实验四 脉冲编码调制(PCM)实验

一、实验目的
通过本实验,学生应达到以下要求:
1,了解语音信号PCM编译码的工作原理及实现过程.
2,验证PCM编译码原理.
3,初步了解PCM专用大规模集成电路的工作原理和应用.
4,了解语音信号数字化技术的主要指标,学习并掌握相应的测试方法.

二、实验内容

本实验可完成以下实验内容：

n  观察测量PCM调制解调的各种时隙信号

n  观察编译码波形

n  测试动态范围、信噪比和系统频率特性

n  对系统性能指标进行测试和分析

u  系统输出信噪比特性测量

u  编码动态范围和系统动态范围测量

u  系统幅频特性测量

u  空载噪声测量

三、基本原理
   脉冲编码(PCM)技术已经在数字通信系统中得到了广泛的应用.十多年来,由于超大规模集成技术的发展,PCM通信设备在缩小体积,减轻重量,降低功耗,简化调试以及方便维护等方面都有了显著的改进.目前,数字电话终端机的关键部件,如编译码器(Codec)和话路滤波器等都实现了集成化.本实验是以这些产品编排的 PCM 编译码系统实验,以期让实验者了解通信专用大规模集成电路在通信系统中应用的新技术.
    PCM 数字电话终端机的构成原理如图 4.1 所示.实验只包括虚线框内的部分,故名 PCM编译码实验.

图4.1 PCM数字电话终端机的结构示意图
1、实验原理和电路说明
     PCM编译码系统由定时部分和PCM编译码器构成,电路原理图附于本章后.

u  PCM编译码原理

为适应语音信号的动态范围,实用的PCM编译码必须是非线性的.目前,国际上采用的
均是折线近似的对数压扩特性.ITU-T 的建议规定以 13 段折线近似的 A 律(A=87.56)和 15段折线近似的μ律(μ=255)作为国际标准.A 律和μ律的量化特性初始段如图 4.2 和图 4.3所示.A律和μ律的编译码表分别列于表1和表2.(附本章后) 这种折线近似压扩特性的特点是:各段落间量阶关系都是 2 的幂次,在段落内为均匀分层量化,即等间隔16个分层,这些对于用数字电路实现非线性编码与译码是极为方便的.

u  PCM编译码器简介

鉴于我国国内采用的是A律量化特性,因此本实验采用TP3067专用大规模集成电路,它
是CMOS工艺制造的单片PCMA律编译器,并且片内带输入输出话路滤波器.
TP3067的管脚如图4.4所示,内部组成框图如图4.5所示.
TP3067的管脚定义简述如下:
(1)VPO+ 收端功率放大器的同相输出端.
(2)GNDA 模拟地.所有信号都以此管脚为参考.
(3)VPO- 收端功放的反相输出端.
(4)VPI 收端功放的反相输入端.
(5)VFRO 接收部分滤波器模拟输出端.
(6)VCC +5V电压输入.
(7)FSR接收部分帧同步时隙信号,是一个8KHz脉冲序列.
(8)DR接收部分PCM码流解码输入端.
(9)BCLKR/CLKSEL位时钟(bitclock),它使PCM码流随着FSr上升沿逐位移入Dr端,位时钟
可以为从 64KHz 到 2048MHz 的任意频率.或者作为一个逻辑输入选择 1536MHz,1544MHz 或
2048MHz,用作同步模式的主时钟.
(10)MCLKR/PDN接收部分主时钟,它的频率必须为1536MHz,1544MHz或2048MHz.可以和MCKLx
异步,但是同步工作时可达到最佳状态.当 MCLKx 接低电平,MCLKR被选择为内部时钟,当
MCLKx接高电平,该芯片进入低功耗状态.
(11)MCLKx发送部分主时钟,必须为1536MHz,1544MHz或2048MHz.可以和MCLKR异步,但
是同步工作时可达到最佳状态.
(12)BCLKx发送部分时钟,使PCM码流逐位移入DR端.可以为从64KHz到2048MHz的任意
频率,但必须和MCLKx同步.
(13)Dx发送部分PCM码流编码输出端.
(14)FSx发送部分帧同步时隙信号,为一个8KHz的脉冲序列.
(15)TSx漏极开路输出端,它在编码时隙输出低电平.
(16)ANLB 模拟反馈输入端.在正常工作状态下必须置成逻辑"0".当置成逻辑"1"时,发送
部分滤波器的输入端并不与发送部分的前置滤波器相连,而是和接收部分功放的VPO+相连.
(17)GSx发送部分输入放大器的模拟基础,用于在外部同轴增益.

