上大通信原理实验九(9)

1、实验九实验九 PCM PCM 编译码编译码 一、实验目的一、实验目的 1. 掌握 PCM 编译码原理。 2. 掌握 PCM 基带信号的形成过程及 分接过程。 3. 掌握语音信号 PCM 编译码系统的 动态范围和频率特性的定义及测量 方法。 二、实验内容二、实验内容 用示波器观察两路音频信号的 编码结果，观察 PCM 基群信号。 三、基本原理三、基本原理 1. 点到点 PCM 多路电话通信原理 脉冲编码调制(PCM)技术与增量 调制(M)技术已经在数字通信系统 中得到广泛应用。当信道噪声比较小 时一般用 PCM，否则一般用M。目前 速率在 155MB 以下的准同步数字系列 (PDH)中，国际上存

2、在 A 律和律两 种 PCM 编译码标准系列，在 155MB 以 上的同步数字系列(SDH)中，将这两 个系列统一起来，在同一个等级上两 个系列的码速率相同。而M 在国际 上无统一标准，但它在通信环境比较 恶劣时显示了巨大的优越性。 点到点 PCM 多路电话通信原理可 用图 9-1 表示。对于基带通信系统， 广义信道包括传输媒质、收滤波器、 发滤波器等。对于频带系统，广义信 道包括传输媒质、调制器、解调器、 发滤波器、收滤波器等。 低通滤 波器 PCM 编 码器 复接器 低通滤 波器 PCM 译 码器 分接器 混合 电路 广 义 信 道 本实验模块可以传输两路话音 信号。采用 TP3057 编

3、译器，它包括 了图9-1中的收、 发低通滤波器及PCM 编译码器。编码器输入信号可以是 本实验模块内部产生的正弦信号， 也可以是外部信号源的正弦信号或 电话信号。本实验模块中不含电话 机和混合电路，广义信道是理想的， 即将复接器输出的 PCM 信号直接送 给分接器。 2. PCM 编译码模块原理 本模块的原理方框图及电路图如 图 9-2 及图 9-3 所示，模块内部使 用+5V 和-5V 电压，其中-5V 电压由- 12V 电源经 7905 变换得到。 4096KHz 晶 振 分频 器 1 分频器 2 帧同步 信号产 生器 正弦信号 源 A S1 S2 S3 S4 PCM 编译 码器 A 复接

4、器 抽样信号 产生信号 PCM 编译 码器 B PCM PCM-A SRB SRA PCM-B 256KHzS3 S2 S1 8KHz 2048KHz CLK SLA(SL2)SLB STA-IN K5 SLASLB SL7 SL5 SL2 、2 SL1 、2 SL0 、2 K8 、2 正弦 信号 源 B STB-IN STB K6 STA-S STASTB-S BSPCM 基群时钟信号(位同步 信号)测试点 SL0PCM 基群第 0 个时隙同步信 号 SLA信号 A 的抽样信号及时隙同 步信号测试点 SLB信号 B 的抽样信号及时隙同 步信号测试点 SRB信号 B 译码输出信号测试点 STA

5、输入到编码器 A 的信号测试 点 SRA信号 A 译码输出信号测试点 该模块上有以下测试点和输入点： STB输入到编码器 B 的信号 测试点 PCMPCM 基群信号测试点 PCM-A信号 A 编码结果测 试点 PCM-B信号 B 编码结果测 试点 STA-IN外部音频信号 A 输 入点 STB-IN外部音频信号 B 输 入点 本模 块 上有 三 个开 关 K5、 K6 和 K8，K5、K6 用来选择两个编码器的输 入信号，开关手柄处于左边(STA-IN、 STB-IN)时 选 择 外 部 信 号 、 处 于 右 边 (STA-S、 STB-S)时 选 择 模 块 内 部 音 频 正弦信号。K8

6、 用来选择 SLB 信号为时 隙同步信号 SL1、SL2、SL5、SL7 中的 某一个。 89 U84D 74LS04 1011 U84E 74LS04 34 U84B 74LS04 12 U84A 74LS04 1 2 3 U85A 74LS32 4 5 6 U85B 74LS32 1 2 3 U86A 74LS08 VCC I0 4 I1 3 I2 2 I3 1 I4 15 I5 14 I6 13 I7 12 A 11 B 10 C 9 E 7 Z 5 Z 6 U77 74HC151 -5 VCC R10 500 R95K K6 K5 +5 -5 R135K R19 10K 12 U75A

