數(shù)字通信原理實驗二 PCM編解碼單路多路實驗

1、數(shù)字通信原理實驗報告實驗二PCM編解碼單路多路實驗學院 專業(yè) 班級 姓名 學號 指導教師 實驗報告評分：_實驗二 PCM編解碼實驗一、實驗目的1. 了解PCM編譯碼的基本工作原理及實現(xiàn)過程。2. 了解語音信號數(shù)字化技術的主要技術指標，學習并掌握相應的測試方法。3. 初步了解通信專用集成電路的工作原理和使用方法二、實驗內容1. 信號源實驗 5. PCM一次群多路編碼實驗1) 取樣脈沖、定時時鐘實驗 1) PCM多路編碼靜態(tài)工作實驗2) 同步測試信號源實驗 2) PCM一次群幀結構、幀同步信號實驗2. PCM單路編碼實驗 3) PCM一次群編碼實驗1) 極性碼編碼實驗 4) PCM一次群譯碼實驗2

2、) 段內電平碼編碼實驗 6. PCM系統(tǒng)性能調試3) 段落碼編碼實驗 1) 編碼動態(tài)范圍3. PCM單路譯碼實驗 2) 信噪比特性4. PCM單路編譯碼實驗 3) 頻率特性7. 學生常犯的測量錯誤三、基本原理模擬信號數(shù)字化可以用數(shù)種方式實現(xiàn)。脈沖編碼調制(PCM)技術在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。脈沖編碼調制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.1所示。模擬信號經濾波后頻帶受到了限圖2.1 PCM系統(tǒng)原理框圖制。限帶信號被抽樣后形成PAM信號。PAM信號在時間上是離散化的，但是幅度取值卻是連續(xù)變化的。編碼器將PAM信號規(guī)定為有限種取值，然后把每個取值用二進制碼組表示并傳送出去。接收端收到二進制編碼信號后

3、經譯碼還原為PAM信號，再經濾波器恢復為模擬信號。經理論分析可知，人的語音信號的幅度概率密度為拉普拉斯分布。這是一種負指數(shù)分布，小幅度時概率密度大，而大幅度時概率密度小。因此，語言編碼必須設法提高小信號時的信噪比。如果既要考慮到語音信號的幅度變化范圍約有40一5OdB，又要考慮到在小信號時有足夠好的通話質量，則至少需要11位至12位的線性編碼。通常，一路信號的抽樣頻率為8kHz。這樣，當采用線性編碼時傳輸一路PCM符號約需1OOkbit/s的傳信率。但是非線性編碼卻可以用7位至8位的編碼使通話質量令人滿意，而相應的一路PCM信號的傳信率為64kbit/s。因此實用的PCM編譯器都是非線性的。

4、非線性編碼器具有特定的壓縮特性，這種特性是為了使編碼結果與信號幅度相匹配，以最大限度地減小量化噪聲功率。目前得到廣泛使用的是兩種對數(shù)形式的壓縮特性，即A 和律對數(shù)線近似。這兩種體制均己成為國際建議。實驗選用的集成化PCM編譯碼器CC2914片具有13折線逼近的對數(shù)壓縮特性。編碼器與譯碼器的壓縮特性如圖2.2和圖2.3所示。圖2.2中，每一個折線段各自被劃分為16個分層電平。二相鄰段落的分層按步階1/2遞減分段，而每個段落內的分層都是均勻的。圖2.2編碼器壓縮特性轉換（A/D） 圖2.3 譯碼器壓縮特性轉換（D/A）模擬信號經分段分層處理后被編成二進制碼組，碼組的形式為折疊二進制。在A律l3折線

5、的編碼方式中，國際標準規(guī)定最大量化輸人為2048個量化單位，各段量化間隔。由于采用非線性編碼，碼組中每位電平碼的權重是變化的。以上編碼規(guī)律可用表2.1、表2.2詳細說明。這里對應模擬信號為正值的情況，若輸入為負，則PCM碼字的最高位“符號位”由“1”改為“0”，其他規(guī)律不變。表2.1 碼位安排表表2.2 A律13折線幅度碼與其對應電平1. 逐次反饋比較編碼 所謂編碼就是將抽樣后的樣值信號變換成二進碼序列的方法，用的最多的是逐次反圖2.4 逐次反饋比較編碼方框圖饋編碼方案。圖2.4是逐次反饋編碼方框圖。編碼的工作原理與天平稱量物體重量的方法相似。(1) 判定值(權值)的提供與編碼方法 逐次反饋編

