数字通信原理实验二 PCM编解码单路多路实验

数字通信原理

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实验二PCM编解码单路多路实验

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实验二 PCM编解码实验

一、实验目的

1. 了解PCM编译码的基本工作原理及实现过程。

2. 了解语音信号数字化技术的主要技术指标，学习并掌握相应的测试方法。

3. 初步了解通信专用集成电路的工作原理和使用方法

二、实验内容

1. 信号源实验 5. PCM一次群多路编码实验

1) 取样脉冲、定时时钟实验 1) PCM多路编码静态工作实验

2) 同步测试信号源实验 2) PCM一次群帧结构、帧同步信号实验2. PCM单路编码实验 3) PCM一次群编码实验

1) 极性码编码实验 4) PCM一次群译码实验

2) 段内电平码编码实验 6. PCM系统性能调试

3) 段落码编码实验 1) 编码动态范围

3. PCM单路译码实验 2) 信噪比特性

4. PCM单路编译码实验 3) 频率特性

7. 学生常犯的测量错误

三、基本原理

模拟信号数字化可以用数种方式实现。脉冲编码调制(PCM)技术在数字通信系统中得到了广泛的应用。脉冲编码调制系统的原理方框图如图2.1所示。模拟信号经滤波后频带受到

了限

图2.1 PCM系统原理框图

制。限带信号被抽样后形成PAM信号。PAM信号在时间上是离散化的，但是幅度取值却是连续变化的。编码器将PAM信号规定为有限种取值，然后把每个取值用二进制码组表示并传送出去。接收端收到二进制编码信号后经译码还原为PAM信号，再经滤波器恢复为模拟信号。经理论分析可知，人的语音信号的幅度概率密度为拉普拉斯分布。这是一种负指数分布，小幅度时概率密度大，而大幅度时概率密度小。因此，语言编码必须设法提高小信号时的信噪比。如果既要考虑到语音信号的幅度变化范围约有40一5OdB，又要考虑到在小信号时有足够好的通话质量，则至少需要11位至12位的线性编码。通常，一路信号的抽样频率为8kHz。这样，当采用线性编码时传输一路PCM符号约需1OOkbit/s的传信率。但是非线性编码却可以用7位至8位的编码使通话质量令人满意，而相应的一路PCM信号的传信率为64kbit/s。因此实用的PCM编译器都是非线性的。

