通信原理實驗 PAM編譯碼實驗

1、本科實驗報告實驗名稱： PCM/PAM編譯碼實驗 課程名稱：通信原理實驗時間：06.07任課教師：李祥明實驗地點：4-434實驗教師：實驗類型： 原理驗證 綜合設(shè)計 自主創(chuàng)新學(xué)生姓名：高暢學(xué)號/班級：1120111445/05811101組 號：34學(xué) 院：信息與電子學(xué)院同組搭檔：敬漢丹專 業(yè)：信息工程（本碩博）成 績： PAM編譯碼實驗一、實驗?zāi)康?、 驗證抽樣定理2、 觀察了解PAM信號形成的過程3、 了解混迭效應(yīng)形成的原因二、實驗儀器1、 ZH7001通信原理綜合實驗系統(tǒng) 一臺2、 20MHz雙蹤示波器 一臺3、 函數(shù)信號發(fā)生器 一臺三、實驗原理 抽樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有

2、十分重要的地位。抽樣過程是模擬信號數(shù)字化的第一步，抽樣性能的優(yōu)劣關(guān)系到通信設(shè)備整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。利用抽樣脈沖把一個連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號稱為脈沖調(diào)幅（PAM）信號。抽樣定理指出，一個頻帶受限信號m(t)，如果它的最高頻率為fh，則可以唯一地由頻率等于或大于2fh的樣值序列所決定。在滿足抽樣定理的條件下，抽樣信號保留了原信號的全部信息。并且，從抽樣信號中可以無失真地恢復(fù)出原始信號。通常將語音信號通過一個3400Hz低通濾波器（或通過一個3003400Hz的帶通濾波器），限制語音信號的最高頻率為3400Hz，這樣可以用頻率大于或等于6800 Hz的樣值序列來表示。語

3、音信號的頻譜和語音信號抽樣頻譜見圖2.1.1和圖2.1.2所示。從語音信號抽樣頻譜圖可知，用截止頻率為fh的理想低通濾波器可以無失真地恢復(fù)原始信號m(t)。 實際上，設(shè)計實現(xiàn)的濾波器特性不可能是理想的，對限制最高頻率為3400Hz的語音信號，通常采用8KHz抽樣頻率。這樣可以留出一定的防衛(wèi)帶（1200Hz），參見圖2.1.3所示。當(dāng)抽樣頻率fs低于2倍語音信號的最高頻率fh，就會出現(xiàn)頻譜混迭現(xiàn)象，產(chǎn)生混迭噪聲，影響恢復(fù)出的話音質(zhì)量，原理參見圖2.1.4所示。 在抽樣定理實驗中，采用標(biāo)準(zhǔn)的8KHz抽樣頻率，并用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為fh的信號來代替實際語音信號。通過改變函數(shù)信號發(fā)生器的頻率

4、fh，觀察抽樣序列和低通濾波器的輸出信號，檢驗抽樣定理的正確性。抽樣定理實驗各點波形見圖2.1.5所示。電路原理描述： 輸入信號首先經(jīng)過信號選擇跳線開關(guān)K701，當(dāng)K701設(shè)置在N位置時（左端），輸入信號來自電話接口1模塊的發(fā)送話音信號；當(dāng)K701設(shè)置在T位置時（右端），輸入信號來自測試信號。測試信號可以選擇外部測試信號或內(nèi)部測試信號，當(dāng)設(shè)置在交換模塊內(nèi)的跳線開關(guān)KO01設(shè)置在1_2位置（左端）時，選擇內(nèi)部3.2KHz測試信號；當(dāng)設(shè)置在2_3位置（右端）時選擇外部測試信號，測試信號從J005模擬測試端口輸入。抽樣定理實驗采用外部測試信號輸入。運(yùn)放U701A、U701B（TL084）和周邊阻容器

5、件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用于限制最高的語音信號頻率。信號經(jīng)運(yùn)放U701C緩沖輸出，送到U703（CD4066）模擬開關(guān)。模擬開關(guān)U703（CD4066）通過抽樣時鐘完成對信號的抽樣，形成抽樣序列信號。信號經(jīng)運(yùn)放U702B（TL084）緩沖輸出。運(yùn)放U702A、U702C（TL084）和周邊阻容器件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用來恢復(fù)原始信號。跳線開關(guān)K702用于選擇輸入濾波器，當(dāng)K702設(shè)置在F位置時（左端），送入到抽樣電路的信號經(jīng)過3400Hz的低通濾波器；當(dāng)K702設(shè)置在NF位置時（右端），信號不經(jīng)過抗混迭濾波器直接送到抽樣電路，其目的是為了觀測混

