实验七、八ΔM编码、译码综合实验

学生实验报告

课程名称 通信原理实验 班级，分组 姓名，学号 实验名称 实验七、八ΔM编码、译码综合实验 实验时间 2016年12月12日 指导教师 报 告 内 容 何志红 一、实验目的 1．加深理解语音信号的增量调制编、译码原理。 2．了解简单增量调制(ΔM)，压扩增量调制(ADM)系统的方案，组成和特点。 3．对系统的主要技术指标进行实验测试、计算和分析，学会对这些主要指 标的测试方法。 4．对简单增量调制与压扩增量调制方式的电路性能作对比分析。 二、实验原理和电路说明 3．1概述 增量调制是采用一位二进制数码来表示信号此时刻的值相对于前一个取样时刻的值是增大还是减小，增大发“1”码，减少发“0”码，数码的“1”、“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。收端译码则是每收到一个“1”码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量价，每收到一个“0”码下降一个量价。当收到连“1”码时，表示信号连续增长。当收到连“0”码时，表示信号连续下降。译码输出再通过低通滤波器滤去高频量化噪声，从而恢复原信号。因此，当取样频率足够高时，量价的大小取得恰当，收端恢复的信号与原信号非常接近、量化噪声可以很小。 增量调制的突出优点是：设备简单，能以较低的数码率进行编码。特别是用在单路数字电话，增量调制更有吸引力。因为单路增量系统根本不需解决收发同步问题，而脉码调制即使是单路通信也需要同步码组。增量调制这一优点正是任意选址通信。轻型数字式宽带散射通信。微波中继通信和卫星通信等特殊方式所企求的。 目前在各种改进型增量调制中，对于话音信号编码来说，以数字音节压扩总和增量调制的效果比较好，目前采用得比较多。对话音的清晰度和自然度，在32千比特/秒的数码率的情况下，试听效果比较满意。 3．2 简单增量调制 3．2．.1 工作原理框图 图2一1(a)为增量编码框图，它是由相加电路与放大限幅器(二者合在一起通常称为比较器)，定时判决电路和本地译码器三部分组成。比较器输入端有一个相加电路，本地译码信号的反相值-S1(t)与原话音信号S(t)相加，实现s(t)和S1(t)相减，得出差值信号e(t)。 e(t)=S(t)－S1(t)设s1(t)小于原话音信号s(t)，则误差信号e(t)为正，根据增量编码规则，e(t)为正发1码。 图2.1 增量调制工作原理框图 编码器输出数码P(t)为“1”码。数码P(t)同时送给本地译码器，本地译码器收到“1”码，按增量译码规则产生一个正斜变电压，使s1(t)上升，实际电路是将P(t)反相变成-P(t)再译码，译出的信号为-s1(t)，如果用P(t)译码、译出的是s1(t)。反相的目的是为了实现s(t)与s1(t)相减。(为了讲述方便以后我们都用s1(t)与s(t)来比较大小，画图也用s1(t)来表示)。如果s1(t)大于s(t)，则编码器发“0”码，令本地译码器产生一负斜变电压，使本地译码信号s1(t)下降，因此本地译码信号s1(t)在编码过程始终跟踪原话音信号s(t)上下变化，误差在一个量阶q左右。这样一个编码系统实际上是一个负反馈环路。它的特点是，每隔一定的取样时时间隔T，进行一次反馈调整，而不是随时连续的调整。调整的结果，使本地译码信号Sl(t)始终跟踪原话音信号S(t)，使差值信号e(t)保持极小值。这种情况大致就像汽车通过驾驶盘不断地转动使它沿着正确的方向前进一样，原话音信号就像是通路，而汽车行走的轨迹就像是跟踪信号。只要行车速度不是太快，而每次调整的相隔时间不是太长，尽管汽车不是沿着道路中心线前进，但也不会跑到道路外边去。把这样的二进制数码，通过信道传递出去，在收端按同样规则动作，也就可以得到同样的跟踪波形。 现在让我们分析一下静态，即无信号S(t)输入时，编码器P(t)输出什么样的码型，本地译码信号S1(t)的波形是个什么样子。 