实验二PAM与PCM
一、实验目的
1．掌握脉冲编码调制与解调的原理。

2．掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。

3．了解大规模集成电路TP3067 的使用方法。

二、实验器材
1. 信号源模块
2. 模拟信号数字化模块
3. 终端模块（可选）
4. 60M 双踪示波器一台
5. 音频信号发生器（可选）一台
6. 立体声单放机（可选）一台
7. 立体声耳机一副
8. 连接线
三、实验内容
1．观察脉冲编码调制与解调的结果，分析调制信号与基带信号之间的关系。

2．改变基带信号的幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况。

3．改变基带信号的频率，观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况
四、实验原理
1 PAM 实验
原理框图如图2-1所示：
图2-1
假设m(t)、和的频谱分别为、、)。

可得：
所以，抽样频率，频谱才不会发生混叠，此时，被称为奈奎斯特频率。

所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。

如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则上述所介绍的抽样定理，就是脉冲幅度调制的原理。

但是，实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，通常采用窄脉冲串来代替。

本实验模块采用32K 或64K 或1MHz 的窄矩形脉冲来代替理想的窄脉冲串，当然，也可以采用外接抽样脉冲对输入信号进行脉冲幅度调制，本实验采用图2-2 所示的原理方框图。

图2-2
脉冲编码调制（PCM）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。

脉码调制的过程如图2-3所示。

PCM 主要包括抽样、量化与编码三个过程。

抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。

国际标准化的PCM 码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。

编码后的PCM 码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。

预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300－3400Hz 左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。

图2-3
五、实验步骤及结果分析
1. PAM 实验部分
①将信号源模块、PAM/AM 模块、终端模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

②插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下四个模块中的开关POWER1、POWER2、S2、S3，对应的发光二极管LED001、LED002、D200、D201、LED600、L1、L2 发光，按一下信号源模块的复位键，四个模块均开始工作。

（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）
③将信号源模块产生的2KHz（峰-峰值在2V 左右，从信号输出点“模拟输出”输出）的正弦波送入PAM/AM 模块的信号输入点“PAM 音频输入”，将信号源模块产生的62.5KHz 的方波（从信号输出点64K 输出）送入PAM/AM 模块的信号输入点“PAM时钟输入”，观察“调制输出”和“解调输出”测试点输出
的波形。

2. 脉冲编码调制解调部分
1. 将信号源模块、模拟信号数字化模块、终端模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

2．插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下四个模块中的开关POWER1、POWER2、S2、S3，对应的发光二极管LED001、LED002、D200、D201、LED600、LED300、LED301 发光，按一下信号源模块的复位键，四个模块均开始工作。

（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）
3．将信号源模块的拨码开关SW101、SW102 设置为0000000 0000001。

4．将信号源模块产生的正弦波信号（频率为2.5KHz，峰-峰值为3V）从点“S-IN”输入模拟信号数字化模块，将信号源模块的信号输出点“64K”、“8K”“BS”分别与模拟信号数字化模块的信号输入点“CLKB-IN”、“FRAMB-IN”、“2048K-IN”连接，观察信号输出点“PCMB-OUT”的波形。

5. 连接“CLKB-IN”和“CLK2-IN”，“FRAMB-IN”和“FRAM2-IN”，连接信号输出点“PCMB-OUT”和信号输入点“PCM2-IN”，观察信号输出点“OUT”输出的波形。

6. 改变输入正弦信号的幅度，分别使其峰-峰值等于和大于5V（若幅度无法达到5V，可将输入正弦信号先通过信号源模块的模拟信号放大通道，再送入模拟信号数字化模块），将示波器探头分别接在信号输出点“OUT”和“PCMB-OUT”上，观察满载和过载时的脉冲幅度调制和解调的波形，并记录下来（应可观察到，当输入正弦波信号幅度大于5V 时，PCM 解码信号中带有明显的噪声）。

7．改变输入正弦信号的频率，使其频率分别大于3400Hz 或小于300Hz，观察点“OUT”、“PCMB-OUT”的输出波形，记录下来（应可观察到，当输入正弦波的频率大
于3400Hz 或小于300Hz 时，PCM 解码信号的幅度急剧减小）
五、实验思考题
1．什么是PN 序列，有何用途，实验箱提供怎么样的？电路设计如何产生。

答：这类序列具有类似随机噪声的一些统计特性，但和真正的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。

PN序列的频带利用率非常高，最典型应用就是在CDMA 中。

电路是由移位寄存器和反馈逻辑电路组成。

2．本实验采用的是什么抽样方式？为什么？
答：本实验模块采用窄脉冲串来代替。

因为实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，所以通常采用窄脉冲串来代替。

3．本实验的抽样形式同理想抽样有何区别？试将理论和实验相结合加以分析。

答：理想的抽样脉冲是时间点，是在一个时刻上实现的没有时间长度，实际上是得不到的，只能以周期性窄脉冲信号代替冲激信。

实际上我们可以将周期性脉冲看作非正弦载波，而抽样过程可以看作用模拟信号对其进行振幅调制。

4. TP3067PCM 编码器输出的PCM 数据的速率是多少？在本次实验系统中，为什么要给TP3067 提供2.048MHz 的时钟？
答：速率为64kb/s。

由PCM帧结构可知，每秒有800帧，一帧有32时隙，每个时隙有8bit。

所以需要要给TP3067 提供 2.048MHz 的时钟
5. 认真分析TP3067 主时钟与8KHz 帧收、发同步时钟的相位关系。

答：TP3067主时钟与8KHz帧收、发同步时钟的相位始终保持反向。

6. 为什么实验时观察到的PCM 编码信号总是随时变化的？
答：采样频率不是输入信号频率的整数倍，所以每个周期中抽样点都不是一样的，所以所得到的的编码输出也是不一样的。

PCM 编码信号总是随时变化的。

7. 模拟音频信号变换成了PCM 数字信号，请描述有些什么具体改变？是在哪个域的？答：其波形为一系列脉冲的组合，并且脉冲幅度随输入信号的幅度规律变化。

该变化出现在时域。

六：实验小结
通过本次试验，我对脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法有了更好的认识。

同时对脉冲编码调制与解调的原理有了清晰的认识，了解了大规模集成电路TP3067 的使用方法。

当然，实验中还是出现了许多问题，比如实验中出现比较乱没有规律的波形，虽然反复调试后得到了结果，但对那个没规律的图形我还是很难分析其中的原因。

要去真正了解和熟悉示波器还是需要更多实践的，我希望在以后的实验中能有更多的亲手实践机会，更多的独立思考空间来解决实验中的各种问题。