6、碼相當于天平稱物，要提供一套大小不同的判定值(砝碼)來作標準權值。當稱量(比較)一次后，如果物體重量(相當于信號的抽樣值)重于砝碼(相當于設備中提供的判定值)時，下一次稱量需保留原砝碼外再增加一個砝碼(換一個較大的判定值)，反之若發(fā)現(xiàn)物體重量輕于砝碼重量時，則需更換一個較小的砝碼，逐次反饋比較編碼方式就是仿此概念而來的。 確定A律13折線8位碼的判定值的方法是：極性碼的判決不需要判定值(嚴格講，其判定值為零)，它根據(jù)輸入信號(電流值0的極性來決定。即 幅度碼的位數(shù)是7位，需要個判定值，它們分別是：第1段 0、1、2、315共16種第2段 16、17、1831共16種第3段 32、34、3662

7、共16種第4段 64、68、72 124共16種第5段 128、136、144248共16種第6段 256、272、288496共16種第7段 512、544、576992共16種第8段 1024、1088、11521984共16種實際上沒有必要產生這127種判定值(否則設備太復雜)，根據(jù)13折線壓擴特性是通過圖中本地解碼電路中7/11變換來實現(xiàn)，即將壓縮后7位非線性碼變換成11位線性碼，也就是只需要利用這11位線性碼所對應的權值作為判定值即可?？紤]到量化段為8段，其對分點為7個，它們是、 、。再考慮到每一段中均勻分為16個量化級，它們的對分點是4個，即 、?？刹捎眠@11種對分點作為判定值。這

8、樣11種判定值可以組合成以上所需的127種判定值。下面舉例來介紹編碼方法。假設輸入抽樣值(電流值) ，按A律13折線編8位碼。第一次比較：，說明信號為正, 第二次比較：樣值取絕對值，因為信號的極性已由確定，判定值表示編出碼的判定值。，是第14量化段和第58量化段的對分點 (信號在第58段)第三次比較：前一次比較結果，表示判定值小了，這次比較時，應使判定值增加。反之，要減小判定值。表示信號在第58段，而正好是第56段和第78段的對分點。 (信號在第56段)，第四次比較： 表示信號在第56段，正好是第5段和第6段的對分點 (信號在第6段)三次比較結果，段落碼為101，表示信號在第6段，第6段起點電

9、平。段內碼的判定值的提供，可用下列表示 (2.27) 第五次比較：第六次比較：按式(2.27)，第七次比較：第八次比較：結果編碼碼字為11011011編碼又稱逐次漸近型編碼。圖2.5是以為例畫出逐次反饋編碼的時間波形圖。(2) 極性判決與全波整流話音信號是具有正、負的雙極性信號輸入的話音信號，分別送入極性判決和全波整流電路，一方面將正或負信號編成碼或碼，另一方面將雙極性信號整流成單極性“正”信號再送入編碼器編碼。對編碼用的全波整流器的要求是： 對大、小信號都能整流，同時具有良好的線性特性。對于普通二極管整流器來講，由于二極管的結電壓以及伏安特性的非線性。上述兩點要求均無法實現(xiàn)為此常采用運算放大

10、器的折疊放大電路來組成全波整流電路。(3) 比較器比較器是一種模數(shù)變換部件，它是雙端模擬輸入單端數(shù)字輸出的三端器件，如圖2.6(a)所示，對于理想的電壓或(電流)比較器，其輸入與輸出的轉移特性如圖(b)所示。如果在正端輸入樣值；負端接判定值，顯然USUR時，輸出 (“1”碼)；當時，輸出為低電平 (“0”碼)。但這種理想比較器是不可能做到的，實際比較器的轉移性如圖(c)所示，它在后才轉換，而在區(qū)間是不轉換的，這區(qū)間稱為模糊區(qū)。在模糊區(qū)內不能肯定是“1”碼還是“0”碼。而比較器的靈敏度是從輸出“0”碼轉換成“1”碼所需要的差值來衡量的，大時，比較器靈敏度就低，而小時，比較器靈敏度就高，顯然圖(c

