实验二PCMADPCM编译码器系统

1、实验二 PCM/ADPCM编译码器系统一、实验原理PCM编译码器模块电路工作原理与ADPCM编译码器模块电路完全一样（参见实验系统概述2.5节ADPCM编译码模块）。PCM编译码模块中的各跳线功能以及各测试点的定义与ADPCM编译码模块相同。该单元的电路框图见图4.1。二、实验仪器1、 ZH5001通信原理综合实验系统一台2、 20MHz双踪示波器一台3、 函数信号发生器一台三、实验目的1、 了解语音编码的工作原理，验证PCM编译码原理；2、 熟悉PCM抽样时钟、编码数据和输入/输出时钟之间的关系；3、 了解PCM专用大规模集成电路的工作原理和应用；4、 熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法

2、.四、回答预习问题提前预习ADPCM编译码模块、交换接续控制模块的电路工作原理和跳线开关设置。1、 简述PCM编码调制的原理（抽样、量化、编码的过程）。 PCM(Pulse Code Modulation) 脉码调制是实现语音信号数字化的一种方法。是对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。PCM 对信号每秒钟取样 8000 次；每次取样为 8 个位，总共 64 kbps。取样等级的编码有二种标准。北美洲及日本使用 Mu-Law 标准，而其它大多数国家使用 A-Law 标准。一、语音信号的数字化 语音信号是连续变化的模拟信号，实现语音信号的数字化必

3、须经过抽样、量化和编码三个过程。 1 抽样 (Samping) 抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。例如，话音信号带宽被限制在0.33.4kHz内，用8kHz的抽样频率（fs），就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。对一个正弦信号进行抽样获得的抽样信号是一个脉冲幅度调制（PAM）信号。对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可还原出原来的模拟信号。 抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。低通连续信号抽样定理内容：一个频带限制在 赫内的时间连续信号 ,若以 的间隔对它进行等间隔抽样，则 将被所得到的抽样值完全确定。语音信号经

4、过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。 2 量化（quantizing） 把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程称为量化。即：抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。量化后的抽样信号与量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种量化失真在接收端还原模拟信号时表现为噪声，并称为量化噪声。量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式

5、，分的级数越多，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。 量化误差：量化后的信号和抽样信号的差值。量化误差在接收端表现为噪声，称为量化噪声。量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。 为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多，通常采用非均匀量化的方法进行量化。 非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔，幅度小的区间量化间隔取得小，幅度大的区间量化间隔取得大。 非均匀量化的实现方法有两种：一种是北美和日本采用的律压扩，一种是欧洲和我国采用的A律压扩。 在PCM-30/32通信设备中，采用A律13折线的分段方法，具体是：Y轴均匀分为8段，每段均匀分为16份，每份表示

6、一个量化级，则Y轴一共有16×8128个量化级。；X轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。13折线示意图如下：由于分成128个量化级，故有7位二进制码（27128），又因为Y轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有8位二进制码。 3 编码（Coding） 量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0），在码前以“”、“”号为前缀，来区分样值的

7、正、负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。    话音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bits×8kHz64kb/s。量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而

8、减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。 在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。通信中采用高速编码方式。 编码器分为逐次反馈型、折叠级联型和混合型三种，在 PCM-30/32通信设备中通常采用逐次反馈型的编码器。 2、 简述均匀量化和非均匀量化区别。 均匀量化是指把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔vD也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相

9、比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是m压缩律和A压缩律。美国采用m压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。 非均匀量化后还原波形与输入信号比较发现在大信号时，采用均匀量化与非均匀量化所还原出来的信号与输入信号并无很大的区别，只是稍稍有点延迟。在小

10、信号时非均匀量化后还原波形与输入信号几乎无区别，但是在均匀量化后还原波形与输入波形相差很大。3、 话音信号的频带范围是多少？CCITT规定的PCM编码的抽样速率、信息传输速率是多少？ 300HZ3400HZ 8KHz. 4、 查阅PCM/ADPCM电路工作原理图，分析PCM编译码模块的电路组成，说明集成电路MC145540、TL082、U503的管脚分布和功能，分析电路中所有跳线开关和电位器的功能和作用（K501-K504、K001、W501、W502）。 PCM/ADPCM编译码模块将来自用户接口模块的模拟信号进行PCM/ADPCM编译码，该模块采用MC145540集成电路完成PCM/ADP

11、CM编译码功能。该器件具有多种工作模式和功能，工作前通过显示控制模块将其配置成直接PCM或ADPCM模式（直接将PCM码进行打包传输），使其具有以下功能：1、 对来自接口模块发支路的模拟信号进行PCM编码输出。2、 将输入的PCM码字进行译码（即通话对方的PCM码字），并将译码之后的模拟信号送入用户接口模块。在通信原理实验平台中，两个电话用户接口分别有一个PCM/ADPCM编译码模块。本实验仅以第一路PCM/ADPCM编译码原理进行说明，另一个模块原理与第一路模块相同，不再重述。PCM编译码器模块电路与ADPCM编译码器模块电路完全一样，由语音编译码集成电路U502（MC145540）、运放U

