数字通信原理实验二 PCM编解码单路多路实验

1、数字通信原理实验报告实验二PCM编解码单路多路实验学院 专业 班级 姓名 学号 指导教师 实验报告评分：_实验二 PCM编解码实验一、实验目的1. 了解PCM编译码的基本工作原理及实现过程。2. 了解语音信号数字化技术的主要技术指标，学习并掌握相应的测试方法。3. 初步了解通信专用集成电路的工作原理和使用方法二、实验内容1. 信号源实验 5. PCM一次群多路编码实验1) 取样脉冲、定时时钟实验 1) PCM多路编码静态工作实验2) 同步测试信号源实验 2) PCM一次群帧结构、帧同步信号实验2. PCM单路编码实验 3) PCM一次群编码实验1) 极性码编码实验 4) PCM一次群译码实验2

2、) 段内电平码编码实验 6. PCM系统性能调试3) 段落码编码实验 1) 编码动态范围3. PCM单路译码实验 2) 信噪比特性4. PCM单路编译码实验 3) 频率特性7. 学生常犯的测量错误三、基本原理模拟信号数字化可以用数种方式实现。脉冲编码调制(PCM)技术在数字通信系统中得到了广泛的应用。脉冲编码调制系统的原理方框图如图2.1所示。模拟信号经滤波后频带受到了限图2.1 PCM系统原理框图制。限带信号被抽样后形成PAM信号。PAM信号在时间上是离散化的，但是幅度取值却是连续变化的。编码器将PAM信号规定为有限种取值，然后把每个取值用二进制码组表示并传送出去。接收端收到二进制编码信号后

3、经译码还原为PAM信号，再经滤波器恢复为模拟信号。经理论分析可知，人的语音信号的幅度概率密度为拉普拉斯分布。这是一种负指数分布，小幅度时概率密度大，而大幅度时概率密度小。因此，语言编码必须设法提高小信号时的信噪比。如果既要考虑到语音信号的幅度变化范围约有40一5OdB，又要考虑到在小信号时有足够好的通话质量，则至少需要11位至12位的线性编码。通常，一路信号的抽样频率为8kHz。这样，当采用线性编码时传输一路PCM符号约需1OOkbit/s的传信率。但是非线性编码却可以用7位至8位的编码使通话质量令人满意，而相应的一路PCM信号的传信率为64kbit/s。因此实用的PCM编译器都是非线性的。

4、非线性编码器具有特定的压缩特性，这种特性是为了使编码结果与信号幅度相匹配，以最大限度地减小量化噪声功率。目前得到广泛使用的是两种对数形式的压缩特性，即A 和律对数线近似。这两种体制均己成为国际建议。实验选用的集成化PCM编译码器CC2914片具有13折线逼近的对数压缩特性。编码器与译码器的压缩特性如图2.2和图2.3所示。图2.2中，每一个折线段各自被划分为16个分层电平。二相邻段落的分层按步阶1/2递减分段，而每个段落内的分层都是均匀的。图2.2编码器压缩特性转换（A/D） 图2.3 译码器压缩特性转换（D/A）模拟信号经分段分层处理后被编成二进制码组，码组的形式为折叠二进制。在A律l3折线

5、的编码方式中，国际标准规定最大量化输人为2048个量化单位，各段量化间隔。由于采用非线性编码，码组中每位电平码的权重是变化的。以上编码规律可用表2.1、表2.2详细说明。这里对应模拟信号为正值的情况，若输入为负，则PCM码字的最高位“符号位”由“1”改为“0”，其他规律不变。表2.1 码位安排表表2.2 A律13折线幅度码与其对应电平1. 逐次反馈比较编码 所谓编码就是将抽样后的样值信号变换成二进码序列的方法，用的最多的是逐次反图2.4 逐次反馈比较编码方框图馈编码方案。图2.4是逐次反馈编码方框图。编码的工作原理与天平称量物体重量的方法相似。(1) 判定值(权值)的提供与编码方法 逐次反馈编

6、码相当于天平称物，要提供一套大小不同的判定值(砝码)来作标准权值。当称量(比较)一次后，如果物体重量(相当于信号的抽样值)重于砝码(相当于设备中提供的判定值)时，下一次称量需保留原砝码外再增加一个砝码(换一个较大的判定值)，反之若发现物体重量轻于砝码重量时，则需更换一个较小的砝码，逐次反馈比较编码方式就是仿此概念而来的。 确定A律13折线8位码的判定值的方法是：极性码的判决不需要判定值(严格讲，其判定值为零)，它根据输入信号(电流值0的极性来决定。即 幅度码的位数是7位，需要个判定值，它们分别是：第1段 0、1、2、315共16种第2段 16、17、1831共16种第3段 32、34、3662

