PCM編譯碼 實驗

??? 1. 掌握PCM編譯碼原理。
??? 2. 掌握PCM基帶信號的形成過程及分接過程。
3. 掌握語音信號PCM編譯碼系統(tǒng)的動態(tài)范圍和頻率特性的定義及測量方法。

??? 二、實驗內(nèi)容

??? 1. 用示波器觀察兩路音頻信號的編碼結(jié)果，觀察PCM基群信號。
??? 2. 改變音頻信號的幅度，觀察和測試譯碼器輸出信號的信噪比變化情況。
3. 改變音頻信號的頻率，觀察和測試譯碼器輸出信號幅度變化情況。

??? 三、基本原理

??? 1. 點到點PCM多路電話通信原理
??? 脈沖編碼調(diào)制(PCM)技術(shù)與增量調(diào)制(ΔM)技術(shù)已經(jīng)在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)信道噪聲比較小時一般用PCM，否則一般用ΔM。目前速率在155MB以下的準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)中，國際上存在A解和μ律兩種PCM編譯碼標(biāo)準(zhǔn)系列，在155MB以上的同步數(shù)字系列(SDH)中，將這兩個系列統(tǒng)一起來，在同一個等級上兩個系列的碼速率相同。而ΔM在國際上無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但它在通信環(huán)境比較惡劣時顯示了巨大的優(yōu)越性。
??? 點到點PCM多路電話通信原理可用圖9-1表示。對于基帶通信系統(tǒng)，廣義信道包括傳輸媒質(zhì)、收濾波器、發(fā)濾波器等。對于頻帶系統(tǒng)，廣義信道包括傳輸媒質(zhì)、調(diào)制器、解調(diào)器、發(fā)濾波器、收濾波器等。

本實驗?zāi)K可以傳輸兩路話音信號。采用TP3057編譯器，它包括了圖9-1中的收、發(fā)低通濾波器及PCM編譯碼器。編碼器輸入信號可以是本實驗?zāi)K內(nèi)部產(chǎn)生的正弦信號，也可以是外部信號源的正弦信號或電話信號。本實驗?zāi)K中不含電話機(jī)和混合電路，廣義信道是理想的，即將復(fù)接器輸出的PCM信號直接送給分接器。
??? 2. PCM編譯碼模塊原理
本模塊的原理方框圖圖9-2所示，電原理圖如圖9-3所示（見附錄），模塊內(nèi)部使用+5V和-5V電壓，其中-5V電壓由-12V電源經(jīng)7905變換得到。

