通信原理实验PAM编译码实验.docx
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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
实验时间：
06.07
任课教师：
李祥明
实验地点：
4-434
实验教师：
实验类型：
□原理验证
□综合设计
□自主创新
学生姓名：
高畅
学号/班级：
1120111445/05811101
组号：
34
学院：
信息与电子学院
同组搭档：
敬汉丹
专业：
信息工程（本硕博）
成绩：
PAM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300～3400Hz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6800Hz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）。
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。
抽样定理实验各点波形见图2.1.5所示。
电路原理描述：
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τ=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200～1000Hz、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1J005图2J005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6KHz～7KHz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fs＞2fh和fs＜2fh时，低通滤波器输出的波形是什么？
总结一般规律。
答：
当fs＞2fh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fs＜2fh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
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1J005图2TP504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3J005图4TP502和TP504
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6J005图6TP501和TP506
图7调整电平后图8调整频率后
分析：
通道1为TP501，通道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△M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。
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