通信原理实验指导书—正文

1实验一抽样定理实验一、实验目的1、了解抽样信号和抽样保持信号的形成。2、验证抽样定理。3、了解多路抽样路际串话的原因。二、实验内容1、时钟信号和定位定时信号。7、抽样信号的恢复。2、抽样窄脉冲8KHz信号波形。8、滤波幅频特性。3、多路抽样信号。9、抽样定理验证。4、同步测试信号源的波形和频率。10、抽样保持信号的XXsin失真。5、抽样信号波形。11、多路抽样的路际串话。6、抽样保持信号波形。三、概述在通信技术中为了获取最大的经济效益，就必须充分利用信道的传输能力，扩大通信容量。因此，采取多路化是极为重要的通信手段。最常用的多路复用体制是频分多路复用（FDM）通信系统和时分多路复用（TDM）通信系统，频分多路技术是利用不同频率的正弦载波对基带信号进行调制，把各路基带信号频谱搬移到不同的频段上，在同一信道上传输。而时分多路系统中则是利用不同时序的脉冲对基带信号进行抽样，把抽样后的脉冲按时序排列起来，在同一信道中传输。利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为“抽样”，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号，在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真恢复出原信号。抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础的。在工作设备中，抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到整个系统的性能指标。作为例子图1示意地画出传输一路语音信号的PCM系统。从图中可以看出要实现对语音的PCM编码，首先就要对语音信号进行抽样，然后才能进行量化和编码。因此，抽样过程是语音数字化的重要环节，也是一切模拟数字化的重要环节。为了让实验者形象的观察抽样过程，加深对抽样定理的理解，本实验提供了一种典型的抽样电路。此外，本实验还模拟了两路PCM通信系统，从而帮助实验者初步了解时分多路的通信方式。通过本实验，学生应达到以下要求：1、验证抽样定样；2、观察了解PAM信号形成过程，平顶展宽解调过程；3、了解时分多路系统中的路际串话现象。2图1PCM系统示意图四、实验原理和电路说明1、抽样定理抽样定理指出，一个频带受限信号m（t），如果它的最高频率为fh（即m（t）的频谱中没有fh以上的分量），可以唯一地由频率大于2fh的样值序列所决定。因此，对于一个最高频率为3400Hz的语音信号m（t），可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示，抽样频率fs和语音信号m（t）的频谱如图2和图3所示。由频谱可知，用截止频率为fh的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m（t），这就说明了抽样定理的正确性。3实际上，考虑到低通滤波器特性不可能理想，对最高频率为3400Hz的语言信号，通常采用8KHz抽样频率，这样可以留出1200Hz的防卫带。见图4。如果fs＜2fh，就会出现频谱混迭的现象，如图5所示。在验证抽样定理的实验中，我们用单一频率fh的正弦波来代替实际的语音信号。采用标准抽样频率fs＝8KHz。改变音频信号的频率fh，分别观察不同频率时，抽样序列和低通滤波器的输出信号，体会抽样定理的正确性。验证抽样定理的实验方框图如图6所示。连接实验箱中（8）和（14），就构成了抽样定理实验电路。抽样电路采用场效应晶体管开关电路。抽样门在抽样脉冲的控制下以每秒千次的速度开关，T3为结型场效应晶体管，T2为驱动三极管。当抽样脉冲没来时，9012.3DK2都处于饱和导通状态，－12V电压加在场效应管栅极，使其处于夹断状态，输出信号“0”。抽样脉冲到来时，9012.3DK2处于截止状态，场效应管栅极电压升高，使其处于导通状态。这样，抽样脉冲期间模拟电路负载是一个电阻，因此抽样门的输出端能得到一串脉冲信号。