实验四 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。 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

Is0时,a1\"1\"码，

Is0时,a1\"0\"码 。幅度码的位数是7位，需要2121127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) Is444，按A律13折线编8位码。 第一次比较：

Is4440 ，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。

Ik2128，是第1－4量化段和第5－8量化段的对分点

Is444Ik2128,a2\"1\" (信号在第5－8段) 第三次比较：

a20，前一次比较结果a21，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。

a21表示信号在第5－8段，而Ik3512正好是第5－6段和第7－8段的对分点。

Is444Ik3512,a3\"0\" (信号在第5－6段)， 第四次比较：

a30 表示信号在第5－6段，Ik1256正好是第5段和第6段的对分点

Is444Ik4256,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Is6256,616。

段内码的判定值的提供，可用下列表示 IR5IBi8ia5IR6IBi(8i)a54ia6IR7IBi(8i)a5(4i)a62ia7IR8IBi(8i)a5(4i)a6(2i)a7ia8 (2.27)

第五次比较：

IR5IB686256128384Is444IR5384,a5\"1\"第六次比较：按式(2.27)，

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IR6IB686a546256128448Is444IR6448,a6\"0\"

第七次比较：

IR7IB686a546a62625612832416Is444IR7416,a7\"1\"

第八次比较：

IR8IB686a546a626a762561283216432Is444IR8432,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Is444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5Vpp，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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