通信原理实验 PAM编译码实验

本科实验报告实验名称：PCM/PAM编译码实验课程名称：通信原理任课教师：李祥明实验教师：学生姓名：高畅学号/班级：1120111445/05811101学 院：信息与电子学院专 业：信息工程（本硕博）实验时间：06.07实验地点：4-434实验类型：原理验证综合设计自主创新组 号：34同组搭档：敬汉丹成 绩：信息与电子学院4GW0L OF INFORMATION AND ELECTRONK4PAM编译码实验一、实验目的1、验证抽样定理2、观察了解PAM信号形成的过程3、了解混迭效应形成的原因二、实验仪器1、ZH7001通信原理综合实验系统 一台2、20MHz双踪示波器 一台3、函数信号发生器一台三、实验原理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。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通信设备整个系统的性能指标。 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。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，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。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 以无失真地恢复出原始信号。通常将语音信号通过一个3400Hz低通滤波器（或 通过一个3003400Hz的带通滤波器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这 样可以用频率大于或等于6800 Hz的样值序列来表示。语音信号的频谱和语音信 号抽样频谱见图2.1.1和图2.1.2所示。从语音信号抽样频谱图可知，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）。2.1.1语音信匕颗谱理慰怔通滤波器图11.2时语音信兮的抽样壕诺实际上，设计实现的滤波器特性不可能是理想的，对限制最高频率为3400Hz 的语音信号，通常采用8KHz抽样频率。这样可以留出一定的防卫带（1200Hz）， 参见图2.1.3所示。当抽样频率fs低于2倍语音信号的最高频率fh，就会出现频 谱混迭现象，产生混迭噪声，影响恢复出的话音质量，原理参见图2.1.4所示。在抽样定理实验中，采用标准的8KHz抽样频率，并用函数信号发生器产生 一个频率为fh的信号来代替实际语音信号。通过改变函数信号发生器的频率fh，观察抽样序列和低通滤波器的输出信号，检验抽样定理的正确性。抽样定理实验输入信号首先经过信号选择跳线开关K701，当K701设置在N位置时（左 端），输入信号来自电话接口 1模块的发送话音信号；当K701设置在T位置时 （右端），输入信号来自测试信号。测试信号可以选择外部测试信号或内部测试 信号，当设置在交换模块内的跳线开关KO01设置在1_2位置（左端）时，选择 内部3.2KHZ测试信号；当设置在2_3位置（右端）时选择外部测试信号，测试 信号从J005模拟测试端口输入。抽样定理实验采用外部测试信号输入。运放 U701A、U701B（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽为3400Hz的低通滤 波器，用于限制最高的语音信号频率。信号经运放U701C缓冲输出，送到U703 （CD4066）模拟开关。模拟开关U703（CD4066）通过抽样时钟完成对信号的抽 样，形成抽样序列信号。信号经运放U702B（TL084）缓冲输出。运放U702A、 U702C（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽为3400Hz的低通滤波器，用 来恢复原始信号。跳线开关K702用于选择输入滤波器，当K702设置在F位置时 （左端），送入到抽样电路的信号经过3400Hz的低通滤波器；当K702设置在NF 位置时（右端），信号不经过抗混迭滤波器直接送到抽样电路，其目的是为了观 测混迭现象。