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實驗九? PCM編譯碼
??? 一、實驗目的
??? 1. 掌握PCM編譯碼原理。
??? 2. 掌握PCM基帶信號的形成過程及分接過程。
3. 掌握語音信號PCM編譯碼系統的動態范圍和頻率特性的定義及測量方法。
??? 二、實驗內容
??? 1. 用示波器觀察兩路音頻信號的編碼結果，觀察PCM基群信號。
??? 2. 改變音頻信號的幅度，觀察和測試譯碼器輸出信號的信噪比變化情況。
3. 改變音頻信號的頻率，觀察和測試譯碼器輸出信號幅度變化情況。
??? 三、基本原理
??? 1. 點到點PCM多路電話通信原理
??? 脈沖編碼調制(PCM)技術與增量調制(ΔM)技術已經在數字通信系統中得到廣泛應用。當信道噪聲比較小時一般用PCM，否則一般用ΔM。目前速率在155MB以下的準同步數字系列(PDH)中，國際上存在A解和μ律兩種PCM編譯碼標準系列，在155MB以上的同步數字系列(SDH)中，將這兩個系列統一起來，在同一個等級上兩個系列的碼速率相同。而ΔM在國際上無統一標準，但它在通信環境比較惡劣時顯示了巨大的優越性。
??? 點到點PCM多路電話通信原理可用圖9-1表示。對于基帶通信系統，廣義信道包括傳輸媒質、收濾波器、發濾波器等。對于頻帶系統，廣義信道包括傳輸媒質、調制器、解調器、發濾波器、收濾波器等。
本實驗模塊可以傳輸兩路話音信號。采用TP3057編譯器，它包括了圖9-1中的收、發低通濾波器及PCM編譯碼器。編碼器輸入信號可以是本實驗模塊內部產生的正弦信號，也可以是外部信號源的正弦信號或電話信號。本實驗模塊中不含電話機和混合電路，廣義信道是理想的，即將復接器輸出的PCM信號直接送給分接器。
??? 2. PCM編譯碼模塊原理
本模塊的原理方框圖圖9-2所示，電原理圖如圖9-3所示（見附錄），模塊內部使用+5V和-5V電壓，其中-5V電壓由-12V電源經7905變換得到。
圖9-2? PCM編譯碼原理方框圖
該模塊上有以下測試點和輸入點：
? BS??????PCM基群時鐘信號(位同步信號)測試點
? SL0?????PCM基群第0個時隙同步信號
? SLA?????信號A的抽樣信號及時隙同步信號測試點
? SLB?????信號B的抽樣信號及時隙同步信號測試點
? SRB?????信號B譯碼輸出信號測試點
? STA?????輸入到編碼器A的信號測試點
? SRA?????信號A譯碼輸出信號測試點
? STB?????輸入到編碼器B的信號測試點
? PCM?????PCM基群信號測試點
? PCM-A?????信號A編碼結果測試點
? PCM-B?????信號B編碼結果測試點
? STA-IN?????外部音頻信號A輸入點
? STB-IN?????外部音頻信號B輸入點
??? 本模塊上有三個開關K5、K6和K8，K5、K6用來選擇兩個編碼器的輸入信號，開關手柄處于左邊(STA-IN、STB-IN)時選擇外部信號、處于右邊(STA-S、STB-S)時選擇模塊內部音頻正弦信號。K8用來選擇SLB信號為時隙同步信號SL1、SL2、SL5、SL7中的某一個。
??? 圖9-2各單元與電路板上元器件之間的對應關系如下：
??? ?晶振?????U75：非門74LS04；CRY1：4096KHz晶體
??? ?分頻器1????U78:A：U78:D：觸發器74LS74；U79：計數器74LS193
??? ?分頻器2????U80：計數器74LS193；U78:B：U78:D：觸發器74LS74
??? ?抽樣信號產生器???U81：單穩74LS123；U76：移位寄存器74LS164
