教學設備

脈沖編碼調(diào)制PCM與時分復用實驗

—、實驗目的
  1.加深對PCM編碼過程的理解
  2.熟悉PCM編、譯碼專用集成芯片的功能和使用方法
3.了解PCM系統(tǒng)的工作過程
4. 了解幀同步信號的時序狀態(tài)關系
5. 掌握時分多路復用的工作過程
6.用同步正弦波信號觀察A律PCM八比特編碼的實驗

二、實驗電路工作原理
（一） PCM基本工作原理
    脈沖調(diào)制就是把一個時間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對模擬信號先抽樣，量化、編碼的過程。
    所謂抽樣，就是在抽樣脈沖來到的時刻提取對模擬信號在該時刻的瞬時值，抽樣把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。在該實驗中，抽樣速率采用8Kbit/s。
    所謂量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。
    一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。
    所謂編碼，就是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模/數(shù)變換，可記作A/D。
     PCM的原理如圖4-1所示。話音信號先經(jīng)防混疊低通濾波器，進行脈沖抽樣，變成8KHz重復頻率的抽樣信號（即離散的脈沖調(diào)幅PAM信號），然后將幅度連續(xù)的PAM信號用“四舍五入”辦法量化為有限個幅度取值的信號，再經(jīng)編碼后轉(zhuǎn)換成二進制碼。對于電話，CCITT規(guī)定抽樣率為8KHz，每抽樣值編8位碼，即共有28=256個量化值，因而每話路PCM編碼后的標準數(shù)碼率是64kb/s。為解決均勻量化時小信號量化誤差大、音質(zhì)差的問題，在實際中采用不均勻選取量化間隔的非線性量化方法，即量化特性在小信號時分層密、量化間隔小，而在大信號時分層疏、量化間隔大。
在實際中廣泛使用的是兩種對數(shù)形式的壓縮特性：A律和律。
A律PCM用于歐洲和我國，律用于北美和日本。它們的編碼規(guī)律如圖4-3所示。圖中給出了信號抽樣編碼字與輸入電壓的關系，其中編碼方式（1）為符號/幅度數(shù)據(jù)格式，Bit7表示符號位，Bit6～0表示幅度大��；（2）為A律壓縮數(shù)據(jù) 格式，它是（1）的ADI（偶位反相）碼；（3）為律壓縮數(shù)據(jù)格式，它是由（1）的Bit6～0反相而得到，通常為避免00000000碼出現(xiàn)，將其變成零抑制碼00000010。對壓縮器而言，其輸入輸出歸一化特性表



(二) PCM編譯碼電路
    PCM編譯碼電路TP3067芯片介紹，詳見所附光盤TP3067芯片文件。
1.編譯碼器的簡單介紹
    模擬信號經(jīng)過編譯碼器時，在編碼電路中，它要經(jīng)過取樣、量化、編碼，如圖4-4(a)所示。到底在什么時候被取樣，在什么時候輸出PCM碼則由A/D控制來決定，同樣PCM碼被接收到譯碼電路后經(jīng)過譯碼、低通濾波、放大，最后輸出模擬信號，把這兩部分集成在一個芯片上就是一個單路編譯碼器，它只能為一個用戶服務，即在同一時刻只能為一個用戶進行A/D及D/A變換。 編碼器把模擬信號變換成數(shù)字信號的規(guī)律一般有二種，一種是μ律十五折線變換法，它一般用在PCM24路系統(tǒng)中，另一種是A律十三折線非線性交換法，它一般應用于PCM 30/32路系統(tǒng)中，這是一種比較常用的變換法.模擬信號經(jīng)取樣后就進行A律十三折線變換，最后變成8位PCM碼，在單路編譯碼器中，經(jīng)變換后的PCM碼是在一個時隙中被發(fā)送出去，這個時序號是由A/D控制電路來決定的，而在其它時隙時編碼器是沒有輸出的，即對一個單路編譯碼器來說，它在一個PCM幀里只有一個由它自己的A/D控制電路決定的時隙里輸出8位PCM碼，同樣在一個PCM 幀里，它的譯碼電路也只能在一個由它自己的D/A控制電路決定的時序里，從外部接收8位PCM 碼。其實單路編譯碼器的發(fā)送時序和接收時序還是可由外部電路來控制的，編譯碼器的發(fā)送時序由A/D控制電路來控制。我們定義為FSx(發(fā)送時隙)和FSr(接收時隙)，要求FSx和FSr是周期性的，并且它的周期和PCM的周期要相同，都為125μS，這樣，每來一個FSx，其編碼器（Codec）就輸出一個PCM碼，每來一個FSr，其編碼器Codec就從外部輸入一個PCM碼。
    圖4-4(b)是PCM的譯碼電路方框圖，工作過程同圖4-4(a)相反，因此就不再討論了。


