通信报告111180147王雨PCM ADPCM编译码实验.docx
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通信报告111180147王雨PCMADPCM编译码实验
PCM/ADPCM编译码实验报告
111180147通信工程王雨
一、实验目的
1、了解语音编码的原理，验证PCM/ADPCM编译码原理；
2、比较A律和μ律编码，掌握两者的编码特点；
3、对比PCM和ADPCM编码的相同点和不同点；
二、实验仪器
1、JH5001（Ⅲ）通信原理基础实验箱一台
2、双踪示波器一台
3、函数信号发生器一台
三、实验原理
实际语音通话中通过将语音信号抽样、量化、编码之后再通过信道传输。
本实验利用MC145540集成电路完成PCM/ADPCM编译码功能，通过对试验箱上各点波形的观测，对比PCM和ADPCM两者在抽样时钟、编码数据和输入输出时钟等方面的区别。
实验电路框如下图所示：
实验中将不同开关置于不同位置、示波器探头测量不同测试点以得到不同观测波形，对这些波形进行分析即可得出相应结论。
四、实验内容及分析
1.准备工作：
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。
将跳线开关K501设置在右边。
2.PCM/ADPCM编码信号输出时钟和抽样时钟信号观测
a、输出时钟和抽样时钟即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。
测量、分析和掌握PCM编码抽样时钟信号与输出时钟的频率、占空比以及它们之间的对应关系等。
★实际测得PCM编码抽样时钟与输出时钟的波形如图二所示，其中黄色代表抽样时钟信号（TP504），蓝色代表编码输出时钟信号（TP503）。
分析：
由对上图的测量可以看出：
编码抽样时钟信号频率为8KHz，脉冲宽度约为32us，可以算出编码抽样时钟信号的占空比约为
；而编码输出信号的频率为256KHz，占空比约为
。
而且，在抽样脉冲的高电平部分，编码输出时钟有8个脉冲，即进行了PCM编码，且为8bit/s。
所以PCM的传输速率为8KHz*8bit=64Kbps。
如下图三为在芯片MC14550x的pdf上截取的时序图（如下），与实际测量的出的关系一致。
b、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。
★实际测得PCM抽样时钟信号与编码输出数据信号的波形如图四所示。
其中黄色代表抽样时钟信号（TP504），蓝色代表编码输出数据信号（TP502）。
分析:
图中抽样时钟信号和编码输出数据信号的脉冲宽度是一样的。
而由图三我们可以知道，一个抽样脉冲的宽度与8bit的采样编码数据的宽度是一样的，这里之所以没有编码数据的输出，是因为信号输入端还没有输入信号，故最后输出的数据均为全1。
当有信号输入时，PCM量化编码后输出的是“0”、“1”的数字信号，这些信号可根据A律或u律将其恢复成原来的电平，再经过抽样、滤波恢复原始的波形。
c、将复接解复接模块中的跳线开关KB03置于右端ADPCM编码位置，此时MC145540工作在ADPCM编码状态。
重复上述步骤，比较PCM编码和ADPCM编码时序,码元传送速率上的区别。
ADPCM输出时钟和抽样时钟即帧同步时隙信号
★实际测得ADPCM编码抽样时钟与输出时钟的波形如图五所示，其中黄色代表抽样时钟信号（TP504），蓝色代表编码输出时钟信号（TP503）。
分析：
由对上图的测量可以看出，编码抽样时钟信号频率为8KHz，脉冲宽度约为15us，可以算出编码抽样时钟信号的占空比约为
，而编码输出信号的频率为256KHz，占空比约为
。
而且，在抽样脉冲的高电平部分，编码输出时钟有4个脉冲，即进行了ADPCM编码，且为4bit/s。
所以ADPCM的传输速率为8KHz*4bit=32Kbps。
这个结果是与理论值相符的。
抽样时钟信号与ADPCM编码数据测量
★实际测得ADPCM抽样时钟信号与编码输出数据信号的波形如图六所示。
其中黄色代表抽样时钟信号（TP504），蓝色代表编码输出数据信号（TP502）。
分析：
与PCM编码相同，抽样时钟脉冲宽度与编码输出数据宽度相同，但每一个输出数据只包含了4bit的信息，这是与PCM编码不同的地方。
这也造成了PCM和ADPCM在编码速率上的差别，PCM是64Kbps，而ADPCM是32Kbps。
3、PCM编码
将跳线开关KB03置于左端PCM编码位置，用函数信号发生器产生一个频率为1KHz、电平为2Vp-p的正弦波（幅值需用示波器测量）测试信号送入信号测试端口TP001和TP002（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。
由于是对1kHz信号进行8KHz采样，因此必须记录下连续的8个编码数据。
由测量数据，按照A律13折线或u律15折线编码规则通过matlab计算恢复正弦波形。
要求编写matlab程序将所测量的PCM编码数据按照G.711标准中的A律和u律编码规则恢复为电平值，按A律和u律需分别绘出至少3张图：
PCM编码数据恢复后的波形图及其频谱图。
将采样点插值后得到平滑正弦波形图。
★调节示波器的时间轴旋钮，使屏幕中能够显示至少8个抽样脉冲，按下stop键。
接着将波形展开，从左到右依次将数据读出。
如下图所示。
分析：
从上图中展开依次读出的编码数据为：
00100010,10100001,10001110,10001110,10100010,00100001,00001110,00001110
