Pulse-Code-Modulation

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1 haw hamburg fachbereich elektrotechnik und informatik k-labor Studiengruppe: Protokollführer: Übungstag: weitere Versuchsteilnehmer: Professor: Gegenzeichnung: Versuch GNP-4: Pulse-Code-Modulation Mss/ Einführung as in der Kommunikationstechnik gängigste Verfahren zur Umwandlung eines analogen Quellensignals (z.b. Sprache) in einen digitalen atenstrom ist die Pulse-Code-Modulation (PCM). Sie umfasst die drei Verarbeitungsschritte btastung, Quantisierung und Codierung. Im Praktikumsversuch sollen durch Untersuchungen an einem PCM-Modulator die Einflüsse verschiedener Verarbeitungsparameter auf das PCM-Signal aufgezeigt werden. a für die Messungen ausschliesslich analoge Messgeräte zur Verfügung stehen, wird das digitale PCM-Signal wieder in ein nalogsignal zurückgewandelt, das dann aber alle Eigenschaften eines PCM-Signals wie Spektralverteilung, Quantisierungsfehler und Codierungsmerkmale aufweist. ls PCM-Modulator/emodulator wird ein SP-Evaluation-Board SP56002 EVM verwendet. er darauf befindliche -/-Umsetzer (COEC) wandelt die an den Eingängen -IN und B-IN liegenden Spannungen intern mit der maximal möglichen btastfrequenz von 48kHz in 6bit-atenworte bzw. wandelt sie mit derselben Frequenz über /-Umsetzer wieder in nalogspannungen und gibt sie über den usgang -OUT aus. lle analogen Ein- und usgänge sind wechselspannungsgekoppelt. PC COM2 NF- OnCE G U, f Signal 50 -IN 48kHz SP -OUT HP334 Output G2 U2, f2 btastung 50 B-IN SP56002 EVM Y Oszilloskop Y2 G, G2: HP3320 bb. : Blockschaltbild des Messaufbaus rucker In den Messungen soll die btastfrequenz von außen veränderbar sein. as wird über ein am Eingang B-IN liegendes Rechtecksignal erreicht. Es bestimmt die btastung des an -IN liegenden nalogsignals dadurch, daß bei Überschreiten einer bestimmten Spannung an B-IN der an -IN liegende Momentanwert mit Hilfe des Signalprozessors zum usgang weitergegeben wird. Nur wenn Versuch GNP-4: Pulse-Code-Modulation Seite:

2 zwischen der Frequenz an B-IN und der internen btastfrequenz ein ganzzahliger Zusammenhang besteht, d.h. 48kHz/f B-IN = 2,3,..,N, ist damit eine einwandfreie Nachbildung der btastung möglich. Für die einzelnen Messungen müssen Programme geladen, gestartet und Parameter verändert werden. as geschieht mit Hilfe des ebuggers "EBUG EVM56002". en Zugriff auf den ebugger und die Programme erhält man durch Einloggen unter dem Namen GNP. anach lassen sich die Programme durch ufruf der Batch-atei PCM-Musterdateien kopieren auf den PC laden. Im aktiven Fenster kann dann der ebugger gestartet werden. Funktion der Programme INOUT: 8-LIN: 8-K: 6-LIN: b6-lin: urchschaltung von -IN auf -OUT zur Messung der urchgangsverstärkung (bei Bedarf). Interne btastung mit 48kHz/6 Bit. btastung und lineare /-Umsetzung mit 8 Bit, /-Umsetzung des 8 Bit-atums und usgabe an -OUT btastung, /-Umsetzung und nichtlineare Komprimierung (-Kennlinie) auf 8 Bit, /-Umsetzung des 8 Bit-atums und usgabe an -OUT btastung und lineare /-Umsetzung mit 6 Bit, /-Umsetzung des 6 Bit-atums und usgabe an -OUT btastung und lineare /-Umsetzung mit 6 Bit, Maskierung von Bits mit Bitmaske unter X:000h, /-Umsetzung des maskierten atums und usgabe an -OUT Inbetriebnahme des Evaluation-Boards - Verbindung COM2 (PC) - OnCE-nschluß (SP-Board) herstellen - SP-Board über Steckernetzteil einschalten - Programm "ebug EVM56002" starten Unter dem Menüpunkt "File/Load" können die Programme (siehe ufgabenstellung) geladen werden. Mit Menüpunkt "Run/Run" werden die Programme gestartet, mit "Run/Stop" wird die Programmausführung unterbrochen. Versuch GNP-4: Pulse-Code-Modulation Seite:2