非线性编码器具有特定的压缩特性，这种特性是为了使编码结果与信号幅度相匹配，以最大限度地减小量化噪声功率。目前得到广泛使用的是两种对数形式的压缩特性，即 A 和

μ律对数线近似。这两种体制均己成为国际建议。实验选用的集成化PCM 编译码器CC2914

片具有13折线逼近的对数压缩特性。编码器与译码器的压缩特性如图2.2和图2.3所示。

图2.2中，每一个折线段各自被划分为16个分层电平。二相邻段落的分层按步阶1/2递减

分段，而每个段落内的分层都是均匀的。

图2.2编码器压缩特性转换（A/D ） 图2.3 译码器压缩特性转换（D/A ）

模拟信号经分段分层处理后被编成二进制码组，码组的形式为折叠二进制。在A 律l3

折线的编码方式中，国际标准规定最大量化输人为2048个量化单位，各段量化间隔

64218321＝，＝，＝＝????。由于采用非线性编码，码组中每位电平码的权重是变化的。

以上编码规律可用表2.1、表2.2详细说明。这里对应模拟信号为正值的情况，若输入为负，

则PCM 码字的最高位“符号位”由“1”改为“0”，其他规律不变。

表2.1 码位安排表

表2.2 A 律13折线幅度码与其对应电平

1. 逐次反馈比较编码

所谓编码就是将抽样后的样值信号变换成二进码序列的方法，用的最多的是逐次反

馈编码方案。图2.4是逐次反馈编码方框图。

编码的工作原理与天平称量物体重量的方法相似。

(1) 判定值(权值)的提供与编码方法

逐次反馈编码相当于天平称物，要提供一套大小不同的判定值(砝码)来作标准权值。当

称量(比较)一次后，如果物体重量(相当于信号的抽样值)重于砝码(相当于设备中提供的判

定值)时，下一次称量需保留原砝码外再增加一个砝码(换一个较大的判定值)，反之若发现

物体重量轻于砝码重量时，则需更换一个较小的砝码，逐次反馈比较编码方式就是仿此概念

而来的。

确定A 律13折线8位码的判定值的方法是：

极性码的判决不需要判定值(严格讲，其判定值为零)，它根据输入信号(电流值0的极

性来决定。即

。

码时码，时 "0",0"1",011=<=≥a I a I s s 幅度码的位数是7位，需要127127=-个判定值，它们分别是：

第1段 0、1、2、3…………………………………15共16种

第2段 16、17、18…………………………………31共16种

第3段 32、34、36…………………………………62共16种

第4段 64、68、72……………………………… 124共16种

第5段 128、136、144……………………………248共16种

第6段 256、272、288……………………………496共16种

第7段 512、544、576……………………………992共16种

第8段 1024、1088、1152………………………1984共16种

实际上没有必要产生这127种判定值(否则设备太复杂)，根据13折线压扩特性是通过

图中本地解码电路中7/11变换来实现，即将压缩后7位非线性码变换成11位线性码，也就

是只需要利用这11位线性码所对应的权值作为判定值即可。

考虑到量化段为8段，其对分点为7个，它们是?16、?32 、?64、?128、?256、

?512、?1024。再考虑到每一段中均匀分为16个量化级，它们的对分点是4个，即?8 、

图2.4 逐次反馈比较编码方框图

?4、?2、?1。可采用这11种对分点作为判定值。这样11种判定值可以组合成以上所需

的127种判定值。下面举例来介绍编码方法。

假设输入抽样值(电流值) ?=444s I ，按A 律13折线编8位码。

第一次比较：

0444>?=s I

，说明信号为正, "1")(1=极性码a 第二次比较：样值取绝对值s I ，因为信号的极性已由1a 确定，判定值2k I 表示编出2

a 码的判定值。

?=1282k I ，是第1－4量化段和第5－8量化段的对分点

"1",12844422=?=>?=a I I k s (信号在第5－8段)

第三次比较：

前一次比较结果12=a ，表示判定值小了，这次比较时，应使判定值增加。反之，02=a ，

要减小判定值。

12=a 表示信号在第5－8段，而?=5123k I 正好是第5－6段和第7－8段的对分点。

"0",51244433=?=

第四次比较：

03=a 表示信号在第5－6段，?=2561k I 正好是第5段和第6段的对分点 "1",25644444=?=>?=a I I k s (信号在第6段)

三次比较结果，段落码为101，表示信号在第6段，第6段起点电平?=??=16,25666s I 。

段内码的判定值的提供，可用下列表示

8

76587

6576

565

5)2()4()8(2)4()8(4)8(8a a a a I I a a a I I a a I I a I I i i i i Bi R i i i Bi R i i Bi R i Bi R ?+?+?+?+=?+?+?+=?+?+=?+= (2.27)

第五次比较： "

1",384444384128256855665=?=>?=?

=?+?=?+=a I I I I R s B R

第六次比较：按式(2.27)， "0",44844444864128256486665666=?=

=?+?+?=?+??+=a I I a I I R s B R

第七次比较：

"1",41644441632128256248776665667=?=>?=?

=?+?+?=?+??+??+=a I I a a I I R s B R

第八次比较：

"1",43244443216321282566

2488876665668=?=>?=?

=?+?+?+?=?+??+??+??+=a I I a a a I I R s B R

结果编码码字为{11011011}

编码又称逐次渐近型编码。图2.5是以?=444s I 为例画出逐次反馈编码的时间波形图。

(2) 极性判决与全波整流

话音信号是具有正、负的双极性信号输入的话音信号，分别送入极性判决和全波整流电

路，一方面将正或负信号编成"1"1=a 码或"0"1=a 码，另一方面将双极性信号整流成单极

性“正”信号再送入编码器编码。

对编码用的全波整流器的要求是： 对大、小信号都能整流，同时具有良好的线性特性。

对于普通二极管整流器来讲，由于二极管的结电压以及伏安特性的非线性。上述两点要求均

无法实现为此常采用运算放大器的折叠放大电路来组成全波整流电路。

(3) 比较器

比较器是一种模数变换部件，它是双端模拟输入单端数字输出的三端器件，如图2.6(a)