设置在交换模块内的跳线开KQ02为抽样脉冲选择开关：设置在H 位置为平顶抽样（左端），平顶抽样是通过采样保持电容来实现的，且t=Ts；设 置在NH为理想抽样（右端），为便于恢复出的信号观测，此抽样脉冲略宽，近似 于自然抽样。平顶抽样有利于解调后提高输出信号的电平，但却会引入信号频谱 失真。通常在实际设备里，收端必须采用频率响应为的滤波器来进行频谱校准， 抵消失真。这种频谱失真称为孔径失真。该电路模块各测试点安排如下：1、TP701 :输入模拟信号2、TP702 :经滤波器输出的模拟信号3、TP703 :抽样序列4、TP704:恢复模拟信号四、实验步骤准备工作:将交换模块内的抽样时钟模式开关KQ02设置在NH位置（右端）， 将测试信号选择开关KO01设置在外部测试信号输入2_3位置（右端）。1. 近似理想抽样脉冲序列测量（1）首先将输入信号选择开关K701设置在T （测试状态）位置，将低通滤波 器选择开关K702设置在F （滤波位置），为便于观测，调整函数信号发生器正弦 波输出频率为2001000Hz、输出电平为2Vp-p的测试信号送入信号测试端口 J005 和 J006 （地）。（2）用示波器同时观测正弦波输入信号（J005）和抽样脉冲序列信号（TP703）， 观测时以TP703做同步。调整示波器同步电平和微调调整函数信号发生器输出频 率，使抽样序列与输入测试信号基本同步。测量抽样脉冲序列信号与正弦波输入信号的对应关系。图 1 J005图 2 J005 和 TP703结果分析：抽样脉冲信号的包络与正弦信号相对应，使得信号能够重建，但抽样 脉冲信号由一个个的窄脉冲组成。2, 理想抽样重建信号观测TP704为重建信号输出测试点。保持测试信号不变，用示波器同时观测重建信号 输出测试点和正弦波输入信号，观测时以J005输入信号做同步。图 3TP704 与J005结果分析：通道1为J005处信号波形，通道2为TP704处信号波形。可以观察 到重建信号与输入信号相同，说明重建成功。3. 平顶抽样脉冲序列测量将交换模块内的抽样时钟模式开关KQ02设置在H位置（左端）。方法同1测量， 请同学自拟测量方案。记录测量波形，与理想抽样测量结果做比较。图4平顶抽样J005与TP703结果分析：通道1为J005处波形，通道2为TP703处波形。平顶抽样不同于理 想抽样，理想抽样是对整个信号幅度抽样，而平顶抽样只对信号的包络线进行抽 样，但也是由一个个抽样脉冲组成。4. 平顶抽样重建信号观测将交换模块内的抽样时钟模式开关KQ02设置在H位置（左端）。方法同2测量 请同学自拟测量方案。记录测量波形，与理想抽样测量结果对比分析平顶抽样的 测试结果。图5平顶抽样TP704和J005结果分析：通道1为J005处波形，通道2为TP704处波形。可以观察到，重建 信号与输入信号相同，但有一些相移。5. 信号混迭观测（1）当输入信号频率高于4KHz（1/2抽样频率）时，重建信号将出现混迭效应。观测时，将跳线开关K702设置在NF （无输入滤波器）位置。调整函数信号发生 器正弦波输出频率为6KHz7KHz左右、电平为2Vp-p的测试信号送入信号测试 端口 J005 和 J006 （地）。（2）用示波器观测重建信号输出波形。缓慢变化测试信号输出频率，注意观察 输入信号与重建信号波形的变化是否对应一致。分析解释测量结果。图6混叠后信号的重建结果分析：通道1为输入信号，通道2为重建信号。可以观察到重建后的信号与 原信号并不相同。这是因为当采样率低于信号最高频率的2倍时，会发生混叠， 导致不能够恢复出原来的信号。五、思考题1、当fs2fh 和 fsV2fh时，低通滤波器输出的波形是什么？总结一般规律。答：当fs2fh时，低通滤波器输出的是与输入信号相同的波形。因为此时信号频谱没有产生混叠，所以可以恢复出原信号。当fsV2fh时，输出信号与原信号不符，这是因为采样率过低，使信号频谱造成混叠，波形与原信号不通，所以不 能恢复出原信号。PCM编译码实验一、实验目的1、了解语音编码的工作原理，验证PCM编译码原理2、熟悉PCM抽样时钟、编码数据和输入/输出时钟之间的关系3、了解PCM专用大规模集成电路的工作原理和应用4、熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法二、实验仪器1、ZH7001通信原理综合实验系统 一台2、20MHz双踪示波器 一台3、函数信号发生器一台4、音频信道传输损伤测试仪一台三、实验原理PCM编译码模块将来自用户接口模块的模拟信号进行PCM编译码，该模块 采用MC145540集成电路完成PCM编译码功能。