7、共16种第4段 64、68、72 124共16种第5段 128、136、144248共16种第6段 256、272、288496共16种第7段 512、544、576992共16种第8段 1024、1088、11521984共16种实际上没有必要产生这127种判定值(否则设备太复杂)，根据13折线压扩特性是通过图中本地解码电路中7/11变换来实现，即将压缩后7位非线性码变换成11位线性码，也就是只需要利用这11位线性码所对应的权值作为判定值即可。考虑到量化段为8段，其对分点为7个，它们是、 、。再考虑到每一段中均匀分为16个量化级，它们的对分点是4个，即 、。可采用这11种对分点作为判定值。这

8、样11种判定值可以组合成以上所需的127种判定值。下面举例来介绍编码方法。假设输入抽样值(电流值) ，按A律13折线编8位码。第一次比较：，说明信号为正, 第二次比较：样值取绝对值，因为信号的极性已由确定，判定值表示编出码的判定值。，是第14量化段和第58量化段的对分点 (信号在第58段)第三次比较：前一次比较结果，表示判定值小了，这次比较时，应使判定值增加。反之，要减小判定值。表示信号在第58段，而正好是第56段和第78段的对分点。 (信号在第56段)，第四次比较： 表示信号在第56段，正好是第5段和第6段的对分点 (信号在第6段)三次比较结果，段落码为101，表示信号在第6段，第6段起点电

9、平。段内码的判定值的提供，可用下列表示 (2.27) 第五次比较：第六次比较：按式(2.27)，第七次比较：第八次比较：结果编码码字为11011011编码又称逐次渐近型编码。图2.5是以为例画出逐次反馈编码的时间波形图。(2) 极性判决与全波整流话音信号是具有正、负的双极性信号输入的话音信号，分别送入极性判决和全波整流电路，一方面将正或负信号编成码或码，另一方面将双极性信号整流成单极性“正”信号再送入编码器编码。对编码用的全波整流器的要求是： 对大、小信号都能整流，同时具有良好的线性特性。对于普通二极管整流器来讲，由于二极管的结电压以及伏安特性的非线性。上述两点要求均无法实现为此常采用运算放大

10、器的折叠放大电路来组成全波整流电路。(3) 比较器比较器是一种模数变换部件，它是双端模拟输入单端数字输出的三端器件，如图2.6(a)所示，对于理想的电压或(电流)比较器，其输入与输出的转移特性如图(b)所示。如果在正端输入样值；负端接判定值，显然USUR时，输出 (“1”码)；当时，输出为低电平 (“0”码)。但这种理想比较器是不可能做到的，实际比较器的转移性如图(c)所示，它在后才转换，而在区间是不转换的，这区间称为模糊区。在模糊区内不能肯定是“1”码还是“0”码。而比较器的灵敏度是从输出“0”码转换成“1”码所需要的差值来衡量的，大时，比较器灵敏度就低，而小时，比较器灵敏度就高，显然图(c

11、)的灵敏度为，从要求比较器灵敏度高的条件，希望模糊区越小越好。图2.5 逐次反馈比较编码时间图(一种方案)对转移特性影响较大的还有比较器输入失调电压，它不仅使灵敏度降低，而且失调电压的不稳定会形成比较器工作点漂移，严重时会引起编码误差，所谓失调即不等，如图(d)所示。解决办法可采用自动稳零路如图(e)所示。这样可使模糊区的中点对准 称为稳零。图2.6 比较器7比特串并变换及记亿电路如由图2.7所示。 图2.7 7比特串并变换及记忆电路(4) 本地解码器图2.4 所示的方框图中，输入经保持的PAM信号分作两路，一路送入极性判决电路，在时刻进行判决，信号为正极性或负极性时，分别用或表示。另一路经全

12、波整流后与本地解码器输出的判决值比较，在位脉冲时隙比较后，形成码字。本地解码器的作用就是将除极性码以外的码逐位反馈经串并变换，并存贮在记亿电路中，记亿电路输出分别为，再将这7位非线性码变换为11位线性码(又称7/11变换)，再经11位线性解码网络，就可得到11种判定值()。所以本地解码器包括7比特串并变换及记亿电路、7/11变换电路及11比特线性解码网络。 7比特串并变换及记忆电路每个样值开始比较前，下权脉冲将置于1，同时将清0，由于，正好是第5量化段的起点电平，它等于，用这个和输入经保持的PAM值比较。当PAM值(以表示)大于时，经非门后，然后反馈至 (与非门)的一个输入端，在这时反馈用脉冲