（18）VFxI发送部分输入放大器的反相输入端。

（19）VFxI发送部分输入放大器的同乡输入端。

（20）V₅₈接-5V电源

图4.4  TP3067管脚图

u  定时部分

TP3067编译码器所需的定时脉冲均由定时部分提供。这里只需要主时钟2048KHz和帧定时8KHz信号。

为了简化实验内容，本实验系统的编译码部分公用一个定时源以确保发收时隙的同步。在实际的PCM数字电话设备中，必须有一个同步系统来保证发收同步的。

四、实验仪器
基本仪器

可选仪器

五、实验内容
(一)、电源检查
    使用万用表检测实验箱的电源接入点和 GND 之间是否有短路现象,如果有则禁止继续实验.
    在实验箱中使用了 7805 和 7905芯片来保护实验板电子元器件,由于稳压器需要一定的电压差,故电路板上+5V,-5V的电源需要由+7V,-7V的电源通过稳压来提供.两组电源的接入点请参考电路板上的印刷文字.
    在连接电源和实验箱之前,一定要用万用表确认两组电源的电压极性和电压值正确,在
确认完全无误之前不允许将实验箱和电源连接.
(二)、时钟部分
本实验箱中所有的时隙都是从频率为4096KHz的主振分频得到.4096KHz的主振首先经分频后得到2048KHz的位定时,再经分频分相后得到8KHz的主同步时钟和路时钟.用示波器在测试点(1)观察主振波形,并测量其频率.在测试点(2),(3)和(4)观测其它时钟信号.
(三)、PCM编译码器
     将音频信号发生器输出的音频信号从(5′)～(5)输入,其中5为GND,5′为信号输入端.
输入信号的频率为1KHz,幅度为2V(峰峰值),在测试点(6)可观察到PCM编码输出的码流.(需
要指出的是,由于我们只在一个时隙上工作,而标准的基群信号中间包括32个时隙,由于没
有在其它时隙进行编码,因此编码器只在一个时隙上有输出,然后慢慢衰竭,这样从表明上
看起来PCM输出码流象一个衰减振荡).
    用连接线连接插孔(6)—(7),则在测试点(8)可观察到经译码和和接收低通滤波器恢复出的音频信号.比较该信号与输入信号的差别.
(四)、系统性能测试
系统性能测试有三项指标,即动态范围,信噪比特性,空载噪声和频率特性.
1、动态范围
     在满足一定信噪比(S/N)条件下,编译码系统所对应的音频信号的幅度范围定义为动态范围,如图4.6所示.在这里我们在音频信号的频率1000Hz时进行测量.
    动态范围的测试框图如图4.7所示.

                 图4.6  PCM编译码系统动态范围样板值

图4.7  动态范围测试框图

原理部分已经提到,PCM编译码器允许输入信号的最大幅度为4.36V.设临界过载幅

度为Vmax,这是正弦输入信号编码不过载的最大幅度.当输入信号大于临界过载幅度之后,输出信号的 S/N 急剧下降.为了确保器件的安全使用,本实验在进行动态范围这一指标测试时,最好不再对输入信号的临界过载进行验证,建议取输入信号的最大幅度为5V(峰峰值) (注意:信号要由小至大调节),测出此时的S/N 值.然后以10dB 间隔(电压值)衰减输入信号,将测试数据填入下表.

2、信噪比特性
    在上一项测试中选择出最佳编码电平(S/N最高),在此电平下测试不同频率下的信噪比值,频率选择在500Hz,1KHz,2KHz,3KHz.
   信噪比特性的测试框图如图4.8所示.

