PCM編、解碼實驗

一、實驗目的

1． 了解PCM編譯碼原理；
2． 掌握PCM光纖傳輸過程。

二、實驗設備

1． THKGT-2型 多媒體光纖通信傳輸實驗儀一台；
2． 20MHz示波器一台；
3． 一號導線兩根。

三、實驗原理

1． PCM基本工作原理
PCM基群作為數字微波通信和光纖通信係統的終端設備，在目前通信係統中占有很重要地位。本實驗主要學習PCM30/32路基群係統的PCM編譯碼器、並對PCM編譯碼器進行自環測試，加深對PCM終端設備的了解。
脈衝編碼調製通信就是把一個時間連續、取值連續的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數字信號後在信道中進行傳輸。而脈衝編碼調製就是對模擬信號先進行抽樣後，再對樣值的幅度進行量化、編碼的過程。
所謂抽樣，就是利用抽樣脈衝對模擬信號進行周期性掃描，從而把時間上連續的信號變成變成時間上離散的信號。該模擬信號經過抽樣後還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真地恢複原模擬信號。它的抽樣速率下限是由抽樣定理確定的。在該實驗中，抽樣速率采用8Kbit/s。模擬信號抽樣示意圖如圖4-1所示。
 
圖4-1  模擬信號抽樣示意圖
所謂量化，就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。一個模擬信號，經過抽樣量化後，得到已量化的脈衝幅度調製信號，它僅為有限個數值。所謂編碼，就是用一組二進製碼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/數變換，可記作A/D。在幅度與時間上連續變化的模擬信號經抽樣後，雖然在時間軸上變為離散量，但在幅度上每一采樣仍為連續量，為了使每一采樣用數字代碼表示，就必須將幅度用有限個電平來表示，實現這個過程稱作幅度量化。由此可見，脈衝編碼調製方式就是一種傳遞模擬信號的數字通信方式。
PCM的原理如圖4-2所示。話音信號先經防混迭低通濾波器，得到限帶信號（300~ 3400Hz），進行脈衝抽樣，變成8KHz重複頻率的抽樣信號（即離散的脈衝調幅PAM信號），然後將幅度連續的PAM信號用“四舍五入”辦法量化為有限個幅度取值的信號，再經編碼，轉換成二進製碼。對於電話CCITT規定抽樣率為8KHz，每抽樣值編8位碼，即共有28=256個量化值，因而每話路PCM編碼後的標準數碼率是64kb/s。為解決均勻量化時小信號量化誤差大、音質差的問題，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，如圖4-3所示。
 
圖4-2  PCM的原理框圖
 
圖4-3  A律與u律的壓縮特性
在實際中廣泛使用的是兩種對數形式的壓縮特性：A律和μ律。對壓縮器而言，其輸入輸出歸一化特性表示式為：

式中A、μ為壓縮係數，CCITT規定它們取值是A=87.6與μ=255。A律PCM主要用於歐洲，μ律主要用於北美和日本，我國采用歐洲體製。它們的編碼規律如圖4-4所示。
 
圖4-4  PCM編碼方式
圖中給出了信號抽樣編碼字與輸入電壓的關係，其中編碼方式（1）為符號/幅度數據格式，Bit7表示符號位，Bit6~0表示幅度大小；（2）為A律壓縮數據格式，它是（1）的ADI（偶位反相）碼；（3）為μ律壓縮數據格式，它是由（1）的Bit6~0反相而得到，通常為避免00000000碼出現，將其變成零抑製碼00000010。
2． 本實驗係統編譯碼器簡介
（1）在本實驗係統的PCM編譯碼器為美國國家半導體公司的TP3067。圖4-5是它的管腳排列圖，內部框圖如圖4-6所示。
 
圖4-5   TP3067管腳排列圖
 
圖4-6   TP3067邏輯方框圖
（2）引腳功能說明

符　號	功       能
VP0+	接收功率放大器的同相輸出
GNDA	模擬地，所有信號均以該引腳為參考點
VP0-	接收功率放大器的反相輸出
VPI	接收功率放大器的反向輸入
VFRO	接收濾波器的模擬輸出
VCC	正電源引腳，VCC=+5V±5%
FSR	接收幀同步脈衝以允許BCLKR移PCM數據進入DR，FSR脈衝速率為 8kHz，有關定時細節見圖25-5和圖25-6。
DR	接收幀數據輸入，PCM數據隨著FSR前沿移入DR
BCLKR/ CLKSESL	位時鍾端。在FSR上升沿後移數據進入DR。位時鍾可以從64KHz變化到 2.048MHz，另外，邏輯輸入選擇1.536MHz/1.544MHz或2.048MHz作主時 鍾同步方式。（見表25—1）
MCLKR/PDN	接收主時鍾，必須是1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，可以不與MCLKX 同步，但為了獲得性能必須與MCLKx同步。
MCLKX	發送主時鍾。必須是1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，可以不與MCLKR 同步，但同步操作性能更好。
BCLKX	位時鍾端。BCLKX用於從DX端移出PCM數據，可以從64KHz到 2.048MHz，但必須與MCLKX同步。
DX	三態PCM數據輸出端。
FSX	發送幀同步脈衝輸入端。FSX允許BCLKX將PCM數據從DX端移出。FSX工作頻率8KHz。定時細節見圖25-5和圖25-6。
TSX	開漏輸出端，在編碼時隙時TSX為低電平。
ANLB	模擬環路控製輸入端。正常操作時為邏輯低電平，當當處於高電平時，發送濾波器輸入從發送前置濾波器斷開並與接收功率放大器輸出VP0+相連。
GSX	發送輸入放大器模擬輸出端。用以外部設定增益。
VFxI-	發送輸入放大器反相輸入。
VFxI+	發送輸入放大器同相輸入。
VBB	負電源引腳，VBB=-5V±5%。