11、)的靈敏度為，從要求比較器靈敏度高的條件，希望模糊區(qū)越小越好。圖2.5 逐次反饋比較編碼時間圖(一種方案)對轉移特性影響較大的還有比較器輸入失調電壓，它不僅使靈敏度降低，而且失調電壓的不穩(wěn)定會形成比較器工作點漂移，嚴重時會引起編碼誤差，所謂失調即不等，如圖(d)所示。解決辦法可采用自動穩(wěn)零路如圖(e)所示。這樣可使模糊區(qū)的中點對準 稱為穩(wěn)零。圖2.6 比較器7比特串并變換及記億電路如由圖2.7所示。 圖2.7 7比特串并變換及記憶電路(4) 本地解碼器圖2.4 所示的方框圖中，輸入經保持的PAM信號分作兩路，一路送入極性判決電路，在時刻進行判決，信號為正極性或負極性時，分別用或表示。另一路經全

12、波整流后與本地解碼器輸出的判決值比較，在位脈沖時隙比較后，形成碼字。本地解碼器的作用就是將除極性碼以外的碼逐位反饋經串并變換，并存貯在記億電路中，記億電路輸出分別為，再將這7位非線性碼變換為11位線性碼(又稱7/11變換)，再經11位線性解碼網絡，就可得到11種判定值()。所以本地解碼器包括7比特串并變換及記億電路、7/11變換電路及11比特線性解碼網絡。 7比特串并變換及記憶電路每個樣值開始比較前，下權脈沖將置于1，同時將清0，由于，正好是第5量化段的起點電平，它等于，用這個和輸入經保持的PAM值比較。當PAM值(以表示)大于時，經非門后，然后反饋至 (與非門)的一個輸入端，在這時反饋用脈沖

13、同時加到的另一端，輸出高電位，即，時，保留，另外在這同時又將置1，結果，正好是第7段的起點電平，它等于。下一次比較時， 。當PMA值()小于時，經非門后，反饋至的一個輸入端，同時加至的另一輸入端，這時被清零即，同時將置1，結果，這正好是第3段起點電平，它等于，下一次比較時。 7/11變換電路7/11變換又稱非線性碼/線性碼變換，即將非線性7位幅度碼變換成線性11位幅度碼它們的變換關系可用表1.3表示。其中為第段的“段落標志”，即表示是第1個量化段，于是有，根據(jù)表1.3可得出與之間的邏輯表達式。例如線性碼的權為，哪幾種情況要求出的權值呢? 對應于的非線性碼有4種情況。第一種是第8量化段()時的；

14、即；第二種是第7段()的時；第三種是第6段()的時;第四種是第5段()時。均表示求變換后的線性碼根據(jù)公式227可寫出下列7/11變換邏輯表達式：表2.3 A律13折線非線性碼與線性碼的關系式中“+”表示“或”運算；相乘表示“與”運算，標“*”者為收端解碼用。 線性解碼網絡線性解碼網絡用于線性碼的數(shù)/模轉換，它的特點是變換后電流(電壓)值，對應著每一位幅度碼權值的總和。圖2.8是11位線性型解碼網絡。該電路是某集成電路(11位幅度碼)的解碼網絡，其特點如下：圖2.8 11位線碼解碼器a、網絡中電阻僅兩種，容易滿足精度要求，也有利于集成化;b、不論幅度碼碼時的或碼時的不等于零，而且兩者的電流近似相

15、等，(因運算放大器輸入端為虛地)；c、從任一節(jié)點(111點)向右看進去的阻抗都為 (如圖所示)，因此每個支路中的電流自左向右以1/2系數(shù)逐漸遞減。每個支路電流分別為： 而送到運放輸入端的總電流，決定于幅度碼的狀態(tài)，即當時，才送到運放輸人端，因此總電流為： (2.28)設，則(2.28)式可寫成： 由此可見，梯形網絡利用電流的1/2遞減系數(shù)起到使電流(電壓)幅值依次減半的作用。7/11變換后的11位線性碼分別控制開關，各幅度碼的總和就是變換后的電流(電壓)值。(5) A律13折線解碼解碼的作用是把接收到的PCM 信碼還原成相應的PAM 信號，即數(shù)/模(D/A)變換。 A律13折線解碼器的方框圖如

