项目二
实验十一 PCM编译码实验
一、 实验目的
1. 掌握PCM编码原理。
2. 掌握PCM基带信号的形成过程及分接过程。
3. 掌握语音信号PCM编译码系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。
二、 实验仪器
1. 双踪示波器一台
2. 通信原理VI型实验箱一台
3. M3：PCM与ADPCM编译码模块和M6数字信号源模块
4. 麦克风和扬声器一套
三、 实验原理及基本内容
1.点到点PCM多路电话通信原理
脉冲编码调制（PCM）技术与增量调制（△M）技术已经在数字通信系统中得到广泛应用。当信道噪声较小时一般用PCM，否则一般用△M。目前速率在155MB以下的准同步数字系列（PDH）中，国际上存在A律和u律两种编译码标准系列，在155MB以上的同步数字系列（SDH）中，将这两个系列统一起来，在同一个等级上两个系列的码速率相同,而△M在国际上无统一标准，但它在通信环境比较恶劣时显示了巨大的优越性。
点到点PCM多路电路通信原理可用11—1表示。对于基带通信系统，广义信道包括传输媒质、收滤波器、发滤波器等。对于频带系统，广义信道包括传输媒质、调制器、解调器、发滤波器、收滤波器等。
本实验模块可以传输两路话音信号。采用MC145503编译器，它包括了图11—1中的收、发低通滤波器及PCM编译码器。编码器输入信号可以是本实验系统内部产生的正弦信号，也可以是外部信号源的正弦信号或电话信号。本实验模块中不含电话机和混合电路，广义信道时理想的，即将复接器输出的PCM信号直接送给分接器。
2.PCM编译模块原理
本模块的原理方框图及电路图如图11-2及图11-3所示。
BSPCM基群时钟信号（位同步）测试点
SL0 PCM基群第0个时隙同步信号
SLA 信号A的抽样信号及时隙同步信号测试点
SLB 信号B的抽样信号及时隙同步信号测试点
SRB 信号B译码输出信号测试点
STA输入到编码器A的信号测试点
STB输入到编码器B的信号测试点
PCM_OUTPCM基群信号输出点
PCM_IN PCM基群信号输入点
PCM A OUT 信号A编码结果输出点
PCM B OUT 信号B编码结果输出点
PCM A IN 信号A编码结果输入点
PCM B IN 信号B编码结果输入点
本模块上有S2这个拔码开关，用来选择SLB信号为时隙同步信号SL1、SL3、SL5、SL6中的任一个。
图11-2各单元与图11-3中的元器件之间的对应关系如下：
晶振 X1：4.096MHZ晶振
分频器1/2U1：74LS193; U6： 74HC4060
抽样信号产生器 U5：74HC73; U2：74HC164
PCM编译器A U10：PCM编译码集成电路MC145503
PCM编译器B U11：PCM编译码集成电路MCL45503
帧同步信号产生器 U3：8位数据产生器74HC151; U4：A:与门7408
复接器U9：或门74LS32
晶振、分频器1、分频器2及抽样信号（时隙同步信号）产生器构成一个定时器，为两个PCM编译码提供2.048MHZ的时钟信号和8KHZ的时隙同步信号。在实际通信系统中，译码器的时钟信号（即位同步信号）及时隙信号（即帧同步信号）应从接收到的数据流中提取，方法如实验五及实验六所述。此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步信号直接送给译码器。
由于时钟频率为2.048MHZ，抽样频率为8KHZ，故PCM-A及PCM-B的码速率都是2.048MB，一帧中有32个时隙，其中一个时隙为PCM编码数据，另外31个时隙都是空时隙。
PCM信号码速率也是2.048MB，一帧中的32个时隙有29个是空时隙，第0个时隙为帧同步码（X1110010）时隙，第2个时隙为信号A的时隙，第1（或第3、第5、或第6—由拔码开关S2控制）时隙为信号B的时隙。
本实验产生的PCM信号类似于PCM基群信号，但第16个时隙没有信令信号，第0时隙中的信号与PCM基群的第0时隙的信号也不完全相同。
由于两个PCM编译码器用同一个时钟信号，因而可以对他们进行同步复接。又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对PCM-A和PCM-B进行线或。本模块中用或门74LS32对PCM-A、PCM-B及帧同步信号进行复接。在译码之前，不需要对PCM进行分接处理，译码器的时隙同步信号实际上起到了对信号的分路作用。
在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明PCM编译码器的性能。
动态范围的定义是译码器输出信噪比大于25db时允许编码器输入信号幅度的变化范围。PCM编译码器的动态范围应大于图11-6所示的CCITT建议框架。
当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码输入信号幅度超过大时量化信噪比急剧下降。MC145503编译码系统输入信号的最大幅度为5V。