圖4-4  A/D及D/A 電路框圖

2.在本實驗中選擇A律變換，以2.048Mbit/s的速率來傳送信息，信息幀為無信令幀，它的發(fā)送時序與接收時序直接受FSX和FSR 控制。還有一點，編譯碼器一般都有一個PDN降功耗控制端，PDN=0時，編譯碼能正常工作，PDN=1時，編譯碼器處于低功耗狀態(tài)，這時編譯碼器其它功能都不起作用，我們在設計時，可以實現(xiàn)對編譯碼器的降功耗控制。
圖4-5是短幀同步定時波形圖。



圖4-5  短幀同步定時

三、 實驗內(nèi)容
   1．用同步正弦波信號觀察A律PCM八比特編碼的實驗
   2．脈沖編碼調(diào)制（PCM）及系統(tǒng)實驗
3．PCM八比特編碼時分復用輸出波形觀察測量實驗
   4．PCM編碼時分多路復用時序分析實驗

四、 實驗步驟及注意事項
本PCM編譯碼系統(tǒng)分為PCM（一）、PCM（二）兩個分系統(tǒng)（見圖4-9、圖4-10電原理圖）。芯片U501及外圍電路構成PCM（一），芯片U502及外圍電路構成PCM（二）。每個TP3067芯片U501含有一路PCM編碼器和一路PCM譯碼器。本PCM編譯碼系統(tǒng)信號流程框圖(如圖4-6)， PCM（一）上、PCM（二）下 電原理圖（如圖4-9 ）。
編碼部分：將PCM（一）編碼數(shù)據(jù)在X時隙（TP503）輸出，PCM（二）編碼數(shù)據(jù)在Y時隙（TP509）輸出，兩路信號可“線與”時分復用輸出（PCM編碼輸出為三態(tài)門輸出，其向同一條總線上輪流傳輸信號而互不干擾，條件為同一時間只能有一個三態(tài)門處于工作狀態(tài)，其余的門處于高阻狀態(tài)，即在不同的時間段占用總線）。
譯碼部分：PCM（一）譯碼部分在Y時隙（TP509）接收數(shù)據(jù)，PCM（二）譯碼部分在X時隙（TP503）接收數(shù)據(jù)。
其信號流程框圖如圖4-6。