此脉冲信号的幅度与抽样时输入信号的瞬时值成正比例，脉冲的宽度与抽样脉冲的宽度相同。这种脉冲信号就是脉冲调幅信号。当抽样脉冲宽度远小于抽样周期时，电路输出的结果接近于理想抽样序列。由图6可知。用一低通滤波器即可实现对模拟信号的恢复。为了便于观察，解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成，低通滤波器的截止频率为3400Hz。2、多路脉冲调幅系统中的路际串话多路脉冲调幅的实验方框图如图7所示。连接实验箱中（8）和（11）、（13）和（14）就构成了多路脉冲调幅实验电路。分路抽样电路的作用是：将在时间上连续的语音信号经脉冲抽样形成时间上离散的脉冲调幅信号。N路抽样脉冲在时间上是互不交叉、顺序排列的。各路的抽样信号在多路汇接的公共负载上相加便形成合路的脉冲调幅信号。本实验设置了两路分路抽样电路。多路脉冲调幅信号进入接收端后，由分路选通脉冲分离成n路，亦即还原出单路PAM信号。发送端分路抽样与接收端分路选通是一一对应的，这是依靠他们所使用的定时脉冲的对应关系决定的。为简化实验系统，本实验的分路选通脉冲直接利用该路的分路抽样脉冲经适当延迟获得。接收端的选通电路也采用结型场效应晶体管作开关元件，但输出负载不是电阻而是电容。采用这种类似与平顶抽样的电路是为了解决PAM解调信号的幅度问题。由于时分多路的需要，分路脉冲的宽度τS是很窄的。当占空比为τS／TS的图7多路脉冲调幅实验框图4脉冲通过话路低通滤波器后，低通滤波器输出信号的幅度很小。这样大的衰减带来的后果是严重的。但是，在分路选通后加入保持电容，可使分路后的PAM信号展宽到100％的占空比，从而解决信号幅度衰减大的问题。但我们知道平顶抽样将引起固有的频率失真。PAM信号在时间上是离散的，但在幅度上却是连续的。而在PCM系统里，PAM信号只有在被量化和编码后才有传输的可能。本实验仅提供一个PAM系统的简单模式。路际串话是衡量多路系统的重要指标之一。路际串话是指在同一时分多路系统中，某一路或某几路的通话信号串扰到其它话路上去，这样就产生了同一端机中各路通话之间的串话。串话分可懂串话和不可懂串话，前者造成失密或影响正常通话；后者等于噪声干扰。对路标话必须设法防止。一个实用的通话系统必须满足对路标串话规定的指标。在一个理想的传输系统中，各路PAM信号应是严格地限制在本路时隙中的矩形脉冲。但是如果传输PAM信号的通道频带是有限的，则PAM信号就会出现“拖尾”的现象。当“拖尾”严重，以至入侵邻路时隙时，就产生了路际串话。在考虑通道频带高频谱时，可将整个通道简化为图9所示的低通网络，它的上截止频率为：f1=1/(2R1C1)图9通道的低通等效网络为了分析方便，设第一路有幅度为V的PAM脉冲，而其它路没有。当矩形脉冲通过图9（a）所示的低通网络，输出波形如图9（b）所示。脉冲终了时，波形按R1C1时间常数指数下降。这样，就有了第一路脉冲在第二路时隙上的残存电压——串话电压。这种由于信道的高频响应不够引起的路际串话就叫高频串话。当考虑通道频带的低频端时，可将通道简化为图10所示的高通网络。它的下截止频率为：f2=1/(2πR2C2)，由于R2C2＞＞τ，所以当脉冲通过图10(a)所示的高通网络后，输出波形如图10(b)所示，长长的“拖尾”影响到相隔很远的时隙。若计算某一话路上的串话电压，则需要计算前n路以这一路分别产生的串话电压，积累起来才是总的串话电压。这种由于信道的低频响应不够引起的路际串话就叫做低频串话。解决低频串话是一项很困难的工作。图10通道的高频等效网络限于实验条件，本实验只模拟高频串话的信道。五、实验仪器抽样定理实验箱1台双踪同步示波器1台5数字频率计1台低频信号发生器1台毫伏表1台直流稳压电源1台六、实验内容准备工作：1、按实验板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机；2、把实验板电源连接线接好接好；3、开机注意观察电流表正电流＋I180mA负电流－I60mA若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。