，振蕩器工作正常時(shí)，振蕩器頻率f0與Cext的關(guān)系近似為： f0=510－4/Cext （4） f0與Cext的關(guān)系曲線如圖4－11所示。 圖4-10 IC-VCO使用實(shí)例 當(dāng)固定Cext時(shí)，Vr與Vf有確定的函數(shù)關(guān)系。以Vr=Vf=2V時(shí)的輸出頻率f0為歸一化頻率單位，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可畫(huà)出以Vr為參變量時(shí)歸一化頻率fn與Vr的變化曲線如圖4－12所示。 圖4-11 頻率f0與CEXT的關(guān)系曲線 圖4-12 fn隨Vf的變化曲線 由圖4－12的曲線可以看出，隨Vr的增大，VCO的壓控靈敏度和線性范圍都在增大。選取適當(dāng)?shù)腣r值和Cext值，將誤差電壓經(jīng)線性變換后充當(dāng)控制電壓Vf，這樣就可