所示，对于理想的电压或(电流)比较器，其输入与输出的转移特性如图(b)所示。如果在正

端输入样值)(I U ；负端接判定值)(R R I U ，显然U S ≥U R 时，输出H U 0 (“1”码)；当R

s U U <时，输出0U 为低电平L U 0 (“0”码)。但这种理想比较器是不可能做到的，实际比较器的

转移性如图(c)所示，它在δ>-R s U U 后才转换，而在区间)~(δδ+-是不转换的，这区间

称为模糊区。在模糊区内4U 不能肯定是“1”码还是“0”码。而比较器的灵敏度是从输出

“0”码转换成“1”码所需要的R s U U ≥差值来衡量的，R s U U ≥大时，比较器灵敏度就低，而R s U U ≥小时，比较器灵敏度就高，显然图(c)的灵敏度为δ2，从要求比较器灵敏

度高的条件，希望模糊区δ2越小越好。

图2.5 逐次反馈比较编码时间图(一种方案)

对转移特性影响较大的还有比较器输入失调电压，它不仅使灵敏度降低，而且失调电压

的不稳定会形成比较器工作点漂移，严重时会引起编码误差，所谓失调即δ±不等，如图(d)

所示。解决办法可采用自动稳零路如图(e)所示。这样可使模糊区的中点对准0=-R s U U 称

为稳零。

图2.6 比较器

7比特串并变换及记亿电路如由图2.7所示。

图2.7 7比特串并变换及记忆电路

(4) 本地解码器

图2.4 所示的方框图中，输入经保持的PAM 信号分作两路，一路送入极性判决电路，

在1D 时刻进行判决，信号为正极性或负极性时，分别用11=a 或01=a 表示。另一路经全波

整流后与本地解码器输出的判决值比较，在位脉冲832,,,D D D Λ时隙比较后，形成

832,,,a a a Λ码字。本地解码器的作用就是将除极性码1a 以外的832,,,a a a Λ码逐位反馈经

串并变换，并存贮在记亿电路中，记亿电路输出分别为832,,M M M Λ，再将82~M M 这

7位非线性码变换为11位线性码(又称7/11变换)，再经11位线性解码网络，就可得到11

种判定值(R I )。所以本地解码器包括7比特串并变换及记亿电路、7/11变换电路及11比

特线性解码网络。

① 7比特串并变换及记忆电路 每个样值开始比较前，下权脉冲8D 将2M 置于1，同时将83~M M 清0，由于

100432=M M M ，正好是第5量化段的起点电平，它等于?128，用这个2R I 和输入经保持

的PAM 值比较。当PAM 值(以s I 表示)大于2R I 时，12=a ，经非门后0'2=a ，然后反馈至2F

(与非门)的一个输入端，在这时反馈用脉冲1'2=D 同时加到2F 的另一端，2F 输出高电位，

即，12=F 时，12=M 保留，另外在这同时2D 又将3M 置1，结果110432=M M M ，正好

是第7段的起点电平，它等于?512。下一次比较时， ?=5123R I 。当PMA 值(s I )小于3

R I 时，03=a ，经非门后1'3=a ，反馈至3F 的一个输入端，同时1'3=D 加至3F 的另一输入端，

03=F ，这时3M 被清零即03=M ，同时2'D 将3M 置1，结果010432=M M M ，这正好

是第3段起点电平，它等于?32，下一次比较时ΛΛ?=323R I 。

② 7/11变换电路

7/11变换又称非线性码/线性码变换，即将非线性7位幅度码变换成线性11位幅度码

它们的变换关系可用表1.3表示。

其中i C 为第i 段的“段落标志”，即1C C i =表示是第1个量化段，于是有4321a a a C =，

4328432743261325132443234322,,,,,,a a a C a a a C a a a C a a a C a a a C a a a C a a a C =======根据表1.3可得出i a 与i B 之间的逻辑表达式。例如线性码4B 的权为?128，哪几种情况要

求出?128的权值呢? 对应于?128的非线性码有4种情况。

第一种是第8量化段(18=C )时的17=a ；即178=a C ；

第二种是第7段(17=C )的16=a 时；

第三种是第6段(16=C )的15=a 时;

