通信原理實(shí)驗(yàn)-PAM編譯碼實(shí)驗(yàn)

本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：PCM/PAM編譯碼實(shí)驗(yàn)課程名稱：通信原理實(shí)驗(yàn)時(shí)間：06.07任課教師：李祥明實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：4-434實(shí)驗(yàn)教師：實(shí)驗(yàn)類型：□原理驗(yàn)證□綜合設(shè)計(jì)□自主創(chuàng)新學(xué)生姓名：高暢1120111445/05811101組號(hào)：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(jī)：PAM編譯碼實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、驗(yàn)證抽樣定理2、觀察了解PAM信號(hào)形成的過程3、了解混迭效應(yīng)形成的原因二、實(shí)驗(yàn)儀器1、ZH7001通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)2、20MHz雙蹤示波器一臺(tái)3、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理抽樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。抽樣過程是模擬信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。利用抽樣脈沖把一個(gè)連續(xù)信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號(hào)稱為脈沖調(diào)幅（PAM）信號(hào)。抽樣定理指出，一個(gè)頻帶受限信號(hào)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(hào)保留了原信號(hào)的全部信息。并且，從抽樣信號(hào)中可以無失真地恢復(fù)出原始信號(hào)。通常將語音信號(hào)通過一個(gè)3400Hz低通濾波器（或通過一個(gè)300～3400Hz的帶通濾波器），限制語音信號(hào)的最高頻率為3400Hz，這樣可以用頻率大于或等于6800Hz的樣值序列來表示。語音信號(hào)的頻譜和語音信號(hào)抽樣頻譜見圖2.1.1和圖2.1.2所示。從語音信號(hào)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(hào)m(t)。實(shí)際上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的濾波器特性不可能是理想的，對(duì)限制最高頻率為3400Hz的語音信號(hào)，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(hào)的最高頻率fh，就會(huì)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(shí)驗(yàn)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的8KHz抽樣頻率，并用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為fh的信號(hào)來代替實(shí)際語音信號(hào)。通過改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率fh，圖3TP704與J005結(jié)果分析：通道1為J005處信號(hào)波形，通道2為TP704處信號(hào)波形?？梢杂^察到重建信號(hào)與輸入信號(hào)相同，說明重建成功。3.平頂抽樣脈沖序列測(cè)量將交換模塊內(nèi)的抽樣時(shí)鐘模式開關(guān)KQ02設(shè)置在H位置（左端）。方法同1測(cè)量，請(qǐng)同學(xué)自擬測(cè)量方案。記錄測(cè)量波形，與理想抽樣測(cè)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(duì)整個(gè)信號(hào)幅度抽樣，而平頂抽樣只對(duì)信號(hào)的包絡(luò)線進(jìn)行抽樣，但也是由一個(gè)個(gè)抽樣脈沖組成。4.平頂抽樣重建信號(hào)觀測(cè)將交換模塊內(nèi)的抽樣時(shí)鐘模式開關(guān)KQ02設(shè)置在H位置（左端）。方法同2測(cè)量請(qǐng)同學(xué)自擬測(cè)量方案。記錄測(cè)量波形，與理想抽樣測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析平頂抽樣的測(cè)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(hào)與輸入信號(hào)相同，但有一些相移。5.信號(hào)混迭觀測(cè)（1）當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于4KHz（1/2抽樣頻率）時(shí)，重建信號(hào)將出現(xiàn)混迭效應(yīng)。觀測(cè)時(shí)，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(hào)發(fā)生器正弦波輸出頻率為6KHz～7KHz左右、電平為2Vp-p的測(cè)試信號(hào)送入信號(hào)測(cè)試端口J005和J006（地）。（2）用示波器觀測(cè)重建信號(hào)輸出波形。緩慢變化測(cè)試信號(hào)輸出頻率，注意觀察輸入信號(hào)與重建信號(hào)波形的變化是否對(duì)應(yīng)一致。分析解釋測(cè)量結(jié)果。圖6混疊后信號(hào)的重建結(jié)果分析：通道1為輸入信號(hào)，通道2為重建信號(hào)。可以觀察到重建后的信號(hào)與原信號(hào)并不相同。這是因?yàn)楫?dāng)采樣率低于信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，會(huì)發(fā)生混疊，導(dǎo)致不能夠恢復(fù)出原來的信號(hào)。