实验二--脉冲编码调制与解调实验讲义

实验二脉冲编码调制与解调实验—.实验目的1.加深对PCM编码过程的理解。2.熟悉PCM编、译码专用集成芯片的功能和使用方法。3.了解PCM系统的工作过程。二.实验电路工作原理（一）PCM基本工作原理脉冲调制就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中传输。脉码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程。所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。在该实验中，抽样速率采用8Kbit/s。所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。由此可见，脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式。PCM的原理如图2-1所示。话音信号先经防混叠低通滤波器，进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。对于电话，CCITT规定抽样率为8KHz，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s。为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大，如图2—2所示。话音输出话音输入解码量化滤波低通解调(接收)(发送)抽样信道再生PCM信号编码发送放大0lAVolViA=j0VollViμμ=0(b)(a)在实际中广泛使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和律。A律PCM用于欧洲和我国，律用于北美和日本。它们的编码规律如图2-3所示。图中给出了信号抽样编码字与输入电压的关系，其中编码方式（1）为符号/幅度数据格式，Bit7表示符号位，Bit6～0表示幅度大小；（2）为A律压缩数据格式，它是（1）的ADI（偶位反相）码；（3）为律压缩数据格式，它是由（1）的Bit6～0反相而得到，通常为避免00000000码出现，将其变成零抑制码00000010。对压缩器而言，其输入输出归一化特性表示式为:A律:μ律:图2-1PCM的原理框图图2-2A律与律的压缩特性AAVAAVVln1)ln(1ln1110)11()10(11VAAV)1ln()1ln(110VV)11(1V图2-3PCM编码方式(二)PCM编译码电路TP3067芯片介绍1.编译码器的简单介绍模拟信号经过编译码器时，在编码电路中，它要经过取样、量化、编码，如图2-4(a)所示。到底在什么时候被取样，在什么时序输出PCM码则由A→D控制来决定，同样PCM码被接收到译码电路后经过译码、低通滤波、放大，最后输出模拟信号，把这两部分集成在一个芯片上就是一个单路编译码器，它只能为一个用户服务，即在同一时刻只能为一个用户进行A\D及D\A变换。编码器把模拟信号变换成数字信号的规律一般有二种，一种是μ律十五折线变换法，它一般用在PCM24路系统中，另一种是A律十三折线非线性交换法，它一般应用于PCM30\32路系统中，这是一种比较常用的变换法.模拟信号经取样后就进行A律十三折线变换，最后变成8位PCM码，在单路编译码器中，经变换后的PCM码是在一个时隙中被发送出去，这个时序号是由A→D控制电路来决定的，而在其它时隙时编码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM帧里只在一个由它自己的A→D控制电路决定的时隙里输出8位PCM码，同样在一个PCM帧里，它的译码电路也只能在一个由它自己的D--A控制电路决定的时序里，从外部接收8位PCM码。其实单路编译码器的发送时序和接收时序还是可由外部电路来控制的，编译码器的发送时序由A→D控制电路来控制。我们定义为FSx和FSr，要求FSx和FSr是周期性的，并且它的周期和PCM的周输入信号电压-2.115V01110000MSBLSBB117-0000100000100000001100000010100000011000000100000100100000000000010000000101000001011000011100000110000001101000011110000111111110111111100000000+1.207V输入信号电压-1.207V0V+2.115B117-0MSBLSB-2.5V-1.25V100000001000111110011111101011111011111111001111111011111101111101111111011011110101111101001111001111110010111100011111000011111011000010100000100000000001000010010000001100000100000001100000011100000101000000100000111111111111000011010000110000001110000000101010+2.5V+1.25V0V01110101000001010010010100110101000101010110010111000101010001011101010111110101111001011011010110010101100001011010010110101010(1)符号：幅度码(1)符号：幅度码(3)μ律编码(2)A律编码TSXDRDXGNDAVPO--5V+5VVBBVCCR4R3+模拟入VPO+VFXI+VFXI-R1R-+-R217XMTA/D定时和控制/PDNMCLKXMCLKR滤波器RC有源基准电压低通滤波器比效器开关电容CLKSELBCLKXBCLKR/FSRFSXDACS/H逻辑控制REGCLKRCVOEREG滤波器RC有源滤波器开关电容带通ANLB（模拟环回路控制入）DACS/H零逻辑自动138156202111012971418191345GSX16VPIVFRO期要相同，都为125μS，这样，每来一个FSx，其Codec就输出一个PCM码，每来一个FSr，其Codec就从外部输入一个PCM码。