第四种是第5段(15=C )时。

均表示求变换后的线性码14=B

根据公式2－27可写出下列7/11变换逻辑表达式：

表2.3 A 律13折线非线性码与线性码的关系

1

21281823117172834106162738459515263748568253647586773

54657687864

5566778855

56677846

576837

5828

1)2

1()1()2()4()8()16()32()64()128()256()512()1024(C C B a C a C C B a C a C a C C B a C a C a C a C C B a C a C a C a C a C C B C a C a C a C a C C B C a C a C a C a C C B C a C a C a C a C B C a C a C a C B C a C a C B C a C B C B +=?++=

?+++=

?++++=

?+++++=

?+++++=

?+++++=?++++=?+++=?++=?+=?=?********

式中“+”表示“或”运算；相乘表示“与”运算，标“*”者为收端解码用。

③ 线性解码网络

线性解码网络用于线性码的数/模转换，它的特点是变换后电流(电压)值，对应着每一

位幅度码权值的总和。图2.8是11位线性型解码网络。

该电路是某集成电路(11位幅度码)的解码网络，其特点如下：

图2.8 11位线码解码器

a 、网络中电阻仅两种)2,(R R ，容易满足精度要求，也有利于集成化;

b 、不论幅度码"1"=i B 码时的i I 或"0"=i B 码时的i I 不等于零，而且两者的电流i I 近似

相等，(因运算放大器输入端为虚地)；

c 、从任一节点(1~11点)向右看进去的阻抗都为R 2 (如图所示)，因此每个R 2支路中

的电流i I 自左向右以1/2系数逐渐递减。

每个支路电流i I 分别为：

参考电压~2)2(22)2(22)2(2REF 10REF 101111

REF 1120

REF REF 1V R V I I R V I I R V R V I ----?=?=?=?=?==M

M

而送到运放输入端的总电流D I ，决定于幅度码111~B B 的状态，即当"1"=i B 时，i I 才送到

运放输人端，因此总电流D I 为：

)222)(2/(101123121---?++?+?+=B B B B R V I REF D ΛΛ (2.28)

设?=?-1022/R V REF ，则(2.28)式可写成：

?+++++=)22565121024(1110321B B B B B I D Λ

由此可见，梯形网络利用电流的1/2递减系数起到使电流(电压)幅值依次减半的作用。

7/11变换后的11位线性码111~B B 分别控制开关111~S S ，各幅度码的总和就是变换

后的电流(电压)值。

(5) A 律13折线解码

解码的作用是把接收到的PCM 信码还原成相应的PAM 信号，即数/模(D/A)变换。 A 律13折线解码器的方框图如图2.9 所示，它与图2.4中本地解码电路很相似，又有

不同点：

① 增加了极性控制部分：

根据接收到的PCM 信号的极性码i a 是“1”码还是“0”码，来辨别PAM 信号的极性，

极性码的状态在记亿寄存器1M 中，由"0"1=M ，或"1"1=M 来控制“极性控制电路，使解

码后的PAM 信号的极性得以恢复成与发送端相同的极性。

② 逻辑压扩部分由原7/11变换改为7/12变换：

由7/11变换变成7/12变换是使变换后输出的线性码增加一个码位，其目的是使解码输

出的信号值，对应于量化编码时的每一量化间隔的中间值，就是说可保证解码后的量化误差不会超过2i ?。

举例说明

如前所述某抽样值?=444s I ，经过A 律13折线编码后，其码字为{11011011}。从减小

量化误差这概念来讲，量化值应取量化级(量化间隔)的中间值。而?=444s I ，是在第6量

化段中第12个量化级中，量化间隔为??448~432，按理说量化值取中间值为?440时

图2.9 13折线(A 线)解码器方框图

其量化误差最小。但从编码{11011011}解码后的电平来看是?432，这样的结果量化误差为 ?=?-?12432444，大于?=?826，如果在解码后固定加一个2i ?，则量化误差为?=?+?-?424324446，这样量化误差就小于半个量化级?8，因此，在解码后固定加入一个2i ?，就可保证解码后的量化误差小于2i ?。

