2010通信原理实验指导书

通信原理

实 验 指 导 书

文 化 锋 杨 燕 编著

宁波大学信息学院

2010.03

实验室注意事项

1. 不准将食品、饮料等与实验无关的物品带入实验室，保持实验环境干净整齐。

2. 未经老师允许不得擅自打开实验箱电源。

3. 每次安装实验模块时，应确保主机箱右侧的交流开关处于断开状态。安装实

验模块时一定要将实验模块的插脚与实验箱上的插槽对准，切勿用蛮力装卸实验模块。

4. 各实验模块上的轻触开关、微动开关、拨码开关、手旋电位器均为磨损件，

请不要频繁按动或旋转，严禁随意插拔各个跳线。

5. 实验中需要改变跳线位置的，待实验结束后恢复到原始位置。

6. 实验中连线时在保证接触良好的前提下应尽量轻拔轻插，拆线时若遇到连线

与孔连接过紧的情况，应用手捏住连线插头的塑料线端，左右摇晃，直至连线与孔松脱，切勿用蛮力，那样易使连线端头断在插孔内。

7. 实验中出现异常情况时需迅速切断电源并立刻报告老师。

8. 实验仪器出现故障损坏后需书面写一份情况报告书，简单说明情况，签名后

交给实验指导教师。

9. 实验完成后关掉实验箱电源，将实验桌面整理干净，经实验老师检查许可后

方可离开实验室。

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目 录

实验一 信号发生器实验 ????????????????????（4）

实验二 脉冲幅度调制（PAM）及系统实验 ?????????????（12）

实验三 脉冲编码调制（PCM）及系统实验?????????????（17）

实验四 HDB3

实验五

实验六 FSK

实验七

实验八

附录一：

附录二：

码型变换实验 ???????????????????（26） 两相PSK（DPSK）调制与解调实验?????????????（33） 调制解调系统实验 ?????????????????（41） 时分复用数字信号分接实验 ???????????????（48） 语音传输实验 ?????????????????????（53） 参考书目 ??????????????????????? （57） 双轨迹示波器使用简要说明?????????（58） 3

GOS-620 20MHZ

实验一 信号发生器实验

一、 实验目的

1． 了解整个实验箱的构成。

2． 了解实验系统中CPLD模块的结构组成及作用。

3． 了解及正确使用实验系统中提供的各种时钟数字信号。 4． 熟练掌握双踪示波器的使用方法。

二、实验内容

1． 观察CPLD各输出点的波形，记录分析其特性。

2． 观察同步信号与非同步信号的输出，了解两者的不同用途。 3． 测量各个模拟信号频率和幅值范围。

三、实验器材

1. 20M双踪示波器一台 2. 连接线若干 3. 实验箱一台

四、实验箱简介

实验箱平台的结构分布如图1-1所示，各个模块的功能为： 1．CPLD数字信号产生模块

CPLD可编程模块用来产生实验系统所需要的各种时钟信号和数字信号。 2.模拟信号源模块

包括四部分：

（1）函数信号发生器，产生频率、幅度、波形可调的非同步函数信号(三角波、正弦波、

方波)。

（2）由音乐片厚膜集成电路产生音乐信号。 （3）外加模拟信号接口电路。

（4）同步正弦信号产生器，产生频率为2KHz，幅度可调的同步正弦信号。 3．音频输出模块

音频输出模块由输出选择开关、低通滤波、音频功率放大电路组成。

接收端各种译码器输出的模拟信号，经过接收选择开关，进入通信话路终端接收，滤波器滤波与放大，信号幅度可进行调节，最后由扬声器输出原模拟音频信号。 4．抽样定理与PAM模块

抽样定理与PAM模块可对四种信号：同步正弦波SIN、非同步正弦波NSIN、音乐信号MUSIC、电话信号1VT，进行PAM调制验证抽样定理。

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数字电话接口 模拟信号源 CPLD可编程数字信号处理DSP芯片实现QPSK、MSK等调制模块数字信号处理DSP芯片实现QPSK、MSK等解调模块FSK调制模块PSK调制模块FSK解调模块PSK解调模块CVSD编码模块CVSD译码模块电源编译码模块同步提取调制模块解调模块光纤接口HDB3编译 码 噪声 源计算 机接口数字时分交换PCM、ADPCM编译码线性DAMODEM终端滤波接口及眼图观察音频功放线性AD抽样定理CPLD开发面包板图1-1

实验箱平台的结构分布示意图

5．PCM编译码、数字时分交换、时隙分配、时分复用模块

本模块采用二块TP3057（TP3057是把编译码电路和各种滤波器集成在一个芯片上的器件）。可对实验系统所提供的各种模拟信号进行PCM编码，同时对数字信号进行PCM译码。 6．码型变换模块

本模块对以下数字基带信号进行码型变换：NRZ码、BNRZ码、RZ码、BRZ码、AMI码、HDB3码、曼彻斯特码、CMI码、密勒码、成对选择三进码（PST码）。 7．CVSD编码模块和CVSD译码模块

增量调制编译码模块采用的是大规模集成电路MC34115进行模拟信号的编译码。可使二台实验系统通过CVSD模块用电话机进行对接通话实验。 8．用数字信号处理DSP芯片实现QPSK、MSK调制、解调模块

本模块采用二块DSP芯片TMS320C5402、串行D/A转换芯片（TLC5617）、串行A/D转换芯片（TLV1572）等组成调制、解调模块电路，实现ASK、FSK、PSK、QPSK、MAS等调制和解调。

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五、 CPLD可编程模块

1. CPLD可编程模块电路的功能及电路组成：

P101 P102 P103 P104 PN32 CMI TEMP1 TEMP2

JZ101 16.384M 晶振 EPM240 可编程模块 各种数字信号及控制信号 系统各实验模块 TP101 TP102 TP103 TP104 F8A C32 C64 DPN32

图1-2 CPLD可编程模块的示意图

如图1-2所示，CPLD可编程模块用来产生实验系统所需要的各种时钟信号和数字信号。

它由ALTERA公司生产的CPLD可编程器件EPM240 (U101)、和晶振JZ101组成。晶振JZ101用来产生16.384MHz的系统主时钟，从CPLD可编程器件EPM240的12脚输入，用CPLD进行分频等处理后产生各种系统时钟信号和数字信号。时钟信号有2KHz、4KHz、8KHz、16KHz、32KHz、64KHz、2048KHz的方波，这些时钟信号均与主时钟同步，信号分别送往各实验模块；F8的窄脉冲是时分交换模块中所用的倒向帧脉冲信号，频率为8KHz；F8A、F8B、F8C的窄脉冲为PCM编码模块中所用的帧脉冲信号，频率都为8KHz；数字信号有2KHz的伪随机序列PN2和32KHz的伪随机序列PN32，也与主时钟同步。

2.由CPLD模块产生的各种信号的用途

（1）抽样定理与PAM通信系统

16KHz时钟，方波 8KHz时钟，方波 （2）PCM脉冲编码调制系统

2.048MHz时钟，方波 8KHz窄脉冲同步信号 128KHz编码时钟 256KHz编码时钟 512KHz编码时钟 2048KHz编码时钟

（3）FSK调制解调系统

32KHz时钟，方波 16KHz时钟，方波 2KHz伪随机序列码 （4）PSK调制解调系统

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32KHz时钟，方波 32KHz伪随机序列码 （5）AMI/HDB3编译码模块

32KHz伪随机序列码 64KHz时钟，方波 （6）同步正弦波信号发生器

2KHz方波

3. 模拟信号源

信号源电路用来产生实验所需的各种音频信号：同步方波信号、同步正弦信号、非同步正弦波信号，模拟电话语音信号。

（1）．同步信号源（同步正弦波发生器）

同步信号源（所谓同步信号源是指信号源产生的信号与整个实验系统的主时钟同步），是由CPLD可编程逻辑器件产生2KHz同步方波信号，经有源低通滤波器后得到2KHz同步正弦波信号，作为编码电路的模拟输入信号，当对该信号进行采样编码时，得到编码数字信号，由于与时钟（作为采样信号）同步，因此可用模拟示波器观测到稳定的编码数字信号波形。电路构成示意图如图1-3所示。

