实验二脉冲编码调制与解调实验讲义

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1、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

2、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

3、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。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，B

4、it7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:AV1(0 V11)A 律 :1ln AAV0ln( AV1)11(1)1ln AV1A律 :V01 ln(1V1)(1 V11)ln(1)PCM信号话音输入发送抽样量化编码放大( 发送)信道低通( 接收)话音输出解调解码再生滤波图 2-1 PCM 的原理框图VoVollAA=j=00lVi0l

5、Vi(a)(b)图 2-2A律与律的压缩特性(1) 符号：幅度码(3) 律编码(1) 符号：幅度码(2)A 律编码111111111000000011111111101010101111000010001111111100001010010111100000100111111110000010110101110100001010111111010000100001011100000010111111110000001001010110110000110011111011000011100101101000001110111110100000111101011001000011011111100

6、100001100010110000000011111111000000011010101000000000110111100010000010001010001000001011111001000000111010100100000010011110011000001100101001100000011111101000000000101010100000000101111010100000000010101010000000111110110000000110101011000000000111101110000001001010111000000000000011111110010101

7、0-2.115V-1.207V 0V +1.207V +2.115-2.5V -1.25V 0V +1.25V+2.5VB11 7-0B11 7-0MSB LSBMSB LSB输入信号电压输入信号电压图 2-3 PCM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

8、在同一时刻只能为一个用户进行 AD 及 DA 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 PCM3032 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 P

9、CM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的周期要相同， 都为 125 S，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。取样量化PCM码放大低通PCM码编码译码模拟信号模拟

10、信号A-D控制D-A控制图 2-4 （ a） A D 电路图 2-4 （ b）D A 电路图 2-4 A/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。GSXR2ANLB（模拟环回路控制入）模拟入VFXI-R118VFXI+191-VPO+R3-VPO-+R34VPIR4VFRO51716自动零逻辑RC有源开关电容S/H带 通滤波器滤波器DAC电压A/DXMT13控制REGDX基准逻辑OE比效

11、器RC有源开关电容S/HRCV8低 通REGDR滤波器滤波器DACCLK15定时和控制TSX+5V -5V62021110129714VCC VBBGNDAMCLKXMCLKRBCLKR/ FSR FSX/PDN BCLKXCLKSEL图 2-5 TP3067逻辑方框图3. 引脚符号符号功 能VPO+1VPO+接收功率放大器的同相输出GNDA2GNDA 模拟地，所有信号均以该引脚为参考点VPO-3VPO-接收功率放大器的倒相输出VPI4VPI接收功率放大器的倒相输入VFRO5VFRO 接收滤波器的模拟输出VCC6VCC正电源引脚， VCC = +5V 士 5%FSR7FSR接收帧同步脉冲， F

12、SR为 8kHz 脉冲序列。DR8DR接收帧数据输入 .PCM数据随着 FSR前沿移入BCLKR/CLKSEL9DRBCLKRCLKSEL 在 FSR的前沿后把数据移入DR的MCLKR/PDN10位时钟，其频率可从 64kHz 至 2.48MHz。MCLKRPDN接收主时钟，其频率可以为1.536MHz、1.544MHz 或 2.048MHz.图 2-6 TP306720 VBB19 VFXI+18 VFXI-17 GSX16 ANLB15 TSX14 FSX13 DX12 BCLKX11 MCLKX管脚排列图MCLKX发送主时钟，其频率可以是1.536MHz， 1.544MHz 或 2.04

13、8MHz. 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

14、， 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。TSXPCM编译码使能信号输入MCLKxMCLKR TP5022.048MHz

15、BCLKX TP502编码2.048MHz主时钟输入FSXTP503编码8KHz帧同步信号输入DXTP504编码PCM数字信号输出BLCKR TP502译码2.048MHz主时钟输入FSRTP503译码8KHz帧同步信号输入DRTP505译码PCM数字信号输入图 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

16、块的拨码开关SW101、 SW102设置为 0000000 0000001 。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

17、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

18、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，必须用数字存储示波器才能清楚观察到该点波形）2 输出点参考说明PCMB-OUT ：脉冲编码调制信号输出点。（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，必须用数字存储示波器才能清楚观察到该点波形）OUT ： PCM 解调信号输出点。五、实验思考题1 分析 TP3067 主时钟与8KHz 帧收、发同步时钟的相位关系。当输入正弦信号的幅度大于3400Hz 或小于300Hz 时，分析脉冲编码调制和解调波形。2