6、迭現(xiàn)象。設(shè)置在交換模塊內(nèi)的跳線開KQ02為抽樣脈沖選擇開關(guān)：設(shè)置在H位置為平頂抽樣（左端），平頂抽樣是通過采樣保持電容來實現(xiàn)的，且=Ts；設(shè) 置在NH為理想抽樣（右端），為便于恢復(fù)出的信號觀測，此抽樣脈沖略寬，近似于自然抽樣。平頂抽樣有利于解調(diào)后提高輸出信號的電平，但卻會引入信號頻譜失真。通常在實際設(shè)備里，收端必須采用頻率響應(yīng)為的濾波器來進(jìn)行頻譜校準(zhǔn)，抵消失真。這種頻譜失真稱為孔徑失真。該電路模塊各測試點安排如下：1、 TP701：輸入模擬信號2、 TP702：經(jīng)濾波器輸出的模擬信號3、 TP703：抽樣序列4、 TP704：恢復(fù)模擬信號四、實驗步驟 準(zhǔn)備工作：將交換模塊內(nèi)的抽樣時鐘模式開關(guān)K

7、Q02設(shè)置在NH位置（右端），將測試信號選擇開關(guān)KO01設(shè)置在外部測試信號輸入2_3位置（右端）。1. 近似理想抽樣脈沖序列測量（1） 首先將輸入信號選擇開關(guān)K701設(shè)置在T（測試狀態(tài)）位置，將低通濾波器選擇開關(guān)K702設(shè)置在F（濾波位置），為便于觀測，調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器正弦波輸出頻率為2001000Hz、輸出電平為2Vp-p的測試信號送入信號測試端口J005和J006（ 地） 。（2） 用示波器同時觀測正弦波輸入信號（J005）和抽樣脈沖序列信號（TP703），觀測時以TP703做同步。調(diào)整示波器同步電平和微調(diào)調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率，使抽樣序列與輸入測試信號基本同步。測量抽樣脈沖序列信號

8、與正弦波輸入信號的對應(yīng)關(guān)系。 圖1 J005 圖2 J005和TP703結(jié)果分析：抽樣脈沖信號的包絡(luò)與正弦信號相對應(yīng)，使得信號能夠重建，但抽樣脈沖信號由一個個的窄脈沖組成。2. 理想抽樣重建信號觀測TP704為重建信號輸出測試點。保持測試信號不變，用示波器同時觀測重建信號輸出測試點和正弦波輸入信號，觀測時以J005輸入信號做同步。 圖3 TP704 與J005結(jié)果分析：通道1為J005處信號波形，通道2為TP704處信號波形?？梢杂^察到重建信號與輸入信號相同，說明重建成功。3. 平頂抽樣脈沖序列測量將交換模塊內(nèi)的抽樣時鐘模式開關(guān)KQ02設(shè)置在H位置（左端）。方法同1測量，請同學(xué)自擬測量方案。記

9、錄測量波形，與理想抽樣測量結(jié)果做比較。 圖4 平頂抽樣J005與TP703結(jié)果分析：通道1為J005處波形，通道2為TP703處波形。平頂抽樣不同于理想抽樣，理想抽樣是對整個信號幅度抽樣，而平頂抽樣只對信號的包絡(luò)線進(jìn)行抽樣，但也是由一個個抽樣脈沖組成。4. 平頂抽樣重建信號觀測將交換模塊內(nèi)的抽樣時鐘模式開關(guān)KQ02設(shè)置在H位置（左端）。方法同2測量請同學(xué)自擬測量方案。記錄測量波形，與理想抽樣測量結(jié)果對比分析平頂抽樣的測試結(jié)果。 圖5 平頂抽樣TP704和J005結(jié)果分析：通道1為J005處波形，通道2為TP704處波形?？梢杂^察到，重建信號與輸入信號相同，但有一些相移。5. 信號混迭觀測（1）

10、 當(dāng)輸入信號頻率高于4KHz（1/2抽樣頻率）時，重建信號將出現(xiàn)混迭效應(yīng)。觀測時，將跳線開關(guān)K702設(shè)置在NF（無輸入濾波器）位置。調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器正弦波輸出頻率為6KHz7KHz左右、電平為2Vp-p的測試信號送入信號測試端口J005和J006（ 地） 。（2） 用示波器觀測重建信號輸出波形。緩慢變化測試信號輸出頻率，注意觀察輸入信號與重建信號波形的變化是否對應(yīng)一致。分析解釋測量結(jié)果。 圖6 混疊后信號的重建結(jié)果分析：通道1為輸入信號，通道2為重建信號?？梢杂^察到重建后的信號與原信號并不相同。這是因為當(dāng)采樣率低于信號最高頻率的2倍時，會發(fā)生混疊，導(dǎo)致不能夠恢復(fù)出原來的信號。五、思考題1、