U101 U201 低通 TP201 P201 CPLD可 2KHz正弦波滤波器 编程逻辑 信号输出 器件

EPM240

图1-3 CPLD可编程器件产生同步正弦信号电路示意图

TP201上输出的2KHz方波信号由CPLD可编程器件U101内的逻辑电路通过编程产生。P201上输出2KHz正弦波，调节W201可以改变正弦信号的输出幅度。

4． 其他信号源 （1）非同步信号源

非同步信号源是一个简易正弦波信号发生器，如图1-4所示。U202（XR2206）函数信号发生器，产生后续实验所需的各种函数信号；调节W203电位器可改变函数信号的幅度，调节W202电位器可改变函数信号的频率。K201用来选择输出函数信号：打在第一档，输出三角波，第二档输出正弦波，第三档输出方波；信号测量点和输出点为P202。利用该信号定性地观察通信话路的频率特性，同时用作为增量调制、脉冲编码调制实验的音频信号源。 U202 TP202 K201 非同步正弦波 三角波 信号发生器 正弦波 函数信号输出

XR2206 三角波

图1-4 非同步正弦信号产生电路示意图

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（2）．外加模拟信号接口电路

如果你觉得实验系统所提供的信号源不能满足实验要求时，就要用外加信号源提供所需信号。例如定量地测试通信话路的频率特性时，需要使用频率与电平、输出阻抗都很稳定的，频率范围很宽的音频信号，这就需要外接音频信号产生器或函数信号发生器。外加模拟信号的接口电路，如图1-5所示。当需要使用外加模拟信号时，可以从接线环SS201处送入，经过P204铆孔输出。

SS201 外加信号接口 1 P204

外加模拟信号输出

图1-5 外加模拟信号接口电路示意图

（3）．噪声源

本模块产生高斯白噪声，噪声信号可送往FSK/PSK调制模块，用于干扰FSK/PSK调制信号。

P901

噪声源 噪声源信号出

图1-6 噪声源接口电路示意图

（4）．音乐信号产生电路

音乐信号产生电路用来产生音乐信号送往音频终端电路，以检查话音信道的开通情况及通话质量。

音乐信号由U802音乐片厚膜集成电路产生。该片的1脚为电源端，2脚为控制端，3脚为输出端，4脚为公共地端。当2脚控制端接高电平（+3.3V），即按键SW201按下触发时，音乐信号从第3脚的输出端输出。测量点和音乐信号输出点为P203，音乐信号的波形为频率在变化的脉冲波。

注意：音乐片厚膜集成电路为间断性输出信号，当需要音乐信号时，按一下SW201。

图1-7 音乐信号产生电路示意图

MUSICSW2013.3V音乐控制23P203音乐信号

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（5）．话机输入接口电路

由PBL38614（U401、U402，专用电话集成电路）构成的话机输入接口电路的功能，是把话机的二线转换成四线（接收1VR、地、发送1VT、地），如图1-8所示。

J401是电话机的二线输入接口，U401是PBL38614专用电话集成电路。它的工作原理简述如下：

当对电话机的送话器讲话时，该话音信号从PBL38614的TIPX和RINGX引脚输入，经U401(U402)内部话音信号传输处理后从第28引脚（VTX）输出模拟话路信号，经过发送放大电路，该信号的测量点为1VT(2VT)。

当接收对方的话音模拟输入信号时，送入U401(U402)第26引脚（RSN），该信号的测量点为1VR(2VR)。

U401J40121电话插座VTXTIPXRINGXRSNU402J40221电话插座TIPXRINGXRSN2VRVTX2VT1VR1VT图1-8 话机输入接口电路

（6）.话路终端接收电路

话路终端接收电路由终端滤波、音频功率放大电路组成。 话路终端滤波电路原理框图如图1-9所示。

终端滤波电路设计了两组滤波器：一、截止频率为4KHz的低通滤波器，其输入铆孔为P603，滤波后输出铆孔为P604；二、截至频率为2KHz的低通滤波器，其输入铆孔为P605，滤波后输出铆孔为P606。

图1-9话路终端滤波器

P605

2KHz低通滤波器 P603

4KHz低通滤波器 P604

P606

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音频功放电路如图1-10所示：其测量输入铆孔为A_IN,功率放大后输出测量点为A_OUT。

图1-10 音频功放电路

在接收端，各种译码器输出的模拟信号可以经过终端滤波电路滤波后，进入音频功放电路，然后从扬声器输出；也可以直接送往音频功放电路后经扬声器输出。

六、实验步骤

1.分别打开实验箱交流电源开关、示波器开关。

2.用示波器测量模拟信号源模块产生的模拟信号，记录这些信号的波形，测量其幅度和频率的调节范围，注明改变该信号幅度波形或频率的调节元件。

3.用示波器测量数字信号模块产生的伪随机序列PN32，测量点为P101；测量码元速率；记录信号的波形；从波形中读出这个序列的周期值。

４.用双踪示波器的B通道接32KHz的方波信号C32（TP102），A通道接PN32（P101），测量并记录（PN32序列在一个周期内的）A、B通道的波形。判断这两个信号是否同步。 ５.用示波器观察8KHz的窄脉冲信号F8A，测量点为TP101； ６.用示波器观察64KHz的方波信号C64，测量点为TP103；

７.用双踪示波器A通道接伪随机序列PN32，测量点为P101，用双踪示波器B通道接 伪随机序列DPN32，测量点为TP104，比较两个波形的不同； ８.用双踪示波器观察CMI码的波形，测量点为P102，记录该波形。

9. 用双踪示波器观察噪音信号波形，TP901为噪声输入测试点，P901为噪声信号输出，W901用于调节其噪声电平大小。

10. P203接示波器，观察音乐信号的波形。是否为频率在变化的脉冲信号？连接P203与音频功放模块的A_IN铆孔，跳线K602打在1_2位置，听听音乐信号，对信号有感性的认识。 11.J401接电话机，1VT接示波器，拿起电话机，按0键，观察信号的波形，再分别按1、2、3、4、5、6、7、8、9等键，观察信号的变化；对比不同按键的信号波形，思考这些波

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形的组成（提示：电话双音多频拨号检测DTMF技术）。

附 各测量点输出信号

TP101：8KHz窄脉冲信号F8A。 TP102：32KHz的方波；

TP103：64KHz的方波； TP104: 码元速率为32KHz伪随机序列DPN32。 TP201：2KHz同步方波信号输出端。 P201：2KHz同步正弦波信号输出端。 P202：非同步正弦波信号输出端。 P203：音乐信号输出端。 P204：外加信号输出端。 A_IN：音频功放输入信号。 A_OUT：功率放大后输出。 P603 P605: 滤波器输入端。 P604 P606：滤波器输出端。 TP901：噪声输入测试点。 P901：噪声信号输出。

1VT：话路接口电路的四线信号中的模拟输出端。 1VR：话路接口电路的四线信号中的模拟输入端。

七、思考题

1. 本实验观察了多少个信号波形？请将观察到的信号按照“数字——模拟、幅度可调——

不可调、频率可调——不可调，同步信号——非同步信号”进行分类归总。 2. 使用示波器测量信号幅值时，扩展输入信号量程的开关在哪里？ 3. 什么是CPLD可编程逻辑技术，其主要特点是什么？ 4. 简述电话双音多频拨号检测DTMF技术的基本原理。

5. 实验模块中标记 “TP***”的测量点与标记 “P***”的测量点有什么不同？

八、实验报告要求

1．在理解的基础上简明扼要说明实验的基本原理，切忌整幅照抄实验指导书的相关内容。 2. 真实记录实验步骤中要求记录的波形和测量得到的数据，清晰的注明名称、单位符号、测量观察点等，标出改变该信号特性（幅度、波形或频率）的调节元件，并对其用途、特性或功能做简要说明。