由于采用对数压扩技术，PCM编译码系统可以改善小信号的信噪比，MC145503可采用A律13折线对信号进行压扩。当信号处于某一段时，量化噪声不变，因此在同一段落内量化噪声比随信号幅度减小而下降。13折线压扩特性曲线将正负信号分为8段，第1段信号最小，第8段信号最大。当信号处于第一，二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此噪声不随信号幅度变化，因此信号太小时，量化信噪比会小于25db，这是动态范围的下限。MC145503编译码系统动态范围内输入信号最小幅度约为0.025Vpp。
常用1KHZ的正弦信号作为输入信号来测量PCM编译码器的动态范围。
语音信号的抽样信号频率为8KHZ，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为3.4khz的低通滤波器处理后在进行A/D处理。语音信号的最低频率一般为300hz。MC145503编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。这就是PCM编译码系统频率特性的含义。
四、 实验步骤
1. 实验连线
关闭系统电源，进行如下连接：
3. 用示波器观察STA、STB，将其幅度调至2V。
4. 用示波器观察PCM编码输出信号。
当采用非集群方式时：
测量A通道时：将示波器CH1接SLA,CH2接PCM A OUT,观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。
测量B通道时：将示波器CH1接SLB，CH2 接PCM B OUT，观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。
当采用非集群方式时：将示波器CH1接SL0，CH2分别接SLA、PCM A OUT、SLB、PCM B OUT以及PCM_OUT，观察编码后的数据所处时隙同步信号的关系以及PCM信号的帧结构。开关分别接通SL1、SL2、SL3、SL4观察PCM基群帧结构的变化情况。
5.用示波器观察PCM译码输出信号
示波器的CH1接STA，CH2接SRA,观察这两个信号波形是否相同（相位差）。 示波器的CH1接STB，CH2接SRB,观察这两个信号波形是否相同（相位差）。
6.用示波器定性观察PCM编译码器的动态范围。
将低失真频信号发生器输出的1khz正弦信号从STA-IN输入到MC145503编码器。示波器的CH1接STA，CH2接SRA。将信号幅度分别调至大于5Vpp、等于5Vpp，观察过载和满载时的译码输出波形。在将信号幅度分别减至10db、20db、30db、40db、45db、50db，观察译码输出波形。
7.两人通话实验
本模块提供两个人的通话信道。由于麦克风输出的信号幅度比较小，需放大到2Vpp左右再由STA和STB输入到两个编码器。译码器输出信号由SRA和SRB输出，将幅度较大，需衰减到适当值后再送给扬声器。
在话筒输入放大电路中，可以通过调整可调电阻R18来改变输出增益。
在语音输出放大电路中，可以通过调整可调电阻R12和R22来改变输出音量。 在实验时，只需将话筒输出信号从MIC_OUT端口连接到STA,再将译码后的语音信号从SRA连接到MIC_IN即可，但需将STA或STB端口的原有连接去除。
五、 实验记录与分析
1.用示波器观察STA、STB，将其幅度调至2V。
实验中，从示波器中可以读出，输入编码器的信号频率存在fA=fB，且频率等于1Khz,幅度等于2V。
2. 用示波器观察PCM编码输出信号。
分析如下：
SL0是PCM基群的时隙同步信号，信号A,B信号插入到相应的时隙，编码输出的位置仍在相应的时隙。编码输出总会延迟与输入。其中第2个时隙是A信号，2,5,7时隙
哈尔滨工程大学教务处 制
实验十一 PCM编译码实验
一、实验目的
1. 掌握PCM编译码原理。
2. 掌握PCM基带信号的形成过程及分接过程。
3. 掌握语音信号PCM编译码系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。
二、 实验仪器
1. 双踪示波器一台 2. 通信原理Ⅵ型实验箱一台
3. M3:PCM与ADPCM编译码模块和M6数字信号源模块 4. 麦克风和扬声器一套
三、实验步骤
1.实验连线
关闭系统电源，进行如下连接：
非集群方式
2. 熟悉PCM编译码模块，开关K1接通SL1，打开电源开关。 3.用示波器观察STA、STB，将其幅度调至2V。
4. 用示波器观察PCM编码输出信号。
当采用非集群方式时：
测量A通道时：将示波器CH1接SLA（示滤波器扫描周期不超过SLA的周期，
以便观察到一个完整的帧信号），CH2接PCM A OUT，观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。