当S(t)=0时，我们先假设在tl时刻Sl(tO)= －q/2，信码P(tO)在tO时刻之前“0”码(见图1一2)。则误差信号e(t0)在时刻为 e(t0)s(t0)s(t0)0(q/2)＝q 2根据编码规则，e(t)>0时发“1”码，信码在to时刻由“0”变“1”。在to之后Sl将在-q/2基础上产生一个正斜度变电压，到t1时刻上升到+q/2。这时 e1(t)s(t1)s(t1)0(q/2)q/2 根据编码规则，e(t)<0发“0”码，Sl在tl之后将在+q基础上产生一负斜变电压，到t2时刻，Sl(tl)又下降到-q/2，这时e(t2)>0发“1”码。结果输出码流P(t)的码型为一系列“0”“1”交替的脉冲码，S1(t)为三角形波。 增量调制静态时输出“1”“0”交替码，而PCM编码静态时输出全“0”码。这一点是绝然不同的，静态时增量调制能否输出“1”“0”交替码是检查增量调制工作正常与否的一个依据。其输出频率正好是取样频率的一半。如图2一2 3．2．2 简单增量调制特性 1. 过载特性 译码器输出的译码信号，是由一些上升或下降的斜串直线段组成，上升段称为正斜变电压，下降段称为负斜变电压，每个取样时间间隔上升或下降的量阶q是相同的，译码器输出斜变电压，它的斜率是量阶q与取样周期ts的比值，即： qEqfsbRC 在编码过程中，本地译码输出的译码信号始终跟踪输入信号的变化。当输入信号斜率小于译码信号斜率qfs时，本地译码的输出信号完全有能力跟上它。如果大于qfs时．本地译码输出信号斜率就无法跟上而引起过大的误差，这个现象称为过载。 对于正弦信号，输入信号的斜率等于输入信号f(t)对时间求微商。 df(t)Accosct dtAcqfsdf(t)dtAt max只要满足，就不会发生过载现象。所以临界过载电压振幅Am为 AmqfscE2RCfs 可见，在E、RC一定时，或者量阶和取样频率fs一定时，过载电压与信号频率fs成反比 2. 量化信噪比 长时间统计平均量化噪声功率N2(N为频带受限制的平均量化噪声电压)等于从-q到q区间的积分平均值。 量化噪声是一种随机噪声，占有很宽的频谱，其功率大部分是集中在0－fs范围内，而且在低频端是均匀的。由此可求得在话音带内的量化噪声功率Na2为： q2f0N3fs 2a在末过载时，量化噪声与信号幅度无关，因此信号越大信噪比也越高，在临界幅度Am时，量化信噪比达到最大值。对于正弦信号，不过载时功率的最大值Sm2(Sm2为信号电压效值)为 2Amfs2q2S22 28fc2m可求得最大量化信噪比为： SmNafs30.04ff2ac 2SmNa(1430lgfs10lgfa20lgfc)dBdB 最大量化信噪比随取样频率fs增高以每倍程9dB的速度增大，随低通截止频率fa的增高以每倍程3dB的速度下降，随信号频率fc的增高以每倍程6dB速度下降。 3. 编码动态范围Dc和系统动态范围D 编码动态范围是指编码器临界编码时的最大输入信号电压Am和起始编码时输入信号电压Ak之比。是指输出码位有变化的输入信号变化范围。 Dc20lgAm Ak对于ΔM，已知Akqffq，Ams则得Dc20lgs cfc2系统动态范围是指满足语音质量要求的最小输出信噪比时，所允许的输入信号变化范围。 3．3 数字压扩增量调制（CVSD） 对于ΔM，由于它们的Δ是固定不变的，采用较大的台阶电压时，近似信号能很快地跟踪话音信号的突变部分，从而使过载噪声减小：但量化噪声增大。反之，当采用较小的台阶电压时，虽量化噪声减小，但过载噪声增大。解决这个矛盾的最好方法是采用自适应增量调制。下面是一种数字检测音节压缩和扩张增量调制，简称数字式音节压扩增量调制(音节压缩，即台阶电压Δ值，不是瞬时地随输入信号的幅度而变化，而是按输入信号的一个音节改变，所谓音节是指输入信号包络变化的一个周期。对于语音信号，一个音节一般约为10ms，按音节改变。