（3）功能說明
1）上電
當開始上電瞬間，加電複位電路啟動COMBO並使它處於掉電狀態。所有非主要電路都失效而DX、VFR0、VP0-和VP0+均處於高阻抗狀態。為了使器件上電，一個邏輯低電平或時鍾脈衝必須作用在MCLKR/PDN引腳上，並且FSX和（或）FSR脈衝必須存在，於是有兩種掉電控製模式可以利用。在種中MCLKR/PDN引腳電位被拉高。在另一種模式中使FSX和FSR二者的輸入均連續保持低電平，在最後一個FSR或FSX脈衝之後相隔2ms左右，器件將進入掉電狀態。一旦個FSX或FSR脈衝出現，上電就會發生，三態數據輸出將停留在高阻抗狀態中，直到第二個FSX脈衝出現為止。
2）同步工作
在同步工作中，對於發送和接收兩個方向，應當用相同的主時鍾和位時鍾。在這一模式中，MCLKX上必須有時鍾信號在起作用，而MCLKR/PDN引腳則起了掉電控製作用。MCLKR/PDN上的低電平使器件上電，而高電平則使器件掉電。這兩種情況中，不論發送或接收方向，MCLKX都用作為主時鍾輸入。位時鍾也必須作用在MCLKX上；對於頻率為1.536MHz，1.544MHz 或2.048MHz的主時鍾，BCLKR/CLKXEL可用來選擇合適的內部分頻器，在1.544MHz工作狀態下，本器件可自動補償每幀內的第193個時鍾脈衝。
當BCLKR/CLKSEL引腳上的電平固定時，BCLKX將被選為發送和接收方向兼用的位時鍾。表4-1說明可選取用的工作頻率，其值視BCLKR/CLKSEL的狀態而定。在同步模式中，位時鍾BCLKX可從64KHz變至2.048MHz，但必須與MCLKX同步。
表4-1   主時鍾頻率的選擇：

BCLK/CLKSEL	被選主時鍾頻率
	TP3067
時鍾	2.048MHz
0	1.536MHz或1.544MHz
1	2.048MHz

每一個FSX脈衝標誌著編碼周期的開始，而在BCLKX的正沿上，從前一個編碼周期來的PCM數據從已啟動的DX輸出中移出。在8個時鍾周期後，三態DX輸出恢複到高阻抗狀態。隨著FSR脈衝來臨，依賴BCLKX（或在運行中的BCLKR）負沿上的DR輸入，PCM數據被鎖住，FSX和FSR必須與MCLKX/R同步。
3）異步工作
在異步狀態中，發送和接收時鍾必須獨立設置，MCLK和BCLK必須為2.048MHz，隻要把靜態邏輯電平加到MCLKX/PDN引腳上，就能實現這一點。FSX啟動每個編碼周期必須與MCLKX和BCLKX保持同步。FSR啟動的每一個譯碼周期必須與BCLKR同步。BCLKR必須為時鍾信號，列於表3-1中的邏輯電平對於異步模式是不成立的。BCLKX和BCLKR的工作頻率可從64kHz變到2.048MHz。
4）短幀同步工作
COMBO既可用短幀，也可用長幀同步脈衝，在供電開始時，器件采用短幀模式。在這種模式中，FSX和FSR這兩個幀同步脈衝的長度均為一個位時鍾周期，其定時關係如圖47所示。在BCLKX的
下降邊沿當FSX為高時，BCLKX的下一個上升邊沿可啟動輸出符號位的三態輸出DX的緩衝器，緊隨其後的7個上升邊沿以時鍾送出剩餘的7個位，而下一個下降邊沿則將鎖住符號位，跟隨的7個下降邊沿鎖住剩餘的7個保留位。
 