3. 认真回答思考题，若有部分内容延伸到实验指导书外的相关知识，要求在课后查阅相关资料。

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实验二 脉冲幅度调制（PAM）及系统实验

一、实验目的

1. 通过PAM脉冲幅度调制实验，对PAM波形有感性认识，加深对抽样定律的理解。 2. 掌握PAM调制和解调电路的工作原理，加强分析信号频谱能力，掌握滤波器的种类和基本构成。

3. 通过对PAM波形和所测数据的分析，了解该调制方式的优缺点。

二、实验内容

观察抽样前后的两种波形的相同点和不同点，验证抽样定理。

1． 观察基带信号、脉冲幅度调制信号、抽样时钟的波形，并注意观察它们之间的相互关

系及特点。

2． 改变基带信号的波形和抽样时钟的频率，观察记录各个PAM调制与解调的波形。

三、实验器材

1. 实验箱一台

2. 20M双踪示波器一台 3. 连接线若干

四、实验原理

1.抽样定理 1抽样定理表明：一个频带限制在（0， fH）内的时间连续信号m(t)，如果以 2fH秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。

如图2-1所示，假定将信号m(t)和周期为T的冲激函数?T(t)相乘，乘积便是均匀间隔为T秒的冲激序列，这些冲激序列的强度等于相应瞬时上m(t)的值，它表示对函数m(t)的抽样。若用ms(t)表示此抽样函数，则有：

m(t)乘法器 ms(t)低通滤波器 m(t)??T(t)ms(t)?m(t)?T(t)

图2-1 调制与解调

假设m(t)、?T(t)和ms(t)的频谱分别为M(?)、?T(?)和Ms(?)。按照频率卷积定理，m(t)?T(t)的傅立叶变换是M(?)和?T(?)的卷积：

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Ms(?)?1?M(?)??T(?)? 2?2?因为 ?T?T ?s?n??????T(??n?s)

2? T?1??所以 Ms(?)??M(?)???T(??n?s)?

T?n????由卷积关系，上式可写成

1? Ms(?)??M(??n?s)

Tn???该式表明，已抽样信号ms(t)的频谱Ms(?)是无穷多个间隔为ωs的M(?)相迭加而成。这就意味着Ms(?)中包含M(?)的全部信息。

需要注意，若抽样间隔T变得大于 ，则M(?)和?(?)的卷积在相邻的周期内存在

TT?重叠（亦称混叠），因此不能由Ms(?)恢复M(?)。可见， 是抽样的最大间隔，它被2fH12fH1称为奈奎斯特间隔。图2-2画出当抽样频率fs≥2B时（不混叠）及当抽样频率fs＜2B时（混叠）两种情况下冲激抽样信号的频谱。

f(t) F(?) 0 t

??m0 ?m ? (a) 连续信号的频谱

fs(t)Fs(?) 1 TS1 0 Ts t

??s ??m 0 ?m ?s ? （b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠）

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fs(t)Fs(?) 1 TS1 0 Ts t ??s ??m 0 ?m ?s ?

（c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）

图2-2 采用不同抽样频率时抽样信号的频谱

所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则上述所介绍的抽样定理，就是脉冲幅度调制的原理。但是，实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，通常采用窄脉冲串来代替。

2.实验电路工作原理：

脉冲振幅调制PAM电路原理框图如图2-3示，该实验模块的名称为“抽样定理与PAM系统”，可对四种信号进行PAM调制，这四种模拟信号分别为同步正弦波SIN、非同步函数信号、音乐信号MUSIC、电话信号1VT，不同信号都由P501(PAM_IN)输入；抽样信号（或称高频载波）是由555振荡器产生的抽样时钟，频率在1-20KHz范围内可调，信号输出铆孔为P504(CLK_OUT)。PAM调制器为一模拟开关U501，该模拟开关是集成电路4066。已调信号从4066的第10脚输出，测量点为P503(PAM_OUT)，通过低通滤波器解调还原为原始模拟信号。

P501

PAM_IN

图2-3 脉冲振幅调制电路原理框图

555 振荡 电路 P503 PAM_OUT P504 CLK_OUT

P502 PAM_CLK

因为PAM时钟信号的频率远高于输入的PAM音频信号的频率，因此通过低通滤波器之后高频的时钟信号能被滤除，因而只需通过一低通滤波器便能无失真地还原出PAM音频信号。

五、实验步骤

1.输入同步正弦波验证抽样定理

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（1）打开实验箱交流电源，示波器电源；

（2）连接P201和P501将同步正弦波送入抽样电路，用示波器在P501处观察，以该点信号输出幅度不失真时为好，如有削顶失真，则调节W201，减小同步正弦波SIN的输出幅度，使正弦波不失真。

（3）连接P504和P502引入抽样信号。

（4）调节电位器W501改变抽样信号的频率为8KHz，根据抽样定理判断,选择8KHz作为抽样信号，是否正确？

（5）用示波器在P503观察和记录已调信号的波形，已调信号的一个周期有几个采样点？ （6）连接PAM_OUT和P605铆孔，观察解调后的信号输出，测量点为P606，解调后的模拟信号是否有失真？如有失真分析可能产生失真的原因有哪些？

（7）调节电位器W501改变抽样信号的频率为4KHz，根据抽样定理判断,选择4KHz作为抽样信号，是否合适？

（8）用示波器在P503观察和记录已调信号的波形，已调信号一个周期有几个采样点？ （9）连接PAM_OUT和P605铆孔，观察解调后的信号输出，测量点为P606，解调后的模拟信号恢复了吗？分析主要原因？

（10）调节电位器W501改变抽样信号的频率为16KHz，根据抽样定理判断,选择16KHz作为抽样信号，是否合适？

（11）连接PAM_OUT和P605铆孔，观察解调后的信号输出，测量点为P606，解调后调制信号是否有失真？对比分析以上三种解调后的调制信号，判断选择哪一种抽样信号，解调后的调制信号失真最小。

（12）连接P606和A_IN将抽样恢复后的波形，送至音频功放，听听效果。

2. 输入1KHz的三角波验证抽样定理

（1）连接P202和P501，选择函数信号输出，K201打在第一档，选择三角波输出，调节W202使输入信号的频率为1KHz；

（2）用示波器在P501处观察，以该点信号输出幅度不失真时为好，如有失真，则调节W203，减小信号的输出幅度；

（3）连接P504和P502,调节电位器W501，使输出信号的频率为3KHz； （4）用示波器观察抽样输出波形，看该波形是否稳定，为什么？

（5）连接P503和P603将抽样信号送至终端滤波器，在P604出观察恢复信号的波形，考虑为什么会失真。

（6）改变抽样时钟的频率为6KHz，连接P503和P603将抽样信号送至终端滤波器，在P604出观察恢复信号的波形，看是否能够恢复出原波形，是否有失真？

（7）改变抽样时钟的频率为12KHz，连接P503和P603将抽样信号送至终端滤波器，在P604出观察恢复信号的波形，看是否能够恢复出原波形，是否有失真？

（8）重复上述步骤，连接P503和P605将抽样信号送至终端滤波器，分别改变抽样信号的频率的为3KHz，6KHz，12KHz，在P606出观察恢复的波形，看是否能够恢复原信号，为什么？

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六、实验思考题

1． 本实验是什么方式的抽样？本实验的抽样形式同理想抽样有何区别？

2． 什么是单频信号？什么是多频信号？举例说明周期信号与非周期信号频谱最大的区

别是什么？

3． 用傅里叶变换对频率为1KHz的周期性方波进行频谱分析。 4． 结合本实验说明低通滤波器完成PAM解调的原理。

5． 如何合理设置本实验三角波的频率和抽样信号的频率使解调出的三角波失真最小？

七、实验报告要求

1． 在理解的基础上简明扼要说明实验的基本原理，切忌整幅照抄实验指导书的相关内

容。

2． 根据实验内容的要求，绘出各测量点波形的名称或用途，标明相关信号的频率、幅值，

并指明改变该参数的相应操作元件，简要回答实验步骤中所提的问题。 3． 对实验记录的波形做简要说明，如用途，或代表的意义等。 4． 结合实验及相关理论认真回答各个思考题。