圖9-2? PCM編譯碼原理方框圖

該模塊上有以下測試點和輸入點：
? BS??????PCM基群時鐘信號(位同步信號)測試點
? SL0?????PCM基群第0個時隙同步信號
? SLA?????信號A的抽樣信號及時隙同步信號測試點
? SLB?????信號B的抽樣信號及時隙同步信號測試點
? SRB?????信號B譯碼輸出信號測試點
? STA?????輸入到編碼器A的信號測試點
? SRA?????信號A譯碼輸出信號測試點
? STB?????輸入到編碼器B的信號測試點
? PCM?????PCM基群信號測試點
? PCM-A?????信號A編碼結(jié)果測試點
? PCM-B?????信號B編碼結(jié)果測試點
? STA-IN?????外部音頻信號A輸入點
? STB-IN?????外部音頻信號B輸入點
??? 本模塊上有三個開關(guān)K5、K6和K8，K5、K6用來選擇兩個編碼器的輸入信號，開關(guān)手柄處于左邊(STA-IN、STB-IN)時選擇外部信號、處于右邊(STA-S、STB-S)時選擇模塊內(nèi)部音頻正弦信號。K8用來選擇SLB信號為時隙同步信號SL1、SL2、SL5、SL7中的某一個。
??? 圖9-2各單元與電路板上元器件之間的對應(yīng)關(guān)系如下：
??? ?晶振?????U75：非門74LS04；CRY1：4096KHz晶體
??? ?分頻器1????U78:A：U78:D：觸發(fā)器74LS74；U79：計數(shù)器74LS193
??? ?分頻器2????U80：計數(shù)器74LS193；U78:B：U78:D：觸發(fā)器74LS74
??? ?抽樣信號產(chǎn)生器???U81：單穩(wěn)74LS123；U76：移位寄存器74LS164
??? ?PCM編譯碼器A???U82：PCM編譯碼集成電路TP3057（CD22357）
??? ?PCM編譯碼器B???U83：PCM編譯碼集成電路TP3057（CD22357）
??? ?幀同步信號產(chǎn)生器??U77：8位數(shù)據(jù)產(chǎn)生器74HC151；U86:A：與門7408
??? ?正弦信號源A???U87：運(yùn)放UA741
??? ?正弦信號源B???U88：運(yùn)放UA741
??? ?復(fù)接器?????U85：或門74LS32
??? 晶振、分頻器1、分頻器2及抽樣信號（時隙同步信號）產(chǎn)生器構(gòu)成一個定時器，為兩個PCM編譯碼器提供2.048MHz的時鐘信號和8KHz的時隙同步信號。在實際通信系統(tǒng)中，譯碼器的時鐘信號(即位同步信號)及時隙同步信號(即幀同步信號)應(yīng)從接收到的數(shù)據(jù)流中提取，方法如實驗五及實驗六所述。此處將同步器產(chǎn)生的時鐘信號及時隙同步信號直接送給譯碼器。
??? 由于時鐘頻率為2.048MHz，抽樣信號頻率為8KHz，故PCM-A及PCM-B的碼速率都是2.048MB，一幀中有32個時隙，其中1個時隙為PCM編碼數(shù)據(jù)，另外31個時隙都是空時隙。
??? PCM信號碼速率也是2.048MB，一幀中的32個時隙中有29個是空時隙，第0時隙為幀同步碼(×1110010)時隙，第2時隙為信號A的時隙，第1(或第5、或第7 —由開關(guān)K8控制)時隙為信號B的時隙。
??? 本實驗產(chǎn)生的PCM信號類似于PCM基群信號，但第16個時隙沒有信令信號，第0時隙中的信號與PCM基群的第0時隙的信號也不完全相同。
??? 由于兩個PCM編譯碼器用同一個時鐘信號，因而可以對它們進(jìn)行同步復(fù)接(即不需要進(jìn)行碼速調(diào)整)。又由于兩個編碼器輸出數(shù)據(jù)處于不同時隙，故可對PCM-A和PCM-B進(jìn)行線或。本模塊中用或門74LS32對PCM-A、PCM-B及幀同步信號進(jìn)行復(fù)接。在譯碼之前，不需要對PCM進(jìn)行分接處理，譯碼器的時隙同步信號實際上起到了對信號分路的作用。
??? 3. TP3057簡介
??? 本模塊的核心器件是A律PCM編譯碼集成電路TP3057，它是CMOS工藝制造的專用大規(guī)模集成電路，片內(nèi)帶有輸出輸入話路濾波器，其引腳及內(nèi)部框圖如圖9-4、圖9-5所示。引腳功能如下：

圖9-4? TP3057引腳圖

(1) V一?接-5V電源。
(2) GND?接地。
(3) VFRO?接收部分濾波器模擬信號輸出端。
(4) V+?接+5V電源。
(5) FSR?接收部分幀同信號輸入端，此信號為8KHz脈沖序列。
(6) DR?接收部分PCM碼流輸入端。
(7) BCLKR/CLKSEL?接收部分位時鐘(同步)信號輸入端，此信號將PCM碼流在FSR上升沿后逐位移入DR端。位時鐘可以為64KHz到2.048MHz的任意頻率，或者輸入邏輯“1”或“0”電平器以選擇1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主時鐘，此時發(fā)時鐘信號BCLKX同時作為發(fā)時鐘和收時鐘。
(8) MCLKR/PDN?接收部分主時鐘信號輸入端，此信號頻率必須為1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz?？梢院蚆CLKX異步，但是同步工作時可達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng)此端接低電平時，所有的內(nèi)部定時信號都選擇MCLKX信號，當(dāng)此端接高電平時，器件處于省電狀態(tài)。
(9) MCLKX?發(fā)送部分主時鐘信號輸入端，此信號頻率必須為1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz?？梢院蚆CLKR異步，但是同步工作時可達(dá)到最佳狀態(tài)。
(10) BCLKX?發(fā)送部分位時鐘輸入端，此信號將PCM碼流在FSX信號上升沿后逐位移出DX端，頻率可以為64KHz到2.04MHz的任意頻率，但必須與MCLKX同步。