 
圖4-7   短幀同步定時
5）長幀同步工作
為了應用長幀模式，FSX和FSR這兩個幀同步脈衝的長度等於或大於位時鍾周期的三倍，其定時關係如圖4-8所示。在64KHz工作狀態中，幀同步脈衝至少要在160ns內保持低電位。隨著FSX或BCLKX的上升邊沿（無論哪一個後到），DX三態輸出緩衝器就被啟動，於是被時鍾移出的個比特為符號位，以後來到的BCLKX的7個上升邊沿以時鍾移出剩餘的7位碼。隨著第8個上升邊沿或FSX變低（無論哪一個後發生），DX輸出由BCLKX的下降沿來阻塞。在以後8個BCLKR的下降邊沿（BCLKR在同步模式），接收幀同步脈衝FSR的上升邊沿將鎖住DR的PCM數據。
 
圖4-8  長幀同步定時
6）發送部件
發送部件的輸入端是一個運算放大器，並配有兩個調整增益的外接電阻。在低噪聲和寬頻帶條件下，整個音頻通帶內的增益可達20dB以上。該運算放大器驅動一個增益為1的濾波器（由RC有源前置濾波器組成），後麵跟隨一個時鍾頻率為256KHz的8階開關電容帶通濾波器。該濾波器的輸出直接驅動編碼器的抽樣保持電路。內有一個精密電壓基準，以便提供額定峰值為2.5V的輸入過載（tmax）。FSX幀同步脈衝控製濾波器輸出的抽樣，然後逐次逼近的編碼周期就開始。8位碼裝入緩衝器內，並在下一個FSX脈衝下通過DX移出。整個編碼時延近似等於165μs加上125μs（由於編碼時延），其和為290μs。
7）接收部件
接收部件包括一個擴展DAC（數模轉換器），而它又驅動一個時鍾頻率為256KHz的5階開關電容低通濾波器。譯碼器是依照A律（TP3067）設計的，而5階低通濾波器校正8KHz抽樣——保持電路所引起的sinx/x衰減。在濾波器後跟隨一個其輸出在VFR0上的2階RC低通後置濾波器。接收部件的增益為1，但利用功率放大器可加大增益。當FSR出現時在後續的8個BCLKR（BCLKX）的下降邊沿，DR輸入端上的數據將被時鍾控製。在譯碼器時隙的終端，譯碼循環就開始，10μs左右（譯碼器更新時間），加上110μs（濾波器時延）與62.5μs（半幀），其和近似地等於180μs。
8）接收功率放大器
兩個反相模式功率放大器用來直接驅動一個匹配的線路接口電路。
編譯碼器的功能比較強，它既可以進行A律變換，也可以進行μ律變換，它的數據既可以固定速率傳送，也可以可變速率傳送，它既可以傳輸信令幀也可以選擇它傳送無信令幀，並且還可以控製它處於低功耗備用狀態等，到底使用它的什麽功能可由用戶通過控製來選擇。
在本實驗中蜜桃在线免费观看選擇它進行A律變換，以2.048Mbit來傳送信息，信息幀為無信令幀，它的發送時序與接收時序直接受FSX和FSR控製。
還有一點，編譯碼器一般都有一個PDN低功耗控製端，PDN=1時，編譯碼能正常工作，PDN=0時，編譯碼器處於低功耗狀態，這時編譯碼器其它功能都不起作用，蜜桃在线免费观看在設計時，可以實現對編譯碼器的低功耗控製。用戶摘機，編譯碼器工作，用戶掛機，編譯碼器低功耗。
3． 時序發生、PCM編譯碼模塊原理
本模塊的原理方框圖如圖4-9所示。
該模塊上有以下測試點和輸入點：
TP2048   PCM基群時鍾信號(位同步信號)測試點
TP8K    接收、發送幀同步脈衝測試點
A_IN      輸入到編譯碼器U51編碼信號測試點
A_OUT    編譯碼器U51譯碼輸出信號測試點
TXD      信號的PCM編碼輸出/測試點
RXD     信號的PCM譯碼輸入/測試點
 
 
圖4-9  PCM編譯碼原理方框圖
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PCM編譯碼器提供2.048MHz的時鍾信號和8KHz的時隙同步信號。在實際通信係統中，譯碼器的時鍾信號(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，此處將同步器產生的時鍾信號及時隙同步信號直接送給譯碼器。

四、實驗內容與步驟

1． 實驗箱上電；
2． 模擬信號發生模塊的K41撥到SIN，用示波器CH1通道測量的正弦波輸出端SIN_TRAN波形，調節幅度調節電位器W47和頻率調節電位器W41，調節輸出正弦波為1Vp-p，1KHz。
3． 連接SIN_TRAN和PCM編譯碼模塊的A_IN，連接TXD和RXD。
4． 用示波器觀察PCM編碼輸出信號。
示波器的CH1接A_IN1， CH2接TXD，觀察編碼後的數據。
5． 用示波器觀察PCM譯碼輸出信號。
示波器的CH1接A_IN1，CH2接A_OUT1，觀察這兩個信號波形，調節正弦波頻率變化，觀察兩個波形。
6． 實驗完畢，關閉所有電源，拆除所有實驗連接線，整理實驗箱。

五、實驗數據

1． 闡述PCM編譯碼的過程和工作原理。
2． 整理測量得到的各種數據和觀察到的波形。