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实验三 脉冲编码调制（PCM）及系统实验

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掌握时分多路通信系统的基本概念和工

作原理。

3． 了解PCM实验系统的工作过程。

4． 熟悉PCM编、译码专用集成芯片TP3057的功能和使用方法。

二、实验内容

1. 观察脉冲编码调制与解调的结果，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。

三、实验器材

1. 实验箱 一台 2. 20M双踪示波器 一台 3. 连接线 若干

四、实验原理

1. PCM基本工作原理

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。

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300－3400Hz左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。 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64kb/s，使用A律或?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在讨论过，故在此只讲述量化及编码的原理。 （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。

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模拟信号的量化分为均匀和非均匀量化，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3-1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。例如，输入信号的最小值和最大值分用a和b表示，量化电平数为M，那么，均匀量化的量化间隔为：

?v?b?a Mqq7m6 信号实际值 量化误差 信号量化值 q6m5 m?6Ts? q5mq?6Ts? m4 m2 量化器输出mq为：

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。因此，当信号m(t)较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，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。

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q4 m3 0 Ts 2Ts 3TS 4Ts 5Ts 6Ts 7Ts t q3 q2 m1 图3-1 均匀量化过程示意图

mq?qi, 当mi?1?m?mi

式中mi为第i个量化区间的终点，可写成 mi?a?i?v

qi为第i个量化区间的量化电平，可表示为

qi?mi?mi?1,2i?1、2、?、M

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?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。

所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：

Ax1,0?X?

1?lnAA1?lnAx1y?,?X?1

1?lnAAy?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TP3067正是采用这种压扩特性来进行编码的。图3-2示出了这种压扩特性。 7868584838y（8） （7） （6） 未压缩 1（5） （4） （3） （2） （1） 28181 1280 1111 1 42168

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1 641 32图3-2 13折线

表3-1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。

表 3-1 y x 按折线 分段时的x 段落 斜率 0 0 0 1 16 1 81 1281 1282 81 60.61 642 16 3 8 3 81 30.61 324 4 4 81 15.41 165 2 5 81 7.791 86 1 6 81 3.931 47 7 81 1.981 28 1 1 1 1 21 4

表中第二行的x值是根据A?87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A?87.6曲线十分逼近，同时x按2的幂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。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。下面结合13折线的量化来加以说明。

表3-2 段落码 表3-3 段内码

段落序号 8 7 6 5 4 3 2 1 段落码 111 110 101 100 011 010 001 000 量化级 15 14 13 12 11 10 9

8 7 6 5 4 3 2 1 0 段内码 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

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实验四 HDB3码型变换实验

一、实验目的

1． 熟悉AMI/HDB3码编译的原理以及工作过程。 2． 掌握常用数字基带传输码型的编码规则。 3． 掌握常用数字基带传输码型的解码规则。

二、实验内容

观察HDB3码与原始码对应关系及从HDB3编码中恢复出位同步信号的过程

4． 观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、HDB3码、CMI码的波形。 5． 观察全0码或全1码时各码型波形。

6． 观察BNRZ码、AMI码、HDB3码正、负极性波形。

7． 观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、HDB3码、CMI码经过码型反变换后

的输出波形。

三、实验器材

1.20M双踪示波器 一台 2.连接线 若干 3.实验箱 一台

四、实验原理

1. 编码规则 ① NRZ码

NRZ码的全称是单极性不归零码，在这种二元码中用高电平和低电平（这里为零电平）分别表示二进制信息“1”和“0”，在整个码元期间电平保持不变。例如：

＋E 0 1 0 1 0 0 1 1 0

图 4-1 NRZ码

② RZ码

RZ码的全称是单极性归零码，与NRZ码不同的是，发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。例如：

1 0 1 0 0 1 1 0＋E 0图 4-2 RZ码

③ BNRZ码

BNRZ码的全称是双极性不归零码，在这种二元码中用正电平和负电平分别表示“1”

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和“0”。与单极性不归零码相同的是整个码元期间电平保持不变，因而在这种码型中不存在零电平。例如：

1 0 1 0 0 1 1 0＋E 0-E

图 4-3 BNRZ码

④ BRZ码

BRZ码的全称是双极性归零码，与BNRZ码不同的是，发送“1”和“0”时，在整个码元期间高电平或低电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。例如：

＋E 0-E 1 0 1 0 0 1 1 0

图 4-4 BRZ码

⑤ AMI码

AMI码是极性交替转换码，其编码规则是将二进制消息代码“1”交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”码保持不变。 例如： 消息代码： AMI码： 1 +1 0 0 1 -1 0 0 0 0 1 +1 1 -1 0 0 0 0 1 +1 1 -1 ?E101001100110?E

图 4-5 AMI码

⑥ HDB3码

HDB3码的全称是三阶高密度双极性码，其编码规则如下：将4个连“0”信息码用取代节“000V”或“B00V”代替，当两个相邻“V”码中间有奇数个信息“1”码时取代节为“000V”码；有偶数个信息“1”码（包括0个）时取代节为“B00V”，其它的信息“0”码仍为“0”码，这样，信息码的“1”码变为带有符号的“1”码即“+1”或“－1”。例HDB3码的全称是三阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下：

（1）当信码的连“0”个数不超过3时，按AMI码的编码规则编，即传号极性交替。

（2）当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为V或-V，称之为破坏脉冲。相邻的V码极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流。

（3）为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B。 （4）破坏脉冲之后的传号极性也要交替。

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（5）编码后的数据归零输出。

消息代码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 AMI码： -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1 HDB3码： -1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 -V +1 -1 其中?V脉冲和?B脉冲是与?1脉冲波形相同，用V或B符号的目的是为了示意将原信码“0”变换为信码“1”。 例如：

100001000011000011

图4－6 HDB3编码工作波形

代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1HDB3码： -1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1

HDB3码中“1”、“B”的符号符合交替反转原则，而“V”的符号破坏这种符号交替反转原则，但相邻“V”码的符号又是交替反转的。因此，HDB3码是占空比为50%的双极性归零码。HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0串减少到至多3个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于定时信号的恢复是十分有利的。HDB3码是ITU-T推荐使用的码之一。本实验电路只能对码长为24位的周期性NRZ码序列进行编码。 ⑦ CMI码

CMI码的全称是传号反转码，其编码规则如下：信息码中的“1”码交替用“11”和“00”表示，“0”码用“01”表示。例如：

代码： 1 1 0 1 0 0 1 0CMI码： 11 00 01 11 01 01 00 01

这种码型有较多的电平跃变，因此，含有丰富的定时信息。该码已被ITU-T推荐为PCM四次群的接口码型。在光纤传输系统中有时也用CMI码作线路传输码型。 ⑧ 曼彻斯特码

曼彻斯特码又称为数字双相码，它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。

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例如：

消息代码： 1 1 0 0 1 0 1 1 0? 曼彻斯特码：10 10 01 01 10 01 10 10 01?

