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。 二、实验内容 1. 信号源实验
1) 取样脉冲、定时时钟实验 2) 同步测试信号源实验 2. PCM单路编码实验
1) 极性码编码实验 2) 段内电平码编码实验 3) 段落码编码实验 3. PCM单路编、译码实验 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1.1所示。模拟信号经滤波后频带受到了。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kbit/s。因此实用的PCM编译码器都是非线性的。
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1.2和图1.3所示。图1.2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。
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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,各段量化间隔由于采用非线性编码,码组中每位电平码的权重是变化的。1=2=1,3=2,8=。以上编码规律可用表1.1、表1.2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。
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1.4是逐次反馈编码方框图。
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图1.4 逐次反馈比较编码方框图
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
Is0时,a1\"1\"码,
Is0时,a1\"0\"码 。幅度码的位数是7位,需要2121127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 、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
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17第7段 512、4、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 、、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 、
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) Is444,按A律13折线编8位码。 第一次比较:
Is4440 ,说明信号为正, a1(极性码)\"1\"
第二次比较:样值取绝对值Is,因为信号的极性已由a1确定,判定值Ik2表示编出a2码的判定值。
Ik2128,是第1-4量化段和第5-8量化段的对分点
Is444Ik2128,a2\"1\" (信号在第5-8段) 第三次比较:
a20,前一次比较结果a21,表示判定值小了,这次比较时,应使判定值增加。反之,
要减小判定值。
a21表示信号在第5-8段,而Ik3512正好是第5-6段和第7-8段的对分点。
Is444Ik3512,a3\"0\" (信号在第5-6段), 第四次比较:
a30 表示信号在第5-6段,Ik1256正好是第5段和第6段的对分点
Is444Ik4256,a4\"1\" (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Is6256,616。
段内码的判定值的提供,可用下列表示 IR5IBi8ia5IR6IBi(8i)a54ia6IR7IBi(8i)a5(4i)a62ia7IR8IBi(8i)a5(4i)a6(2i)a7ia8 (2.27)
第五次比较:
IR5IB686256128384Is444IR5384,a5\"1\"第六次比较:按式(2.27),
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IR6IB686a546256128448Is444IR6448,a6\"0\"
第七次比较:
IR7IB686a546a62625612832416Is444IR7416,a7\"1\"
第八次比较:
IR8IB686a546a626a762561283216432Is444IR8432,a8\"1\"
结果编码码字为{11011011}
编码又称逐次渐近型编码。图1.5是以Is444为例画出逐次反馈编码的时间波形图。
四、实验原理
实验电路由定时部分,编、译码部分,同步测试信号源部分,译码功放四大部分组成。方框原理图如图1.15。
图1.15 PCM编译码实验原理图
五、实验仪器
实验箱 PCM编解码单路实验 双踪同步示波器 1台 数字频率计 1台 低频信号发生器 1台 毫伏表 1台 直流稳压电源 1台
学生自带小型FM收音机(备耳机插孔) 六、实验内容
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准备工作:(注意要严格按照实验步骤接通电源)
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。 【实验前请认真阅读八:学生常犯的测量错误】 (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。(记录测量点P1和P2的频率) (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。P6信号是专门为实验设计的同步测试信号源。请注意P7的幅度其峰―峰值应小于5Vpp,否则幅度太大有可能损坏IC2914。(记录测量点P6的频率)
2. 测P7波形、调整W2, 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, P34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W1。一般由指导老师调整,建议学生不要调整W1。(画出测量点P3和P7的波形)
(三) PCM单路编,译码实验 开关位置
K1接3、4,即选同步测试信号源2KHz K3接2、3 送单路编码工作状态
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P3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P35
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P9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。把A线改接P7与B线P9比较,并且把2914片内开关电容滤波时延和反相也考虑进去。你会发现信号正半周时第一位码本应编为“1”码,而实际编为“0”码。信号负半周时,第一位码本应编为“0”码,而实际编为“1”码。这是由于开关电容滤波后,实际的取样信号与P7反相的缘故。(记录测量点P9输出的码)
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、
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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W2作较大范围变化时,其段落码是不变的。(记录测量点P9输出的码)
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W2,观察每个取样点第5、6、7、8码位变化。你会发现,只要W2作极其微小的变动其段内电平码也是不一样的。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。(记录测量点P9输出的码)
d、动态观察编码输出。调整W2,使P7信号在1000mv一40mv之间变化。观察P9输出的码型变化。
e、观察静态输出码型。
K1接1、2(即无信号输入时),PCM编码本应输出全0码,但P9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,与P3比较码位有闪动的是哪一位信号。(回答哪一位码在闪动)
f、观察解码输出。P9输出1、0交替码时,把A线改接P10。此时解码器无信号输出。再把B线P9改接P7,P7此时无信号输入。然后,K1接3.4,调整W2,随着P7幅度增大,(仅观测,不P10输出同步增长。P7幅度减小时,P10输出同步减小。并且输出波形较好。做记录)
g、观察功放输出。把B线改接P11,打开W4音量电位器,可看到放大了的P10信号,把K6接3、4,喇叭会有2KHz音频信号。(仅观测,不做记录)
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,调W2,使P7观察到音频信号,音量电位器W4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。(仅观测,不作记录)
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。 八、学生常犯的测量错误 1. 学生只地测量、画出某点波形。没有标出PCM严格的时序关系。并且使用ALT测量挡。
正确测量方法,示波器选Chop挡,标出输入输出及各测量点严格时序关系。
2. 测量时钟、编码信号、抽样脉冲时,把示波器Y衰减置mv档测量,观察到的是感应高频信号,并非真实信号波形。正确测量方法是示波器Y衰减置0.2V档,探头置×10档,即每格为2VP-P进行测量。
3. 预防2914芯片烧坏的注意事项:
① 看清仪器地线夹子,一般黑色为地线,红色为信号测量线。千万不能把地线夹子夹在测量点上,否则会造成短路,烧坏IC芯片。
② 改换测量点时,要把仪器地线夹子拿好,并抬高,远离实验面板,千万不能让地线夹子在实验板上拖走,否则会造成短路,烧坏IC芯片。
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③ 测量频率时,测完频率要尽快把夹子拿开,以防由于时间过长,IC芯片负载加重发热损坏。
④ 示波器探头应置×10档,否则示波器输入阻抗降低,IC芯片负载加重,亦会把芯片烧坏。严禁×1挡测量。
⑤精密电位器W1当调整听到“嗒嗒”响声时已经到了尽头,要进行反方向调节。
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