??? ?PCM編譯碼器A???U82：PCM編譯碼集成電路TP3057（CD22357）
??? ?PCM編譯碼器B???U83：PCM編譯碼集成電路TP3057（CD22357）
??? ?幀同步信號產生器??U77：8位數據產生器74HC151；U86:A：與門7408
??? ?正弦信號源A???U87：運放UA741
??? ?正弦信號源B???U88：運放UA741
??? ?復接器?????U85：或門74LS32
??? 晶振、分頻器1、分頻器2及抽樣信號（時隙同步信號）產生器構成一個定時器，為兩個PCM編譯碼器提供2.048MHz的時鐘信號和8KHz的時隙同步信號。在實際通信系統中，譯碼器的時鐘信號(即位同步信號)及時隙同步信號(即幀同步信號)應從接收到的數據流中提取，方法如實驗五及實驗六所述。此處將同步器產生的時鐘信號及時隙同步信號直接送給譯碼器。
??? 由于時鐘頻率為2.048MHz，抽樣信號頻率為8KHz，故PCM-A及PCM-B的碼速率都是2.048MB，一幀中有32個時隙，其中1個時隙為PCM編碼數據，另外31個時隙都是空時隙。
??? PCM信號碼速率也是2.048MB，一幀中的32個時隙中有29個是空時隙，第0時隙為幀同步碼(×1110010)時隙，第2時隙為信號A的時隙，第1(或第5、或第7 —由開關K8控制)時隙為信號B的時隙。
??? 本實驗產生的PCM信號類似于PCM基群信號，但第16個時隙沒有信令信號，第0時隙中的信號與PCM基群的第0時隙的信號也不完全相同。
??? 由于兩個PCM編譯碼器用同一個時鐘信號，因而可以對它們進行同步復接(即不需要進行碼速調整)。又由于兩個編碼器輸出數據處于不同時隙，故可對PCM-A和PCM-B進行線或。本模塊中用或門74LS32對PCM-A、PCM-B及幀同步信號進行復接。在譯碼之前，不需要對PCM進行分接處理，譯碼器的時隙同步信號實際上起到了對信號分路的作用。
??? 3. TP3057簡介
??? 本模塊的核心器件是A律PCM編譯碼集成電路TP3057，它是CMOS工藝制造的專用大規模集成電路，片內帶有輸出輸入話路濾波器，其引腳及內部框圖如圖9-4、圖9-5所示。引腳功能如下：
圖9-4? TP3057引腳圖
(1) V一?接-5V電源。
(2) GND?接地。
(3) VFRO?接收部分濾波器模擬信號輸出端。
(4) V+?接+5V電源。
(5) FSR?接收部分幀同信號輸入端，此信號為8KHz脈沖序列。
(6) DR?接收部分PCM碼流輸入端。
(7) BCLKR/CLKSEL?接收部分位時鐘(同步)信號輸入端，此信號將PCM碼流在FSR上升沿后逐位移入DR端。位時鐘可以為64KHz到2.048MHz的任意頻率，或者輸入邏輯“1”或“0”電平器以選擇1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主時鐘，此時發時鐘信號BCLKX同時作為發時鐘和收時鐘。
(8) MCLKR/PDN?接收部分主時鐘信號輸入端，此信號頻率必須為1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKX異步，但是同步工作時可達到最佳狀態。當此端接低電平時，所有的內部定時信號都選擇MCLKX信號，當此端接高電平時，器件處于省電狀態。
(9) MCLKX?發送部分主時鐘信號輸入端，此信號頻率必須為1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKR異步，但是同步工作時可達到最佳狀態。
(10) BCLKX?發送部分位時鐘輸入端，此信號將PCM碼流在FSX信號上升沿后逐位移出DX端，頻率可以為64KHz到2.04MHz的任意頻率，但必須與MCLKX同步。
