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(xué)院 專業(yè) 班級 姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 實驗報告評分：_實驗二 PCM編解碼實驗一、實驗?zāi)康?. 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(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)，學(xué)習(xí)并掌握相應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)、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(nèi)電平碼編碼實驗 6. PCM系統(tǒng)性能調(diào)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(xué)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(diào)制(PCM)技術(shù)在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2.1所示。模擬信號經(jīng)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(jìn)制碼組表示并傳送出去。接收端收到二進(jìn)制編碼信號后

3、經(jīng)譯碼還原為PAM信號，再經(jīng)濾波器恢復(fù)為模擬信號。經(jīng)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(fù)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(shè)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(zhì)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(dāng)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(zhì)量令人滿意，而相應(yīng)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(jié)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(nèi)的分層都是均勻的。圖2.2編碼器壓縮特性轉(zhuǎn)換（A/D） 圖2.3 譯碼器壓縮特性轉(zhuǎn)換（D/A）模擬信號經(jīng)分段分層處理后被編成二進(jìn)制碼組，碼組的形式為折疊二進(jìn)制。在A律l3折線

5、的編碼方式中，國際標(biāo)準(zhǔn)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(quán)重是變化的。以上編碼規(guī)律可用表2.1、表2.2詳細(xì)說明。這里對應(yīng)模擬信號為正值的情況，若輸入為負(fù)，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(yīng)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(jìn)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(quán)值)的提供與編碼方法 逐次反饋編

6、碼相當(dāng)于天平稱物，要提供一套大小不同的判定值(砝碼)來作標(biāo)準(zhǔn)權(quán)值。當(dāng)稱量(比較)一次后，如果物體重量(相當(dāng)于信號的抽樣值)重于砝碼(相當(dāng)于設(shè)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(yán)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(chǎn)生這127種判定值(否則設(shè)備太復(fù)雜)，根據(jù)13折線壓擴(kuò)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(yīng)的權(quán)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 、。可采用這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(shè)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(jié)果，表示判定值小了，這次比較時，應(yīng)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(jié)果，段落碼為101，表示信號在第6段，第6段起點電

9、平。段內(nèi)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(jié)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(fù)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(fù)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(jié)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(yùn)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(zhuǎn)移特性如圖(b)所示。如果在正端輸入樣值；負(fù)端接判定值，顯然USUR時，輸出 (“1”碼)；當(dāng)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(zhuǎn)移性如圖(c)所示，它在后才轉(zhuǎn)換，而在區(qū)間是不轉(zhuǎn)換的，這區(qū)間稱為模糊區(qū)。在模糊區(qū)內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移特性影響較大的還有比較器輸入失調(diào)電壓，它不僅使靈敏度降低，而且失調(diào)電壓的不穩(wěn)定會形成比較器工作點漂移，嚴(yán)重時會引起編碼誤差，所謂失調(diào)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(zhǔn) 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(jīng)保持的PAM信號分作兩路，一路送入極性判決電路，在時刻進(jìn)行判決，信號為正極性或負(fù)極性時，分別用或表示。另一路經(jīng)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(jīng)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(jīng)11位線性解碼網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)。 7比特串并變換及記憶電路每個樣值開始比較前，下權(quán)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(jīng)保持的PAM值比較。當(dāng)PAM值(以表示)大于時，經(jīng)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(jié)果，正好是第7段的起點電平，它等于。下一次比較時， 。當(dāng)PMA值()小于時，經(jīng)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(jié)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(guān)系可用表1.3表示。其中為第段的“段落標(biāo)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(dá)式。例如線性碼的權(quán)為，哪幾種情況要求出的權(quán)值呢? 對應(yīng)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(dá)式：表2.3 A律13折線非線性碼與線性碼的關(guān)系式中“+”表示“或”運(yùn)算；相乘表示“與”運(yùn)算，標(biāo)“*”者為收端解碼用。 線性解碼網(wǎng)絡(luò)線性解碼網(wǎng)絡(luò)用于線性碼的數(shù)/模轉(zhuǎn)換，它的特點是變換后電流(電壓)值，對應(yīng)著每一位幅度碼權(quán)值的總和。圖2.8是11位線性型解碼網(wǎng)絡(luò)。該電路是某集成電路(11位幅度碼)的解碼網(wǎng)絡(luò)，其特點如下：圖2.8 11位線碼解碼器a、網(wǎng)絡(luò)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(yùn)算放大器輸入端為虛地)；c、從任一節(jié)點(111點)向右看進(jìn)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(yùn)放輸入端的總電流，決定于幅度碼的狀態(tài)，即當(dāng)時，才送到運(yùn)放輸人端，因此總電流為： (2.28)設(shè)，則(2.28)式可寫成： 由此可見，梯形網(wǎng)絡(luò)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(guān)，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(yīng)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(fù)成與發(fā)送端相同的極性。 邏輯壓擴(kuò)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(yīng)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(jīng)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(yīng)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(jié)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(yīng)段的1*加入后，相當(dāng)于補(bǔ)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(dāng)于一個棧房)，在一定的時刻一齊輸出到解碼網(wǎng)絡(luò)去。(6) 時分

18、復(fù)用以上是對單路PCM編譯碼過程的說明。由于脈沖編碼調(diào)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(fù)用的方法來實現(xiàn)多路通信。這一方式廣泛地應(yīng)用于電話通信。目前國際上采用脈沖編碼調(diào)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(chǔ)上，脈沖編碼調(diào)制時分多路復(fù)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(jié)構(gòu)。32路基群的數(shù)碼結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)生自帶小型FM收音機(jī)（備耳機(jī)插孔）六、實驗內(nèi)容準(zhǔn)備工作：1、按實驗

21、板上所標(biāo)的電源電壓開機(jī)，調(diào)準(zhǔn)所需電壓，然后關(guān)機(jī)；2、把實驗板電源連接線接好；示波器探頭1：10，嚴(yán)禁1：1。3.接1、2 功放輸出接假負(fù)載4、開機(jī)注意觀察電流表正電流 I180mA 負(fù)電流 I60mA 若與上述電流差距太大，要迅速關(guān)機(jī)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)為窄脈沖系列。用頻率計測量P3、P12兩點頻率都應(yīng)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(guān)K位置，K1接觸3.41. 示波器接P6測量應(yīng)為正弦波，用頻率計測量其頻率應(yīng)為2KHz。P6信號是專門為實驗設(shè)計的同步測試信號源。2. 測P7波形、調(diào)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(yīng)調(diào)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(zhǔn)P7正弦波峰頂。另兩個對準(zhǔn)正弦波信號過零點。如果不在此位置上，可調(diào)整。一般由指導(dǎo)老師調(diào)整，建議學(xué)生不要調(diào)整。并作好記錄。(三) PCM單路編，譯碼實驗 TCM2914開關(guān)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(fù)載1. 示波器線接P3,線接P9，示波器工作方式(MODE)開關(guān)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(xì)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(fù)。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(jié)果進(jìn)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(nèi)電平碼。P7信號40 mv (有效值)。線接P3, 線接P9，微調(diào)，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(nèi)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(diào)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