3 2 ufgabenstellung Im Protokoll sind - die Messschaltungen zu skizzieren - die Messwerte tabellarisch und grafisch darzustellen - zu den ufgaben 2.2, 2.3 und 2.4 die theoretischen Werte in die Tabellen mit einzutragen - die Fragen zur Lernkontrolle zu beantworten 2. Messungen mit dem istortion nalyzers HP334 Messen Sie den Klirrfaktor des Generators HP3320 mit dem istortion nalyzer. Bei U =V, Sinusverlauf 2. Bei U =V, reieckverlauf 3. Bei U =V, Rechteckverlauf Vergleichen Sie die Messwerte mit der ngabe im Handbuch des Generators bzw. mit den theoretischen Werten. Hinweis: Im istortion-nalyzer HP334 wird zur Messung der Wechselspannungen ein einfacher Zweiweggleichrichter mit Mittelwertbildung und anschließender Skalenumrechnung vom Gleichrichtwert in den Effektivwert verwendet! Bedienung istortion-nalyzer HP334. Bezugswert einstellen: - FUNCTION auf SET LEVEL - METER RNGE auf 00% (SET LEVEL) - Mit rehschalter/rehknopf SENSITIVITY Instrument auf 00% stellen. Wenn die Eingangsspannung zu klein ist, METER RNGE auf 0% oder % schalten und Einstellung vornehmen. er angezeigte Klirrfaktor ist dann um den Faktor 0 oder 00 größer. 2. Brücke abgleichen und Klirrfaktor messen - FUNCTION auf ISTORTION - FREQUENCY RNGE und Frequenzeinstellknopf auf die Grundfrequenz abgleichen (Instrument muß Minimum zeigen). Herunterschalten an METER RNGE erhöht die nzeigeempfindlichkeit. - Mit BLNCE ist ein genauer bgleich des Minimums möglich, - Restabgleich kann durch MOE Schalter auf UTOMTIC erfolgen. Zum bgleich ist eine Überwachung der Spannung am usgang "OUTPUT" mit einem Oszilloskop hilfreich. Es zeigt bei richtigem bgleich alle von der Grundschwingung befreiten Oberschwingungen und Störungen der Eingangsspannung, bei dieser Messung hauptsächlich die Quantisierungsverzerrungen. 2.2 Zeitfunktion und Spektrum des btastsignals Einstellungen: Programm "6-LIN" laden und starten Generator : Sinus, U =5Vpp (an 50), f =00Hz bzw. khz Generator 2: Rechteck, U 2 =2Vpp (an 50), f 2 =8kHz NF-: Pegel selektiv, f=00hz...20khz, Schrittzahl=99, Bandbreite=00Hz Messen Sie bei f =00 Hz Ein- und usgangsspannung und bestimmen Sie daraus die urchgangsverstärkung. Messen Sie bei f =khz den Zeitverlauf (über 2 Perioden) und das Betragsspektrum (f=0..20khz) am usgang -OUT und stellen Sie die Verläufe grafisch dar. Ermitteln Sie aus dem Betragsspektrum die mplituden zwischen 00Hz und 20kHz, geben Sie die Werte tabellarisch in Volt an und vergleichen Sie sie mit den theoretischen Werten! Versuch GNP-4: Pulse-Code-Modulation Seite:3

4 2.3 Klirrfaktor bei variabler mplitudenauflösung Einstellungen: Programm "b6-lin" laden und starten Generator : Sinus, U =5Vpp (an 50), f =00Hz Generator 2: Rechteck, U 2 =2Vpp (an 50), f 2 =6kHz Mit dem istortion nalyzer HP334 ist für n =..8 bit uflösung der Klirrfaktor der Spannung an - OUT zu messen. us den Ergebnissen ist das Signal-Störleistungsverhältnis (siehe nhang) zu berechnen und tabellarisch und grafisch in bhängigkeit von n darzustellen. ie Ergebnisse sind mit den theoretischen Werten zu vergleichen! ie mplitudenauflösung kann mit Hilfe einer "Bitmaske" in der Speicherzelle x:$000 folgendermaßen verändert werden. - Programm anhalten - Mit "View/ata" atenspeicher anzeigen - Wort unter dresse X:000 verändern: FFFF00: uflösung 6 bit FF0000: uflösung 8 bit FE0000: uflösung 7 bit FC0000: uflösung 6 bit F80000: uflösung 5 bit F00000: uflösung 4 bit E00000: uflösung 3 bit C00000: uflösung 2 bit : uflösung bit Nach Eingabe des Wortes (mit >Return< abschließen) Programm wieder starten. Für n=4 Bit sind die Spannung an -OUT und am usgang (OUTPUT) des istortion nalyzers zu mit dem Oszilloskop zu messen und im gleichen Maßstab gemeinsam grafisch darzustellen. ie Verläufe sind zu kommentieren! 2.4 Klirrfaktor bei linearer und nichtlinearer Quantisierung. Lineare Quantisierung mit 8 bit Einstellungen: Programm "8-LIN" laden und starten Generator : Sinus, U =50mV...2V(an 50), f =00Hz Generator 2: Rechteck, U 2 =2Vpp (an 50), f 2 =6kHz er Klirrfaktor ist bei Ua=50, 00, 200, 500mV, V und 2V zu messen! 2. Nichtlineare Quantisierung mit Kompression nach -Kennlinie Einstellungen: Programm "8-K" laden und starten Generator : Sinus, U =50mV...2V (an 50), f =00Hz Generator 2: Rechteck, U 2 =2Vpp (an 50), f 2 =6kHz er Klirrfaktor ist bei Ua=50, 00, 200, 500mV, V und 2V zu messen! us den Messwerten des Klirrfaktors ist das Signal-Störleistungsverhältnis (siehe nhang) zu berechnen und tabellarisch und grafisch in bhängigkeit von U darzustellen.ie Ergebnisse sind zu kommentieren! Für beide Fälle und U =00mV sind die Spannungen an -OUT und am usgang (OUTPUT) des istortion nalyzers mit dem Oszilloskop zu messen und jeweils gemeinsam darzustellen. ie Verläufe sind zu kommentieren! Versuch GNP-4: Pulse-Code-Modulation Seite:4