圖9-5? TP3057內部方框圖
(11) DX?發送部分PCM碼流三態門輸出端。
(12) FSX?發送部分幀同步信號輸入端，此信號為8KHz脈沖序列。
(13) TSX?漏極開路輸出端，在編碼時隙輸出低電平。
(14) GSX?發送部分增益調整信號輸入端。
(15) VFXi-?發送部分放大器反向輸入端。
(16) VFXi＋?發送部分放大器正向輸入端。
??? TP3057由發送和接收兩部分組成，其功能簡述如下。
??? 發送部分：
??? 包括可調增益放大器、抗混淆濾波器、低通濾波器、高通濾波器、壓縮A/D轉換器。抗混淆濾波器對采樣頻率提供30dB以上的衰減從而避免了任何片外濾波器的加入。低通濾波器是5階的、時鐘頻率為128MHz。高通濾波器是3階的、時鐘頻率為32KHz。高通濾波器的輸出信號送給階梯波產生器(采樣頻率為8KHz)。階梯波產生器、逐次逼近寄存器（S?A?R）、比較器以及符號比特提取單元等4個部分共同組成一個壓縮式A/D轉換器。S?A?R輸出的并行碼經并/串轉換后成PCM信號。參考信號源提供各種精確的基準電壓，允許編碼輸入電壓最大幅度為5VP-P。
??? 發幀同步信號FSX為采樣信號。每個采樣脈沖都使編碼器進行兩項工作：在8比特位同步信號BCLKX的作用下，將采樣值進行8位編碼并存入逐次逼近寄存器；將前一采樣值的編碼結果通過輸出端DX輸出。在8比特位同步信號以后，DX端處于高阻狀態。
??? 接收部分：
??? 包括擴張D/A轉換器和低通濾波器。低通濾波器符合AT&T D3/D4標準和CCITT建議。D/A轉換器由串/并變換、D/A寄存器組成、D/A階梯波形成等部分構成。在收幀同步脈沖FSR上升沿及其之后的8個位同步脈沖BCLKR作用下，8比特PCM數據進入接收數據寄存器(即D/A寄存器)，D/A階梯波單元對8比特PCM數據進行D/A變換并保持變換后的信號形成階梯波信號。此信號被送到時鐘頻率為128KHz的開關電容低通濾波器，此低通濾波器對階梯波進行平滑濾波并對孔徑失真(sinx)/x進行補嘗。
??? 在通信工程中，主要用動態范圍和頻率特性來說明PCM編譯碼器的性能。
動態范圍的定義是譯碼器輸出信噪比大于25dB時允許編碼器輸入信號幅度的變化范圍。PCM編譯碼器的動態范圍應大于圖9-6所示的CCITT建議框架（樣板值）。
??? 當編碼器輸入信號幅度超過其動態范圍時，出現過載噪聲，故編碼輸入信號幅度過大時量化信噪比急劇下降。TP3057編譯碼系統不過載輸入信號的最大幅度為5VP-P。
由于采用對數壓擴技術，PCM編譯碼系統可以改善小信號的量化信噪比，TP3057采用A律13折線對信號進行壓擴。當信號處于某一段落時，量化噪聲不變(因在此段落內對信號進行均勻量化)，因此在同一段落內量化信噪比隨信號幅度減小而下降。13折線壓擴特性曲線將正負信號各分為8段，第1段信號最小，第8段信號最大。當信號處于第一、二段時，量化噪聲不隨信號幅度變化，因此當信號太小時，量化信噪比會小于25dB，這就是動態范圍的下限。TP3057編譯碼系統動態范圍內的輸入信號最小幅度約為0.025Vp-p。
常用1KHz的正弦信號作為輸入信號來測量PCM編譯碼器的動態范圍。
圖9-6? PCM編譯碼系統動態范圍樣板值
語音信號的抽樣信號頻率為8KHz，為了不發生頻譜混疊，常將語音信號經截止頻率為3.4KHz的低通濾波器處理后再進行A/D處理。語音信號的最低頻率一般為300Hz。TP3057編碼器的低通濾波器和高通濾波器決定了編譯碼系統的頻率特性，當輸入信號頻率超過這兩個濾波器的頻率范圍時，譯碼輸出信號幅度迅速下降。這就是PCM編譯碼系統頻率特性的含義。
