1、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：学生姓名： 高畅实验类型： 原理验证 综合设计 自主创新学 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
2、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 34
3、00Hz，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)。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
4、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_
5、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
6、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 =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
7、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
8、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 J0
9、05 输入信号做同步。图 3 TP704 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.
10、 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
11、 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 fs2fh 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
12、出原信号。当 fs2fh 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 PC
13、M 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
14、 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
15、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
16、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 K
17、504 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、 TP50
18、5：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
19、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
20、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 3 J005 图 4 TP502 和 TP504图 5 调整电位器后 TP50
21、2 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