即在某个音节内，台阶电压保持不变，而在其它音节里，将随之改变，所以音节压缩就是使Δ随音节内平均斜率的变化而变化)。这种方案的核心是在ΔM的基础上采用数字检测器。用数字检测器在语音信号的码流中，按音节变化规律提取控制信号，并以此控制信号去控制台阶电压发生器，使台阶电压的大小按音节规律变化。 图2.3是数字式音节压扩自适应增量调制的方框图。它由四级移位寄存器、四与或非门、积分器等组成。数字检测器的控制电压是根据码流中四个连“1”或四连“0”的数目来提取。当连续四个同极性的数字脉冲出现时，控制电压有输出，台阶电压Δ增大。 图2.3(a) 数字音节压扩自适应增量调制原理方框图 移位寄存器的作用是在时钟脉冲源CP的作用下，保证相邻四位作下列逻辑运算。 Z＝ABCD＋ABCD (2-2) 当有四个以上码元符号相同时，输出Z为低电平;反之为高电平。通过电压变换和RC音 节平滑滤波电路，取得控制电压VC去控制台阶发生器，从而产生可变台阶电压Δ。当控制电压由零变为最大值时，台阶电压也从零变为最大Δmax。实际上Δ为零的情况是不容许的。因为这将导致M无法对小信号编码。为了保证控制电压为零时，不发生台阶电压为零的状态，在可变台阶发生器上加一个小的恒定电压r，使台阶发生器产生一个最小的Δ以便对小信号编码。 三、实验方案 实验方案、原理方框图，如图2.3(b) 图 2.3b 四、实验内容和数据记录 准备工作： 1、按实验板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机； 2、把实验板电源连接线接好； 3、开机注意观察电流表 正电流 ＋I<120mA 喇叭不发声 ＋I<350mA 喇叭发声 负电流 －I<60mA 若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。 ７．１ 简单增量调制实验 开关位置：S4 ３接４，为简单增量调制 S6接2、选CP=32KHz S3接2，编码器为工作状态 S5接2，译码负载接喇叭 ①测量P8时钟信号的波形和频率：作记录 ②测量P1同步信号源波形和频率。 S1接2、4、，Pl接示波器、频率计、应能看到频率为800Hz左右的正弦波，调节W1幅度应平稳变化的正弦波，S1改接1、3，应能看到放大的正弦波。 ③测量静态时，编码器输出P2，本地译码波形P3和时钟信号P8之间的相互关系。观察P3时，Y轴衰减置最小，并且“AC”输入。 无信号时即为静态，这时应把Wl向左转至最小。P3的幅度即为量阶的大小。做好记录。注意这三者之间的频率，幅度，相位之间的相互关系。 ④测量起始编码波形 在③静态工作时，把示波器扫描频率转低，这时你可以观察到本地译码波形是一等幅三角波，P2编码输出也是等幅均匀的方波。Wl电位器向右缓慢旋转，转到一定位置时，你会看到P3本地译码信号开始起伏。在对应本地译码起伏的位置上，P2编码输出脉冲宽度会发生变化。这时把收端译码电位器W2开置最大，喇叭会发声，这就是起始编码状态(在静态时收端喇叭是不发声的。)记下此时P2、P3波形，测量Pl的幅度Ak。注意Ak和量阶P3之间的关系，观察起始编码发生在什么时刻。 ⑤测量正常编码时Pl、P2、P3各点波形。 在④状态下，继续增大输入信号，这时你会看到本地译码波形逐渐跟踪输入信号的变化过程，信号较大时，跟踪波形会较好。当输入信号增大到一定程度P2输出会发生连码。输入信号越大，连码越多。选一合适工作状态。记录这三点的波形。 ⑥测量临界编码状态，Pl、P2、P3各点波形。 在⑤状态下，继续增大输入信号，．你会发现本地译码信号上、下两端只出现一个凹口的波形，此时P2输出波形只有对应本地译码凹口部分有码位变化。其余部分为全“0”码或全“1”码。这就是临界编码状态。记录此时波形并测量Pl的幅度Am ⑦测量过载编码时Pl、P2、P3各点波形。 在⑥状态下，调Wl继续增大输入信号，这时本地译码会出现锯齿波，P2输出码变为全“1”，全“0”码。