13、同时加到的另一端，输出高电位，即，时，保留，另外在这同时又将置1，结果，正好是第7段的起点电平，它等于。下一次比较时， 。当PMA值()小于时，经非门后，反馈至的一个输入端，同时加至的另一输入端，这时被清零即，同时将置1，结果，这正好是第3段起点电平，它等于，下一次比较时。 7/11变换电路7/11变换又称非线性码/线性码变换，即将非线性7位幅度码变换成线性11位幅度码它们的变换关系可用表1.3表示。其中为第段的“段落标志”，即表示是第1个量化段，于是有，根据表1.3可得出与之间的逻辑表达式。例如线性码的权为，哪几种情况要求出的权值呢? 对应于的非线性码有4种情况。第一种是第8量化段()时的；

14、即；第二种是第7段()的时；第三种是第6段()的时;第四种是第5段()时。均表示求变换后的线性码根据公式227可写出下列7/11变换逻辑表达式：表2.3 A律13折线非线性码与线性码的关系式中“+”表示“或”运算；相乘表示“与”运算，标“*”者为收端解码用。 线性解码网络线性解码网络用于线性码的数/模转换，它的特点是变换后电流(电压)值，对应着每一位幅度码权值的总和。图2.8是11位线性型解码网络。该电路是某集成电路(11位幅度码)的解码网络，其特点如下：图2.8 11位线码解码器a、网络中电阻仅两种，容易满足精度要求，也有利于集成化;b、不论幅度码码时的或码时的不等于零，而且两者的电流近似相

15、等，(因运算放大器输入端为虚地)；c、从任一节点(111点)向右看进去的阻抗都为 (如图所示)，因此每个支路中的电流自左向右以1/2系数逐渐递减。每个支路电流分别为： 而送到运放输入端的总电流，决定于幅度码的状态，即当时，才送到运放输人端，因此总电流为： (2.28)设，则(2.28)式可写成： 由此可见，梯形网络利用电流的1/2递减系数起到使电流(电压)幅值依次减半的作用。7/11变换后的11位线性码分别控制开关，各幅度码的总和就是变换后的电流(电压)值。(5) A律13折线解码解码的作用是把接收到的PCM 信码还原成相应的PAM 信号，即数/模(D/A)变换。 A律13折线解码器的方框图如

16、图2.9 所示，它与图2.4中本地解码电路很相似，又有不同点： 增加了极性控制部分：根据接收到的PCM信号的极性码是“1”码还是“0”码，来辨别PAM信号的极性，极性码的状态在记亿寄存器中，由，或来控制“极性控制电路，使解码后的PAM信号的极性得以恢复成与发送端相同的极性。 逻辑压扩部分由原7/11变换改为7/12变换：由7/11变换变成7/12变换是使变换后输出的线性码增加一个码位，其目的是使解码输出的信号值，对应于量化编码时的每一量化间隔的中间值，就是说可保证解码后的量化误差不会超过。举例说明如前所述某抽样值，经过A律13折线编码后，其码字为11011011。从减小量化误差这概念来讲，量化

17、值应取量化级(量化间隔)的中间值。而，是在第6量化段中第12个量化级中，量化间隔为，按理说量化值取中间值为时图2.9 13折线(A线)解码器方框图其量化误差最小。但从编码11011011解码后的电平来看是，这样的结果量化误差为，大于，如果在解码后固定加一个，则量化误差为，这样量化误差就小于半个量化级，因此，在解码后固定加入一个，就可保证解码后的量化误差小于。表1.3中各相应段的1*加入后，相当于补加了一个，第6段中的1*是，即解码后第6段要固定加上。 寄存器读出是接收端解码器中所特有的，它的作用是把输入信号(PCM信号)寄存起来(相当于一个栈房)，在一定的时刻一齐输出到解码网络去。(6) 时分

18、复用以上是对单路PCM编译码过程的说明。由于脉冲编码调制传送的是量化后消息信号的抽样值，因此可以采用时分复用的方法来实现多路通信。这一方式广泛地应用于电话通信。目前国际上采用脉冲编码调制传送多路电话的制式有两种，一种是以24路作为一个基群，另一种是以32路作为一个基群。在这两种基群基础上，脉冲编码调制时分多路复用系统己发展成为系列。随着传信率的提高，分别称为基群(或一次群)、二次群、三次群、四次群等。在时分多路通信系统中各路信号占据了不同的时间间隔，为了在接收时能正确地区分各路信号的顺序，必须传送同步信号。此外，由于通信的需要还必须传送一些控制信号。这些辅助信号也要占据一定的时间间隔。所有的信

