Pulse-Code-Modulation

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1 Studiegruppe: Protokollführer: Übugstag: weitere Versuchsteilehmer: Professor: Testat: Versuch GNP- Pulse-Code-Modulatio Mss/ Eiführug as i der Kommuikatiostechik gägigste Verfahre zur mwadlug eies aaloge Quellesigals (z.b. Sprache) i ei igitalsigal ist die Pulse-Code-Modulatio (PCM). abei durchläuft das alogsigal die drei Verarbeitugsschritte btastug, Quatisierug ud Codierug. Im Praktikumsversuch solle durch Messuge a eiem PCM-Modulator die Eiflüsse verschiedeer Verarbeitugsparameter auf das PCM-Sigal utersucht werde. a ausschließlich aaloge Messgeräte zur Verfügug stehe, wird das digitale PCM-Sigal wieder i ei alogsigal zurückgewadelt, das da aber alle Eigeschafte eies PCM-Sigals wie Spektralverteilug, Quatisierugsfehler ud Codierugsmerkmale aufweist. ls PCM-Modulator/emodulator wird ei SP-Evaluatio-Board SP5600 EVM verwedet. er darauf befidliche -/-msetzer (COEC) wadelt die a de Eigäge -IN ud B-IN liegede Spauge iter mit der maximal mögliche btastfrequez vo 8kHz i 6bit-ateworte bzw. wadelt sie mit derselbe Frequez über /-msetzer wieder i alogspauge ud gibt sie über de usgag -OT aus. lle aaloge Ei- ud usgäge sid wechselspaugsgekoppelt. PC COM P OCE G, f Sigal -IN 50Ω 8kH z SP -OT HP33 Output G, f btastug B-IN 50Ω SP5600 EVM Y Oszilloskop Y G, G: HP330 bb. : Blockschaltbild des Messaufbaus rucker Hiweis: ie HP330-Fuktiosgeeratore zeige de Wert der usgagsspaug ur bei 50Ω Last korrekt a, ohe Last wird der doppelte agezeigte Wert abgegebe. Bei Verwedug der Philips-Fuktiosgeeratore PM 538/39 sollte die beide 50Ω Lastwiderstäde etfalle, da bei diese Geeratore die agezeigte Spaug im Leerlauf abgegebe wird, dagege bei 50Ω Last ur der halbe agezeigte Wert. Versuch GNP- Pulse-Code-Modulatio Seite:

2 I de Messuge soll die btastfrequez vo auße veräderbar sei. as wird über ei am Eigag B-IN liegedes Rechtecksigal erreicht. Es bestimmt die btastug des a -IN liegede alogsigals dadurch, daß bei Überschreite eier bestimmte Spaug a B- IN der a -IN liegede Mometawert mit Hilfe des Sigalprozessors zum usgag weitergegebe wird. Nur we zwische der Frequez a B-IN ud der itere btastfrequez ei gazzahliger Zusammehag besteht, d.h. 8kHz/f B-IN,3,..,N, ist damit eie eiwadfreie Nachbildug der btastug möglich. Für die eizele Messuge müsse Programme gelade, gestartet ud Parameter verädert werde. as geschieht mit Hilfe des ebuggers "EBG EVM5600". e Zugriff auf de ebugger ud die Programme erhält ma durch Eilogge uter dem Name GNP. aach lasse sich die Programme durch ufruf der Batch-atei PCM- Musterdateie kopiere auf de PC lade. Im aktive Fester ka da der ebugger gestartet werde. Fuktio der Programme INOT: 8-LIN: 8-K: 6-LIN: b6-lin: urchschaltug vo -IN auf -OT zur Messug der urchgagsverstärkug (bei Bedarf). Itere btastug mit 8kHz/6 Bit. btastug ud lieare /-msetzug mit 8 Bit, /-msetzug des 8 Bit- atums ud usgabe a -OT btastug, /-msetzug ud ichtlieare Komprimierug (-Keliie) auf 8 Bit, /-msetzug des 8 Bit-atums ud usgabe a -OT btastug ud lieare /-msetzug mit 6 Bit, /-msetzug des 6 Bit- atums ud usgabe a -OT btastug ud lieare /-msetzug mit 6 Bit, Maskierug vo Bits mit Bitmaske uter X:000h, /-msetzug des maskierte atums ud usgabe a -OT Ibetriebahme des Evaluatio-Boards - Verbidug COM (PC) - OCE-schluß (SP-Board) herstelle - SP-Board über Steckeretzteil eischalte - Programm "ebug EVM5600" starte ter dem Meüpukt "File/Load" köe die Programme (siehe ufgabestellug) gelade werde. Mit Meüpukt "Ru/Ru" werde die Programme gestartet, mit "Ru/Stop" wird die Programmausführug uterbroche. Versuch GNP- Pulse-Code-Modulatio Seite:

3 ufgabestellug. Messuge mit dem istortio alyzers HP33 Messe Sie de Klirrfaktor des Fuktiosgeerators HP330 oder Philips PM538/39 mit dem istortio alyzer. Bei V, Siusverlauf. Bei V, reieckverlauf 3. Bei V, Rechteckverlauf Vergleiche Sie die Messwerte mit der gabe im Hadbuch des Geerators bzw. mit de theoretische Werte. Hiweis: Im istortio-alyzer HP33 wird zur Messug der Wechselspauge ei eifacher Zweiweggleichrichter mit Mittelwertbildug ud aschließeder Skaleumrechug vom Gleichrichtwert i de Effektivwert verwedet! Bedieug istortio-alyzer HP33. Bezugswert eistelle: - FNCTION auf SET LEVEL - METER RNGE auf 00% (SET LEVEL) - Mit rehschalter/rehkopf SENSITIVITY Istrumet auf 00% stelle. We die Eigagsspaug zu klei ist, METER RNGE auf 0% oder % schalte ud Eistellug vorehme. er agezeigte Klirrfaktor ist da um de Faktor 0 oder 00 größer.. Brücke abgleiche ud Klirrfaktor messe - FNCTION auf ISTORTION - FREQENCY RNGE ud Frequezeistellkopf auf die Grudfrequez abgleiche (Istrumet muß Miimum zeige). Heruterschalte a METER RNGE erhöht die zeigeempfidlichkeit. - Mit BLNCE ist ei geauer bgleich des Miimums möglich, - Restabgleich ka durch MOE Schalter auf TOMTIC erfolge. Zum bgleich ist eie Überwachug der Spaug am usgag "OTPT" mit eiem Oszilloskop hilfreich. Es zeigt bei richtigem bgleich alle vo der Grudschwigug befreite O- berschwiguge ud Störuge der Eigagsspaug, bei dieser Messug hauptsächlich die Quatisierugsverzerruge.. Zeitfuktio ud Spektrum des btastsigals Eistelluge: Programm "6-LIN" lade ud starte Geerator : Sius, 5Vpp (a 50 Ω, HP330), f 00Hz bzw. khz Geerator : Rechteck, Vpp (a 50 Ω, HP330), f 8kHz P: Über File/Load Setup atei d:\pv\setups\spek0k.set lade. Messe Sie bei f 00 Hz mit dem Oszilloskop Ei- ud usgagsspaug ud bestimme Sie daraus die urchgagsverstärkug.. Messe Sie bei f khz am usgag -OT de Zeitverlauf (über Periode) ud das Betragsspektrum (f0..0khz) ud stelle Sie die Verläufe grafisch dar. uswertug: Ermittel Sie aus dem Betragsspektrum a -OT die mplitude zwische 00Hz ud 0kHz ud gebe Sie die Messwerte ud die theoretische Werte (beide i Volt) gemeisam i eier Tabelle a! Versuch GNP- Pulse-Code-Modulatio Seite: 3