曼彻斯特码只有极性相反的两个电平，因为曼彻斯特码在每个码元中期的中心点都存在电平跳变，所以含有位定时信息，又因为正、负电平各一半，所以无直流分量。

?E101001100?E

图 4-7 曼彻斯特码

2．HDB3译码原理

HDB3译码比较简单，每一个破坏脉冲符号V总是与前一非0符号同极性（包括B在内），从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码，其波形如图4－1所示：

HDB3VBVAMI BIN CP3 VBVCP2

3．电路原理

NRZ0图4－8 HDB3译码工作波形 在实验系统中，HDB3/AMI的编码由CPLD完成，U101内部编码程序完成HDB3/AMI的编码。在该电路模块中，没有采用复杂的线圈耦合的方法来实现HDB3码，而是采用U302(TL082)对HDB3/AMI码的输出进行变换。 1)．基带信号设置开关SW301

该开关提供8比特基带信号设置开关，每位拨上为1，拨下为0，码速率为32KHZ. 如下图

29

图 4-9 SW301

表示为11100110，速率为32KHZ的数字基带信号。 2）.系统功能设置开关SW302

每位拨上为1，拨下为0，下图表示为：10000，最左端一位为基带信号选择位，拨在下面选择SW301输入的数据，拨在上面选择CPLD内部产生的伪随机数据，其中伪随机序列为：000111101011001，周期为15。

图 4-10 SW302

左端第二位到第五位为编码方式选择：第五位为低位，第二位为高位,编码方式选择如下表，表中的1个码元宽度是指基带数据的1个码元宽度，1个码元宽度等于32KHz时钟的1个时钟周期。 2—5 码型

3）编码部分：

完成AMI/HDB3编码结构组成框图如下图 15位伪随机码 数字基带设置 SW301 时钟产生器 图4－11 AMI/HDB3编码结构组成框图

TP302 TP301 AMI/HDB3编码单元 TP303

K301 K302 TP304 TP305 0000 AMI 0001 HDB3 HDB

0010 RZ 0011 BNRZ 0100 BRZ 0101 CMI 0110 曼彻斯特 0111 密勒 1000 PST AMI/HDB3编码输出

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3）译码部分（本试验箱无这部分功能） 完成AMI/HDB3编码结构组成框图

图4－12 AMI/HDB3译码结构组成框图

时钟提取 AMI/HDB3编码输入 AMI/HDB3译码单元 TP305 TP306 五、实验任务

1. 分别输入8位码为全“0”、全“1”，观察NRZ码、RZ码、BRZ码、BNRZ码、AMI码、HDB3码、CMI的输出波形，理解各种编码方法，分别记录AMI / HDB3编码的输入输出波形。

2. 输入32K伪随机码，分别记录AMI / HDB3编码的输入输出波形。 3. 输入任意三组8位码，分别记录AMIHDB3编码的输入输出波形。

六、测量点说明

TP301：数字基带信号； T302：编码时钟；

TP303：AMI / HDB3正极性编码； TP304：AMI / HDB3负极性编码； TP305：AMI / HDB3编码输出；

七、实验步骤：

1. 分别打开示波器和实验箱右侧的交流开关。

2. 设置SW301为11100110，SW302为00000，观察记录AMI / HDB3的输入/编码波形。 3. 设置SW301为全“0”，观察记录AMI / HDB3编码的输入/编码波形。 4. 设置SW301为全“1”，观察记录AMI / HDB3编码的输入/编码波形。 5. 设置SW302为10000，观察记录伪随机码的AMI / HDB3输入/编码波形。

6. 设置SW302为00000，SW301为任意三组码，观察记录AMI / HDB3输入/编码波形。

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八、实验思考题

1．如何从HDB3编码波形中迅速辨别出破坏符V？ 2．如何理解码元占空比？其定义是什么？

九、实验报告要求

1． 简单论述本实验的工作原理，理解HDB3工作过程。

2． 根据实验测试记录，在坐标纸上画出实验波形时要使NRZ的码和各编码图形一一对

应，并标上相应的符号。

3． 根据实验所获得的知识请画出10000 10000 1100 0011 1110 01的HDB3编码前和编码

后的波形，注明各个符号。

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实验五 二相PSK（DPSK）调制与解调实验

一、实验目的

1． 掌握绝对码、相对码的概念以及它们之间的变换关系和变换方法。 2． 掌握绝对移相BPSK和相对移相DPSK的实现方法。

3． 掌握相对码波形与2PSK信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK信号波形之间的

关系。

4． 掌握PSK解调载波提取的产生方法。

二、 实验内容

1． 观察绝对码、相对码波形。 2． 观察2DPSK信号波形。

三、实验器材

1． DPSK调制模块 2． DPSK解调模块

3． 实验箱 一台 4. 20M双踪示波器 一台 5. 连接线 若干 6. 微调螺丝刀 一把

四、实验原理

PSK调制在数字通信系统中是一种极重要的调制方式，可获得比其他调制方式更低的误码率，它的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK移幅键控和FSK移频键控，因此，PSK技术在中、高速数据传输中得到了十分广泛的应用。 1． 2DPSK调制原理

2PSK信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和π相位载波分别代表传1和传0，其时域波形示意图如图6-1所示。

设二进制单极性码为an，其对应的双极性二进制码为bn，则2PSK信号的一般时域数学表达式为：

??S2PSK(t)???bng(t?nTs)?cos?ct

?n?其中： bn?? （6－1）

??1?＋1当an?0时，概率为P当an＝1时，概率为1－P

则（6－1）式可变为：

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???g(t?nT)???s?cos??ct?????n? S2PSK（t）＝???g(t?nT)?cos??t?0??s?c??n???ar2当an?0

（6－2）

当an?11 0 1 10 Ts 2Ts 3Ts 4TstS2PSK(t)At0-A

图6-1 2PSK信号的典型时域波形

由（6－1）式可见，2PSK信号是一种双边带信号，其双边功率谱表达式为：

22??P2PSK(f)?fsP(1?P)?G(f?f)?G(f?f)??

cc??122fs(1?P)2G(0)??(f?fc)??(f?fc)? 42PSK信号的谱零点带宽与2ASK的相同，即

（6－3）

B2PSK?(fc?Rs)?(fc?Rs)?2Rs?2/Ts（Hz）

（6－4）

我们知道，2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应数字信号的，在这种绝对移相的方式中，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反，从而造成错误的恢复。这种现象常称为2PSK的“倒π”现象，因此，实际中一般不采用2PSK方式，而采用差分移相（2DPSK）方式。

2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移x表示（x定义为本码元初相与前一码元初相之差），并设

?????数字信息“1”

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???0?数字信息“0”

则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下： 数字信息： 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 2DPSK信号相位： 0 0 0 π 0 π π π 0 0 π

或： π π π 0 π 0 0 0 π π 0

图6-2为对同一组二进制信号调制后的2PSK与2DPSK波形。从图中可以看出，2DPSK信号波形与2PSK的不同。2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调2DPSK信号时并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可以正确恢复数字信息，这就避免了2PSK方式中的“倒π”现象发生。同时我们也可以看到，单纯从波形上看，2PSK与2DPSK信号时无法分辨的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看成是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。

数字信息（绝对码） 0 0 1 1 1 0 0 1PSK波形DPSK波形相对码0 0 0 1 0 1 1 1 0

图6-2 2PSK与2DPSK波形对比

为了便于说明概念，我们可以把每个码元用一个如图6-3所示的矢量图来表示。图中，虚线矢量位置称为基准相位。在绝对移相中，它是未调制载波的相位；在相对移相中，它是前一码元载波的相位。如果假设每个码元中包含有整数个载波周期，那么，两相邻码元载波的相位差既表示调制引起的相位变化，也是两码元交界点载波相位的瞬时跳变量。根据ITU-T的建议，图6-3（a）所示的移相方式，称为A方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取0、π。因此，在相对移相后，若后一码元的载波相位相对于基准相位为0，则前后两码元载波的相位就是连续的；否则，载波相位在两码元之间要发生跳变。图6-3（b）所示的移相方式，称为B方式。在这种方式中，每个码元的载波相位相对于基准相位可取?π/2。因而，在相对移相时，相邻码元之间必然发生载波相

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位的跳变。这样，在接收端接收该信号时，如果利用检测此相位变化以确定每个码元的起止时刻，即可提供码元定时信息，这正是B方式被广泛采用的原因之一。