19、号按一定的格局在时间上排列起来形成特定的数码结构。32路基群的数码结构简单示意图如图2.10所示。发端定时脉冲波形图如图2.11，标准电话信号的频带为3003400Hz，抽样频率为8000Hz，因此每隔1/8000s(125us)送一个抽样值。把125us称为一帧。一帧由32个时间间隔(路时隙)组成。将每个路时隙从0到31序编号，分别记作，其中至和至这30路时隙用来传送30路电话信号。TS0分配给帧同步，专用于传送控制信号。每路时隙包含8位码，占时3.9lus，每位码占488ns，一帧共含256个码元。帧同步码组0011011，它是每隔一帧插入的固定码组，接收端识别出帧同步码组后即可建立确定的

20、路序。集中编码方式PCM30/32方框图如图2.12。图2.10 30/32路PCM桢结构图2.11 PCM30/32发端定时脉冲时间波形图四、实验原理实验电路由定时部分，编、译码部分，同步测试信号原部分，译码功效四大部分组成。方框原理图如图2.15，电路原理图如图2.16。图2.15 PCM编译码实验原理图五、实验仪器实验箱 PCM编解码单路多路实验，华南理工大学电子与信息工程系 1套示波器 GOS-620 1台数字频率计 HC-F1000C 1台函数发生器 1台数字毫伏表 DF1931 1台直流稳压器 YB1711A 1台学生自带小型FM收音机（备耳机插孔）六、实验内容准备工作：1、按实验

21、板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机；2、把实验板电源连接线接好；示波器探头1：10，严禁1：1。3.接1、2 功放输出接假负载4、开机注意观察电流表正电流 I<180mA 负电流 I<60mA 若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。 (一) 时钟部分1. 用示波器线接P1，测量晶振波形。线接P2测量位定时波形应为对称方波。2. 用频率计测量P1晶振频率和测量P2位定时频率应分别为4.096MHz和2.048MHz。3. 用示波器线接P3，线接P12测量其波形均应为窄脉冲系列。用频率计测量P3、P12两点频率都应为8KHz, 、两点信号相位差别1

22、80º。是多路编码的取样脉冲，是多路编码的信令时隙TS16。(二) 同步测试信号源部分开关K位置，K1接触3.41. 示波器接P6测量应为正弦波，用频率计测量其频率应为2KHz。P6信号是专门为实验设计的同步测试信号源。2. 测P7波形、调整,P7为连续可变的正弦波。然后用毫伏表测量P7的幅度，应调整到刚好为1000Mv(有效值)。3. 示波器线接P3,线接P7, P3 4个取样脉冲(单路工作取样脉冲)。有两个对准P7正弦波峰顶。另两个对准正弦波信号过零点。如果不在此位置上，可调整。一般由指导老师调整，建议学生不要调整。并作好记录。(三) PCM单路编，译码实验 TCM2914开关位

23、置K1接3、4，即选同步测试信号源2KHzK2接3、4，送单路工作发送64KHz时钟K3接3、4 送单路编码有效时间K4接1、2 送解码器输入信号K5接3、4 送单路工作接收时钟64KHzK6接1、2 功放输出接假负载1. 示波器线接P3,线接P9，示波器工作方式(MODE)开关置Chop(断续)位置。在低电位期间，P9输出PCM 8位编码值。改变示波器扫描频率，使荧光屏可以显示到P3 5个取样周期。观察码位时，示波器同步信号必须以P3作触发。仔细观察这5个取样值的编码码型。第一个和第5个取样点的码型是完全一样的。即完成了正弦波的一个周期。要注意的是，编码器2914P9输出的是ADI码，即偶位

24、码“0”码变“1”码，“1”码变“0”码。记录下这5个取样点的码型。a、观察第一位极性码，4个取样点中，有两个取样点第一位码为正，另两个取样点第一位码为负。b、观察段落码。把P7信号减小至40mv左右。记录下4个取样点的编码值，并与a、的记录结果进行比较。大信号的段落码落在第7、8段。而小信号的段落码落在第1、2段。在作较大范围变化时，其段落码是不变的。c、观察段内电平码。P7信号40 mv (有效值)。线接P3, 线接P9，微调，观察每个取样点第5、6、7、8码位变化。你会发现，只要作极其微小的变动其段内电平码也是不一样的。从这里看出PCM的编码精度是比较高的。记录9mv，l0mv(有效值)的编码值。d、动态观察编码输出。调整，使P7信号在1000mv一40mv之间变化。观察输出的码型变化（不记录）。e、观察静态输出码型。K1接1、2(即无信号输入时)，PCM编码本 输出全0码，但输出变为1、0交替