4 .3 Klirrfaktor ud Sigal-Störabstad bei variabler mplitudeauflösug Eistelluge: Programm "b6-lin" lade ud starte Geerator : Sius, 5Vpp (a 50 Ω, HP330), f 00Hz Geerator : Rechteck, Vpp (a 50 Ω, HP330), f 6kHz Bei dieser Messug muss das Sigal a -OT über eie Tiefpass mit 8kHz Grezfrequez (im Labor vorhade) geführt werde! Mit dem istortio alyzer HP33 ist für..8 bit uflösug der Klirrfaktor der Spaug a am Filterausgag zu messe. uswertug: er Sigal-Störleistugsabstad SNR(dB)0 log(p s /P ), siehe hag, ist aus dem Klirrfaktor zu bereche ud tabellarisch ud grafisch i bhägigkeit vo darzustelle, also SNRf(). ie Ergebisse sid mit de theoretische Werte zu vergleiche! ie mplitudeauflösug ka mit Hilfe eier "Bitmaske" i der Speicherzelle x:$000 folgedermaße verädert werde. - Programm ahalte - Mit "View/ata" atespeicher azeige - Wort uter dresse X:000 veräder: FFFF00: uflösug 6 bit FF0000: uflösug 8 bit FE0000: uflösug 7 bit FC0000: uflösug 6 bit F80000: uflösug 5 bit F00000: uflösug bit E00000: uflösug 3 bit C00000: uflösug bit : uflösug bit Nach Eigabe des Wortes (mit >Retur< abschließe) Programm wieder starte. Für Bit sid die Spaug a -OT ud am usgag (OTPT) des istortio alyzers zu mit dem Oszilloskop zu messe ud im gleiche Maßstab gemeisam grafisch darzustelle. ie Verläufe sid zu kommetiere!. Klirrfaktor bei liearer ud ichtliearer Quatisierug. Lieare Quatisierug mit 8 bit Eistelluge: Programm "8-LIN" lade ud starte Geerator : Sius, 50mV...V(a 50Ω, HP330), f 00Hz Geerator : Rechteck, Vpp (a 50 Ω, HP330), f 6kHz er Klirrfaktor ist bei eier usgagsspaug des Geerators vo 50mV, 00mV, 00mV, 500mV, V ud V (Effektivwerte) zu messe! Bei dieser Messug muss das Sigal a -OT über eie Tiefpass mit 8kHz Grezfrequez (im Labor vorhade) geführt werde!. Nichtlieare Quatisierug mit Kompressio ach -Keliie Eistelluge: Programm "8-K" lade ud starte Geerator : Sius, 50mV...V (a 50 Ω, HP330), f 00Hz Geerator : Rechteck, Vpp (a 50 Ω, HP330), f 6kHz er Klirrfaktor ist bei eier usgagsspaug des Geerators vo 50mV, 00mV, 00mV, 500mV, V ud V (Effektivwerte) zu messe! Bei dieser Messug muss das Sigal a -OT über eie Tiefpass mit 8kHz Grezfrequez (im Labor vorhade) geführt werde! Versuch GNP- Pulse-Code-Modulatio Seite:

5 uswertug: Vo beide Messuge ist der Sigal-Störleistugsabstad SNR(dB) 0 log(p s /P ) aus k zu bereche ud tabellarisch ud grafisch i bhägigkeit vo darzustelle. ie Ergebisse sid zu kommetiere! Für beide Fälle ud 00mV sid die Spauge am usgag des Tiefpasses ud am usgag (OTPT) des istortio alyzers mit dem Oszilloskop zu messe ud jeweils gemeisam darzustelle. ie Verläufe sid zu kommetiere! 3 Frage zur Lerkotrolle. Beim ISN-System wird ei Sprachkaal als PCM-Sigal mit 6kBit/sec übertrage. Nee Sie die wichtigste PCM-Parameter!. Wodurch wird bei der PCM der Sigal-Störabstad eies Sigal verkleiert? 3. Warum wird ichtliear quatisiert?. as Spektrum eies btastsigals ist im llgemeie periodisch. Warum wird im Praktikumsversuch beim PCM-Sigal, das auch durch btastug etsteht, kei periodisches Spektrum gemesse? 5. Erläuter Sie die rbeitsweise der Klirrfaktormessbrücke ahad der Gleichug für de Klirrfaktor k ges 6. ie i ufgabe. gemessee Klirrfaktore weiche zum Teil erheblich vo de theoretische Werte ab. Begrüde Sie die bweichuge!... Im Protokoll sid - die Meßschaltuge zu skizziere - die Meßwerte tabellarisch ud grafisch darzustelle - zu de ufgabe.,.3 ud. die theoretische Werte i die Tabelle mit eizutrage - die Frage zur Lerkotrolle zu beatworte Versuch GNP- Pulse-Code-Modulatio Seite: 5

6 Formel zur Berechug. Fourierreihe ud Klirrfaktor vo reieck- ud Rechteckschwigug 8uˆ π 9 5 reieck: u ( t) si( ω 0t) si( 3ω 0t) si( 5ω 0t) si( 7ω 0t)... k uˆ π 3 5 Rechteck: u ( t) si( ω0t) si( 3ω 0t) si( 5ω 0t) si( 7ω 0t)... kr. Betragsspektrum eies ideale abgetastete siusförmige Sigals Bei der ideale btastug sid die btastsigale δ-impulse mit der mplitude u sp (Spitzewert) ud der Frequez fs. Es etsteht ei Liiespektrum mit mplitude bei ffs, fa±fs, fa±fs,... ud mit der mplitude u sp kost. (fa btastfrequez). Wird das abgetastete Sigal (wie i de Messuge) bis zum ächste btastwert gehalte, da etspricht das eier Filterug mit dem Frequezgag si(π f/f a ). as amplitudekostate Liiespektrum der δ-impulse ist also mit eier Fuktio si(π f/f a ) zu bewerte. as Liiespektrum der ideal abgetastete ud gehaltee Siusschwigug hat Spektralliie bei ffs mit der mplitude (Spitzewert) u sp si((π fs/fa) ffa-fs u sp si[(π (fa-fs)/fa] ffafs u sp si[(π (fafs)/fa] ffa-fs u sp si[(π (fa-fs)/fa] ffafs u sp si[(π (fafs)/fa]... Zum Vergleich mit de Messergebisse müsse die urchgagsverstärkug des Evaluatio-Boards ud die mplitude-bezugsgröße bei der logarithmische arstellug des Spektrums auf dem Spektrumaalysator (V, 0,775V oder 0,V) bekat sei. usserdem ist zu berücksichtige, dass ei Spektrumaalysator immer Effektivwerte azeigt..3 Sigal-Stör-Verhältis ud Klirrfaktor eies abgetastete ud quatisierte Sigals Mit P s Sigalleistug, P Störleistug (durch Quatisierugsverzerruge) ud Bitzahl bei Biärcodierug gilt für das Verhältis Sigalleistug zu Störleistug a. bei dreieckförmige Sigale: P s /P b. bei siusförmige Sigale: P s /P,5 bzw. für die Sigal-Störabstäde (S St 0 lg(p s /P ) a. bei dreieckförmige Sigale: S St 6dB b. bei siusförmige Sigale: S St 6dB,76dB Zusammehag zwische Klirrfaktor ud Sigal-Störleistugsverhältis Klirrfaktor: k mit ges ; k ges s P P P s 9 Störspaug (Verzerruge) ges Gesamtspaug s Sigalspaug Ps araus ergibt sich: k bzw. - P P P k s 7 8 π 96 π Versuch GNP- Pulse-Code-Modulatio Seite: 6

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