11、當(dāng)fs2fh和fs2fh時，低通濾波器輸出的波形是什么？總結(jié)一般規(guī)律。答：當(dāng)fs2fh時，低通濾波器輸出的是與輸入信號相同的波形。因為此時信號頻譜沒有產(chǎn)生混疊，所以可以恢復(fù)出原信號。當(dāng)fs2fh時，輸出信號與原信號不符，這是因為采樣率過低，使信號頻譜造成混疊，波形與原信號不通，所以不能恢復(fù)出原信號。 PCM編譯碼實驗一、實驗?zāi)康?、 了解語音編碼的工作原理，驗證PCM編譯碼原理2、 熟悉PCM抽樣時鐘、編碼數(shù)據(jù)和輸入/輸出時鐘之間的關(guān)系3、 了解PCM專用大規(guī)模集成電路的工作原理和應(yīng)用4、 熟悉語音數(shù)字化技術(shù)的主要指標(biāo)及測量方法二、實驗儀器1、 ZH7001通信原理綜合實驗系統(tǒng) 一臺2、 20

12、MHz雙蹤示波器 一臺3、 函數(shù)信號發(fā)生器 一臺4、 音頻信道傳輸損傷測試儀 一臺三、實驗原理 PCM編譯碼模塊將來自用戶接口模塊的模擬信號進(jìn)行PCM編譯碼，該模塊采用MC145540集成電路完成PCM編譯碼功能。該器件具有多種工作模式和功能，工作前通過顯示控制模塊將其配置成直接PCM模式（直接將PCM碼進(jìn)行打包傳輸），使其具有以下功能：1、對來自接口模塊發(fā)支路的模擬信號進(jìn)行PCM編碼輸出。2、將輸入的PCM碼字進(jìn)行譯碼（即通話對方的PCM碼字），并將譯碼之后的模擬信號送入用戶接口模塊。在通信原理實驗平臺中，有二套完全一致的PCM編譯碼模塊，這二個模塊與相應(yīng)的電話用戶接口模塊相連。本教程僅以第

13、一路PCM編譯碼原理進(jìn)行說明，另一個模塊原理與第一路模塊相同，不再重述。PCM編譯碼器模塊電路與ADPCM編譯碼器模塊電路完全一樣，由語音編譯碼集成電路U502（MC145540）、運(yùn) 放U501（TL082）、 晶振 U503（20.48MHz）及相應(yīng)的跳線開關(guān)、電位器組成。電路工作原理如下： PCM編譯碼模塊中，由收、發(fā)兩個支路組成，在發(fā)送支路上發(fā)送信號經(jīng)U501A運(yùn)放后放大后，送入U502的2腳進(jìn)行PCM編碼。編碼輸入時鐘為BCLK（256KHz），編碼數(shù)據(jù)從U502的20腳輸出（DT_ADPCM1），F(xiàn)SX為編碼抽樣時鐘（8KHz）。編碼之后的數(shù)據(jù)結(jié)果送入后續(xù)數(shù)據(jù)復(fù)接模塊進(jìn)行處理，或直

14、接送到對方PCM譯碼單元。在接收支路中，收數(shù)據(jù)是來自解數(shù)據(jù)復(fù)接模塊的信號（DT_ADPCM_MUX），或是直接來自對方PCM編碼單元信號（DT_ADPCM2），在接收幀同步時鐘FSX（8KHz）與接收輸入時鐘BCLK（256KHz）的共同作用下，將接收數(shù)據(jù)送入U502中進(jìn)行PCM譯碼。譯碼之后的模擬信號經(jīng)運(yùn)放U501B放大緩沖輸出，送到用戶接口模塊中。 PCM編譯碼模塊中的各跳線功能如下（測試點與ADPCM編譯碼模塊相同）：1、跳線開關(guān)K501是用于選擇輸入信號，當(dāng)K501置于N（正常）位置時，選擇來自用戶接口單元的話音信號；當(dāng)K501置于T（測試）位置時選擇測試信號。測試信號主要用于測試PC

15、M的編譯碼特性。測試信號可以選擇外部測試信號或內(nèi)部測試信號，當(dāng)設(shè)置在交換模塊內(nèi)的跳線開關(guān)KO01設(shè)置在1_2位置（左端）時，選擇內(nèi)部3.2KHz測試信號；當(dāng)設(shè)置在2_3位置（右端）時選擇外部測試信號，測試信號從J005模擬測試端口輸入。2、跳線器K502用于設(shè)置發(fā)送通道的增益選擇，當(dāng)K502置于N（正常）位置時，選擇系統(tǒng)平臺缺省的增益設(shè)置；當(dāng)K502置于T（測試）位置時可將通過調(diào)整電位器W501設(shè)置發(fā)通道的增益。3、跳線器K504用于設(shè)置PCM譯碼器的輸入數(shù)據(jù)信號選擇，當(dāng)K504置于MUX（左）時處于正常狀態(tài)，解碼數(shù)據(jù)是來自解復(fù)接模塊的信號；當(dāng)K504置于ADPCM2（中）時處于正常狀態(tài)，解碼