四、實驗步驟
??? 1. 熟悉PCM編譯碼單元工作原理，開關K9接通8KHz(置為1000狀態)，開關K8置為SL1(或SL5、SL7)，開關K5、K6分別置于STA-S、STB-S端，接通實驗箱電源。
??? 2. 用示波器觀察STA、STB，調節電位器R19(對應STA)、R20(對應STB)，使正弦信號STA、STB波形不失真(峰峰值小于5V)。
??? 3. 用示波器觀察PCM編碼輸出信號。
??? 示波器CH1接SL0，（調整示波器掃描周期以顯示至少兩個SL0脈沖，從而可以觀察完整的一幀信號）CH2分別接SLA、PCM-A、SLB、PCM-B以及PCM，觀察編碼后的數據所處時隙位置與時隙同步信號的關系以及PCM信號的幀結構（注意：本實驗的幀結構中有29個時隙是空時隙，SL0、SLA及SLB的脈沖寬度等于一個時隙寬度）。
??? 開關K8分別接通SL1、SL2、SL5、SL7，觀察PCM基群幀結構的變化情況。
??? 4. 用示波器觀察PCM譯碼輸出信號
??? 示波器的CH1接STA，CH2接SRA，觀察這兩個信號波形是否相同(有相位差)。
??? 5. 用示波器定性觀察PCM編譯碼器的動態范圍。
??? 開關K5置于STA-IN端，將低失真低頻信號發生器輸出的1KHz正弦信號從STA-IN輸入到TP3057(U82)編碼器。示波器的CH1接STA（編碼輸入），CH2接SRA（譯碼輸出）。將信號幅度分別調至大于5VP-P、等于5VP-P，觀察過載和滿載時的譯碼輸出波形。再將信號幅度分別衰減10dB、20dB、30dB、40dB、45dB、50dB，觀察譯碼輸出波形(當衰減45dB以上時，譯碼輸出信號波形上疊加有較明顯的噪聲)。
??? 也可以用本模塊上的正弦信號源來觀察PCM編譯碼系統的過載噪聲(只要將STA-S或STB-S信號幅度調至5VP-P以上即可)，但必須用專門的信號源才能較方便地觀察到動態范圍。
??? 6. 定量測試PCM編譯碼器的動態范圍和頻率特性。
圖9-7為動態范圍測試方框圖。開關K5置于STA-IN端，音頻信號發生器(最好用低失真低頻信號發生器)輸出1KHz正弦信號，將幅度調為5Vp-p（設為0dB），測試S/N，再將信號幅度分別降低10dB、20dB、30dB、45dB、50dB，測試各種信號幅度下的S/N，將測試數據填入表9-1。
圖9-7? 動態范圍測量框圖
表9-1
信號幅度(dB)?0?-10?-20?-30?-40?-45?-50
S/N(dB)???????
頻率特性測試框圖如圖9-8所示。將輸入信號電壓調至2Vp-p左右，改變信號頻率，測量譯碼輸出信號幅度，將測試結果填入表9-2。
圖9-8? 頻率特性測試框圖
表9-2
輸入信號
頻率(KHz)?4?3.8?3.6?3.4?3.0?2.5?2.0?1.5?1.0?0.5?0.3?0.2?0.1
輸出信號
幅度(V)?????????????
??? 五、實驗報告要求
??? 1. 整理實驗記錄，畫出量化信噪比與編碼器輸入信號幅度之間的關系曲線以及譯碼輸出信號幅度與編碼輸入信號頻率之間的關系曲線。
2. 設PCM通信系統傳輸兩路話音，每幀三個時隙，每路話音各占一個時隙，另一個時隙為幀同步時隙，使用TP3057編譯碼器。求：
??? (1) 編碼器的抽樣信號頻率及時鐘信號頻率，以及兩個抽樣信號之間的相位關系。
??? (2) 時分復用信號碼速率、幀結構。
??? (3) 采用PCM基帶傳輸，線路碼為HDB3碼，設計此通信系統的詳細方框圖。
(4) 采用PCM/2DPSK頻帶傳輸，設計此通信系統的詳細方框圖。
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