图4.8  信噪比特性测试框图

信噪比特性测试数据记录于下表

信噪比特性

3、空载噪声
将信号输入端接地,将编码器输出连接到译码器输入端,用毫伏表测量空载噪声,同ΔM
的空载噪声相比较.
4、频率特性
选一合适的输入电平,改变输入信号的频率,在测试点(8)逐频率点测出译码输出信号的
电压值.

五、实验报告
1、整理实验记录,画出PCM编译码中相应时隙的波形.

2、整理实验记录,根据实验结果绘制PCM编译码过程中相关的波形和曲线.

3、分析集成化PCM编译码系统组成及各部分的作用.

答：    PCM编译码系统由收滤波器，发滤波器，编码器，译码器，合路，分路构成。滤波器的作用是滤掉不必要的频率成分，减少噪声干扰；编码器的任务是根据输入的样值得到相应的8位二进制代码；译码器的作用是把收到的PCM信号还原成相应的样值信号。

4、对PCM和△M系统的系统性能进行比较,总结它们各自的特点.

答：    PCM和△M都是模拟信号数字化的基本方法,△M实际上是DPCM的一种特例。在相同的信道传输速率下，对于量化信噪比，在传输速率低时，△M性能优越，在编码位数多、码率较高时，PCM性能优越。在编码位数时，△M性能优于PCM性能;△M与PCM抗干扰性能取决于误码的影响。由于△M中误码只会引起2的脉冲幅度误差，而在PCM中误码所引起的误码脉冲幅度一般大于2,所以，在同样误码条件下，△M系统质量优于PCM质量。如果希望两者有相同的误码噪声功率，则PCM系统中误码率小于△M系统中的误码率;△M比PCM更适用于对语音信号和图像信号的编码。PCM系统的特点：多路信号统一编码，一般采用8位编码(语音信号).编码设备复杂，但质量较好。PCM系统一般用于大容量的干线通信。△M系统的特点：单路信号单用一个编码设备，设备简单，一般数码率比PCM的低，质量次于PCM。△M一般适用于小容量支线通信，话路增减方便灵活。

5、在实际的通信系统中收端(译码)部分的定时信号是怎样获取的

答：    译码器所需的定时脉冲均由定时部分提供。在实际的 PCM 数字电话设备中，必须有一个同步系统来保证发收同步。

6、通过本实验还有什么收获和体会
     这次实验，通过动手体验脉冲编码调制的过程，我对PCM编译码的工作原理有了深入的认识，学会了对PCM编译码系统的性能进行测试，如动态范围、信噪比特性。我还学会了用失真度测试仪的测失真度的简单步骤和方法，第一次使用失真度测试仪确实有点摸不着头脑，拿着一本手册，对着仪器研究了好半天，还看了老师的演示，最后才弄明白整个的使用过程。实验过程中，我们也遇到过一些麻烦，一开始我和组员观察测试点（2）的时候，示波器总是不能完整地显示（2）的波形，我们把示波器调来调去就是不行，然后我们换了一台仪器，还是同样的情况，我们总觉得是PCM板有问题，因为电路连线很简单，而且我们用万用表检查了几遍都没问题，最后我们只好请教老师，老师动了动示波器的几个旋钮测试点（2）波形就出来了。这让我们很惭愧，做了这么多的实验，连示波器的简单调节都没学会。通过这个小插曲，我发现我在试验中解决问题的能力有待提高，对仪器的熟练度也有待练习。实验中出现的其他问题也不少，我们都一一地解决，完成了实验。总之，这次实验使我明白，实验不能只是按照实验指导一步步地死磕，遇到问题不能依赖老师，要动脑子，想办法，这样才能是自己提高。

第二篇：实验五 PCM编译码实验

实验五    PCM编译码实验

一、   实验目的

1、 了解帧的结构、帧组成过程

2、 学习并掌握声音的双光纤传输技术以及单光纤传输技术。

3、 进一步掌握WDM的使用方法。

二、   实验内容与要求

1、 学习时分复用通信系统中一次群系统帧的组成结构

2、 测量一次群系统帧传输格式

3、 用波分复用器实现声音信号单光纤同时传输。

三、   实验仪器

1、 JH5002A+型光纤通信实验系统                                                               一台