12、501（TL082）、晶振U503（20.48MHz）及相应的跳线开关、电位器组成。电路工作原理如下：PCM/ADPCM编译码模块中，由收、发两个支路组成，在发送支路上发送信号经U501A运放后放大后，送入U502的2脚进行PCM/ADPCM编码。编码输出时钟为BCLK（256KHz），编码数据从U502的20脚输出（DT_ADPCM1），FSX为编码抽样时钟（8KHz）。编码之后的数据结果送入后续数据复接模块进行处理，或直接送到对方PCM/ADPCM译码单元。在接收支路中，收数据是来自解数据复接模块的信号（DT_ADPCM_MUX），或是直接来自对方PCM/ADPCM编码单元信号（DT_AD

13、PCM2），在接收帧同步时钟FSX（8KHz）与接收输入时钟BCLK（256KHz）的共同作用下，将接收数据送入U502中进行PCM/ADPCM译码。译码之后的模拟信号经运放U501B放大缓冲输出，送到用户接口模块中。PCM/ADPCM编译码模块中的各跳线功能如下：1、 跳线开关K501是用于选择输入信号，当K501置于N（正常）位置时，选择来自用户接口单元的话音信号；当K501置于T（测试）位置时选择测试信号。测试信号主要用于测试PCM/ADPCM的编译码特性。测试信号可以选择外部测试信号或内部测试信号，当设置在交换模块内的跳线开关KO01设置在1_2位置（左端）时，选择内部1KHz测试信号

14、；当设置在2_3位置（右端）时选择外部测试信号，测试信号从J005模拟测试端口输入。2、 跳线器K502用于设置发送通道的增益选择，当K502置于N（正常）位置时，选择系统平台缺省的增益设置；当K502置于T（调试）位置时可将通过调整电位器W501设置发通道的增益。3、 跳线器K504用于设置PCM/ADPCM译码器数据信号选择，当K504置于MUX（左）时处于正常状态，解码数据来自解数据复接模块的信号；当K504置于ADPCM2（中）时处于正常状态，解码数据直接来自对方PCM/ADPCM编码单元信号；当K504置于LOOP（右）时PCM/ADPCM单元将处于自环状态。4、 跳线器K503用于

15、设置接收通道增益选择，当K503置于N（正常）时，选择系统平台缺省的增益设置；当K503置于T（调试）时将通过调整电位器W502设置收通道的增益。5、 实验中PCM编码输出的位时钟是多少？6、标出测量点TP501-506的含义。1、 TP501：发送模拟信号测试点2、 TP502：PCM/ADPCM发送码字3、 TP503：PCM/ADPCM编码器输入/输出时钟4、 TP504：PCM/ADPCM编码抽样时钟5、 TP505：PCM/ADPCM接收码字6、 TP506：接收模拟信号测试点7、 根据实验内容，设计具体的实验步骤。1）.准备工作：由于PCM实验用的时钟信号由复接解复接模块的UB03

16、提供，因此首先用10针排线连接排针插槽JK501和JKB01，以获取时钟信号；加电后，将复接解复接模块中的跳线开关KB03置于左端PCM编码位置，此时MC145540工作在PCM编码状态。将跳线开关K501设置在测试位置。2）.PCM/ADPCM编码信号输出时钟和抽样时钟信号观测内容：输出时钟和抽样时钟即帧同步时隙信号观测：用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）黄色和输出时钟信号（TP503）蓝色，观测时以TP504做同步。测量、分析和掌握PCM编码抽样时钟信号与编译码时钟输出时钟的频率、占空比以及它们之间的对应关系等。现象：图1 抽样时钟信号和输出时钟信号之间的关系分析：由图1可以看出，

17、在抽样时钟信号的高电平部分，输出时钟有8个脉冲，即进行了PCM编码，且为8bit/s。如下图为在芯片MC14550x的pdf上截取的时序图，与实际测量的出的关系一致。内容：抽样时钟信号与PCM编码数据测量：用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和编码输出数据信号端口（TP502），观测时以TP504做同步。分析和掌握PCM编码输出数据与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。现象：图2 PCM编码输出数据信号与抽样时钟信号的关系分析： 图2中所示是经过PCM编码后的的信号波形，可以看到每个抽样区间都各不相同，看似随机，实际上却遵循一定的编码规律。PCM量化编码过后是“0”、“

18、1”的数字信号，可以根据一定的规律，如ALaw、uLaw，将其恢复成原来的电平，再经过抽样、滤波恢复原始的波形。内容：将复接解复接模块中的跳线开关KB03置于右端ADPCM编码位置，此时MC145540工作在ADPCM编码状态。重复上述步骤，比较PCM编码和ADPCM编码时序,码元传送速率上的区别。现象：图3 ADPCM输出时钟信号图4 ADPCM的编码时序信号分析： 容易从图3中观察得出，在抽样时钟信号的高电平部分，输出时钟有4个脉冲，因此ADPCM编码的速率是PCM编码速率的一半，4bit。 图4是编码过后的信号，类似随机信号，但是实际上遵循一定的规律，和PCM编码一样，需要通过逆变换转换