7、 74LS04 34 U75B 74LS04 56 U75C 74LS04 R11k CRY4 4096k C79 15p R2 100k CU 5 CD 4 QB 2 QC 6 QD 7 PL 11 MR 14 U79 74LS193 CU 5 CD 4 QB 2 QC 6 QD 7 PL 11 MR 14 U80 74LS193VCCVCC R3 100k CLK 11 D 12 SD 10 CD 13 Q 9 Q 8 U78B 74LS74 VCC C2 100p R4 5k VCC A 9 B 10 CLR 11 Q 5 Cext 6 RCext 7 U81B 74LS123 A 1

8、B 2 CLR 3 Q 13 Cext 14 RCext 15 U81A 74LS123 R5 5K C3 100p VCC B 2 Q1 4 Q2 5 Q5 11 Q7 13 CLK 8 Q0 3 A 1 U76 74LS164 VCC 1 2 3 45 6 7 8 K8 SW-DIP4 CLK 3 D 2 SD 4 CD 1 Q 5 Q 6 U78A 74LS74 VCC 3 2 6 74 U87 UA741 R14 1k R15 1k C6 0.1u C7 0.22u C10 33u R8 5k VFX_ 15 BND 2 VFX+ 16 MCLKX 9 BCLKX 10 MCLKR 8

9、 BCLKR 7 VFR 3 FSR 5 FSX 12 DR 6 V- 1 V+ 4 DX 11 GS 14 U82 TP3057 R65K R7 500 VCC -5 C9 0.22u C8 0.1u R18 500 R17 500 3 2 6 74 U88 UA741 R20 10K R165K -5 +5 VFX_ 15 BND 2 VFX+ 16 MCLKX 9 BCLKX 10 MCLKR 8 BCLKR 7 VFR 3 FSR 5 FSX 12 DR 6 V- 1 V+ 4 DX 11 GS 14 U83 TP3057 C11 33u R11 5K S3 S2 S1 SLB SLA

10、 SRA SL0 CLK STB-IN STB-S S1 S2 S3 STA-S STA-IN SRB PCM-A PCM-B SLB 7 5 2 1 晶振U75：非门 74LS04；CRY1：4096KHz 晶体 分频器 1U78:A：触发 器 74LS74；U79：计数器 74LS193 分频器 2U80：计数器 74LS193；U78:B：触发器 74LS74 抽样信号产生器U81：单 稳 74LS123； U76： 移位寄存器 74LS164 PCM 编译码器 AU82：PCM 编译码集成电路 TP3057（CD22357） PCM 编译码器 BU83：PCM 编译码集成电路 TP30

11、57（CD22357） 图 9-2 各单元与图 9-3 中的元器件 之间的对应关系如下： 帧同步信号产生器U77：8 位 数据产生器 74HC151； U86:A： 与门 7408 正弦信号源 AU87：运放 UA741 正弦信号源 BU88：运放 UA741 复接器U85：或门 74LS32 晶振、分频器 1、分频器 2 及抽 样信号（时隙同步信号）产生器构成 一个定时器，为两个 PCM 编译码器提 供 2.048MHz 的时钟信号和 8KHz 的时 隙同步信号。在实际通信系统中，译 码器的时钟信号(即位同步信号)及时 隙同步信号(即帧同步信号)应从接收 到的数据流中提取，方法如实验五及 实

12、验六所述。此处将同步器产生的时 钟信号及时隙同步信号直接送给译码 器。 由于时钟频率为 2.048MHz，抽样 信号频率为 8KHz，故 PCM-A 及 PCM-B 的码速率都是 2.048MB，一帧中有 32 个时隙，其中 1 个时隙为 PCM 编码数 据，另外 31 个时隙都是空时隙。 PCM 信号码速率也是 2.048MB，一 帧中的 32 个时隙中有 29 个是空时隙， 第 0 时隙为帧同步码(1110010)时 隙， 第 2 时隙为信号 A 的时隙， 第 1(或 第 2、或第 5、或第 7 由开关 K8 控 制)时隙为信号 B 的时隙。 本实验产生的 PCM 信号类似于 PCM 基群

13、信号，但第 16 个时隙没有信 令信号，第 0 时隙中的信号与 PCM 基 群的第 0 时隙的信号也不完全相同。 由于两个 PCM 编译码器用同一个 时钟信号，因而可以对它们进行同步 复接(即不需要进行码速调整)。又由 于两个编码器输出数据处于不同时 隙，故可对 PCM-A 和 PCM-B 进行线或。 本模块中用或门 74LS32 对 PCM-A、 PCM-B 及帧同步信号进行复接。在译 码之前，不需要对 PCM 进行分接处理， 译码器的时隙同步信号实际上起到了 对信号分路的作用。 本模块的核心器件是 A 律 PCM 编 译码集成电路 TP3057，它是 CMOS 工 艺制造的专用大规模集成电