16、圖2.9 所示，它與圖2.4中本地解碼電路很相似，又有不同點： 增加了極性控制部分：根據(jù)接收到的PCM信號的極性碼是“1”碼還是“0”碼，來辨別PAM信號的極性，極性碼的狀態(tài)在記億寄存器中，由，或來控制“極性控制電路，使解碼后的PAM信號的極性得以恢復成與發(fā)送端相同的極性。 邏輯壓擴部分由原7/11變換改為7/12變換：由7/11變換變成7/12變換是使變換后輸出的線性碼增加一個碼位，其目的是使解碼輸出的信號值，對應于量化編碼時的每一量化間隔的中間值，就是說可保證解碼后的量化誤差不會超過。舉例說明如前所述某抽樣值，經過A律13折線編碼后，其碼字為11011011。從減小量化誤差這概念來講，量化

17、值應取量化級(量化間隔)的中間值。而，是在第6量化段中第12個量化級中，量化間隔為，按理說量化值取中間值為時圖2.9 13折線(A線)解碼器方框圖其量化誤差最小。但從編碼11011011解碼后的電平來看是，這樣的結果量化誤差為，大于，如果在解碼后固定加一個，則量化誤差為，這樣量化誤差就小于半個量化級，因此，在解碼后固定加入一個，就可保證解碼后的量化誤差小于。表1.3中各相應段的1*加入后，相當于補加了一個，第6段中的1*是，即解碼后第6段要固定加上。 寄存器讀出是接收端解碼器中所特有的，它的作用是把輸入信號(PCM信號)寄存起來(相當于一個棧房)，在一定的時刻一齊輸出到解碼網絡去。(6) 時分

18、復用以上是對單路PCM編譯碼過程的說明。由于脈沖編碼調制傳送的是量化后消息信號的抽樣值，因此可以采用時分復用的方法來實現(xiàn)多路通信。這一方式廣泛地應用于電話通信。目前國際上采用脈沖編碼調制傳送多路電話的制式有兩種，一種是以24路作為一個基群，另一種是以32路作為一個基群。在這兩種基群基礎上，脈沖編碼調制時分多路復用系統(tǒng)己發(fā)展成為系列。隨著傳信率的提高，分別稱為基群(或一次群)、二次群、三次群、四次群等。在時分多路通信系統(tǒng)中各路信號占據(jù)了不同的時間間隔，為了在接收時能正確地區(qū)分各路信號的順序，必須傳送同步信號。此外，由于通信的需要還必須傳送一些控制信號。這些輔助信號也要占據(jù)一定的時間間隔。所有的信

19、號按一定的格局在時間上排列起來形成特定的數(shù)碼結構。32路基群的數(shù)碼結構簡單示意圖如圖2.10所示。發(fā)端定時脈沖波形圖如圖2.11，標準電話信號的頻帶為3003400Hz，抽樣頻率為8000Hz，因此每隔1/8000s(125us)送一個抽樣值。把125us稱為一幀。一幀由32個時間間隔(路時隙)組成。將每個路時隙從0到31序編號，分別記作，其中至和至這30路時隙用來傳送30路電話信號。TS0分配給幀同步，專用于傳送控制信號。每路時隙包含8位碼，占時3.9lus，每位碼占488ns，一幀共含256個碼元。幀同步碼組0011011，它是每隔一幀插入的固定碼組，接收端識別出幀同步碼組后即可建立確定的

