通原实验3-PCM实验.ppt

通信原理实验 1 4 通过了解大规模集成电路MC145540的功能与使用方法 进一步掌握PCM通信系统的工作原理 1 通过脉冲编码调制与解调系统实验 加深理解脉冲编码调制与解调技术的特点 2 通过PCM编 译码系统实验 掌握PCM编 译码系统的电路组成与工作原理 建立PCM通信系统的基本概念 3 定量分析并掌握模拟信号按13折线A律特性编成的八位码的方法 一 实验目的 2 PCM译码 输出时钟和帧同步时隙信号观测 1 PCM编码 抽样时钟信号与PCM编码数据测量 PCM译码器输出模拟信号观测 改变基带信号的幅度 观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况 改变基带信号的频率 观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况 二 实验内容 三 实验原理 由此可见 脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式 3 1PCM基本原理 脉冲编码调制 把一个时间连续 取值连续的模拟信号进行抽样 变换成时间离散信号后 再进行量化 编码 变换成时间离散 取值离散的数字信号的过程 抽样 对模拟信号进行周期性扫描 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号 量化 把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散 即用一组相近的电平 把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示 编码 用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值 模拟信号 数字信号 实际上量化是在编码过程中同时完成的 故编码过程也称为模 数变换 可记作A D 5 在CCITT建议中 A 87 56 在具体实现时压缩曲线c x 用13段折线来近似 量化电平数L 256 即编码位数R 8 因为对语音的采样频率为8kHz 这样 A率13折线的PCM输出数据流速率为64kb s 目前国际上普遍采用容易实现的A律13折线压扩特性和 律15折线的压扩特性 我国规定采用A律13折线压扩特性 本实验中的PCM采用的是A律13折线PCM 由通信原理基础知识可知 A率对数压缩特性定义为 三 实验原理 3 2PCM输出数据速率 3 3A律13折线的压缩示意图 三 实验原理 负电平部分的压扩特性和正电平部分的压扩特性是对称的 所以讨论正电平压扩特性 这种量化方式相比于线性量化 当信号为小信号时 其信噪比较高 尤其是语音信号 本来划分的16折线段实际为13折线段 PCM编码对一个采样值量化编码后得到的是8比特的编码 这8比特的码位安排 8比特的码位安排分别为 编码的第一位C1为极性码 正电平为1 负电平为0 C2 C4为段落码 表示信号绝对值处在哪个段落 3位码的8种可能状态分别代表8个段落的起点电平 C5 C8为段内码 段内码共4位 并且段内采用均匀量化的方式 故共有24 16个均匀量化级 但因段落长度不等 故不同段落间的量化级是非均匀的 小信号时 段落短 量化间隔小 反之 量化间隔大 13折线中的第一 二段最短 只有归一化的1 128 再将它等分16小段 这是最小的量化级间隔 它仅有输入信号归一化值的1 2048 记为 代表一个量化单位 第八段最长 它是归一化值的1 2 将它等分16小段后 每一小段归一化长度相当于64个最小量化间隔 记为64 其余各段的最小量化间隔的计算以此类推 但因段落长度不等 故不同段落间的量化级是非均匀的 小信号时 段落短 量化间隔小 反之 量化间隔大 13折线PCM参数 3 4PCM调制解调系统电路组成框图及工作原理 PCM编 译码系统由五个电子单元构成 三 实验原理 0 3400HZ 8KHZ 300 3400HZ PCM码流 PCM码流 PCM编码过程 实际上就是A D变换的过程 PCM信号的译码过程 实际上就是D A变换的过程 3 5PCM调制与解调系统实验电路构成框图 三 实验原理 3 6自适应差值脉冲编码ADPCM调制解调芯片MC145540 三 实验原理 K503收信号电平控制 K504正常 自环控制 U501A发语音限带300 3400 U501B收低通滤波器300 3400 PCM编 译码器 8KHZ抽样脉冲 256KHZ主时钟 TP501 TP502 TP503 TP504 TP505 TP506 3 7PCM实验电路电原理图 三 实验原理 K501话音 测试 K502发信号电平控制 发送码流 接收码流 PCM实验需设置的开关 PCM实验的测量点 