14、路，片内 带有输出输入话路滤波器，其引脚及 内部框图如图 9-4、图 9-5 所示。引 脚功能如下： 3. TP3057 简介 (1) V 一 接-5V 电源。 (2) GND接地。 (3) VFRO接收部分滤波器模拟信号 输出端。 (4) V+接+5V 电源。 (5) FSR接收部分帧同信号输入 端，此信号为 8KHz 脉冲 序列。 (6) DR接收部分 PCM 码流输入 端。 (7) BCLKR/CLKSEL 接收部分位时钟 (同步)信号输入端，此信 号将 PCM 码流在 FSR上升 沿后逐位移入 DR 端。位 时钟可以为 64KHz 到 2.048MHz 的任意频率， 或者输入逻辑“1”

15、或“0” 电平器以选择 1.536MHz、 1.544MHz 或 2.048MHz 用 作同步模式的主时钟，此 时发时钟信号 BCLKX同时 作为发时钟和收时钟。 (8) MCLKR/PDN 接收部分主时钟信号 输入端，此信号频率必须 为 1.536MHz、1.544MHz 或 2.048MHz。 可以和 MCLKX (9) MCLKX发送部分主时钟信号输入 端，此信号频率必须为 1.536MHz、1.544MHz 或 2.048MHz。可以和 MCLKR 异步，但是同步工作时可 达到最佳状态。 (10) BCLKX发送部分位时钟输入 端，此信号将 PCM 码流在 FSX信号上升沿后逐位移 出

16、DX端， 频率可以为64KHz 到 2.04MHz 的任意频率， 但必须与 MCLKX同步。 (11) DX发送部分 PCM 码流三态门 输出端。 (12) FSX发送部分帧同步信号输入 端，此信号为 8KHz 脉冲 序列。 (13) TSX漏极开路输出端，在编码 时隙输出低电平。 (14) GSX发送部分增益调整信号输 入端。 (15) VFXi-发送部分放大器反向输入 端。 (16) VFXi发送部分放大器正向输 入端。 TP3057 由发送和接收两部分组成， 其功能简述如下。 发送部分： 包括可调增益放大器、抗混淆 滤波器、低通滤波器、高通滤波器、 压缩 A/D 转换器。抗混淆滤波器对

17、采样频率提供 30dB 以上的衰减从而 避免了任何片外滤波器的加入。低 通滤波器是 5 阶的、时钟频率为 128kHz。高通滤波器是 3 阶的、时 钟频率为 32KHz。 阶梯波产生器、逐次逼近寄存 器（SAR） 、比较器以及符号比 特提取单元等 4 个部分共同组成一 个压缩式 A/D 转换器。SAR 输 出的并行码经并/串转换后成 PCM 信 号。参考信号源提供各种精确的基 准电压，允许编码输入电压最大幅 度为 5VP-P。 发帧同步信号 FSX为采样信号。 每个采样脉冲都使编码器进行两项工 作：在 8 比特位同步信号 BCLKX的作 用下，将采样值进行 8 位编码并存入 逐次逼近寄存器；将

18、前一采样值的编 码结果通过输出端 DX输出。在 8 比特 位同步信号以后，DX端处于高阻状态。 包括扩张 D/A 转换器和低通滤波 器。低通滤波器符合 AT&T D3/D4 标 准和 CCITT 建议。D/A 转换器由串/并 变换、D/A 寄存器组成、D/A 阶梯波 形成等部分构成。 在收帧同步脉冲 FSR 上升沿及其之后的 8 个位同步脉冲 BCLKR 作用下，8 比特 PCM 数据进入 接收数据寄存器(即 D/A 寄存器)， D/A 阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A 变换并保持变换后的信号形成阶梯波 信号。 接收部分： 此信号被送到时钟频率为 128KHz 的开 关电容低通滤波器，此

19、低通滤波器对 阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真 (sinx)/x 进行补尝。 在通信工程中，主要用动态范 围和频率特性来说明 PCM 编译码器 的性能。 动态范围的定义是: PCM 编译码器的动态范围应大于 图 9-6 所示的 CCITT 建议框架（样板 值） 。 译码器输出信噪比大于译码器输出信噪比大于 25dB25dB 时允许时允许 编码器输入信号幅度的变化范围。编码器输入信号幅度的变化范围。 当编码器输入信号幅度超过其 动态范围时，出现过载噪声，故编 码输入信号幅度过大时量化信噪比 急剧下降。TP3057 编译码系统不过 载输入信号的最大幅度为 5VP-P。 -10 0 -20 -30 -