当继续增大输入信号时，输出码型和本地译码均不会发生变化。输出译码信号不随输入信号而变化，这就是过载编码状态。记录此时的P2、P3波形。 ⑧计算简单增量调制编码动态范围 Dc＝20lgAmAk 注意这里编码动态范围的定义与PCM编码有不同的含义。在PCM编码中，编码动态范围D是要在满足一定信噪比(例如电话2OdB)情况下来计算。而增量调制的编码动态范围没有信噪比这限制。只反映了输出码流可变化的范围。 *⑨测量简单增量调制的过载特性。 (1)fs定值，测fcp一Am关系曲线。 选fs为实验装置同步信号源800Hz，改变时钟为64、32、16、8KHz，即S6开关分别接1、2、3、4。示波器Y输入接P3，调整Wl，分别记录不同fcp时的临界编码状态Pl的幅度Am，并标出变化曲线。 (2)fcp为定值，测fs－Am关系曲线。 选fcp=32KHz，即S6接2。取下S1接1或2的短路开关。外接音频信号发生器的输出信号接入Sin。示波器Y输入接P3，改变信号发生器的频率。调节信号发生器幅度输出和实验装置W1，分别记录不同输入信号时临界编码Pl的幅度。并标出变化曲线。 7．2 压扩增量调制实验 ①测量压扩编码动态范围 在简单增量调制刚好达到过载时，把S4改接1、2，这就是压扩编码工作状态。这时你可看到原来己经过载的编码波形立即变为正常编码状态。继续加大输入信号一直到本地译码又出现临界编码状态。(如果Wl电位向右旋至最大仍不出现临界编码波形，可把Sl开关改1、3)，记下此时Pl的幅度Am。然后减小输入信号使编码器工作于起始编码状态。(此时示波器接P3探头应置1︰1，Y轴衰减置最小挡才能观察到此波形)。记下此时的Pl的幅度Ak，压扩编码动态范围D。 D20lgAmAk Vp-p=2Ak=q1=0.06V Vp-p=2Am=2.48V ②测量压扩控制信号 调W1输入信号由小到大变化。以P2为基准比较P2、P3、P4、P5、P6、P7波形幅度。 P1=5mVp-p,P2少于四连码时，P4无连码检测脉冲信号输出，。P5无控制电压，P6、P7脉冲幅度不变。 Pl=2Omvp-p P2等于四连码时，P4有脉冲信号输出，P5有控制电压，P6、P7脉冲幅度增大。 P1＝1vp-p,P2多于四连码时，P4脉冲宽度加大，P6、P7幅度进一步增大。P2连码越多，P6、P7幅度越大。 测量压扩临界编码时最大量阶qmax和起始编码最小量阶qmin，脉冲压缩比K。 K20lgqmax qminqmin——静态时P3幅度。 qmax——临界编码P3幅度除于P8包含的时钟数。 Vp-p=5.0V Vp-p=6.0V Vp-p=2.8V Vp-p=3.2V Vp-p=7.1V Vp-p=8V K20lg*③测量压扩增量调制过载特性。 (1)测量取样频率为定值时过载特性。 取下Sl开关的两个短路开关，从外面信号发生器送信号至Sin输入。时钟频率S6开关选2，即CP为32KHz，改变低频信号发生器的频率fs，测量各频率点上临界过载时信号的幅度Am，标出fs－Am关系曲线即为所求。 (2)测量输入信号为定值800Hz时过载特性。 取下Sl开关的两个短路开关，从外面信号发生器送800Hz音频信号，改变S6开关位置CP从64KHz、32KHz、 l6KHz、 8KHz变化，测量不同CP时临界过载编码PI的幅度Amax标出fcp－Amax关系曲线即为所求。 ④测量压扩增量调制最大输出信噪比（必做）。 qmax20lg(5/1.2)12.2qmin 增量调制的最大量化信噪比发生在接近临界编码状态。 S1开关接2、4或1、3 选800Hz同步信号源 S6开关接2 选CP=32KHz S3开关接2 编码器工作状态。 S4接1、2 压扩工作状态。 S5接1 译码输出假负载。 BSIA失真仪使用方法 (1)调Wl，使编码器处于接近临界编码状态。不要太接近临界状态，Pl约为3Vp-p，在信噪比末测完以前，W1不能再变动。 (2)示被器Y输入接译码信号输出P10，调W2可看到被译码还原的信号，把失真仪不平衡输入线接P10。 。 (3)将失真仪“分压器”开关在OdB位置，工作开关在“电压”位置。 (4)调整不平衡输入端控制衰减器开关(一般为OdB)以及实验装置W2，使被测信号电压为OdBm。在信噪比末测完时。W2不能再动。 (5)将失真仪工作开关放在“校准”位置，调整校准电位器，使电压表指示在OdBm位置。然后工作开关放在“失真度”位置。 (6)改变失真仪频率开关置相应于被测信号频率的波段，然后反复调节“频率”及“相位”旋钮，使电压表指示最小。在调测过程中，如电表指示位于表中心的左边会使变化不灵敏，当指示X大于-lOdB时，可相应改变分压器开关位置，使表头指针尽量靠近表中心的右边，此时依照分压器位置YdB和电压表指示XdB，可直接读出信噪比为(X+Y)dB，仪器X表示dB为负值，它测量的是噪信比。而我们要求的是信噪比，是它的倒数，所以我们应取XdB为正值。表头XdB读数指针位OdBm左方取正值，位于OdBm右方取负值。 (7)测试完毕后将“分压器”开关放回OdBm，将工作开关置\"校准\"位置或“电压”位置，表头指示仍应为OdBm，若指示改变，则测量方法不对或有误差，应重新进行上述方法测量。 编码器的量化信噪比与很多因素有关，每改变一个参数，都必须按(3)一(7)步骤严格进行，缺一不可。 DF4121A自动失真仪使用方法 (1)调Wl，使编码器处于接近临界编码状态。Pl约为3Vp-p，在信噪比未测完以前，W1不能再变动。 (2)示被器Y输入接译码信号输出P10，调W2可看到被译码还原的信号，把失真仪不平衡输入线接P10。 (3)输入衰减按钮弹出，指示灯熄灭。 (4)输入量程置0db，指示灯熄灭。 (5)失真度分压器按钮全部弹出。 (6)按下输入电平按钮，调整实验装置W2，使被测信号为0dbm，在信噪比未测完之前，W2不能再动。 (7)按下相对电平按钮，调节电位器，使电压表指示仍为0dbm。 (8)改变失真仪频率开关相应于被测信号频率的波段，本实验中即倍乘102，频率为8，指示灯熄灭。 (9)按下失真仪按钮，改变分压器-10－-70db按钮，使电表指示尽量在0db附近，即-10－+2db之间 (10)根据失真度分压器开关位置Ydb和电压表指示Xdb，直接读出信噪比为(X+Y)db，仪器X表示dB为负值，它测量的是噪信比。而我们要求的是信噪比，是它的倒数，所以我们应取XdB为正值。表头XdB读数指针位OdBm左方取正值，位于OdBm右方取负值。 *(11)量化信噪比与输入信号电平有关，改变输入电平后，必须按(1)-(10)步骤进行测量，可画出信噪比与输入电平关系曲线。 ⑤系统质量主观试听评价。 S1两短路开关取下放在边框GND位置上，从FM收音机输出信号接入Sin。 S6开关接2，选CP=32KHz S3开关接2，编码器工作状态 S4开关接1、2，压扩工作状态 S5开关接2，译码输出接喇叭。 调整W1送入一合适的幅度话音信号，观察本地译码P3波形，便编码器工作于接近临界编码工作状态。 调整W2，使送入功放信号为一合适状态，示波器接在P10应看到上下不限幅的波形。此时你会听到比较清晰、失真较小的话音或音乐信号。在其它状态不变情况下，把S4开关改接3、4，即使编码器工作于简单增量调制，喇叭发声会变得较沙哑、沉闷，声音会听得不太清楚。把S4开关反复接1、2和3、4试听。 你可以再改变S6开关，使CP频率改变再进行试听。实验完后把S6两短路开关放回原处。 五、结论与心得 在实验开始后，不可以因为波形不符要求而去改变电源的电压，只要电压在规定的范围内就不能改变它，在测量起始编码状态时，应该在静态编码的基础上慢慢的调W1，当看到信号出现微小的起伏时就停止调节，马上测量幅度和记录波形，临界编码状态是信号上下两端只有一个凹口的波形，在正常编码状态下调节W1，当信号出现几个凹口时，要缓慢的调W1直到只有一个凹口，并记下幅度和波形。 成绩 教师签名 批改时间 年 月 日