该器件具有多种工作模式和功 能，工作前通过显示控制模块将其配置成直接PCM模式（直接将PCM码进行打 包传输），使其具有以下功能：1、对来自接口模块发支路的模拟信号进行PCM编码输出。2、将输入的PCM码字进行译码（即通话对方的PCM码字），并将译码之后的模 拟信号送入用户接口模块。在通信原理实验平台中，有二套完全一致的PCM编 译码模块，这二个模块与相应的电话用户接口模块相连。本教程仅以第一路PCM 编译码原理进行说明，另一个模块原理与第一路模块相同，不再重述。PCM编译 码器模块电路与ADPCM编译码器模块电路完全一样，由语音编译码集成电路 U502（MC145540）、运 放 U501（TL082）、晶振 U503（20.48MHz）及相应的跳 线开关、电位器组成。电路工作原理如下：PCM编译码模块中，由收、发两个支路组成，在发送支路上发送信号经U501A 运放后放大后，送入U502的2脚进行PCM编码。编码输入时钟为BCLK（ 256KHz）， 编码数据从U502的20脚输出（DT_ADPCM1），FSX为编码抽样时钟（8KHz）。编 码之后的数据结果送入后续数据复接模块进行处理，或直接送到对方PCM译码 单元。在接收支路中，收数据是来自解数据复接模块的信号（DT_ADPCM_MUX）， 或是直接来自对方PCM编码单元信号（DT_ADPCM2），在接收帧同步时钟FSX （8KHz）与接收输入时钟BCLK（256KHz）的共同作用下，将接收数据送入U502 中进行PCM译码。译码之后的模拟信号经运放U501B放大缓冲输出，送到用户 接口模块中。PCM编译码模块中的各跳线功能如下（测试点与ADPCM编译码模块相同）：1、跳线开关K501是用于选择输入信号，当K501置于N （正常）位置时，选择 来自用户接口单元的话音信号；当K501置于T （测试）位置时选择测试信号。 测试信号主要用于测试PCM的编译码特性。测试信号可以选择外部测试信号或 内部测试信号，当设置在交换模块内的跳线开关KO01设置在1_2位置（左端） 时，选择内部3.2KHZ测试信号；当设置在2_3位置（右端）时选择外部测试信 号，测试信号从J005模拟测试端口输入。2、跳线器K502用于设置发送通道的增益选择，当K502置于N （正常）位置时， 选择系统平台缺省的增益设置；当K502置于T （测试）位置时可将通过调整电 位器W501设置发通道的增益。3、跳线器K504用于设置PCM译码器的输入数据信号选择，当K504置于MUX （左）时处于正常状态，解码数据是来自解复接模块的信号；当K504置于ADPCM2 （中）时处于正常状态，解码数据直接来自对方PCM编码单元信号；当K504置于LOOP （右）时PCM单元将处于自环状态。4、跳线器K503用于设置接收通道增益选择，当K503置于N （正常）时，选择 系统平台缺省的增益设置；当K503置于T （测试）时将通过调整电位器W502设 置收通道的增益。该单元的电路框图见图2.2.1。二个模块电路完全相同。在该模块中，各测试点的定义如下：1、TP501:发送模拟信号测试点2、TP502： PCM发送码字3、TP503： PCM编码器输入/输出时钟4、TP504： PCM编码抽样时钟5、TP505： PCM接收码字6、TP506:接收模拟信号测试点阳2二LPCY氐瑕甩睇粗成延阳四、实验步骤加电后，通过菜单选择“PCM ”编码方式。此时，系统将U502设置为PCM 模式。（一）PCM编码器1.输出时钟和帧同步时隙信号观测用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和 输出时钟信号（TP503），观测时以TP504做同步。分析和掌握PCM编码抽样时 钟信号与输出时钟的对应关系（同步沿、脉冲宽度等）。分析：通道1为TP503，通道2为TP504，输出信号的上升沿与抽样时钟信 号的翻转时刻对应。2.抽样时钟信号与PCM编码数据测量方法一：将跳线开关K501设置在T位置，KO01置于右端（外部信号输入） 用函数信号发生器产生一个频率为1000Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送 入信号测试端口 J005和J006 （地）。