(一)抽样和分路脉冲的形成用示波器和频率计观察并核对各脉冲信号的频率，波形及脉冲宽度，并记录相应的波形频率，示波器工作方式置“CHOP”1、在P1观察主振脉冲信号，P2观察位定时信号。2、用A线观察分路抽样脉冲（1－2）8KH2。用B线观察分路抽样脉冲（2－2）8KH2。3、观察（6）同步测试信号源的波形和频率。(二)抽样信号和PAM信号的形成K1接2、3即处于单路工作状态。K3接1、2即处于抽样保持工作状态。1、同步正弦信号（6）接（4）输入，示波器A线接（4），B线接（8）。记录波形，然后A线接（1－2）。记录波形，观察取样信号的波形。2、（1－2）接（12），（8）接（11），A线接（13），B线接（8），观察抽样保持的波形并作记录。(三)抽样信号的恢复在(二)工作状态下：1、把（13）接（14），A线接（13），B线接（15），观察取样保持信号经过滤波还原的信号，比较（4）和（15）的波形、频率。2、断开（14）和（13）连接，音频信号发生器信号接入（14），幅度1V，测量滤波器的频率特性并作记录，画出幅频特性曲线。（14）1V300Hz1KHz2KHz3KHz3.4KHz4KHz6KHz8KHz(15)幅度(四)验证抽样定理6K1接2、3K3接1、21、断开（6）和（4）连接，（8）接（11），（13）接（14），（1－2）接（12）2、外接音频信号输入（4），幅度约1V，A线接（4），B线接（15），改变音频信号发生器的频率，观察（15）的波形和频率并与（4）比较，核对信号频率和取样频率的关系，重点观察300Hz、1KHz、2KHz、3KHz、3.4KHz、4KHz、6KHz、8KHz信号的波形和幅度，并画出系统频响特性，观察抽样保持的sin失真现象。(五)多路抽样的路际串话K1接1、2即处于多路抽样工作状态。K3接1、2即处于抽样保持工作状态。K5接1、2即模拟信道有串话传输特性。1、（6）接（4），（8）接（11），外接音频信号1V300Hz，输入（5）。2、当（1－2）接（12）时，A线接（6），B线接（13），在（13）选通的是（6）输入的1KHz信号。3、当（2－2）接（12）时，A线接（5），B线接（13），在（13）选通的是300Hz信号，不会发生串话。4、（8）接（9），（10）接（11），即信道有积分特性时，（2－2）接（12）比较（5）（13），（6）（13）波形，有第一路的（6）1KHz信号，串入第二路300Hz信号，即发生了串话。5、把K5改接2、3，即加大积分传输特性，重做4。七、实验报告1、整理实验数据，画出相应的曲线和波形。2、本实验在（8）和（13）得到的是哪一类抽样波形？从理论上对理想抽样、自然抽样和平顶抽样进行对比和说明。3、对实验内容（二）（三）进行讨论，当fS＞2fh和fS＞2fh时，低通滤波器输出的波形是什么？试总结一般规律。4、实验内容（五）中的2、3、4项内容有什么区别？分析影响串话的主要因素。根据本实验电路的元件数据计算信道上的截止频率。5、对改进实验内容和电路有什么建议？7实验二PCM编解码单路多路实验一、实验目的1.了解PCM编译码的基本工作原理及实现过程。2.了解语音信号数字化技术的主要技术指标，学习并掌握相应的测试方法。3.初步了解通信专用集成电路的工作原理和使用方法。二、实验内容1.信号源实验1)取样脉冲、定时时钟实验2)同步测试信号源实验2.PCM单路编码实验1)极性码编码实验2)段内电平码编码实验3)段落码编码实验3.PCM单路译码实验4.PCM多路编译码实验5.学生常犯的测量错误三、基本原理模拟信号数字化可以用数种方式实现。脉冲编码调制(PCM)技术在数字通信系统中得到了广泛的应用。脉冲编码调制系统的原理方框图如图1.1所示。模拟信号经滤波后频带受到了限制。限带信号被抽样后形成PAM信号。PAM信号在时间上是离散化的，但是幅度取值却是连续变化的。编码器将PAM信号规定为有限种取值，然后把每个取值用二进制码组表示并传送出去。接收端收到二进制编码信号后经译码还原为PAM信号，再经滤波器恢复为模拟信号。经理论分析可知，人的语音信号的幅度概率密度为拉普拉斯分布。这是一种负指数分布，小幅度时概率密度大，而大幅度时概率密度小。因此，语言编