通信报告111180147王雨PCM ADPCM编译码实验.docx

1、通信报告111180147王雨PCM ADPCM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()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

2、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、

3、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

4、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

5、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，

6、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

7、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

8、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，

9、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

10、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

11、”、“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

12、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

13、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）20050080010002000300034003600PCM译码输出Vpp（V）2.032.122.142.122.122.102.061.60ADPCM输出Vpp（V）2.012.112.132.142.132.112.041.59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

14、，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）0.212345PCM S/N（dB）4.920 26.230.319.919.0ADPCM S/N（dB）7.020.526.330.420.118.7分析：从上面的表格可以看出：随

15、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

16、，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

17、特性。以13 段折线近似的A 律(A=87.56)和15 段折线近似的律(=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close allclear alla = 0 0 1 0 0 0 1 0;1 0 1 0 0 0 0 1;1 0 0 0 1 1 1 0;1 0 0 0 1 1 1 0;1 0 1 0 0 0 1 0;0 0 1 0 0 0 0 1;0 0 0 0 1 1

18、 1 0;0 0 0 0 1 1 1 0;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); endend 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 =

19、 1:80; for(i = 1:80) ss(10*i) = s(i);endsubplot(221);plot(k,s);axis(0 80 -100 100);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(0 10000 0 0.05);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)

20、;plot(t,xt);axis(0 0.005 -20 20);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(0 10000 0 0.05);title(低通滤波之后信号的频谱(A_LAW);xlabel(Hz);逆u律解码程序close allclear alla = 0 0 1 0 0 0 1 0;1 0 1 0 0 0 0 1;1 0 0 0 1 1 1 0;1 0 0 0 1 1 1 0;1 0 1 0 0 0 1 0;0 0 1 0 0 0 0 1;

21、0 0 0 0 1 1 1 0;0 0 0 0 1 1 1 0;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) case 1 %第一段内计算编码值 if(n = 1) s(i) = 0; else s(i) = 2*(n-1); end case 2 s(i) = 4*(n-1)+33; case 3 s(i) = 8*(n-1)+99; case 4 s(i) = 16*(n-1)+231; case 5 s(i)

22、= 32*(n-1)+495; case 6 s(i) = 64*(n-1)+1023; case 7 s(i) = 128*(n-1)+2079; case 8 %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); endend 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);endsubplot(221);plot(k,s);ax

23、is(0 80 -6000 6000);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(0 10000 0 30);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(0 0.005 -500 500);title(低通滤波之后的信号波形(u_LAW); f1,sf

24、f = t2f(t,xt); %傅里叶变换subplot(224);plot(f1,abs(sff),r);axis(0 10000 0 3);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)%This is a function using the FFT function to calculate a signals Fourier%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);