20、路序。集中編碼方式PCM30/32方框圖如圖2.12。圖2.10 30/32路PCM楨結構圖2.11 PCM30/32發(fā)端定時脈沖時間波形圖四、實驗原理實驗電路由定時部分，編、譯碼部分，同步測試信號原部分，譯碼功效四大部分組成。方框原理圖如圖2.15，電路原理圖如圖2.16。圖2.15 PCM編譯碼實驗原理圖五、實驗儀器實驗箱 PCM編解碼單路多路實驗，華南理工大學電子與信息工程系 1套示波器 GOS-620 1臺數(shù)字頻率計 HC-F1000C 1臺函數(shù)發(fā)生器 1臺數(shù)字毫伏表 DF1931 1臺直流穩(wěn)壓器 YB1711A 1臺學生自帶小型FM收音機（備耳機插孔）六、實驗內容準備工作：1、按實驗

21、板上所標的電源電壓開機，調準所需電壓，然后關機；2、把實驗板電源連接線接好；示波器探頭1：10，嚴禁1：1。3.接1、2 功放輸出接假負載4、開機注意觀察電流表正電流 I180mA 負電流 I60mA 若與上述電流差距太大，要迅速關機，檢查電源線有無接錯或其它原因。 (一) 時鐘部分1. 用示波器線接P1，測量晶振波形。線接P2測量位定時波形應為對稱方波。2. 用頻率計測量P1晶振頻率和測量P2位定時頻率應分別為4.096MHz和2.048MHz。3. 用示波器線接P3，線接P12測量其波形均應為窄脈沖系列。用頻率計測量P3、P12兩點頻率都應為8KHz, 、兩點信號相位差別180。是多路編碼

22、的取樣脈沖，是多路編碼的信令時隙TS16。(二) 同步測試信號源部分開關K位置，K1接觸3.41. 示波器接P6測量應為正弦波，用頻率計測量其頻率應為2KHz。P6信號是專門為實驗設計的同步測試信號源。2. 測P7波形、調整,P7為連續(xù)可變的正弦波。然后用毫伏表測量P7的幅度，應調整到剛好為1000Mv(有效值)。3. 示波器線接P3,線接P7, P3 4個取樣脈沖(單路工作取樣脈沖)。有兩個對準P7正弦波峰頂。另兩個對準正弦波信號過零點。如果不在此位置上，可調整。一般由指導老師調整，建議學生不要調整。并作好記錄。(三) PCM單路編，譯碼實驗 TCM2914開關位置K1接3、4，即選同步測試

23、信號源2KHzK2接3、4，送單路工作發(fā)送64KHz時鐘K3接3、4 送單路編碼有效時間K4接1、2 送解碼器輸入信號K5接3、4 送單路工作接收時鐘64KHzK6接1、2 功放輸出接假負載1. 示波器線接P3,線接P9，示波器工作方式(MODE)開關置Chop(斷續(xù))位置。在低電位期間，P9輸出PCM 8位編碼值。改變示波器掃描頻率，使熒光屏可以顯示到P3 5個取樣周期。觀察碼位時，示波器同步信號必須以P3作觸發(fā)。仔細觀察這5個取樣值的編碼碼型。第一個和第5個取樣點的碼型是完全一樣的。即完成了正弦波的一個周期。要注意的是，編碼器2914P9輸出的是ADI碼，即偶位碼“0”碼變“1”碼，“1”

24、碼變“0”碼。記錄下這5個取樣點的碼型。a、觀察第一位極性碼，4個取樣點中，有兩個取樣點第一位碼為正，另兩個取樣點第一位碼為負。b、觀察段落碼。把P7信號減小至40mv左右。記錄下4個取樣點的編碼值，并與a、的記錄結果進行比較。大信號的段落碼落在第7、8段。而小信號的段落碼落在第1、2段。在作較大范圍變化時，其段落碼是不變的。c、觀察段內電平碼。P7信號40 mv (有效值)。線接P3, 線接P9，微調，觀察每個取樣點第5、6、7、8碼位變化。你會發(fā)現(xiàn)，只要作極其微小的變動其段內電平碼也是不一樣的。從這里看出PCM的編碼精度是比較高的。記錄9mv，l0mv(有效值)的編碼值。d、動態(tài)觀察編碼輸出。調整，使P7信號在1000mv一40mv之間變化。觀察輸出的碼型變化（不記錄）。e、觀察靜態(tài)輸出碼型。K1接1、2(即無信號輸入時)，PCM編碼本 輸出全0碼，但輸出變?yōu)?、0交替碼