测量B通道时：将示波器CH1接SLB，（示滤波器扫描周期不超过SLB的周期，
以便观察到一个完整的帧信号），CH2接PCM B OUT，观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。
当采用集群方式时：将示波器CH1接SL0，（示滤波器扫描周期不超过SL0的周期，
以便观察到一个完整的帧信号），CH2分别接SLA、PCM A OUT、SLB、PCM B OUT以及PCM_OUT，观察编码后的数据所处时隙位置与时隙同步信号的关系以及PCM信号的帧结构（注意：本实验的帧结构中有29个时隙是空时隙，SL0、SLA及SLB的脉冲宽度等于一个时隙宽度）。开关S2分别接通SL1、SL2、SL3、SL4，观察PCM基群帧结构的变化情况。
5. 用示波器观察PCM译码输出信号
示波器的CH1接STA，CH2接SRA，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。
示波器的CH1接STB，CH2接SRB，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。
6. 用示波器定性观察PCM编译码器的动态范围。
将低失真低频信号发生器输出的1KHZ正弦信号从STA-IN输入到MC145503编码器。示波器的CH1接STA（编码输入），CH2接SRA（译码输出）。将信号幅度分别调至大于5VP-P、等于5VP-P，观察过载和满载时的译码输出波形。再将信号幅度分别衰减10dB、20dB、30dB、40dB、45dB，观察译码输出波形。
为了提高通信系统信道的利用率，话音信号的传输往往采用多路复用通信的方式。这里所谓的多路复用通信方式通常是指：在一个信道上同时传输多个话音信号的技术，有时也将这种技术简称为复用技术。复用技术有多种工作方式，例如频分复用、时分复用以及码分复用等。
频分复用是将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区间，每个小区间能顺利通过一路信号，在一般情况下可以通过正弦波调制的方法实现频分复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，但在时间上是重叠的。
时分复用是建立在抽样定理基础上的。抽样定理使连续(模拟)的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。因此，这就有可能沿一条信道同时传送若干个基带信号。
码分复用是一种以扩频技术为基础的复用技术，在第九章中将详细地进行介绍。
在这部分中，将在分析时分复用(TDM)技术的基础上，研究并说明PCM时分多路数字电话系统的原理和相关参数。
6.3.1 PAM时分复用原理
为了便于分析时分复用(TDM)技术的基本原理，这里假设有3路PAM信号进行时
分多路复用，其具体实现方法如图6-27所示：
图6-27 3路PAM信号时分复用原理方框图
从图6-27可以看到，各路信号首先通过相应的低通滤波器，使输入信号变为带限信号。然后再送到抽样开关(或转换开关)，转换开关(电子开关)每秒将各路信号依次抽样一次，这样3个抽样值按先后顺序错开纳入抽样间隔之内。合成的复用信号是3个抽样消息之和，如图6-28所示。由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个抽样脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未能被抽样脉冲占用的时隙部分称为防护时间。
图6-28 3路时分复用合成波形
多路复用信号可以直接送入信道传输，或者加到调制器上变换成适于信道传输的形式后再送入信道传输。
在接收端，合成的时分复用信号由分路开关依次送入各路相应的重建低通滤波器，恢复出原来的连续信号。在TDM中，发送端的转换开关和接收端的分路开关必须同步。所以在发端和收端都设有时钟脉冲序列来稳定开关时间，以保证两个时钟序列合拍。
根据抽样定理可知，一个频带限制在范围内的信号，最小抽样频率值为2，这时就可利用带宽为的理想低通滤波器恢复出原始信号来。对于频带都是的N路复用信号，它们的独立抽样频率为，如果将信道表示为一个理想的低通形式，则为了防止组合波形丢失信息，
传输带宽必须满足
6.3.2 时分复用的PCM系统（TDM—PCM）
PCM和PAM的区别在于PCM要在PAM的基础上经过量化和编码，把PAM中的一个抽样值量化后编为k位二进制代码。图6-29表示一个只有3路PCM
复用的方框图。
图6-29 3路时分复用PCM原理方框图
图
6-29 (a)表示发端原理方框图。话音信号经过放大和低通滤波后得到
、和，再经过抽样得到3路PAM信号、和，它们在
时间上是分开的，由各路发送的定时取样脉冲进行控制，然后将3路PAM信号一起加到量化和编码器内进行量化和编码，每个PAM信号的抽样脉冲经量化后编为k位二进制代码。编码后的PCM代码经码型变换，变为适合于信道传输的码型（例如HDB3码），最后经过信道传到接收端。
