实验四 PCM编译码器

一、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3400 Hz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6800 Hz的样值序列来表示。

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）。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。

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。

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。

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。

各测试点的定义如下：

1、 TP701：PAM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：PAM恢复模拟信号

5、 TP501：PCM发送模拟信号测试点

6、 TP502：PCM发送码字

7、 TP503：PCM编码器输入/输出时钟

8、 TP504：PCM编码抽样时钟

9、 TP505：PCM接收码字

10、 TP506：接收模拟信号测试点

二、实验仪器

1、 JH5001通信原理综合实验系统

2、 20MHz双踪示波器

3、 函数信号发生器

一台 一台 一台

三、实验目的

1、 验证抽样定理

2、 了解混迭效应形成的原因

3、 了解语音编码的工作原理，验证PCM编译码原理；

4、 熟悉PCM抽样时钟、编码数据和输入/输出时钟之间的关系；

四、实验内容和实验结果

（一）PAM编码器

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KQ01设置在外部测试信号输入2_3位置（右端）。

1. 近似自然抽样脉冲序列测量

（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。

2. 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，与自然抽样测量结果做比较。

3. 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）。

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。

（二）PCM编码器

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。

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）。

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，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）。

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编码输出数据与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。

方法二：将输入信号选择开关K501设置在T位置，将交换模块内测试信号选择开关K001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1KHz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。

（三）PCM译码器

将跳线开关K501设置在T位置（右端）、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量。

（2） 将测试信号频率固定在1000Hz，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。观测信噪比随输入信号电平变化的相关关系。

将测试信号电平固定在2Vp-p，调整测试信号频率，定性的观测解码恢复出的模拟信号质量。观测信噪比与输入信号频率变化的相关关系。

五、实验报告

（1） 记录实验波形和数据

（2） 叙述PCM编解码的基本步骤

（3） 叙述PCM的优缺点

（4） 量化有没有反变换？对通信有何影响？从实验中看对波形影响有多大？

（5） PCM通信中为什么需要同步？需要哪些同步？实验中可不可以省去同步过程？

（6） 对PCM可有什么改进，举出改进方式的例子。

第二篇：实验三 PCM编解码实验(新)

实验三 PCM编解码实验

一、 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3400 Hz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6800 Hz的样值序列来表示。

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）。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。

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信号，通过改变函数信号发生器的频率，观察抽样序列和重建信号，检验抽样定理的正确性。 PAM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

PCM实验电路工作原理如下：

PCM编译码器模块，由语音编译码集成电路U502（MC145540）、运放U501（TL082）、晶振U503（20.48MHz）组成。

PCM编译码模块将来自用户接口模块2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

复接解复接模块中的开关KB03将其配置成直接PCM模式，使其具有以下功能：

1、对来自接口模块2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，并将译码之后的模拟信号送入用户接口模块1。 在PCM编译码模块中，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_ADPCM），FSX为编码抽样时钟（8KHz）。译码之后的模拟信号经运放U501B放大缓冲输出，送到用户1接口模块中。

PCM编译码模块中的各跳线功能如下：

1、 跳线开关K501是用于选择输入信号，当K501置于正常位置时，选择来自用户2

接口单元的话音信号；当K501置于测试位置时选择测试信号。测试信号从该模块的TP001模拟测试端口输入。

2、 跳线器K504是用于设置PCM译码器的输入数据选择，当K504置于右端时译码

数据来自MC145540的编码模块；当K504置于左端时译码数据来复接解复接模块。

在PCM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

二、 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；

三、 实验仪器

1、 JH5001－4实验箱

2、 20MHz双踪示波器

3、 函数信号发生器

4、 音频信号传输损伤测试仪 一台 一台 一台 一台

四、 实验步骤

（一）PAM实验

1. 自然抽样脉冲序列测量

（1） 准备工作：由于PAM实验用的抽样信号由复接解复接模块提供，因此首先用

10针排线连接排针插槽JK501和JKB01，以获取抽样信号；将复接解复接模块中的KB04设置在右端（自然抽样状态）；将输入信号选择开关K501设置在右端以输入测试信号。将低通滤波器选择开关K702设置在滤波位置，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PCM/PAM模块的测试端口TP001和接地端TP002。

（2） PAM脉冲抽样序列观察：用示波器同时观测正弦波输入信号（TP701）和抽样

脉冲序列信号（TP703），观测时以TP701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。

（3） PAM脉冲抽样序列重建信号观测：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TP701输入信号做同步。

2. 平顶抽样脉冲序列测量

（1） 准备工作：与自然抽样脉冲序列测量准备工作不同之处是将复接解复接模块内

的抽样时钟模式开关KB04设置在左端进行平顶抽样。

（2） PAM平顶抽样序列观察：方法同1测量，请同学自拟测量方案。记录测量波形，

与自然抽样测量结果做比较。

（3） 平顶抽样重建信号观测：方法同1测量，请同学自拟测量方案。与自然抽样测

量结果对比分析平顶抽样的测试结果。

3. 信号混迭观测

（1） 准备工作：同PAM脉冲抽样实验；

（2） 注意：将跳线开关K702设置在2-3位置（无输入滤波器）。调整函数信号发生

使器正弦波输出频率为7.5KHz左右、电平为2Vp-p的测试信号送入信号测试端口TP001和TP002（地）。

（3） 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。

（二）PCM实验

1. 准备工作：由于PCM实验用的时钟信号由复接解复接模块的UB03提供，因此首先用

10针排线连接排针插槽JK501和JKB01，以获取时钟信号；加电后，将复接解复接模块中的跳线开关KB03置于左端PCM编码位置，此时MC145540工作在PCM编码状态。

2. PCM串行接口时序观察

（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）。

（2） 抽样时钟信号与PCM编码数据测量：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

编码输出数据与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。

3. PCM编码器

（1） 方法一：

（A） 准备：将跳线开关K501设置在测试位置，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该模块的信号

测试端口TP001和TP002（地）。

（B） 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

与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。分析

为什么采用一般的示波器不能进行有效的观察。

4. PCM译码器

（1） 准备：跳线开关K501设置在测试位置、K504设置在右端自环工作位置，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1000Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入信号测试端口TP001

和TP002（地）。

（2） PCM译码器输出模拟信号观测：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

码信号与输入信号的关系：质量、电平、延时。

5. PCM频率响应测量：将测试信号电平固定在2Vp-p，调整测试信号频率，定性的观测

解码恢复出的模拟信号电平。观测输出信号信电平相对变化随输入信号频率变化的相对

关系。

6. PCM动态范围测量：将测试信号频率固定在1000Hz，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。

五、实验报告

（1） 记录实验波形和数据

（2） 叙述PCM编解码的基本步骤

（3） 叙述PCM的优缺点

（4） 量化有没有反变换？对通信有何影响？从实验中看对波形影响有多大？

（5） PCM通信中为什么需要同步？需要哪些同步？实验中可不可以省去同步过程？

（6） 对PCM可有什么改进，举出改进方式的例子。