示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和 编码输出数据信号端口（TP502），观 测时以TP504做同步。分析和掌握PCM 编码输出数据与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。图 1 J005图 2 TP504 和 TP502分析：图2中通道1为TP502波形，通道2为TP504波形。可以观察到脉 冲宽度与时钟相同。但脉冲个数并不固定。方法二：将输入信号选择开关K501设置在T位置，将交换模块内测试信号选择开关KO01设置在内部测试信号1_2位置（左端）。此时由该模块产生一个 3.2KHZ的测试信号，送入PCM编码器。（1）用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和编码输出数据信号端口（TP502）， 观测时以TP504做同步。分析和掌握PCM编码输出数据与帧同步时隙信号、发 送时钟的对应关系。（2）将发通道增益选择开关K502设置在T位置（右端），通过调整电位器W501 改变发通道的信号电平。用示波器观测编码输出数据信号（TP502）随输入信号 电平变化的关系。图 4 TP502 和 TP504图 3J005图5调整电位器后TP502和TP504分析：当调整电位器后，电位器旋钮逆时针转，脉冲出现时间的宽度与输入 的信号脉冲宽度相同且不变，但输入信号一个脉冲对应的输出信号的脉冲个数 会变少。（二）PCM译码器将跳线开关K501设置在T （右端），K502设置在N，K504设置在LOOP位置 （右端）。此时将PCM输出编码数据直接送入本地译码器，构成自环。用函数信 号发生器产生一个频率为1004Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入信号测 试端口 J005和J006 （地）。1. PCM译码器输出模拟信号观测（1）用示波器同时观测解码器输出信号端口（TP506）和编码器输入信号端口 （TP501），观测信号时以TP501做同步。定性的观测解码恢复出的模拟信号质量。（2）将测试信号频率固定在1004Hz，改变测试信号电平，定性的观测解码恢 复出的模拟信号质量。观测信噪比随输入信号电平变化的相对关系。（3）将测试信号电平固定在2Vp-p，调整测试信号频率，定性的观测解码恢复出的模拟信号质量。观测信噪比与输入信号频率变化的相对关系。图 6 TP501 和 TP506图 6J005图8调整频率后分析：通道1为TP501，a道 2为TP506，当测试信号电平变小，则信噪比 变小。当测试信号频率变小，信噪比变小。五、思考题1、在通信系统中PCM接收端应如何获得接收输入时钟和接收帧同步时钟信号? 答：将接收信号进行处理提取载波信号，从而获得接收输入时钟。在实际通信当 中PCM信号通常都是复接在帧信号中进行传输的，因此接收帧同步时钟信号 的获取通过检测帧标志（一般是巴克码）来实现。2、对PCM和AM系统的系统性能进行比较，总结它们各自的特点。答：PCM与M都是二进制代码表示模拟信号的编码方式，但在PCM中，代码表 示样值本身的大小，所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；而在M中， 它只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋 势，与样值本身的大小无关。相对PCM编码方式，M具有编译码设备简单，低 比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。相比较PAM，两者时间都离 散，但PCM还通过量化把脉冲幅度也离散了，而经过编码又把时间和幅度上均 已离散了的信号进一步变成二进制（或多进制）的代码，即变成数字信号，PCM是二进制代码，也可以看作是二进制的PAM信号。六、实验感想本次实验再一次熟悉了实验箱的操作流程，基本能够自己使用并完成实验。 对PCM和PAM的原理在课堂已经学过，所以理解起来并不是十分困难，通过这 次实验又将这部分内容复习了一下，并且结合实验数据有了更深入的了解。感谢 老师一下午的指导。