＋π/2参考相位π参考相位0-π/2（a）

（b）图6-3 二相调制移相信号矢量图

2DPSK的调制原理是用二进制基带信号作为模拟开关的控制信号轮流选通不同相位的载波，

完成2DPSK调制。 2. 实验电路工作原理

在本实验中，绝对移相键控（BPSK）是采用直接调相法来实现的，也就是用输入的基带信号直接控制已输入载波相位的变化来实现相位键控。

PSK调制电路模块示意图如图6-4所示。该模块中提供四种基带信号：32KHz的伪随机

4J04PN32DPN324TP013TP064TP054TP03模拟开关4TP06CVSD4P014TP02反相射随器4U04A40664K021324NOISE4TP04C10244W01带通滤波器0相射随器模拟开关4W034W024U04B4066

图6-4 PSK调制电路模块示意图

序列PN32（相对码和绝对码）、CVSD编码输出信号、外加数字信号，通过跳线器改变

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4J04的连接来选择其中一种信号作为PSK调制电路的基带信号。

对于数据率为32KHz的基带信号提供两种调制方式，即绝对移相BPSK调制和相对移相DPSK调制。由4J04选择，当4J04接在第一排，为绝对移相BPSK调制；当4J04接在第二排，为相对移相DPSK调制。基带信号的测试点为4TP01。

载波信号由CPLD数字信号产生器模块的C1024（1024KHz方波）提供，测试点为4TP02，该方波信号通过带通滤波器输出1024KHz的正弦波信号，一路经0相移的射级跟随器输出作为载波1，载波1输出幅度大小由4W01调节，测试点为4TP03；另一路经π相移的射级跟随器输出作为载波2，载波2输出幅度大小由4W02调节，测试点为4TP04。

载波1接到模拟开关4066（4U04A）的输入引脚，由基带信号控制输出，测试点为4TP01；载波2接到模拟开关4066（3U06B）的输入引脚，由反相的基带信号控制输出，当把二个跳线器分别插在4K02的1、2端和3、4端，则在4TP05得到PSK调制信号。由开关4K04选择是否在4TP05上的调制信号加入白噪声，当4K04接在1、2两端，选择加入白噪声，当4K04接在2、3两端，不加白噪声。4TP06为PSK调制信号和噪声混合叠加后的信号输出，该信号的幅度大小由4W03调节，当选择加入白噪声时，该信号的输出幅度最好调到4V。

图6-5 是本实验模块各测试点的波形。

4TP01 TP304数字信息序列00111001t0TP3074TP05 BPSK波形04TP05 TP307DPSK波形00111001(绝对码)t(相对码)t基准相位载波000101110图6-5 PSK调制波形

2DPSK解调原理

二相PSK解调器的电路方框图如图6-6所示。

一个完整的解调器应由三部分组成：载波提取电路、位定时恢复电路与信码再生整形电路。载波恢复和位定时提取，是数字载波传输系统必不可少的重要组成部分。载波恢复的具体实现方案是和发送端的调制方式有关的，以相位键控为例，有：N次方环、科斯塔斯环(Constas环)、逆调制环和判决反馈环等。

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（1）. 同相正交环锁相环提取载波电路

PSKOUT5TP035TP01鉴相器1整形电路判决12W01IN调制信号输入2分频5TP02鉴相器2低通1基带信号输出π/2移相VCO振荡器5U1074LS124环路滤波相乘器判决2低通25TP04

图6-6 相位键控PSK解调器方框图

在这种环路里，误差信号是由两个鉴相器提供的。VCO压控振荡器给出两路互相正交的载波信号分别送至两鉴相器，输入的二相PSK信号经过两个鉴相器分别鉴相后，由低通滤波器滤除载波频率以上的高频分量，分别送入两判决器进行判决后得到基带信号Ud1与Ud2，其中Ud1中包含着码元信息，但无法对VCO压控振荡器进行控制。只有将Ud1、Ud2经过基带模拟相乘器相乘后，就可以去掉码元信息，得到反映VCO输出信号与输入载波间的相位差的误差控制电压，从而实现了对VCO压控振荡器的控制。PSK解调模块包括鉴相器1、鉴相器2、低通滤波器1、低通滤波器2、比较判决器1、比较判决器2、相乘器、环路滤波器、VCO压控振荡器、数字分频、移相器等电路组成。 （2）. 具体工作过程如下：

由PSK调制电路输出的相位键控信号分两路输出至两鉴相器的输入端，鉴相器1与鉴相器2的控制信号输入端的控制信号分别为0相载波信号与π/2相载波信号。这样经过两鉴相器输出的鉴相信号再通过有源低通滤波器滤掉其高频分量，再由两比较判决器完成判决解调出数字基带信码，去相乘器电路，去掉数字基带信号中的数字信息。得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压Ud, Ud经过环路低通滤波器滤波后，输出了一个平滑的误差控制电压，去控制VCO压控振荡器，即压控振荡器74LS124。

它的中心振荡输出频率范围从1Hz到60MHz，工作环境温度在0～70℃，当电源电压工作在+5V、频率控制电压与范围控制电压都为+2V时，74S124的输出频率表达式为：

f0 = 5×10/Cext，在实验电路中，调节精密电位器5W01(100KΩ)的阻值，使频率控制输入电压(74LS124的2脚)与范围控制输入电压(74LS124的3脚)基本相等，此时，当电源电压为+5V时，才符合：f0 = 5×10/Cext,再变改电容CA701(80Pf～110Pf),使74S124的7脚输出为2.048MHz方波信号。74S124的6脚为使能端，低电平有效，它开启压控振荡器工作；

-4

-4

38

当74S124的第7脚输出的中心振荡频率偏离2.048MHz时，此时可调节2W01，用频率计监视测量点5TP02上的频率值，使其准确而稳定地输出2.048MHz的载波信号。 该2.048MHz的载波信号经过分频(÷2)电路，变成1.024MHz载波信号，并完成π/2相移相。这样就完成了载波恢复的功能。

该解调环路的优点是：

①该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。

②该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可用模拟和数字集成电路实现。 但该解调环路的缺点是：存在相位模糊。

五、实验步骤

2DPSK调制实验

该模块必须插在实验平台的底板“调制模块”的位置才能正常工作。 1. 对PN32的基带信号进行DPSK调制

a.观察并记录绝对码和相对码

用示波器接在测试点4TP01，插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，用跳线器插在4J04的第一排选择PN32，PN32是32KHz的伪随机序列，此时测得的为绝对码波形；4J04在第二排选择DPN32，此时测得的为相对码波形，观察和记录这两种波形并对它们进行比较，判断是否符合实验原理中所给出的绝对码和相对码的关系式。

b.观察和记录载波信号

用示波器在4TP02测试C1024（1024KHz方波）；该方波经带通滤波器后一路经0相射随器输出载波1，在4TP03用示波器观察和记录载波1的波形，此波形为0相载波，另一路经π相射跟器输出载波2，此波形为π相载波，在4TP04用示波器观察和记录载波2的波形；并用双踪示波器观察对比二路载波波形，二路载波的相位差是多少？

c.观察和记录调制信号：

（1）4J04在第二排选择DPN32，输入相对码,即4TP01为相对码波形；

（2）用双踪示波器A通道接在4TP01，B通道接在4TP05,拔掉4K02跳线的3、4脚，观察并记录载波1，即0相载波；

（3）用双踪示波器A通道接在4TP01，B通道接在4TP05,拔掉4K02跳线的1、2脚，观察并记录载波2，即π相载波；

（4）插上4K02的两个跳线器，观察并记录4TP05上的波形，分别调节电位器4W01和4W02，使两载波信号幅度相等，且等于1V。

（5）跳线器插在4K04的1、2两端，给4TP05上的调制信号加上白噪声NOISE，用双踪示波器接在4TP05和4TP06，观察和对比不加噪声的调制信号（4TP05）和加噪声的调制信号（4TP06）有何区别？