2、 20MHz双踪示波器

3、 音频信号源（电话）

4、 FC-FC波分复用器（1310nm/1550nm）两个                                             一台

四、   基本原理

在数字传输系统中，几乎所有业务均以一定的格式出现（例PCM以8比特一组出现）。因而在信道上对各种业务传输之前要对业务的数据进行包装。

信道上对业务数据包装的过程称之为帧组装。不同的系统、信道设备帧组装的格式、过程不一样。TDM制的数字通信系统，在国际上已逐步建立起标准并广泛使用。TDM的主要特点是在同一个信道上利用不同的时隙来传递各路（语音、数据或图象）不同信号。各路信号之间的传输是相互独立的，互不干扰。

32路TDM（一次群）系统帧组成结构示意见图 2?1。

图 2?1  32路TDM帧组成结构示意图

在一个帧中共划分为32段时隙（T₀～T₃₁），其中30个时隙用于30路话音业务。T₀为帧定位时隙（亦称报头），用于接收设备做帧同步用。在帧信号码流中除有帧定位信号外，随机变化的数字码流中也将会以一定概率出现与帧定位码型一致的假定位信号，它将影响接收端帧定位的捕捉过程。在搜索帧定位码时是连续的对接收码流搜索，因此帧定位码要具有良好的自相关特性。时隙T₁～T₁₅用于话音业务，分别对应第1路到第15路话音PCM码字。时隙T₁₆用于信令信号传输，完成信令的接续。时隙T₁₇～T₃₁用于话音业务，分别对应第16路到第30路话音PCM码字。

  在“JH5002A+型光纤通信原理综合实验系统”中，E1复接信号传输上采用了标准的TDM传输格式：定长组帧、帧定位码与信息格式。一帧共有32个时间间隔，按8个bit一组分成了一个一个的固定时隙，各时隙分别记为T₀、T1……和T₃₁。T₀时隙为帧定位码，帧定位的码型和码长选择直接影响接收端帧定位搜索和漏同步性能，Barker码具有良好的自相关特性。本同步系统中帧定位码选用7位Barker码（1110010），使接收端具有良好的相位分辨能力；T₁ 时隙为开关信号，8位跳线开关数据全可变，便于学生对信号传输的观测；T₂时隙为特殊码序列，共4种码型可选；权衡实验箱的硬件成本和实验效果，“JH5002A+型光纤通信原理综合实验系统”硬件平台提供一套电话接口和PCM编译码器模块，但话音业务PCM编码数据信号的时隙位置可让学生随意控制插入在T₃、T₄、……T₁₅或T₁₇、T₁₈、……T₃₁任一位置（注：若插入到 T₀、T₁、T₂和T₁₆位置会对该时隙内数据形成干扰）。T₀～T₃₁复合成一个2.048Mbps的标准数据流在同一信道上传输。

五、   文字说明步骤：

1，  按图中的黑色字体指示，设置好各模块的跳线器

2，  按绿色连线指示，连接好5B6B编码模块输出数据 到1310的数字输入短接线，连接好数字输出到5B6B 译码模块 的输入数据短接线

连接好CMI编码模块输出数据 到1550的数字输入短接线，连接好数字输出到CMI 译码模块 的输入数据短接线

3.实验箱左边的电话1和右边的电话2分别接上电话机。

4. 此时数字传输系统二的解复接的接收开关状态指示应和复接模块的K302的跳线接入一致，上到下138灯亮，此时没有对应亮灯，可以微调1310模块的判决电平可调电位器

此时数字传输系统一的解复接的接收开关状态指示应和复接模块的KD02的跳线接入一致，上到下168灯亮

此时没有对应亮灯，可以微调此时没有对应亮灯，可以微调1550模块的判决电平可调电位器

5，进行电话呼叫。分别拿起电话应该有拨号音。实验箱左边的电话拨2，则右边的电话2振铃。

左边的电话挂机，实验箱右边的电话拨1，则左边的电话1振铃。