本实验需应到的电路模块共三个 3 8PCM调制与解调系统实验电路布局图 电话1模块 ADPCM1模块 交换接续控制模块 PCM模块主要器件 U501运放 U502编译码器 U503晶体2048 K501 K502 K504 K503 K001 KQ02 J005 J006 TP501 TP502 TP503 TP504 TP505 TP506 三 实验原理 实验应知知识介绍完毕 实验开始 谢谢 a 注意安全操作规程 确保人身安全 注意人身安全和仪器设备的安全 为了防止器件损坏 在切断实验电路板上的电源后才能改接电路 调换仪器时应切断实验仪器的电源 逐步养成用右手进行单手操作的习惯 b 爱护仪器设备 仪器在使用过程中 不必经常开关电源 切忌无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮 仪器设备出现问题 请向老师寻求帮助 请勿随便调换配件 实验现场的操作规程 菜单键选择 PCM 编码方式 四 实验内容 电路测试框图如图示 实验准备 机器通电 实验数据测量记录 1 TP504信号波形与频率 2 TP503信号波形与频率 3 比较TP503与TP504信号波形 明确PCM30 32路程控交换系统中话路比特的安排 即在每个话路时隙内将PAM的一个抽样值编为8位二元码 编号为1 8 每个码元占3 9us 8 488ns 称为一比特 第1比特为极性码 第2 4比特为段落码 第5 8比特为段内码 TP504 TP503 KQ02 右 PCM编码信号产生与测量 电路测试框图如图示 实验准备 用函数信号发生器产生一频率为1KHz 电平为2Vp p的正弦波测试信号送入J005和J006 ADPCM1 K501 右 交换接续控制 K001 右 实验数据测量记录 1 观测TP504 抽样脉冲 和TP502 PCM码流 2 观测TP501 模拟信号 和TP502 PCM码流 3 根据测量结果 分析和说明抽样时隙与PCM码流的关系和模拟信号与数字信号的特点 四 实验内容 K502 左 PCM码流与输入信号关系的测量 电路测试框图如图示 实验准备 ADPCM1中 K501 右 交换接续控制 K001 右 KQ02 右 用函数信号发生器产生一频率为1KHz 电平为2Vp p的正弦波测试信号送入J005和J006 实验数据测量记录 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 记录PCM码流随输入信号电平变化的关系 四 实验内容 K502 右 PCM译码输出信号测量 电路测试框图如图示 实验准备 ADPCM1中 K501 右 K502 左 K504 右 Vi 1KHz 2Vp p正弦波 实验数据测量记录 1 观测TP501和TP506 以TP501做同步 定性的分析解码恢复出的模拟信号质量 2 将输入信号Vi频率固定在1KHz 按表给定数据改变测试信号电平 定性的观测解码恢复出的模拟信号质量 分析信噪比随输入信号电平变化的相关关系 四 实验内容 K503 左 交换接续控制 K001 右 KQ02 右 四 实验内容 电路测试框图如图示 1 按表所示数据 改变输入信号频率 但应保持电压幅度2Vp p不变 分别观测并记录TP506输出信号幅度 以TP501做同步 2 依据测量数据 画出实验用PCM系统的幅频特性曲线图 实验准备 ADPCM1中 K501 右 K502 左 K504 右 Vi 1KHz 2Vp p正弦波 K503 左 交换接续控制 K001 右 KQ02 右 PCM译码输出信号频率特性测量 五 实验报告内容与思考题 1 MC145540PCM编码器输出的PCM数据的速率是多少 在本次实验系统中 为什么要给MC145540提供2 048MHz的时钟 2 为什么实验时观察到的PCM编码信号总是随时变化的 3 当输入正弦信号的频率大于3400Hz或小于300Hz时 分析脉冲编码调制和解调的波形 1 分析实验电路的工作原理 叙述其工作过程 2 根据实验测试记录 在坐标纸上画出各测量点的波形图 并分析实验现象 2 实验思考题 1 实验报告 语音信号的压缩编码 一 压缩编码原因 语音信号的压缩编码是研究如何降低语音信号编码速率的问题 以语音信号为例 模拟形式下带宽一般不到4KHz 经过调制后 所需传输带宽不会超过8KHz 但是 PCM通信系统 以8KHz抽样 并且每个样值用8位二进制代码表示时 即采用A率13折线PCM数字语音信号时 信息速率为64Kbit s 利用二进制理想基带传输系统传输一路这样的数字语音信号 所占系统的最小频带宽度为32KHz 二 什么是语音压缩编码 把数码率低于64Kbit s的语音编码方法称为语音压缩编码技术 一种新型的脉冲编码技术 它是利用自适应技术和差值编码技术相结合的一种编解码技术 