实验四 脉冲编码调制解调实验

实验四脉冲编码调制解调实验

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W681512的使用方法。

二、实验内容

1、观察脉冲编码调制与解调的结果，分析调制信号与基带信号之间的关系；

2、改变基带信号幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况；

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、改变位同步时钟，观测脉冲编码调制波形。

三、实验仪器

1、信号源模块一块

2、模块2 一块

3、20M 双踪示波器一台

4、立体声耳机一副

5、连接线若干

四、实验原理

（一）基本原理

脉冲编码调制（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。国际标准化的PCM码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。预滤波是为了把原始

语音信号的频带限制在300Hz ～3400Hz 左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。

在整个PCM 系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码。通常，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N 来表示。国际电报电话咨询委员会（ITU-T ）详细规定了它的指标，还规定比特率为64kbps ，使用A 律或

μ律编码律。下面将详细介绍PCM 编码的整个过程，由于抽样原理已在前面实

验中详细讨论过，故在此只讲述量化及编码的原理。

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 y ，k=1，2，3，…，L 。k y 常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x 落在k x 与

1+k x 之间时，量化器输出电平为k y 。这个量化过程可以表达为：

{}1(),

1,2,3,,k k k y Q x Q x x x y k L +==<≤==

这里k x 称为分层电平或判决阈值。通常k k k x x -=∆+1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。把输

入模拟信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个

量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图4-3所示。其量化间隔（量化

台阶）v∆取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当输入信号的变化范围和

量化电平数确定后，量化间隔也被确定

图4-3 均匀量化过程示意图

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v∆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μ

压缩律和A压缩律。美国采用μ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。

A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本实验模块中所用到的PCM编码芯片W681512正是采用这种压扩特性来进行编码的。图4-4示出了这种压扩特性。

图4-4 13折线

表4-5列出了13折线时的x值与计算x值的比较。

表中第二行的x值是根据6.

A时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时

87

=

的值。可见，13折线各段落的分界点与6.

A曲线十分逼近，同时x按2的幂

=

87

次分割有利于数字化。

2、编码

所谓编码就是把量化后的信号变换成二进制码，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13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行

编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表

示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8

个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成27＝128

个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表4-6所示；段内码与16个量化级之间的关系见表4-7。可见，上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的

方法。

表4-6 段落码表4-7 段内码