表1.3中各相应段的1*加入后，相当于补加了一个2i ?，第6段中的1*是?=?82i ，即解码后第6段要固定加上?=?82i 。

③ 寄存器读出是接收端解码器中所特有的，它的作用是把输入信号(PCM 信号)寄存起来(相当于一个栈房)，在一定的时刻一齐输出到解码网络去。

(6) 时分复用

以上是对单路PCM 编译码过程的说明。由于脉冲编码调制传送的是量化后消息信号的抽样值，因此可以采用时分复用的方法来实现多路通信。这一方式广泛地应用于电话通信。目前国际上采用脉冲编码调制传送多路电话的制式有两种，一种是以24路作为一个基群，另一种是以32路作为一个基群。在这两种基群基础上，脉冲编码调制时分多路复用系统己发展成为系列。随着传信率的提高，分别称为基群(或一次群)、二次群、三次群、四次群等。

在时分多路通信系统中各路信号占据了不同的时间间隔，为了在接收时能正确地区分各路信号的顺序，必须传送同步信号。此外，由于通信的需要还必须传送一些控制信号。这些辅助信号也要占据一定的时间间隔。所有的信号按一定的格局在时间上排列起来形成特定的数码结构。32路基群的数码结构简单示意图如图2.10所示。发端定时脉冲波形图如图2.11，标准电话信号的频带为300~3400Hz ，抽样频率为8000Hz ，因此每隔1/8000s (125us )送一个抽样值。把125us 称为一帧。一帧由32个时间间隔(路时隙)组成。将每个路时隙从0到31序编号，分别记作31210,,,,TS TS TS TS Λ，其中1TS 至15TS 和17TS 至31TS 这30路时隙用来传送30路电话信号。TS 0分配给帧同步，16TS 专用于传送控制信号。每路时隙包含8位码，占时3.9l us ，每位码占488ns ，一帧共含256个码元。帧同步码组0011011，它是每隔一帧插入0TS 的固定码组，接收端识别出帧同步码组后即可建立确定的路序。集中编码方式PCM30/32方框图如图2.12。

图2.10 30/32路PCM桢结构

图2.11 PCM30/32发端定时脉冲时间波形图

四、实验原理

实验电路由定时部分，编、译码部分，同步测试信号原部分，译码功效四大部分组成。方框原理图如图2.15，电路原理图如图2.16。

图2.15 PCM编译码实验原理图

五、实验仪器

实验箱 PCM编解码单路多路实验，华南理工大学电子与信息工程系 1套示波器 GOS-620 1台

数字频率计 HC-F1000C 1台

函数发生器 1台

数字毫伏表 DF1931 1台

直流稳压器 YB1711A 1台

学生自带小型FM收音机（备耳机插孔）

六、实验内容

准备工作：

1、按实验板上所标的电源电压开机，调准所需电压，然后关机；

2、把实验板电源连接线接好；示波器探头1：10，严禁1：1。

3.6

K接1、2 功放输出接假负载

4、开机注意观察电流表

正电流＋I<180mA

负电流－I<60mA

若与上述电流差距太大，要迅速关机，检查电源线有无接错或其它原因。

(一) 时钟部分

1. 用示波器A线接P1，测量晶振波形。B线接P2测量位定时波形应为对称方波。

2. 用频率计测量P1晶振频率和测量P2位定时频率应分别为4.096MHz和2.048MHz。

3. 用示波器A线接P3，B线接P12测量其波形均应为窄脉冲系列。用频率计测量P3、P12两点频率都应为8KHz, 3P、12

P是

P两点信号相位差别180o。3P是多路编码的取样脉冲，12

多路编码的信令时隙TS16。

(二) 同步测试信号源部分

开关K位置，K1接触3.4

1. 示波器接P6测量应为正弦波，用频率计测量其频率应为2KHz。P6信号是专门为实验设计的同步测试信号源。

2. 测P7波形、调整2

W,P7为连续可变的正弦波。然后用毫伏表测量P7的幅度，应调整到刚好为1000Mv(有效值)。

3. 示波器A 线接P3,B 线接P7, P3 4个取样脉冲(单路工作取样脉冲)。有两个对准P7正弦波峰顶。另两个对准正弦波信号过零点。如果不在此位置上，可调整1W 。一般由指导老师调整，建议学生不要调整1W 。并作好记录。