5 3 Fragen zur Lernkontrolle. Wie erzeugt man ein PCM-Signal und wo wird es verwendet? 2. Wodurch entsteht der Quantisierungsfehler? Wie kann man ihn verringern? 3. Wie wirkt sich der Quantisierungsfehler auf die Eigenschaften eines PCM-Signals aus? 4. Warum wird nichtlinear quantisiert? 5. as Spektrum eines btastsignals ist im llgemeinen periodisch. Warum wird im Praktikumsversuch beim PCM-Signal, das auch durch btastung entsteht, kein periodisches Spektrum gemessen? 6. Erläutern Sie die rbeitsweise der Klirrfaktormessbrücke! Versuch GNP-4: Pulse-Code-Modulation Seite:5

6 4 Formeln zur Berechnung 4. Fourierreihe und Klirrfaktor von reieck- und Rechteckschwingung 8û 9 25 reieck: u(t) sin t sin 3 t sin 5 t sin 7 t... k 4 4û 3 5 Rechteck: u(t) sin 0t sin3 0t sin5 0t sin7 0t... kr Betragsspektrum eines idealen abgetasteten sinusförmigen Signals Bei der idealen btastung sind die btastsignale -Impulse mit der mplitude u sp (Spitzenwert) und der Frequenz fs. Es entsteht ein Linienspektrum mit mplituden bei f=fs, fa±fs, 2fa±fs,... und mit der mplitude u sp = konst. (fa = btastfrequenz). Wird das abgetastete Signal (wie in den Messungen) bis zum nächsten btastwert gehalten, dann entspricht das einer Filterung mit dem Frequenzgang si( f/f a ). as amplitudenkonstante Linienspektrum der -Impulse ist also mit einer Funktion si( f/f a ) zu bewerten. as Linienspektrum der ideal abgetasteten und gehaltenen Sinusschwingung hat Spektrallinien bei f=fs mit der mplitude (Spitzenwert) u sp si(( fs/fa) f=fa-fs u sp si[( (fa-fs)/fa] f=fa+fs u sp si[( (fa+fs)/fa] f=2fa-fs u sp si[( (2fa-fs)/fa] f=2fa+fs u sp si[( (2fa+fs)/fa].. Zum Vergleich mit den Messergebnissen muss die urchgangsverstärkung des Evaluation-Boards und die mplituden-bezugsgröße bei der logarithmischen arstellung des Spektrums auf dem Spektrumanalysator (V, 0,775V oder 0,24V) bekannt sein. usserdem ist zu berücksichtigen, dass ein Spektrumanalysator immer Effektivwerte anzeigt. 4.3 Signal-Stör-Verhältnis und Klirrfaktor eines abgetasteten und quantisierten Signals Mit P s = Signalleistung, P n = Störleistung (durch Quantisierungsverzerrungen) und n = Bitzahl bei Binärcodierung gilt für das Verhältnis Signalleistung zu Störleistung a. bei gleichverteilten mplituden: P s /P n = 2 2n b. bei sinusförmigen Signalen: P s /P n = 2 2n,5 Zusammenhang zwischen Klirrfaktor und Signal-Störleistungsverhältnis 2 2 Un 2 Un Un Pn Klirrfaktor: k ; k U ges U U U Ps Pn ges s n mit U n = Störspannung (Verzerrungen) U ges = Gesamtspannung U s = Signalspannung Ps araus ergibt sich: k bzw. - P P Pn 2 k s n Versuch GNP-4: Pulse-Code-Modulation Seite:6