数字基带信号处理实验

实验七数字基带信号处理实验一、实验目的1、熟悉该系统的时钟信号与各种定时信号的产生方法。2、理解自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）的工作原理。3、了解大规模集成电路MC145540的电路组成及工作原理。4、了解单片机在通信中的应用。二、实验预习要求1、复习脉冲编码调制（PCM）实验的内容。2、预习有关MCS－51单片计算机的原理及应用。3、预习本实验内容，熟悉实验原理和步骤。三、实验原理（一）系统电路组成系统电路和总方框图如图7－1所示。时钟输入分频电路内部时钟硬件定时信号CPU软定时信号定时与时钟电路ADPCM数据处理单元数据缓存单元CPU控制单元ADPCM数据处理单元数据缓存单元CPU控制单元平衡平衡不平衡不平衡语音语音输入输出发送PCMPCM接收接收发送ADPCMADPCMADPCMCODEC发送电路接收电路收分帧使能信号收分帧同步信号收时钟信号收定时控制信号收计数脉冲信号256KHZ8KDTDTGNDSCPRXSCPTXSCPCLKSCPEN发分帧使能信号发分帧同步信号发时钟信号发定时控制信号发计数脉冲信号DRDRGNDHZ分帧时钟图7－1数字信号通信实验系统框图（二）系统时钟信号与信号产生电路在实验电路或其它电路中，时钟信号是非常重要的，产生出来的时钟的好坏，将直接影响着整体电路质量，时钟的不稳、抖动或产生互相干扰，时钟信号的时序关系不严密，出现误差等等，对通信电路产生不同程度的影响。因此，对时钟信号或者是其它定时信号，必须要有严格的要求，如相位关系，脉冲占空比定时脉宽。1、时钟信号系统电路组成晶振2048KHZ时钟分频及定时变换电路发送定时信号产生电路接收定时信号产生电路音频信号产生电路软件使能信号产生电路8KHZ收发分帧同步信号256KHZADPCM收发时钟CLK1024KHZ突收突发时钟信号发送第1路压缩定时信号发送第2路压缩定时信号接收第2路突收定时信号接收第1路突收定时信号输出幅度、频率均可调的单音频正弦波信号发送压缩使能信号接收突收使能信号图7－2时钟信号系统电路原理框图2、系统电路分析(1)2048KHz时钟信号产生电路电路如图7－4所示。34U214:BSN74LS0412U214:ASN74LS04PRE10CLK11D12CLR13Q9Q8U211:BSN7474R2011KR2021KC2060.01UFJ2012.048MHZVCCTP210T1024KHZR1024KHZ图7－42048KHz时钟信号产生电路电路由倒相器U214:A、B（74LS04）二分频器U211:B（74LS74）等电路组成。电路加电工作后，在测试点TP210处可侧出2048KHz方波信号，再经二分频即为1024KHz方波时钟信号，分别作为收、发电路的突收、突发工作时钟信号，波形如图7－5所示。ttt(TTL电平)f=1024KHzf=1024KHzTP210f=2048KHz000U211:B(Q)U211:B(Q)图7－5突收、突发工作时钟信号（2）时钟分频及定时变换电路12U206:ASN74LS041312U206:FSN74LS04CLR1LOAD9ENT10ENP7CLK2RCO15A3QA14B4QB13C5QC12D6QD11U201SN74161TP209123K204VCCTP211256KHZ128KHZ64KHZ1024CLR1LOAD9ENT10ENP7CLK2RCO15A3QA14B4QB13C5QC12D6QD11U202SN74161CLR1LOAD9ENT10ENP7CLK2RCO15A3QA14B4QB13C5QC12D6QD11U204SN74161PRE4CLK3D2CLR1Q5Q6U203:ASN74741110U206:ESN74LS0434U206:BSN74LS0456U206:CSN74LS041312U212:FSN74LS041110U212:ESN74LS0412U208:ASN74LS0434U208:BSN74LS04456U210:BSN7408TP211VCCVCCTP2128KHZVCCVCCVCC123K203123K202123K201VCCVCCVCCC201470PC202470PTP214256N2568KR8KP8KHZCON-8KHZTP213TP218TP219TP220TP221T1024KHZ64KHZ图7－6时钟分频及定时变换电路发送1024KHz方波信号进入倒相器U206:A（74LS04）的输入端（第1引脚）后，再经过U206:F（74LS04）输出到第一级分频电路U201（74LS161）中，逐级分频，得到256KHz的时钟信号，在测试点TP211处可测出波形。将U201（74LS161）的第15引脚输出的64KHz窄脉冲信号送至第二级分频电路U202（74LS161）的第7与10引脚，作选通信号。由于只有在64KHz的窄脉冲期间，分频电路才能有输出。因此U202的输出经过逐次分频后，通过U203:A（74LS74）与U204:A（74LS161）U212（74LS04），在U203:A的Q端输出8KHz作为发送分帧同步信号，端输出反相8KHz作为接收分帧同步信号。U208:A（74LS08）的输出8KHz信号作为软定时信号的计数信号，输送至CPUU215（89C51）的定时器T0、T1。U210:B（74LS04）是8KHz窄脉冲对256KHz方波进行选通输出。U206:B、C、E（74LS04）作延时用，对256KHz方波信号进行延时，克服逻辑竞争现象。