16、數(shù)據(jù)直接來自對方PCM編碼單元信號；當(dāng)K504置于LOOP（右）時PCM單元將處于自環(huán)狀態(tài)。4、跳線器K503用于設(shè)置接收通道增益選擇，當(dāng)K503置于N（正常）時，選擇系統(tǒng)平臺缺省的增益設(shè)置；當(dāng)K503置于T（測試）時將通過調(diào)整電位器W502設(shè)置收通道的增益。 該單元的電路框圖見圖2.2.1。二個模塊電路完全相同。 在該模塊中，各測試點的定義如下：1、 TP501：發(fā)送模擬信號測試點2、 TP502：PCM發(fā)送碼字3、 TP503：PCM編碼器輸入/輸出時鐘4、 TP504：PCM編碼抽樣時鐘5、 TP505：PCM接收碼字6、 TP506：接收模擬信號測試點四、實驗步驟 加電后，通過菜單選擇

17、“PCM”編碼方式。此時，系統(tǒng)將U502設(shè)置為PCM模式。（一）PCM編碼器1. 輸出時鐘和幀同步時隙信號觀測用示波器同時觀測抽樣時鐘信號（TP504）和輸出時鐘信號（TP503）， 觀測時以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼抽樣時鐘信號與輸出時鐘的對應(yīng)關(guān)系（同步沿、脈沖寬度等）。分析：通道1為TP503，通道2為TP504，輸出信號的上升沿與抽樣時鐘信號的翻轉(zhuǎn)時刻對應(yīng)。2. 抽樣時鐘信號與PCM編碼數(shù)據(jù)測量 方法一：將跳線開關(guān)K501設(shè)置在T位置，KO01置于右端（外部信號輸入）用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為1000Hz、電平為2Vp-p的正弦波測試信號送入信號測試端口J005和J006

18、（地）。示波器同時觀測抽樣時鐘信號（TP504）和編碼輸出數(shù)據(jù)信號端口（TP502）， 觀 測時以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼輸出數(shù)據(jù)與抽樣時鐘信號（同步沿、脈沖寬度）及輸出時鐘的對應(yīng)關(guān)系。 圖1 J005 圖2 TP504和TP502分析：圖2中通道1為TP502波形，通道2為TP504波形。可以觀察到脈沖寬度與時鐘相同。但脈沖個數(shù)并不固定。 方法二：將輸入信號選擇開關(guān)K501設(shè)置在T位置，將交換模塊內(nèi)測試信號選擇開關(guān)KO01設(shè)置在內(nèi)部測試信號1_2位置（左端）。此時由該模塊產(chǎn)生一個3.2KHz的測試信號，送入PCM編碼器。（1） 用示波器同時觀測抽樣時鐘信號（TP504）和編碼輸

19、出數(shù)據(jù)信號端口（TP502），觀測時以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼輸出數(shù)據(jù)與幀同步時隙信號、發(fā)送時鐘的對應(yīng)關(guān)系。（2） 將發(fā)通道增益選擇開關(guān)K502設(shè)置在T位置（右端），通過調(diào)整電位器W501改變發(fā)通道的信號電平。用示波器觀測編碼輸出數(shù)據(jù)信號（TP502）隨輸入信號電平變化的關(guān)系。 圖3 J005 圖4 TP502和TP504 圖5 調(diào)整電位器后TP502和TP504分析：當(dāng)調(diào)整電位器后，電位器旋鈕逆時針轉(zhuǎn)，脈沖出現(xiàn)時間的寬度與輸入的信號脈沖寬度相同且不變，但輸入信號一個脈沖對應(yīng)的輸出信號的脈沖個數(shù)會變少。（二）PCM譯碼器 將跳線開關(guān)K501設(shè)置在T（右端），K502設(shè)置在N，K5

20、04設(shè)置在LOOP位置（右端）。此時將PCM輸出編碼數(shù)據(jù)直接送入本地譯碼器，構(gòu)成自環(huán)。用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為1004Hz、電平為2Vp-p的正弦波測試信號送入信號測試端口J005和J006（地）。1. PCM譯碼器輸出模擬信號觀測（1） 用示波器同時觀測解碼器輸出信號端口（TP506）和編碼器輸入信號端口（TP501），觀測信號時以TP501做同步。定性的觀測解碼恢復(fù)出的模擬信號質(zhì)量。（2） 將測試信號頻率固定在1004Hz，改變測試信號電平，定性的觀測解碼恢復(fù)出的模擬信號質(zhì)量。觀測信噪比隨輸入信號電平變化的相對關(guān)系。（3） 將測試信號電平固定在2Vp-p，調(diào)整測試信號頻率，定性的觀測解碼恢復(fù)出的模擬信號質(zhì)量。觀