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