五、思考題1、當(dāng)fs＞2fh和fs＜2fh時(shí)，低通濾波器輸出的波形是什么？總結(jié)一般規(guī)律。答：當(dāng)fs＞2fh時(shí)，低通濾波器輸出的是與輸入信號(hào)相同的波形。因?yàn)榇藭r(shí)信號(hào)頻譜沒有產(chǎn)生混疊，所以可以恢復(fù)出原信號(hào)。當(dāng)fs＜2fh時(shí)，輸出信號(hào)與原信號(hào)不符，這是因?yàn)椴蓸勇蔬^低，使信號(hào)頻譜造成混疊，波形與原信號(hào)不通，所以不能恢復(fù)出原信號(hào)。PCM編譯碼實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解語音編碼的工作原理，驗(yàn)證PCM編譯碼原理2、熟悉PCM抽樣時(shí)鐘、編碼數(shù)據(jù)和輸入/輸出時(shí)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(cè)量方法二、實(shí)驗(yàn)儀器1、ZH7001通信原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)2、20MHz雙蹤示波器一臺(tái)3、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)4、音頻信道傳輸損傷測(cè)試儀一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理PCM編譯碼模塊將來自用戶接口模塊的模擬信號(hào)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(duì)來自接口模塊發(fā)支路的模擬信號(hào)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(duì)方的PCM碼字），并將譯碼之后的模擬信號(hào)送入用戶接口模塊。在通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，有二套完全一致的PCM編譯碼模塊，這二個(gè)模塊與相應(yīng)的電話用戶接口模塊相連。本教程僅以第一路PCM編譯碼原理進(jìn)行說明，另一個(gè)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(gè)支路組成，在發(fā)送支路上發(fā)送信號(hào)經(jīng)U501A運(yùn)放后放大后，送入U(xiǎn)502的2腳進(jìn)行PCM編碼。編碼輸入時(shí)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(shí)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，或直接送到對(duì)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(hào)（DT_ADPCM_MUX），或是直接來自對(duì)方PCM編碼單元信號(hào)（DT_ADPCM2），在接收幀同步時(shí)鐘FSX（8KHz）與接收輸入時(shí)鐘BCLK（256KHz）的共同作用下，將接收數(shù)據(jù)送入U(xiǎn)502中進(jìn)行PCM譯碼。譯碼之后的模擬信號(hào)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(cè)試點(diǎn)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(hào)，當(dāng)K501置于N（正常）位置時(shí)，選擇來自用戶接口單元的話音信號(hào)；當(dāng)K501置于T（測(cè)試）位置時(shí)選擇測(cè)試信號(hào)。測(cè)試信號(hào)主要用于測(cè)試PCM的編譯碼特性。測(cè)試信號(hào)可以選擇外部測(cè)試信號(hào)或內(nèi)部測(cè)試信號(hào)，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(shí)，選擇內(nèi)部3.2KHz測(cè)試信號(hào)；當(dāng)設(shè)置在2_3位置（右端）時(shí)選擇外部測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)從J005模擬測(cè)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(shí)，選擇系統(tǒng)平臺(tái)缺省的增益設(shè)置；當(dāng)K502置于T（測(cè)試）位置時(shí)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(hào)選擇，當(dāng)K504置于MUX（左）時(shí)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(hào)；當(dāng)K504置于ADPCM2（中）時(shí)處于正常狀態(tài)，解碼數(shù)據(jù)直接來自對(duì)方PCM編碼單元信號(hào)；當(dāng)K504置于LOOP（右）時(shí)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(shí)，選擇系統(tǒng)平臺(tái)缺省的增益設(shè)置；當(dāng)K503置于T（測(cè)試）時(shí)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(gè)模塊電路完全相同。在該模塊中，各測(cè)試點(diǎn)的定義如下：1、TP501：發(fā)送模擬信號(hào)測(cè)試點(diǎn)2、TP502：PCM發(fā)送碼字3、TP503：PCM編碼器輸入/輸出時(shí)鐘4、TP504：PCM編碼抽樣時(shí)鐘5、TP505：PCM接收碼字6、TP506：接收模擬信號(hào)測(cè)試點(diǎn)四、實(shí)驗(yàn)步驟加電后，通過菜單選擇“PCM”編碼方式。此時(shí)，系統(tǒng)將U502設(shè)置為PCM模式。