                  圖4-6  PCM編譯碼系統(tǒng)信號流程框圖

（一）我們以PCM（一）數(shù)據(jù)編碼輸出，最終由PCM（二）譯碼輸出為例
1. 打開實驗箱右側電源開關，電源指示燈亮。
2. 薄膜鍵盤選擇PCM編譯碼，有三個選項。
01 T24，R8，C2M
02 T30，R16，C2M
03 T0，R1，C128KHz
選擇一項按確認鍵。其中：
T表示PCM（一）編碼時隙，PCM（二）譯碼時隙。24即第24個時隙脈沖
R表示PCM（二）編碼時隙，PCM（一）譯碼時隙。16即第16個時隙脈沖
C表示PCM（一）與PCM（二）的線路編譯碼時鐘，如：2M即2048KHz，一幀中可容納32路數(shù)據(jù)時分復用；那若線路編譯碼時鐘為128KHz，一幀中可容納幾路數(shù)據(jù)時分復用，通過實驗觀察驗證你的結果。
3. 用連接線將同步正弦波信號由TP002引出，接入PCM（一）的模擬信號輸入銅鉚孔TP501。
4. K501的1-2腳相連，即將PCM（一）編碼器的編碼信號（或者與PCM（二）時分復用的數(shù)據(jù)）送到“時分復用總線”上； K502的1-2腳相連，即PCM（一）和PCM（二）的譯碼器接收“時分復用總線”上的對應時隙上的數(shù)據(jù)。
5. 測量TP501～TP504、TP511～TP512各點波形，波形如圖4-8。示波器兩通道同時測量TP503、TP504兩點波形，此時能觀察到穩(wěn)定的8比特PCM數(shù)字輸出信號。
  6. 測量TP506、TP512兩路譯碼器還原輸出銅鉚孔，看哪個譯碼器能還原輸出正確的同步正弦波信號，參照上面的實驗原理介紹分析實驗結果。
7. 用連接線將譯碼輸出信號由TP512（或TP506）引出，接入到功放模塊TP006“喇叭輸入”接口。
8. 改變輸入的模擬信號，選擇不同的編譯碼時隙和線路時鐘，測量各點波形。
(二) 時分復用，解復用實驗
1. 打開實驗箱右側電源開關，電源指示燈亮。
2. 薄膜鍵盤選擇PCM編譯碼，有三個選項。
01 T24，R8，C2M
02 T30，R16，C2M
03 T0，R1，C128KHz
選擇一項按確認鍵。
3. 用連接線將不同的兩種模擬信號分別接入TP501和TP507 “模擬輸入”銅鉚孔。
4. K501的1-2腳相連，即將PCM（一）編碼器的編碼信號（或者與PCM（二）時分復用的數(shù)據(jù)）送到“時分復用總線”上； K502的1-2腳相連，即PCM（一）和PCM（二）的譯碼器接收“時分復用總線”上的對應時隙上的數(shù)據(jù)。
5. 用連接線連接TP504和TP510兩銅鉚孔，即將PCM（二）編碼輸出信號復用到“時分復用總線”上。時分多路復用波形分析示意圖(如圖4-7)
6. 測量TP501～TP512各點波形，分析各波形間的關系。
7. 用連接線將譯碼器輸出信號由TP506和TP512引出，分別接入到功放模塊TP006“輸入” 銅鉚孔接口或“電話模擬收”銅鉚孔接口。
此時兩路模擬信號分別經(jīng)過PCM編碼，時分復用，解復后用各自譯碼輸出。
8. 改變輸入的模擬信號，選擇不同的編譯碼時隙和時鐘，測量各點波形。
注：上述步驟中，薄膜鍵盤選擇03項，可在普通示波器上觀測到穩(wěn)定的PCM編碼波形。
跳線開關放置：
K501：1—2：PCM（一）編碼器的編碼信號）送到“時分復用總線”上；
2—3：PCM（一）編碼數(shù)據(jù)（或者與PCM（二）時分復用的數(shù)據(jù)）輸出，發(fā)往AMI/HDB3碼編譯碼系統(tǒng)編碼輸入端。
K502：1—2：PCM（一）和PCM（二）譯碼器接收“時分復用總線”的數(shù)據(jù)；
2—3：PCM（一）和PCM（二）譯碼器接收AMI/HDB3碼編譯碼系統(tǒng)譯碼數(shù)據(jù)。

五、測量點說明
  TP501：同TP507。該點為輸入的音頻信號，用連接線連接模擬信號源與TP501，若幅度過大，則被限幅電路限幅成方波，因此信號波形幅度盡量小一些。方法是：改變相應信號源的幅度大小。
  TP502：同TP508。PCM（一）、PCM（二）編譯時鐘信號，由薄膜鍵盤選擇決定。
TP503：同TP509。頻率為8KHz的幀同步信號（矩形窄脈沖），但兩個測量點時序不一樣。時序關系由薄膜鍵盤選擇決定。
  TP504：同TP510。PCM編碼輸出的數(shù)字信號。此時為PCM（一）一路編碼輸出信號；若將銅鉚孔TP504和TP510用連接線連接，即將PCM（二）編碼輸出信號與PCM（一）編碼輸出信號復用到“時分復用總線”上，示意圖可見圖4-7。
其中，一路數(shù)字編碼輸出波形為8比特編碼(一般為7個半碼元波形,最后半個碼元波形被集成電路內(nèi)部移位寄存器在裝載下一路數(shù)據(jù)前復位時丟失掉)，數(shù)據(jù)的速率由編譯時鐘決定，其中第一位為語音信號編碼后的符號位，后七位為語音信號編碼后的電平值。
  TP511：同TP505。PCM譯碼系統(tǒng)接收輸入的數(shù)字信號，波形同TP504、TP510。
TP512：同TP506。分別為PCM（一）、PCM（二）譯碼輸出的模擬信號，波形應分別與TP501、TP507同。
六、 實驗報告要求
1. 畫出實驗電路的實驗方框圖，并敘述其工作過程。
2. 畫出實驗過程中各測量點的波型圖，注意對應相位、時序關系。
3. 觀察同步正弦波的編碼波形，讀出編碼數(shù)據(jù)（至少12個字節(jié)數(shù)據(jù)，注意觀測方法）。
4. 寫出本次實驗的心得體會，以及對本次實驗有何改進意見。