(三) PCM 单路编，译码实验 TCM2914

开关位置

K1接3、4，即选同步测试信号源2KHz

K2接3、4，送单路工作发送64KHz 时钟

K3接3、4 送单路编码有效时间KHz

T 81 K4接1、2 送解码器输入信号

K5接3、4 送单路工作接收时钟64KHz

K6接1、2 功放输出接假负载

1. 示波器A 线接P3,B 线接P9，示波器工作方式(MODE)开关置Chop(断续)位置。在3P 低电位期间，P9输出PCM 8位编码值。改变示波器扫描频率，使荧光屏可以显示到P3 5个取样周期。观察码位时，示波器同步信号必须以P3作触发。

仔细观察这5个取样值的编码码型。第一个和第5个取样点的码型是完全一样的。即完成了正弦波的一个周期。要注意的是，编码器2914P9输出的是ADI码，即偶位码“0”码变“1”码，“1”码变“0”码。记录下这5个取样点的码型。

a、观察第一位极性码，4个取样点中，有两个取样点第一位码为正，另两个取样点第一位码为负。

b、观察段落码。把P7信号减小至40mv左右。记录下4个取样点的编码值，并与a、的记录结果进行比较。大信号的段落码落在第7、8段。而小信号的段落码落在第1、2段。在2

W 作较大范围变化时，其段落码是不变的。

c、观察段内电平码。P7信号40 mv (有效值)。A线接P3, B线接P9，微调2

W，观察每

W作极其微小的变动其段内电平码也是个取样点第5、6、7、8码位变化。你会发现，只要2

不一样的。从这里看出PCM的编码精度是比较高的。记录9mv，l0mv(有效值)的编码值。

W，使P7信号在1000mv一40mv之间变化。观察9P输出的码d、动态观察编码输出。调整2

型变化（不记录）。

e、观察静态输出码型。

K1接1、2(即无信号输入时)，PCM编码本输出全0码，但9P输出变为1、0交替码。这是

根据国际电报委员会规定。编码器输出偶位翻转（ADI）以利于传输时钟提取，而P3比较码位有闪动的是哪一位信号。

P。此时解码器无信号输出。再把f、观察解码输出。P9输出1、0交替码时，把A线改接10

B线P9改接P7，P7此时无信号输入。

W，随着P7幅度增大，P10输出同步增长。P7幅度减小时，P10输然后，K1接3.4，调整2

出同步减小。并且输出波形较好。

W音量电位器，可看到放大了的P10信号，把g、观察功放输出。把B线改接P11，打开4

K6接3、4，喇叭会有2KHz音频信号。

2、试听译码还原信号

FM收音机接收电台信号用耳机连接线接FM收音机和实验板，K1接1.2，示波器A线接P7，W，使P7观察到音频信号，

调2

W开置最大，示波器B线接P11，K6接3、4，细观察试听还原的信号。

音量电位器4

(四) PCM多路编、译码实验

开关位置：

K1接1、2，送外非同步信号

K2接1、2，多路编码工作状态

TS信令时隙

K3接1、2，送16

K4接1、2，送解码入信号

K5接1、2，多路解码工作状态

K6接1、2，功放输出假负载

1. 观察静态时多路PCM编码输出波形

A线接P9, B线接P7，把示波器扫描频率转至较低时，A线有一系列负窄脉冲。

把B线改接P3，P3的周期和相位和P9都是同步的，P3就是取样脉冲8KHz，P9两个负窄脉冲间就是PCM基群的一帧时间。把示波器扫描频率转至较高的位置，你可以看到窄脉冲里面还有8位码元，这就是一帧的一个时隙。静态时为0、1交替码，其它时隙未用处于高阻状态。作记录。把B线改接P10，静态时P10无解码信号输出。注意，这里未加入同步时隙(请参考图2.12)。

七、实验报告

1. 整理实验记录，画出相应的曲线和波形，标时序相位关系。

2. PCM编译码系统由哪些部分构成?各部分的作用是什么?

3. 对PCM和M

系统的系统性能进行比较，总结它们各自的特点。

4. 在实际的通信系统中收端(译码)部分的定时信号是怎样获取的?

5. 对改进实验有什么建议?