从读出的编码数据可以看出，第一个数据和第五个数据除了第一个符号位相反外，其他数据位均相同。
依次下去，第二个和第六个、第三个和第七个、第四个和第八个同样满足此规律。
这是由于正弦波的波形上下对称引起的。
根据G.711编码规则利用matlab分别编写逆A律和逆μ律程序，将得到的8个数据逆推回编码之前的数据，恢复出输入信号的波形，并据此确定实验箱采用的是A律编码还是μ律编码。
得到仿真图形分别如下图所示。
采用逆A律规则解码出的波形
采用逆μ律规则解码出的波形
分析：
由仿真结果可以看出，采用逆A律规则解码时得到的并不是一个1KHz的单频正弦波，还有很多其他频谱分量。
而采用逆u律规则解码时得到的确实是一个1KHz的单频信号。
于是我们可以得出这样的结论：
本实验箱采用的编码规则是u律编码。
4、ADPCM编码
将跳线开关KB03置于右端ADPCM编码位置，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TP001和TP002（地）。
观察连续9个采样点的编码数据，是否能观察到如PCM编码数据一样的规律，为什么？
★观测到的连续9个采样点的编码数据依次展开为1111、1010、1110、0001、0010、0111、1111、0001、1111。
分析：
ADPCM编码与PCM编码不一样，编码位数只有四位，并不能直接观察到和PCM编码数据一样的规律，特别是观察首位的“0”、“1”，并不能看出明显的正负，第一个和第五个也没有十分明显的对应关系，说明二者的编码方式并不一样。
ADPCM是自适应增量编码，后一个码元和前一个码元是相互关联的。
5.PCM译码器
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）。
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。
★刚开始测得的解码信号与输入信号波形如图所示。
其中黄色代表输入信号波形，蓝色代表解码信号波形。
分析：
通过上面的图我们可以发现：
解码信号的时域波形失真还是比较小的，但还是存在一些毛刺，这是由于量化、编码、恢复过程中的“近似”引入了一些误差，经过低通滤波之后会使信号变得更加平滑。
此外，由频域波形可以看出，解码信号只有一个较大的频率分量，那就是1KHz，这和我们想要得到的信号是几乎符合了，除了一定的幅度变化和相位延迟之外。
6、PCM/ADPCM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PCM/ADPCM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。
比较PCM和ADPCM编码频响特性。
输入频率（Hz）
200
500
800
1000
2000
3000
3400
3600
PCM译码输出Vpp（V）
2.03
2.12
2.14
2.12
2.12
2.10
2.06
1.60
ADPCM输出Vpp（V）
2.01
2.11
2.13
2.14
2.13
2.11
2.04
1.59
分析：
从上面的表格可以看出：
调整测试信号频率变化时，当频率从200Hz变化到3000Hz的时候，输出的电平几乎维持不变，只有略微的上升和变动，然而当频率超过3400Hz的时候，电平的值急剧的下降。
对于PCM和ADPCM来说都具有这样的现象。
这是因为在输入端接了放大器，由于元器件本身的一些参数，如果信号的幅度或者频率超过范围，就无法正常工作。
编码芯片对电平值也有严格的要求，所以我们在实验中采用1000Hz的模拟信号。
这样可以不会产生失真。
7、PCM/ADPCM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，测量译码输出信号的信噪比。
观测信噪比随输入信号电平变化的相对关系。
比较PCM和ADPCM编码动态范围。
输入Vpp（V）
0.2
1
2
3
4
5
PCMS/N（dB）
4.9
20
26.2
30.3
19.9
19.0
ADPCMS/N（dB）
7.0
20.5
26.3
30.4
20.1
18.7
分析：
从上面的表格可以看出：
随着Vpp的增大。
信噪比是先增大，后减小的。
在2到3V的样子是达到了最大值，这个时候是噪声最小的时候，所以一般该系统的Vpp取2V。
这个结论对于PCM和ADPCM都是适用的。
另外，ADPCM的信噪比同等情况下要比PCM高一点。
关于电平对信噪比的影响的原理和上一题类似。
8、按照G.726标准编写ADPCM仿真程序。
（见后附）
五、实验中遇到的问题与实验总结
1、本次实验也主要以验证性为主，涉及到了我们还没有学习过的内容，就是A律编码和μ律编码，但通过老师简单讲授和自己课外自学之后，也能将这部分内容大致理解了，这也算一个收获吧，等到理论课学习时就会轻松许多。
2、第三个验证试验即从示波器读出连续八个采样值，通过PCM的逆运算，验证输出波形是否为输入的正弦波，测了将近6组数据，最后得到的波形失真还是很大，频谱中也可以看到有1KHz和3KHz两个分量，最后肯定不是自己读数的问题，就换了一个实验箱重新测量，结果一次性就成功了。
问了许多其他同学，也有很多出现和我类似的情况的，都通过重新读数或者换实验箱解决了。
3、在PCM译码验证实验中，观测最后解码恢复出的波形产生很大的失真，实验箱中哪里耦合了一个3KHz的信号，之后也是通过换实验箱解决的。
4、PCM编码系统由定时部分和PCM编译码器构成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。