图7－7分频电路及定时变换电路波形图1024KHz12345678910111213141516512KHZ128KHZ64KHZ64KHZ窄脉冲11111116161616161611516115161024KHZ64KHZ窄脉冲8KHZ窄脉冲TP209U201-14U201-13U201-12U201-11256KHZU201-15TP209U201-15U203-5U203-6TP211TP213（3）发送定时信号产生电路PRE4CLK3D2CLR1Q5Q6U211:ASN747456U310:CSN74LS0412U207:ASN74LS0434U207:BSN74LS0412U212:ASN74LS0434U212:BSN74LS049108U209:CSN740898U206:DSN7404VCCC203470P123K207123K206TP222TP223TINT0TINT1T019T119456U209:BSN74089108U210:CSN7408SENDENTINTTF1024TFENTP216TP217图7－8发送定时信号产生电路U206-8U211-5U211-6U209-8U209-6第一路第二路图7－9发送定时信号波形图（4）接收定时信号产生电路1110U213:ESN74LS0456U213:CSN74LS0412U213:ASN74LS0498U213:DSN74LS0456U208:CSN74LS0434U213:BSN74LS041312U208:FSN74LS0498U218:DSN74LS04123U210:ASN7408TP215123K205R1024KHZRECENRADPCMRINTR1024C204470PPRE10CLK11D12CLR13Q9Q8U203:BSN74741110U208:ESN74LS0498U318:DSN74LS0498U212:DSN74LS0456U212:CSN74LS04PRE4CLK3D2CLR1Q5Q6U205:ASN7474123U209:ASN7408121311U209:DSN7408VCCVCC123K208123K209TP225R1024WRR1024CLKRADPCMDRINT0RINT1R11R01TP208图7－10接收定时信号产生电路从图中可知,同发送定时信号类同,产生定时信号的方法也相同,故波形略。需要指出的是，U213:A、B（74LS04）、U203:B(74LS74)的作用是对接收到的数字基带信号进行整形输出。U213:D、E（74LS04）、U210:A（74LS08）、U208:D、E（74LS08）的作用是用接收使能信号（由软件产生）对接收时钟1024KHz的选通进行输出。（5）软件使能信号产生电路EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U21589C51TP205TP206SEMDENRECENTP207CON-8KHZGNDJ20212MHZC20620PC20720PTP201E201100UF/16VR2033KVCC123K201TP204RESETTRESETTP203TP202SPSEN图7－11软件使能信号电路图从图中可见，软件使能信号产生电路是由89C51CPU构成的。在这里，我们编写程序要求输出一个脉冲宽度为625μS，周期为17000μS的软件使能信号。（三）自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）系统电路1、ADPCM基本原理目前，脉冲编码调制（PCM）的数字通信系统已经在大容量数字微波、光纤通信系统，以及市话网局间中继传输系统中获得广泛的应用。但是现有的PCM编码必须采用64Kbit/s的A律或μ律对数压扩的方法，才能符合长途电话传输语音的质量指标，其占用频带要比模拟单边带通信系统宽很多倍。这样，对于费用昂贵的长途大容量传输，尤其是对于卫星通信系统，采用PCM数字通信方式时的经济性很难和模拟相比拟。因此，人们一直致力于研究压缩数字化语音占用频带的工作，也就是努力在相同质量指标的条件下，降低数字化语音数码率，以提高数字通信系统的频带利用率。自适应差值编码调制（ADPCM）是在差值脉冲编码调制（DPCM）基础上逐步发展起来的，DPCM的工作原理参见原理教材有关章节。它在实现上采用预测技术减少量化编码器输入信号的多余度，将差值信号编码以提高效率、降低编码信号速率，这广泛应用于语音和图像信号数字化。CCITT近几年确定了64Kb/s—32kb/s的变换体制，将标准的PCM码变换为32kb/s的ADPCM码，传输后再恢复为64Kb/s的PCM信号，从而使64Kb/s数字话音压缩速率一倍，使传输信道的容易扩大一倍。ADPCM中的量化器与预测器均采用自适应方式，即量化器与预测器的参数能根据输入信号的统计特性自适应于最佳参数状态。通常，人们把低于64Kb/s数码率的语音编码方法称为语音压缩编码技术，语音压缩编码方法很多，自适应差值脉冲调制（ADPCM）是语音压缩编码中复杂程度较低的一种方法。它能在32kbit/s数码率上达到符合64kbit/s数码率的语音质量要求，也就是符合长途电话的质量要求。当以高于奈奎斯特速率对话音或视频信号抽样时，在前后样值间可以看到有明显的相关性，将这些相关样值按通常PCM系统的方式加以编码时会使得编码信号含有多余信息。如在编码前将这种多余信息去掉，则可得到效率较高的编码信号。为此，可先利用信号X（nts）的相关性对未来样值进行线性预测，预测器通常为抽头延时滤波器（即FIR滤波器）如图7－12所示。XXXXX相加延时（Ts）（Ts）（Ts）（Ts）a0a1a2a3aniX(nTs)X(nTs)图7－12线性预测器的构成线性预测器的预测值为：其中ai为预测系数，在DPCM中为常数；在ADPCM中为自适应变量。n为预测阶数。可以根据预测误差能量最小的准则求出预测系数ai。这样，PCM编码器改为对差值信号e(nTs)=x(nTs)