圖9-5? TP3057內(nèi)部方框圖

(11) DX?發(fā)送部分PCM碼流三態(tài)門輸出端。
(12) FSX?發(fā)送部分幀同步信號輸入端，此信號為8KHz脈沖序列。
(13) TSX?漏極開路輸出端，在編碼時隙輸出低電平。
(14) GSX?發(fā)送部分增益調(diào)整信號輸入端。
(15) VFXi-?發(fā)送部分放大器反向輸入端。
(16) VFXi＋?發(fā)送部分放大器正向輸入端。
??? TP3057由發(fā)送和接收兩部分組成，其功能簡述如下。
??? 發(fā)送部分：
??? 包括可調(diào)增益放大器、抗混淆濾波器、低通濾波器、高通濾波器、壓縮A/D轉(zhuǎn)換器?？够煜秊V波器對采樣頻率提供30dB以上的衰減從而避免了任何片外濾波器的加入。低通濾波器是5階的、時鐘頻率為128MHz。高通濾波器是3階的、時鐘頻率為32KHz。高通濾波器的輸出信號送給階梯波產(chǎn)生器(采樣頻率為8KHz)。階梯波產(chǎn)生器、逐次逼近寄存器（S?A?R）、比較器以及符號比特提取單元等4個部分共同組成一個壓縮式A/D轉(zhuǎn)換器。S?A?R輸出的并行碼經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換后成PCM信號。參考信號源提供各種精確的基準(zhǔn)電壓，允許編碼輸入電壓最大幅度為5VP-P。
??? 發(fā)幀同步信號FSX為采樣信號。每個采樣脈沖都使編碼器進(jìn)行兩項工作：在8比特位同步信號BCLKX的作用下，將采樣值進(jìn)行8位編碼并存入逐次逼近寄存器；將前一采樣值的編碼結(jié)果通過輸出端DX輸出。在8比特位同步信號以后，DX端處于高阻狀態(tài)。
??? 接收部分：
??? 包括擴(kuò)張D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。低通濾波器符合AT&T D3/D4標(biāo)準(zhǔn)和CCITT建議。D/A轉(zhuǎn)換器由串/并變換、D/A寄存器組成、D/A階梯波形成等部分構(gòu)成。在收幀同步脈沖FSR上升沿及其之后的8個位同步脈沖BCLKR作用下，8比特PCM數(shù)據(jù)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)寄存器(即D/A寄存器)，D/A階梯波單元對8比特PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A變換并保持變換后的信號形成階梯波信號。此信號被送到時鐘頻率為128KHz的開關(guān)電容低通濾波器，此低通濾波器對階梯波進(jìn)行平滑濾波并對孔徑失真(sinx)/x進(jìn)行補(bǔ)嘗。
??? 在通信工程中，主要用動態(tài)范圍和頻率特性來說明PCM編譯碼器的性能。
動態(tài)范圍的定義是譯碼器輸出信噪比大于25dB時允許編碼器輸入信號幅度的變化范圍。PCM編譯碼器的動態(tài)范圍應(yīng)大于圖9-6所示的CCITT建議框架（樣板值）。
??? 當(dāng)編碼器輸入信號幅度超過其動態(tài)范圍時，出現(xiàn)過載噪聲，故編碼輸入信號幅度過大時量化信噪比急劇下降。TP3057編譯碼系統(tǒng)不過載輸入信號的最大幅度為5VP-P。
由于采用對數(shù)壓擴(kuò)技術(shù)，PCM編譯碼系統(tǒng)可以改善小信號的量化信噪比，TP3057采用A律13折線對信號進(jìn)行壓擴(kuò)。當(dāng)信號處于某一段落時，量化噪聲不變(因在此段落內(nèi)對信號進(jìn)行均勻量化)，因此在同一段落內(nèi)量化信噪比隨信號幅度減小而下降。13折線壓擴(kuò)特性曲線將正負(fù)信號各分為8段，第1段信號最小，第8段信號最大。當(dāng)信號處于第一、二段時，量化噪聲不隨信號幅度變化，因此當(dāng)信號太小時，量化信噪比會小于25dB，這就是動態(tài)范圍的下限。TP3057編譯碼系統(tǒng)動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號最小幅度約為0.025Vp-p。
常用1KHz的正弦信號作為輸入信號來測量PCM編譯碼器的動態(tài)范圍。