（6）调节4W03，使调制信号输出幅度为1V。 2.对PN32的基带信号进行BPSK调制

1.对PN32的基带信号进行BPSK调制，4J04在第一排选择PN32，输入绝对码； 2.用双踪示波器A通道接在4TP01，B通道接在4TP05,拔掉4K02跳线的3、4脚，观察并记录载波1，即0相载波；

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3.用双踪示波器A通道接在4TP01，B通道接在4TP05,拔掉4K02跳线的1、2脚，观察并记录载波2，即π相载波；

4.插上的两个跳线器，观察并记录4TP05上的波形，分别调节电位器4W01和4W02，使两载波信号幅度相等，且等于1V。

5.跳线器插在4K04的1、2两端，给4TP05上的调制信号加上白噪声NOISE，用双踪示波器接在4TP05和4TP06，观察和对比不加噪声的调制信号（4TP05）和加噪声的调制信号（4TP06）有何区别？

6.调节4W03，使调制信号输出幅度为1V。

2DPSK解调实验

1.解调基带信号为PN32的DPSK调制信号 （1）观察调制信号

使PSK调制模块的输出信号为基带信号是DPN32的DPSK调制信号；在PSK解调模块中，测量点为5TP01，用示波器观察该调制信号，并记录下波形。 （2）观察记录解调出的基带信号

用双踪示波器的B通道接调制模块中的基带信号4TP01，A通道接解调模块的基带信号输出PSKOUT，调节电位器5W01，使解调输出的基带信号的波形相对稳定。观察对比二个基带信号的波形是否一致？ （3）观察载波恢复

在实验内容（2）的基础上，即使解调输出的基带信号的波形相对稳定时，用示波器测量5TP02上载波信号的频率值，是否正好为2.048MHz？

（4）用双踪示波器观察和测量5TP03和5TP04上的载波频率，两测量点的载波相位相差多少？哪个测量点的载波相位与5TP02的载波相位是否一致？

六、实验思考题

1. 什么是鉴相器，什么是移相器？

七、实验报告要求

2. 简述PSK调制电路的工作原理及工作过程。简述PSK调制解调电路的工作原理及工作过程。

3. 根据实验测试记录，在坐标纸上画出2DPSK与2PSK的的波形图，并写出实验步骤及

连线。 4. 画出调制器各测量点的工作波形，给以必要的说明，根据试验中观测的结果回答实验步

骤中的各个问题。

5. 画出调制解调器各测量点的工作波形，并给以必要的说明

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实验六 FSK调制解调系统实验

一、实验目的

1． 掌握用频率键控法产生2FSK信号的方法。 2． 掌握2FSK锁相环解调的原理和实现方法。

二、实验内容

1． 观察2FSK调制信号波形。

2． 观察2FSK锁相环解调各点波形。

三、实验器材

1． 20M双踪示波器 一台 2． 实验箱 一台 3． 连接线 若干 4. 微调螺丝刀 一把

四、实验原理

调制信号为二进制序列时的数字频带调制称为二进制数值调制。由于被调载波有峰-峰值、频率、相位三个独立的可控参量，当用二进制信号分别调制这三种参量时，就形成了二进制振幅键控(2ASK)、二进制移频键控（2FSK）、二进制移相键控(2PSK)三种最基本的数字频带调制信号，而每种调制信号的受控参量只有两种离散变换状态。

1． 2FSK调制原理。

2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为f0时代表传0，载频为f1时代表传1。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以f0和f1为载频、以an和an为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。2FSK信号的典型时域波形如图5-1所示，其一般时域数学表达式为

????S2FSK(t)???ang(t?nTs)?cos?0t???ang(t?nTs)?cos?1t

?n??n?式中，?0?2?f0，?1?2?f1，an是an的反码，即

?0an???1?1an???0

概率为P概率为1－P概率为P

概率为1－P

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ar21 0 1 1t0 Ts 2Ts 3Ts 4TsS2FSK(t)A0-At

图5-1 2FSK信号的典型时域波形

因为2FSK属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为

h?f1?f0Ts?f1?f0/Rs

显然，h与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对已调波带宽有很大影

响。2FSK信号与2ASK信号的相似之处是含有载频离散谱分量，也就是说，二者均可以采用非相干方式进行解调。可以看出，当h<1时，2FSK信号的功率谱与2ASK的极为相似，呈单峰状；当h>>1时，2FSK信号功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似为

B2FSK?f1?f0?2Rs（Hz）

2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。由于频率

选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（0?1或1?0）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法，其调制原理框图如图5-2所示：

载波1开关1基带信号倒相器相加器2FSK信号载波2开关2

图5-2 2FSK调制原理框图

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数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。

调制电路工作原理：

数字调频又可称作移频键控FSK，它是利用载频频率变化来传递数字信息。数字调频信号可以分为相位离散和相位连续两种情形。若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，只是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。图5-3是本实验系统FSK调制模块的电路示意图。

2TP052K012TP012TP032U03A40662W0121PN232TP062P013TP07C32低通滤波器2W02低通滤波器2K022TP042U04A74LS04NOISE12K0323OUT2TP02C162W032U03B4066图5-3 FSK调制模块的电路示意图

电路中的一路载波，是CPLD可编程模块产生的方波信号C32经过低通滤波后，得到相同频率的正弦波f1,f1载波幅度由2W01调节。另一路载波，是CPLD可编程模块产生的方波信号C16经过低通滤波后，得到相同频率的正弦波f2，f2载波幅度由2W02调节。 FSK调制模块的基带输入信号可以2KHz的伪随机序列,或者通过2P01铆孔引入，如：PC数据、4KHz的方波信号等。基带输入信号分成两路，一路控制频率为32KHz的载波f1，另一路经倒相去控制16KHz的载波f2。当基带信号为“1”时，模拟开关A（2U03A）打开，模拟开关B（2U03B）关闭，此时输出f1，当基带信号为“0”时，模拟开关1关闭，模拟

开关2开通。此时输出f2，于是可在输出端得到已调的FSK信号，该信号的幅度由2W03调节。

在FSK调制信号中还可加入噪声信号NOISE，这时把跳线器插在3K03的1、2两端。不加噪声信号时，则插在2、3两端。

数字幅度调制ASK本实验箱没有做成专门的ASK单元，开关2K02的1、2脚的跳线不变，拔下2K02的3、4脚的跳线，即为ASK调制。

2. 2FSK解调原理

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带通滤波器包络检波器调制信号输入位同步信号抽样判决器解调信号输出带通滤波器包络检波器(a)（a）

cosω2t带通滤波器相乘器低通滤波器调制信号输入位同步信号抽样判决器解调信号输出带通滤波器相乘器低通滤波器 cosω1t (b)（b）

单稳1调制信号输入整形1相加器低通滤波器抽样判决解调信号输出整形2单稳2位同步信号 （c）

（a）非相干方式；（b）相干方式；（c）过零检测法

图5-4 2FSK解调原理框图

2FSK有多种方法解调，如包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法及差分检波法等，相应的接收系统的框图如图5-4所示。

集成电路模拟锁相环解调器由于性能优越，价格低廉，体积小，所以得到了越来越广泛的应用。 FSK集成电路模拟锁相环解调器的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的二个载频f1、f2的中心频率（中心频率定义为二载频的算术平均值，例如：若f1＝16KHz、f2＝32KHz，则中心频率为24KHz，那么在锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列。

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FSK锁相环解调器中的集成锁相环选用了MC4046，FSK解调电路示意图如图5-5所示。

3TP023TP01调制信号输入14AIN3BIN6CA7CBR2PCP12PC1VCOUT4ZEN15FSKOUT取样比较2400P3W01

图5-5 FSK解调电路示意图

电路中接2400P的电容，通过微调3W01，使压控振荡器的中心频率设计在24KHz。

电路其它参数选择要满足环路性能指标的要求。从要求环路能快速捕捉、迅速锁定来看，低通滤波器的通带要宽些；从提高环路的跟踪特性来看，低通滤波器的通带又要窄些。因此电路设计应在满足捕捉时间前提下，尽量减小环路低通滤波器的带宽。