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）是最常用的。
我国国内大多采用的是A律量化特性，而本实验使用的μ律编码，使用matlab可以进行逆变化将其还原为模拟信号。
5、这次实验之后，对于matlab的使用也更加熟悉了，为接下来的实验做了一定的铺垫。
附matlab代码：
%PCM解码程序
%逆A律解码程序
closeall
clearall
a=[00100010;10100001;10001110;10001110;10100010;00100001;00001110;00001110;];
for（i=1:
8）
m=a（i,2）*4+a（i,3）*2+a（i,4）;%计算段落码
n=a（i,5）*8+a（i,6）*4+a（i,7）*2+a（i,8）;%计算段内码
if（m==0||m==1）
s（i）=32*m+2*n+1;
else
s（i）=2.^（m+4）+（2.^m）*n+2.^（m-1）;
end
if（a（i,1）==0）
s（i）=-s（i）;
end
end
for（j=9:
80）%将信号周期延拓
s（j）=s（j-8）;
end
t=0.125e-4:
0.125e-4:
0.01;
k=1:
80;
for（i=1:
80）
ss（10*i）=s（i）;
end
subplot（221）;
plot（k,s）;axis（[080-100100]）;
title（'PCM编码数据恢复后的波形图（A\_LAW）'）;
[f,sf]=t2f（t,ss）;%傅里叶变换
subplot（222）;
plot（f,abs（sf）,'r'）;axis（[01000000.05]）;
title（'PCM编码数据恢复后的波形的频谱（A\_LAW）'）;
xlabel（'Hz'）;
[b,a]=butter（8,3400*2*0.125e-4）;%低通滤波
xt=filter（b,a,ss）;
subplot（223）;
plot（t,xt）;axis（[00.005-2020]）;
title（'低通滤波之后的信号波形（A\_LAW）'）;
[f1,sff]=t2f（t,xt）;%傅里叶变换
subplot（224）;
plot（f1,abs（sff）,'r'）;axis（[01000000.05]）;
title（'低通滤波之后信号的频谱（A\_LAW）'）;
xlabel（'Hz'）;
逆u律解码程序
closeall
clearall
a=[00100010;10100001;10001110;10001110;10100010;00100001;00001110;00001110];
for（i=1:
8）
m=8-（a（i,2）*4+a（i,3）*2+a（i,4））;%计算段落码
n=16-（a（i,5）*8+a（i,6）*4+a（i,7）*2+a（i,8））;%计算段内码
switch（m）
case1%第一段内计算编码值
if（n==1）s（i）=0;
elses（i）=2*（n-1）;
end
case2
s（i）=4*（n-1）+33;
case3
s（i）=8*（n-1）+99;
case4
s（i）=16*（n-1）+231;
case5
s（i）=32*（n-1）+495;
case6
s（i）=64*（n-1）+1023;
case7
s（i）=128*（n-1）+2079;
case8%第八段内计算编码值
s（i）=256*（n-1）+4191;
end
if（a（i,1）==0）
s（i）=-s（i）;
end
end
for（j=9:
80）%将信号周期延拓
s（j）=s（j-8）;
end
t=0.125e-4:
0.125e-4:
0.01;
k=1:
80;
for（i=1:
80）%将信号压缩
ss（10*i）=s（i）;
end
subplot（221）;
plot（k,s）;axis（[080-60006000]）;
title（'PCM编码数据恢复后的波形图（u\_LAW）'）;
[f,sf]=t2f（t,s）;%傅里叶变换
subplot（222）;
plot（f,abs（sf）,'r'）;axis（[010000030]）;
title（'PCM编码数据恢复后的波形的频谱（u\_LAW）'）;
xlabel（'Hz'）;
[b,a]=butter（8,3400*2*0.125e-4）;%低通滤波
xt=filter（b,a,ss）;
subplot（223）;
plot（t,xt）;axis（[00.005-500500]）;
title（'低通滤波之后的信号波形（u\_LAW）'）;
[f1,sff]=t2f（t,xt）;%傅里叶变换
subplot（224）;
plot（f1,abs（sff）,'r'）;axis（[01000003]）;
title（'低通滤波之后信号的频谱（u\_LAW）'）;
xlabel（'Hz'）;
子程序--时域转换为频域
function[f,sf]=t2f（t,st）
%ThisisafunctionusingtheFFTfunctiontocalculateasignal'sFourier
%Translation
dt=t
（2）-t
（1）;
T=t（end）;
df=1/T;
N=length（st）;
f=-N/2*df:
df:
N/2*df-df;
sf=fft（st）;
sf=T/N*fftshift（sf）;
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