（一）PCM編碼器1.輸出時(shí)鐘和幀同步時(shí)隙信號(hào)觀測(cè)用示波器同時(shí)觀測(cè)抽樣時(shí)鐘信號(hào)（TP504）和輸出時(shí)鐘信號(hào)（TP503），觀測(cè)時(shí)以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼抽樣時(shí)鐘信號(hào)與輸出時(shí)鐘的對(duì)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(hào)的上升沿與抽樣時(shí)鐘信號(hào)的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)。2.抽樣時(shí)鐘信號(hào)與PCM編碼數(shù)據(jù)測(cè)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(hào)輸入）用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為1000Hz、電平為2Vp-p的正弦波測(cè)試信號(hào)送入信號(hào)測(cè)試端口J005和J006（地）。示波器同時(shí)觀測(cè)抽樣時(shí)鐘信號(hào)（TP504）和編碼輸出數(shù)據(jù)信號(hào)端口（TP502），觀測(cè)時(shí)以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼輸出數(shù)據(jù)與抽樣時(shí)鐘信號(hào)（同步沿、脈沖寬度）及輸出時(shí)鐘的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1J005圖2TP504和TP502分析：圖2中通道1為TP502波形，通道2為TP504波形?？梢杂^察到脈沖寬度與時(shí)鐘相同。但脈沖個(gè)數(shù)并不固定。方法二：將輸入信號(hào)選擇開關(guān)K501設(shè)置在T位置，將交換模塊內(nèi)測(cè)試信號(hào)選擇開關(guān)KO01設(shè)置在內(nèi)部測(cè)試信號(hào)1_2位置（左端）。此時(shí)由該模塊產(chǎn)生一個(gè)3.2KHz的測(cè)試信號(hào)，送入PCM編碼器。（1）用示波器同時(shí)觀測(cè)抽樣時(shí)鐘信號(hào)（TP504）和編碼輸出數(shù)據(jù)信號(hào)端口（TP502），觀測(cè)時(shí)以TP504做同步。分析和掌握PCM編碼輸出數(shù)據(jù)與幀同步時(shí)隙信號(hào)、發(fā)送時(shí)鐘的對(duì)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(hào)電平。用示波器觀測(cè)編碼輸出數(shù)據(jù)信號(hào)（TP502）隨輸入信號(hào)電平變化的關(guān)系。圖3J005圖4TP502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(shí)針轉(zhuǎn)，脈沖出現(xiàn)時(shí)間的寬度與輸入的信號(hào)脈沖寬度相同且不變，但輸入信號(hào)一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)會(huì)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，K504設(shè)置在LOOP位置（右端）。此時(shí)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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為1004Hz、電平為2Vp-p的正弦波測(cè)試信號(hào)送入信號(hào)測(cè)試端口J005和J006（地）。1.PCM譯碼器輸出模擬信號(hào)觀測(cè)（1）用示波器同時(shí)觀測(cè)解碼器輸出信號(hào)端口（TP506）和編碼器輸入信號(hào)端口（TP501），觀測(cè)信號(hào)時(shí)以TP501做同步。定性的觀測(cè)解碼恢復(fù)出的模擬信號(hào)質(zhì)量。（2）將測(cè)試信號(hào)頻率固定在1004Hz，改變測(cè)試信號(hào)電平，定性的觀測(cè)解碼恢復(fù)出的模擬信號(hào)質(zhì)量。觀測(cè)信噪比隨輸入信號(hào)電平變化的相對(duì)關(guān)系。（3）將測(cè)試信號(hào)電平固定在2Vp-p，調(diào)整測(cè)試信號(hào)頻率，定性的觀測(cè)解碼恢復(fù)出的模擬信號(hào)質(zhì)量。觀測(cè)信噪比與輸入信號(hào)頻率變化的相對(duì)關(guān)系。圖6J005圖6TP501和TP506圖7調(diào)整電平后圖8調(diào)整頻率后分析：通道1為TP501，通道2為TP506，當(dāng)測(cè)試信號(hào)電平變小，則信噪比變小。當(dāng)測(cè)試信號(hào)頻率變小，信噪比變小。五、思考題1、在通信系統(tǒng)中PCM接收端應(yīng)如何獲得接收輸入時(shí)鐘和接收幀同步時(shí)鐘信號(hào)？答：將接收信號(hào)進(jìn)行處理提取載波信號(hào)，從而獲得接收輸入時(shí)鐘。在實(shí)際通信當(dāng)中PCM信號(hào)通常都是復(fù)接在幀信號(hào)中進(jìn)行傳輸?shù)?，因此接收幀同步時(shí)鐘信號(hào)的獲取通過檢測(cè)幀標(biāo)志（一般是巴克碼）來實(shí)現(xiàn)。2、對(duì)PCM和△M系統(tǒng)的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較，總結(jié)它們各自的特點(diǎn)。答：PCM與M都是二進(jìn)制代碼表示模擬信號(hào)的編碼方式，但在PCM中，代碼表示樣值本身的大小，所需碼位數(shù)較多，從而導(dǎo)致編譯碼設(shè)備復(fù)雜；而在M中，它只用一位編碼表示相鄰樣值的相對(duì)大小，從而反映出抽樣時(shí)刻波形的變化趨勢(shì)