20、40 -50 34 25 31 28 S/N(db) 输入电平 （dbmo） 由于采用对数压扩技术，PCM 编 译码系统可以改善小信号的量化信噪 比，TP3057 采用 A 律 13 折线对信号 进行压扩。当信号处于某一段落时， 量化噪声不变(因在此段落内对信号进 行均匀量化)，因此在同一段落内量化 信噪比随信号幅度减小而下降。13 折 线压扩特性曲线将正负信号各分为 8 段，第 1 段信号最小，第 8 段信号最 大。当信号处于第一、二段时，量化 噪声不随信号幅度变化，因此当信号 太小时，量化信噪比会小于 25dB，这 就是动态范围的下限。TP3057 编译码 系统动态范围内的输入信号最小幅度

21、 约为 0.025Vp-p。 常用 1KHz 的正弦信号作为输入信 号来测量 PCM 编译码器的动态范围。 语 音 信 号 的 抽 样 信 号 频 率 为 8KHz，为了不发生频谱混叠，常将语 音信号经截止频率为 3.4KHz 的低通滤 波器处理后再进行 A/D 处理。语音信 号的最低频率一般为 300Hz。TP3057 编码器的低通滤波器和高通滤波器决 定了编译码系统的频率特性，当输入 信号频率超过这两个滤波器的频率范 围时，译码输出信号幅度迅速下降。 这就是 PCM 编译码系统频率特性的含 义。 2. 用示波器观察 STA、STB，调节 电位器 R19(对应 STA)、R20(对应 STB

22、)，使正弦信号 STA、STB 波形不 失真(峰峰值小于 5V)。 四、实验步骤四、实验步骤 1. 熟悉 PCM 编译码单元工作原理， 开关 K8 接通 SL1(或 SL5、SL7)，开 关 K5、K6 分接置于 STA-S、STB-S 的方向，检查电源无误后开启实验 板电源。 示波器 CH1 接 SL0， （调整示波器 扫描周期以显示至少两个 SL0 脉冲， 从 而 可 以 观 察 完 整 的 一 帧 信 号 ） CH2 分 别 接SLA、 PCM-A、 SLB、 PCM-B 以 及PCM， 观 察 编 码 后 的 数 据 所 处 时 隙 位 置 与 时 隙 同 步 信 号 的 关 系 以

23、及PCM 信 号 的 帧 结 构 （ 注 意 ： 本 实 验 的 帧 结 构中有 29 个时隙是空时隙，SL0、SLA 及SLB 的 脉 冲 宽 度 等 于 一 个 时 隙 宽 度） 。 开关 K8 分别接通 SL1、SL2、SL5、 SL7， 观 察PCM 基 群 帧 结 构 的 变 化 情 况。 3. 用示波器观察 PCM 编码输出信号 5. 用示波器定性观察 PCM 编译码器 的动态范围。 开关 K5 置于 STA-IN 端，将低失 真低频信号发生器输出的 1KHz 正弦 信号从 STA-IN 输入到 TP3057(U82)编 码器。示波器的 CH1 接 STA（编码输 入） ，CH2

24、接 SRA（译码输出） 。将信 号幅度分别调至大于 5VP-P、等于 5VP- P，观察过载和满载时的译码输出波 形。 4. 用示波器观察 PCM 译码输出信号 示波器的 CH1 接 STA，CH2 接 SRA，观察这两个信号波形是否相同 (有相位差)。 再将信号幅度分别衰减 10dB、20dB、 30dB、40dB、45dB、50dB，观察译码 输出波形(当衰减 45dB 以上时，译码 输出信号波形上叠加有较明显的噪 声)。 也可以用本模块上的正弦信号源 来观察 PCM 编译码系统的过载噪声(只 要将STA-S或STB-S信号幅度调至5VP-P 以上即可)，但必须用专门的信号源才 能较方便地

25、观察到动态范围。 图 9-7 为动态范围测试方框图。 开关 K5 置于 STA-IN 端，音频信号发 生器(最好用低失真低频信号发生器) 输出 1KHz 正弦信号，将幅度调为 5Vp- p（设为 0dB） ，测试 S/N，再将信号幅 度分别降低 10dB、20dB、30dB、45dB、 50dB，测试各种信号幅度下的 S/N， 将测试数据填入表 9-1。 6. 定量测试 PCM 编译码器的动态范 围和频率特性。(不做) 音频 信号源 可变 衰减器 编码器 失真仪 译码器示波器 表 9-1 信号幅度(dB)0-10-20-30-40-45-50 S/N(dB) 频率特性测试框图如图 9-8 所 示。将输入信号电压调至 2Vp-p左右， 改变信号频率，测量译码输出信号幅 度，将测试结果填入表 9-2。 音频信号源编码器译码器示波器 表 9-2 输入信号 频率(KHz) 43.83.63.43.02.52.01.51.00.50