可以使64kbit s的脉冲编码 PCM 信号进一步压缩为32kbit s的脉冲编码数据 使传输脉冲编码所需要的带宽减少一半 根据CCITT的G 721建议 以码率为32kb s的ADPCM作为语音压缩的国际标准 在ADPCM算法中 它的采样率可以是8KHz 采样精度16bit 量化阶的保存为4位 因此压缩比为4 1 即每秒保存或者传送大小为32Kbit 且从波形恢复出来的声音效果与原始声音几乎没有区别 人耳无法辨别 不仅提高了信道的利用效率 并且还可以使脉码调制系统的通信质量得到提高 自适应差值脉冲编码调制 ADPCM ADPCM的基本原理是利用对过去的几个抽样值来预测当前输入的样值 并使预测电路具有自适应的预测功能与实际检测值进行比较 随时对测得的差值自动进行量化级差的处理 使之始终保持与信号同步变化 这种ADPCM技术已广泛地应用于电话通信网 实验项目 ADPCM语音压缩编码 一 实验目的 1 了解ADPCM的基本原理 2 了解语音压缩编码的基本原理和过程 二 实验内容 实验项目 ADPCM语音压缩编码 1 ADPCM编码 ADPCM输出时钟和帧同步时隙信号观测 ADPCM抽样时钟信号与编码输出数据测量 2 ADPCM译码 ADPCM译码器输出模拟信号观测 改变基带信号的幅度 观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况 改变基带信号的频率 观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况 菜单键选择 ADPCM 编码方式 三 实验内容 电路测试框图如图示 实验准备 机器通电 实验数据测量记录 1 TP504信号波形与频率 2 TP503信号波形与频率 3 比较TP503与TP504信号波形 明确ADPCM系统中话路比特的按排 即在每个话路时隙内将信号差值编为4位二元码 编号为1 4 TP504 TP503 ADPCM编码信号产生与测量 电路测试框图如图示 实验数据测量记录 1 观测TP504 抽样脉冲 和TP502 ADPCM码流 2 观测TP501 模拟信号 和TP502 ADPCM码流 3 根据测量结果 分析和说明抽样时隙与ADPCM码流的关系和模拟信号与数字信号的特点 三 实验内容 KQ02 右 实验准备 用函数信号发生器产生一频率为1KHz 电平为2Vp p的正弦波测试信号送入J005和J006 ADPCM1 K501 右 交换接续控制 K001 右 K502 左 ADPCM译码输出信号测量 电路测试框图如图示 实验准备 ADPCM1中 K501 右 K502 左 K504 右 Vi 1KHz 2Vp p正弦波 实验数据测量记录 1 观测TP501和TP506 以TP501做同步 定性的分析解码恢复出的模拟信号质量 2 将输入信号Vi频率固定在1KHz 按表给定数据改变测试信号电平 定性的观测解码恢复出的模拟信号质量 分析信噪比随输入信号电平变化的相关关系 三 实验内容 K503 左 交换接续控制 K001 右 KQ02 右 三 实验内容 电路测试框图如图示 1 按表所示数据 改变输入信号频率 但应保持电压幅度2Vp p不变 分别观测并记录TP506输出信号幅度 以TP501做同步 2 依据测量数据 画出实验用PCM系统的幅频特性曲线图 实验准备 ADPCM1中 K501 右 K502 左 K504 右 Vi 1KHz 2Vp p正弦波 K503 左 交换接续控制 K001 右 KQ02 右 ADPCM译码输出信号频率特性测量 自适应差分脉冲编码调制ADPCM 编码原理 自适应差分脉冲编码调制ADPCM AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation 用预测编码来压缩数据量 它结合了ADM的差分信号与PCM的二进制码的方法 是一种性能比较好的波形编码 它的核心想法是 利用自适应的思想改变量化阶的大小 即使用小的量化阶 step size 去编码小的差值 使用大的量化阶去编码大的差值 使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值 使实际样本值和预测值之间的差值总是最小 ADPCM编码过程如图2 2所示输示 编码的核心思想是对差值进行编码和预测 采用非均匀量化 并使不同幅值的信号信噪比接近一致 避免大幅值语音信号信噪比大而小幅值语音信号信噪比小 输入Si是一个16bit二进制补码语音数据 其范围在32767到 32767之间 预测采样值Sp 与线性输入Si的差值为d 量化器对差值进行量化产生一个有符号的4位编码数据I 这个数据的表示范围在7到 7之间 最高位为符号位 编码时 首先计算16位的二进制