六、实验步骤

2FSK调制实验

1. 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，确保实验箱开始工作。 2. 载波信号的观察与调节。

用示波器双通道测量2TP03和2TP04，分别调节电位器，2W01和2W02，使得两路载波输出信号的峰-峰值为2V左右；

3. 观察两路载波信号，经基带信号通过4066开关电路控制输出的情况。 （1）2K01打在左边，选择2KHz的伪随机码为基带信号；

（2）该基带信号通过模拟开关（2U03、4066）控制载波输出，测量点为2TP06。当基带信号为“1”时，模拟开关A（2U03A）打开，此时输出32KHz的载波f1，当基带信号为“0”时，模拟开关B（2U03B）此时输出16KHz的载波f2。

（3）在观察载波f1时，2K02的3、4脚跳线断开，在观察载波f2时，2K02的1、2脚跳线断开；

（4）示波器的A通道接在2TP05(基带数据输入)，B通道接在2TP06，根据步骤3，分别观察两载波信号的波形，并绘出波形图。 4. 观察和记录FSK调制信号的波形。

（1）插上2K02的两个跳线器，使实验内容2中的二路信号相加，这时再用示波器观察和记录2TP06上的信号波形，这时2TP06上的信号已是FSK调制信号。

（2）2K03上的跳线器插在1、2两端，对2TP06上FSK调制信号加上白噪声信号，在2TP07

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测量点观察加入白噪声的FSK调制信号，观察2TP06和2TP07上的信号在波形上有些什么变化。

（3）调节2W03，使FSK调制信号的峰-峰值为4V。

2FSK解调实验

1. 将K601打在自环位置。

2．解调基带信号为2KHz伪随机序列PN2的调制信号。

当FSK调制模块的基带信号为2KHz的伪随机序列PN2时，使其调制信号的二个载波频率分别为16KHz和32KHz，因此FSK解调模块中的中心频率应设计在24KHz。 a.用示波器接在3TP01，检测输入到解调模块的调制信号。

b.用示波器的B通道接在调制模块的2TP05，观察调制模块的基带信号，为2KHz的PN2伪随机序列；示波器的A通道接在FSKOUT铆孔处，观察解调模块的解调信号输出。观察该信号是否是2KHz的伪随机序列PN2，与A通道的波形是否一致？

c.此时，用示波器接在3TP02，测量集成锁相环MC4046（3U01）的中心频率，是否为24KHz？

注：各输出点波形 2TP01

2TP02

2TP05

2TP06

2TP06 2TP07

3TP02

FSKOUT

图5-6 FSK调制解调波形示意图

七、实验思考题

1． 什么是锁相环？用锁相环进行FSK解调时，其输出信号序列与发送信号序列相比是否

产生了延迟？

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2． K601为什么要打在“自环”位置，若不打在给位置能解调出信号吗？ 3． 若输入基带数据为8KHz方波信号，还能在本实验模块中完成FSK调制解调吗？为什

么？

八、实验报告要求

1． 分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。

2． 记录一完整的2FSK调制解调实验步骤及连线，在坐标纸上画出观察到的波形图。 3． 画出实验过程中所观察到的各测试点的波形。

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实验七 时分复用数字信号分接实验

一、实验目的

1． 掌握时分复用的概念和实现方法。

2． 了解时分交换芯片8980的构成及工作原理。 3． 了解时分复用这种复用方式的优点与缺点。 4． 了解时分复用在整个通信系统中的作用。

二、实验内容

用单片机程序控制MT8980把STI0（1DX）TS时隙上的PCM1编码，STI1（2DX）TS时隙上的PCM2编码，交换到在中继线DZJT（STO6）上输出。

改变拨线开关后，需按一下按键SW702，才能有效。在选定PCM1或PCM2的数据时隙号后，按一下按键SW702，AT89C51上的例题程序产生以下功能：

（1）根据以上PCM1和PCM2所选的时隙号，分别把PCM1的编码从1DX的TS时隙，把PCM2的编码从2DX的TS时隙分别交换到中继线DZJT（TP702、STO6）的TSM1和TSM2时隙上。 （2）当跳线器插在K701时，把中继线DZJR（TP701、STI7）与中继线DZJT（TP702、STO6）连接起来了；例题程序再把中继线DZJR的TSM1时隙上的PCM1的编码交换到2DR（STO1）的TS时隙上，并把中继线DZJR的TSM2时隙上的PCM2的编码交换到1DR（STO0）的TS时隙上。若拔掉跳线器K701，则中继线DZJR上没有PCM1和PCM2的码流，则以上交换不成功。

三、实验器材

1． 实验箱 一台 2． 20M双踪示波器 一台 3. 连接线 若干

四、实验原理

在实际的通信系统中，为了提高通信系统的利用率，往往用多路通信的方式来传输信号。所谓多路通信，就是把多个不同信源所发出的信号组合成一个群信号，并经由同一信道进行传输，在收端再将它分离并被相应接收。时分复用（TDM，即Time-Division Multiplexing）就是一种常用的多路通信方式。时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续（模拟）的基带信号由可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。

图7-1表示的是两个基带信号在时间上交替出现。显然这种时间复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。这就是时分复用的概念。此外，时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。

然而，时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加

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上标志信号（即帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速地数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。

图7-1 两个信号的时分复用

下图为MT8980芯片：

U704MT89801VCC1k21DX32DX43DX56789DSTO0DZJRVCCF8SC4096A0A1A2A3A4A510111213141516171819202122CSTODTASTI0STI1STI2STI3STI4STI5STI6STI7VDDFOIC4IA0A1A2NCA3A4A5DSODESTO0STO1STO2NCSTO3STO4STO5STO6STO7VSSD0D1D2D3D4NCD5D6D744431DR422DR41403938373635343332313029282726252423DZJTDSTI0GNDDA0DA1DA2DA3DA4DA5DA6DA7CSR/WTP701K701TP70211DZJR1212DZJT

7-2 T8980接口连线图

MT8980是8线?32信道数字交换电路，它内部包含串—并变换器，数据存储器、帧计数器，控制接口电路，接续存储器，控制寄存器、输出复用电路及并联、串联变换器等功能单元。输入和输出均连接8条PCM基群（32路）数据线，在控制信号作用下，可实现256路数字话音或数据的无阻塞数字交换，它是目前集成度较高的新型数字交换电路，可用于中、小型程控用户数字交换机。

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在本实验系统的时分交换模块的电路示意图如图7-3所示。 VBBGNDAC7080.1uU705TP3057VCC124P704P705TP7031-5V P703VCCR706100DXDRFSRFSX116512C2048110789132C5123C1284C2048 PCMOUT1PCMIN1R712100R713100K7023PIN用于观察PCM编码三态输出R7145.1KF8A C706 1u R70447KR70747K141516GSXVFX-VFX+ 8765用于时分中继用用于硬件时分复用用于信道编码用BCLKXBCLKRP706R7081003MCLKRMCLKXTSXF8BF8DVFR0K703双路开关C7090.1uU706TP3057VCC124P708P709TP7041-5V R715R709100DXDRFSRFSXBCLKXBCLKRP710R7111003MCLKRMCLKXTSX116512C2048110789132C51234C2048 K704 8765F8APCMOUT2PCMIN2100R716100VBBGNDAP707 C707 1u R70547KR71047K141516GSXVFX-VFX+VCC用于时分中继用用于硬件时分复用F8CGNDVFR0双路开关图7-3 编码芯片TP3057电路示意图 图7-3时分交换电路示意图

第一路模拟信号从P703输入,经过TP3057（U705）转换为PCM1编码，从TP3057的DX（1DX、P704）的任一时隙输出。TP3057的DX上的输出信号以一帧为单位，每一帧有32个信道，也称32个时隙，每个时隙或信道可传输一路编码，因此模拟信号转换的PCM1编码可

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