图6-29 (b)为接收端的原理方框图。当接收端收到信码后，首先经过码型变换，然后加到译码器进行译码。译码后得到的是3路合在一起的PAM信号，再经过分离电路把各路PAM信号区分开来，最后经过放大和低通滤波还原为话音信号。
TDM—PCM的信号代码在每一个抽样周期内有个，这里N表示复用路数，k
表示每个抽样值编码的二进制码元位数。因此，二进制码元速率可以表示为，也就是。但实际码元速率要比大些。因为，在PCM数据帧当中，除了话音信号的代码以外，还要加入同步码元、振铃码元和监测码元等。
6.3.3 32路PCM的帧结构
对于多路数字电话系统，国际上已建议的有两种标准化制式，即PCM 30/32路(A律压扩特性)制式和PCM 24路(μ律压扩特性)制式，并规定国际通信时，以A律压扩特性为准(即以30/32路制式为准)，凡是两种制式的转换，其设备接口均由采用μ律特性的国家负责解决。因此，我国规定采用PCM 30/32路制式，其帧和复帧结构如图6-30所示。
图6-30 PCM 30/32路帧和复帧结构
从图6-30中可以看到，在PCM 30/32路的制式中，一个复帧由16帧组成；一帧由32个时隙组成；一个时隙为8位码组。时隙l～15，17～3l共30个时隙用来作话路，传送话音信号，时隙0(TS0)是“帧定位码组”，时隙16(TS16) 用于传送各话路的标志信号码。
从时间上讲，由于抽样重复频率为8000Hz，因此，
抽样周期为，这也就是PCM 30/32的帧周期；一复帧由16个帧组成，这样复帧周期为2ms；一帧内要时分复用32路，则每路占用的时隙为；每时隙包含8位码组，因此，每位码元占488ns。
从传码率上讲，也就是每秒钟能传送8000帧，而每帧包含32×8＝256bit，因此，总码率为256比特/帧×8000帧/秒＝2048kb/s。对于每个话路来说，每秒钟要传输8000个时隙，每个时隙为8bit，所以可得每个话路数字化后信息传输速率为8×8000＝64kb/s。
从时隙比特分配上讲，在话路比特中，第l比特为极性码，第2～4比特为段落码，第5～8比特为段内码。对于TS0和TS16时隙比特分配将分别予以介绍。 TS0时隙比特分配。为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为“0011011”，占用偶帧TS0的第2～8码位。第l比特供国际通信用，不使用时发送“1”码。在奇帧中，第3位为帧失步告警用，同步时送“0”码，失步时送“1”码。为避免奇TS0的第2～8码位出现假同步码组，第2位码规定为监视码，固定为“1”，第4～8位码为国内通信用，目前暂定为“1”。
TS16时隙用于传送各话路的标志信号码，标志信号按复帧传输，即每隔2ms传输一次，一个复帧有16个帧，即有16个“TS16时隙”(8位码组)。除了F0之外，其余Fl～F15用来传送30个话路的标志信号。如图6-29所示，每帧8位码组可以传送2个话路的标志信号，每路标志信号占4个比特，以a、b、c、d表示。TS16时隙的F0为复帧定位码组，其中第一至第四位是复帧定位码组本身，编码为“0000”，第六位用于复帧失步告警指示，失步为“l”；同步为“0”，其余3比特为备用比特，如不用则为“l”。需要说明的是标志信号码a、b、c、d不能为全“0”，否则就会和复帧定位码组混淆了。
6.3.4 PCM的高次群
目前我国和欧洲等国采用PCM系统，以2048kb/s传输30/32路话音、同步和状态信息作为一次群。为了能使如电视等宽带信号通过PCM系统传输，就要求有较高的码率。而上述的PCM基群(或称一次群)显然不能满足要求，因此，出现了PCM高次群系统。
在时分多路复用系统中，是由若干个低次群通过数字复用设备汇总而成的。对于PCM 30/32路系统来说，其基群的速率为2048kb/s。其二次群则由4个基群汇总而成，速率为8448kb/s，话路数为4×30＝120话路。对于速率更高、路数更多的三次群以上的系统，目前在国际上尚无统一的建议标准。作为一个例子，图6-31介绍了欧洲地区采用的各个高次群的速率和话路数。我国邮电部也对PCM高次群作了规定，基本上和图6-31相似，区别只是我国只规定了一次群至四次群，没有规定五次群。
PCM系统所使用的传输介质和传输速率有关。基群PCM的传输介质一般采用
市话对称电缆，也可以在市郊长途电缆上传输。基群PCM可以传输电话、数据或1MHz可视电话信号等。
二次群速率较高，需采用对称平衡电缆，低电容电缆或微型同轴电缆。二次群PCM可传送可视电话、会议电话或电视信号等。
三次群以上的传输需要采用同轴电缆或毫米波波导等，它可传送彩色电视信号。
图6-31 PCM的高次群
目前传输媒介向毫米波发展，其频率可高达30～300GHz。例如地下波导线路传输，速率可达几十吉比特/秒(Gb/s)，可开通30万路PCM话路。采用光缆、卫星通信则可以得到更大的话路数量。