19、成原始的信号。3）.PCM编码将跳线开关KB03置于左端PCM编码位置，用函数信号发生器产生一个频率为1000Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入信号测试端口TP001和GND（地）。用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和编码输出数据信号端口（TP502），观测时以TP504做同步。分析和掌握PCM编码输出数据与抽样时钟信号（同步沿、脉冲宽度）及输出时钟的对应关系。由于是对1kHz信号进行8KHz采样，因此必须记录下连续的8个编码数据。由测量数据，按照A律13折线或u律15折线编码规则通过matlab计算恢复正弦波形。要求编写matlab程序将所测量的PCM编码数据按照G.711标

20、准中的A律和u律编码规则恢复为电平值，按A律和u律需分别绘出至少3张图：PCM编码数据恢复后的波形图及其频谱图。将采样点插值后得到平滑正弦波形图。现象：图5 PCM编码从上图中展开后读取的编码值为：00011111、00001101、00001110、00100100、10011111、10001101、10001110、10100100分析：分别按照A律13折线或u律15折线编码规则通过matlab计算恢复正弦波形，分别得到如下的波形：A律： u律： 上图中分别绘制了A律和u律下的FFT图、差值抽样波形和滤波后恢复的波形。很明显地可以看出，经过逆A律变化，信号中仍然具有好几个频率分量。然而，

21、经过逆u律变化，信号很好地恢复成了1000Hz的正弦波信号。可见此时内部电路采用的是遵循u律的PCM编码。4）.ADPCM编码将跳线开关KB03置于右端ADPCM编码位置，用函数信号发生器产生一个频率为1000Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入信号测试端口J005和J006（地）。观察连续9个采样点的编码数据，是否能观察到如PCM编码数据一样的规律，为什么？数据记录：0100、0110、0001、0001、1101、1110、0010、0100、0111、0010图6 ADPCM编码分析：ADPCM编码与PCM编码不一样，编码位数只有四位，并不能直接观察到和PCM编码数据一样的规律，特

22、别是观察首位的“0”“1”，并不能看出明显的正负，第一个和第五个也没有十分明显的对应关系，说明二者的编码方式并不一样。5).PCM译码器内容：准备：跳线开关K501设置在测试位置、K504设置在右端自环工作位置，此时将PCM输出编码数据直接送入本地译码器，构成自环。用函数信号发生器产生一个频率为1000Hz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入信号测试端口TP001和TP002（地）。PCM译码器输出模拟信号观测：用示波器同时观测解码器输出信号端口（TP506）和编码器输入信号端口（TP501），观测信号时以TP501做同步。定性的观测解码信号与输入信号的关系：质量、电平、延时。现象：图7 模

23、拟输入信号和输出信号分析：6).PCM/ADPCM频率响应测量：将测试信号电平固定在2Vp-p，调整测试信号频率，定性的观测PCM/ADPCM解码恢复出的模拟信号电平。观测输出信号信电平相对变化随输入信号频率变化的相对关系。比较PCM和ADPCM编码频响特性。内容及数据：输入频率（Hz）20050080010002000300034003600PCM译码输出Vpp（V）1.962.082.122.122.162.161.921.04ADPCM输出Vpp（V）1.962.082.082.122.162.161.921.00分析：从表中的数据可以看出，当测试信号电平固定在2Vp-p，调整测试信号频

24、率变化时，当频率从200Hz变化到2000Hz时，输出的电平几乎维持不变，只有略微的上升，在3000Hz左右电平值达到最大2.16Vp-p，然而当频率超过3400Hz后，电平值急剧下降。对于PCM和ADPCM都存在这样的现象。从实验过程中我观察到，当频率过大或者电平值太大时，输出地模拟信号会产生严重的失真。这是由于在输入端接了放大器，由于元器件本身的一些参数，如果信号的幅度或者频率超过范围，就无法正常工作。而且编码芯片MC145540对电平值也有严格的要求，工作范围是2.7V-5.25V。因此，我们在实验过称中都只采用1000Hz、2Vp-p大小的模拟信号，这样可以工作在电路对信号的允许范围内

25、，不至于产生失真。五、实验内容深刻理解电路组成和实验原理，正确设置跳线开关，完成以下实验内容，记录实验数据、实验现象和实验信号波形（标明频率、幅度、脉冲宽度）。加电后，菜单选择“PCM”编码方式。(一) PCM/ADPCM编码实验1、菜单选择“PCM”编码方式。利用外部信号发生器产生的频率为1000Hz、幅度02V的正弦波测试信号，以帧同步信号为触发信号，观察和分析PCM编码的帧同步信号、编码位时钟信号和编码输出数字信号的时序对应关系，标明信号的频率、幅度、脉冲宽度、同步沿的时间间隔( 信号的上升沿的时间间隔)。利用数字示波器的功能，画出三个完整的码字，并根据位同步信号读出码字的比特序列。理解下拉电阻的作用。2、菜单选择“ADPCM”编码方式。利用外部信号发生器产生的频率为1000Hz、幅度02V的正弦波测试信号，以帧同步信号为触发信号，观察和分析PCM编码的帧同步信号、编码位时钟信号和编码输出数字信号的时序对应关系，标明信号的频率、幅度、脉冲宽