图2-4(b)是PCM的译码电路方框图，工作过程同图2-4(a)相反，因此就不再讨论了。图2-4（a）A→D电路图2-4（b）D→A电路图2-4A/D及D/A电路框图2.本实验系统编译码器电路的设计我们所使用的编译码器是把编译码电路和各种滤波器集成在一个芯片上，它的框图见图2－5所示。该器件为TP3067。图2-6是它的管脚排列图。具体的同学们可以通过网络查阅该芯片的PDF。图2-5TP3067逻辑方框图模拟信号模拟信号A-D控制编码量化取样PCM码D-A控制放大低通PCM码译码10MCLKR/PDN1BCLKR/CLKSELDR98FSRVCC763VFROVPI45VPO-GNDA2VPO+MCLKX1120BCLKXDX13121514FSXTSXVFXI+ANLB181617GSX19VBBVFXI-3.引脚符号符号功能VPO+接收功率放大器的同相输出GNDA模拟地，所有信号均以该引脚为参考点VPO-接收功率放大器的倒相输出VPI接收功率放大器的倒相输入VFRO接收滤波器的模拟输出VCC正电源引脚，VCC=+5V士5%FSR接收帧同步脉冲，FSR为8kHz脉冲序列。DR接收帧数据输入.PCM数据随着FSR前沿移入DRBCLKR\CLKSEL在FSR的前沿后把数据移入DR的位时钟，其频率可从64kHz至2.48MHz。MCLKR\PDN接收主时钟，其频率可以为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz.图2-6TP3067管脚排列图MCLKX发送主时钟，其频率可以是1.536MHz，1.544MHz或2.048MHz.它允许与MCLKR异步，同步工作能实现最佳性能。BCLKXPCM数据从DX上移出的位时钟，频率从64kHz至2.048MHz，必须与MCLKX同步。DX由FSX启动的三态PCM数据输出。FSX发送帧同步脉冲输入，它启动BCLKX并使DX上PCM数据移到DX上。ANLB模拟环回路控制输入，在正常工作时必须置为逻辑“0”，当拉到逻辑“1”时，发送滤波器和前置放大器输出被断开，改为和接收功率放大器的VPO+输出连接。GSX发送输入放大器的模拟输出。用来在外部调节增益。VFXI-发送输入放大器的倒相输入。VFXI+发送输入放大器的非倒相输入。VBB负电源引脚，VBB=-5V±5%。4.PCM编译码电路PCM编译码电路所需的工作时钟为2.048MHz，FSR、FSX的帧同步信号为8KHz窄脉冲，图2-7是短帧同步定时波形图。在本实验中选择A律变换，以2.048Mbit/s的速率来传送信息，信息帧为无信令帧，它的发送时序与接收时序直接受FSX和FSR控制。还有一点，编译码器一般都有一个PDN降功耗控制端，PDN=0时，编译码能正常工作，PDN=1时，编译码器处于低功耗状态，这时编译码器其它功能都不起作用，我们在设计时，可以实现对编译码器的降功耗控制。FSXBCLKXMCLKRMCLKxDXTSXDRBLCKRTP5022.048MHzTP502编码2.048MHz主时钟输入TP503编码8KHz帧同步信号输入TP504编码PCM数字信号输出TP502TP503译码PCM数字信号输入TP505译码8KHz帧同步信号输入译码2.048MHz主时钟输入PCM编译码使能信号输入FSR图2-7短帧同步定时三、实验步骤1．将信号源模块、模拟信号数字化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，再分别按下二个模块中的开关POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED001、LED002、LED300、LED301发光，按一下信号源模块的复位键，模块开始工作。3．将信号源模块的拨码开关SW101、SW102设置为00000000000001。4．将信号源模块产生的正弦波信号（频率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“64K-IN”、“8K-IN”、“2048K-IN”连接，观察信号输出点“PCMB-OUT”的波形。5．连接连接信号输出点“PCMB-OUT”和信号输入点“PCM-IN”，观察信号输出点“OUT”的波形。。6．改变输入正弦信号的幅度，使其峰-峰值分别等于和大于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”、“PCMB-OUT”上，观察满载和过载时的脉冲幅度调制和解调波形，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”，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解码信号幅度急剧减小）。四、输入、输出点参考说明1．输入点参考说明2048K-IN：PCM所需时钟输入点。S-IN：模拟信号输入点（基带信号）。64K-IN：PCM编码所需时钟输入点。8K-IN：PCM编码帧同步信号输入点。PCM-IN：PCM解调信号输入点。（因为是对随机信号进行编码，所以用模拟示波器无法同步该点信号，必须用数字存储示