实验一  PCM编译码实验

一、实验目的

    1. 掌握PCM编译码原理。

    2. 掌握PCM基带信号的形成过程及分接过程。

    3. 掌握语音信号PCM编译码系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。

二、 实验仪器

1. 双踪示波器一台

2. 通信原理Ⅵ型实验箱一台

3. M3:PCM与ADPCM编译码模块和M6数字信号源模块

4. 麦克风和扬声器一套

三、基本原理

    1. 点到点PCM多路电话通信原理

    脉冲编码调制(PCM)技术与增量调制(ΔM)技术已经在数字通信系统中得到广泛应用。当信道噪声比较小时一般用PCM，否则一般用ΔM。目前速率在155MB以下的准同步数字系列(PDH)中，国际上存在A律和μ律两种PCM编译码标准系列，在155MB以上的同步数字系列(SDH)中，将这两个系列统一起来，在同一个等级上两个系列的码速率相同。而ΔM在国际上无统一标准，但它在通信环境比较恶劣时显示了巨大的优越性。

    点到点PCM多路电话通信原理可用图11-1表示。对于基带通信系统，广义信道包括传输媒质、收滤波器、发滤波器等。对于频带系统，广义信道包括传输媒质、调制器、解调器、发滤波器、收滤波器等。

图11-1  点到点PCM多路电话通信原理框图

    本实验模块可以传输两路话音信号。采用MC145503编译器，它包括了图11-1中的收、发低通滤波器及PCM编译码器。编码器输入信号可以是本实验系统内部产生的正弦信号，也可以是外部信号源的正弦信号或电话信号。本实验模块中不含电话机和混合电路，广义信道是理想的，即将复接器输出的PCM信号直接送给分接器。

    2. PCM编译码模块原理

    本模块的原理方框图及电路图如图11-2及图11-3所示。

图11-2  PCM编译码原理方框图

    该模块上有以下测试点和输入点：

    · BS                    PCM基群时钟信号(位同步信号)测试点

    · SL0                   PCM基群第0个时隙同步信号

    · SLA                   信号A的抽样信号及时隙同步信号测试点

· SLB                   信号B的抽样信号及时隙同步信号测试点

    · SRB                   信号B译码输出信号测试点

    · STA                   输入到编码器A的信号测试点

    · SRA                   信号A译码输出信号测试点

    · STB                   输入到编码器B的信号测试点

· PCM_OUT               PCM基群信号输出点

· PCM_IN                PCM基群信号输入点

    · PCM A OUT             信号A编码结果输出点（不经过复接器）

    · PCM B OUT             信号B编码结果输出点（不经过复接器）

    · PCM A IN              信号A编码结果输入点（不经过复接器）

    · PCM B IN              信号B编码结果输入点（不经过复接器）

本模块上有S2这个拨码开关，用来选择SLB信号为时隙同步信号SL1、SL3、SL5、SL6中的任一个。

图11-2各单元与图11-3中的元器件之间的对应关系如下：

    · 晶振                  X1：4.096MHZ晶振

· 分频器1/2             U1:74LS193；    U6：74HC4060

· 抽样信号产生器        U5：74HC73；U2：74HC164

· PCM编译码器A         U10：PCM编译码集成电路MC145503

    · PCM编译码器B         U11：PCM编译码集成电路MC145503

    · 帧同步信号产生器      U3：8位数据产生器74HC151；U4:A：与门7408

    · 复接器                U9：或门74LS32

    晶振、分频器1、分频器2及抽样信号（时隙同步信号）产生器构成一个定时器，为两个PCM编译码器提供2.048MHZ的时钟信号和8KHZ的时隙同步信号。在实际通信系统中，译码器的时钟信号(即位同步信号)及时隙同步信号(即帧同步信号)应从接收到的数据流中提取，方法如实验五及实验六所述。此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步信号直接送给译码器。

    由于时钟频率为2.048MHZ，抽样信号频率为8KHZ，故PCM-A及PCM-B的码速率都是2.048MB，一帧中有32个时隙，其中1个时隙为PCM编码数据，另外31个时隙都是空时隙。

    PCM信号码速率也是2.048MB，一帧中的32个时隙中有29个是空时隙，第0时隙为帧同步码(×1110010)时隙，第2时隙为信号A的时隙，第1(或第3、第5、或第6—由拨码开关S2控制)时隙为信号B的时隙。

    本实验产生的PCM信号类似于PCM基群信号，但第16个时隙没有信令信号，第0时隙中的信号与PCM基群的第0时隙的信号也不完全相同。

    由于两个PCM编译码器用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接(即不需要进行码速调整)。又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对PCM-A和PCM-B进行线或。本模块中用或门74LS32对PCM A、PCM B及帧同步信号进行复接。在译码之前，不需要对PCM进行分接处理，译码器的时隙同步信号实际上起到了对信号分路的作用。

    在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明PCM编译码器的性能。

    动态范围的定义是译码器输出信噪比大于25dB时允许编码器输入信号幅度的变化范围。PCM编译码器的动态范围应大于图11-6所示的CCITT建议框架（样板值）。

    当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。MC145503编译码系统不过载输入信号的最大幅度为5VP-P。

    由于采用对数压扩技术，PCM编译码系统可以改善小信号的量化信噪比，MC145503可采用A律13折线对信号进行压扩。当信号处于某一段落时，量化噪声不变(因在此段落内对信号进行均匀量化)，因此在同一段落内量化信噪比随信号幅度减小而下降。13折线压扩特性曲线将正负信号各分为8段，第1段信号最小，第8段信号最大。当信号处于第一、二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此当信号太小时，量化信噪比会小于25dB，这就是动态范围的下限。MC145503编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为0.025Vp-p。

图11-3  PCM编译码系统动态范围样板值

    常用1KHZ的正弦信号作为输入信号来测量PCM编译码器的动态范围。

    语音信号的抽样信号频率为8KHZ，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为3.4KHZ的低通滤波器处理后再进行A/D处理。语音信号的最低频率一般为300HZ。MC145503编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。这就是PCM编译码系统频率特性的含义。

四、实验步骤

1．实验连线

关闭系统电源，进行如下连接：

2. 熟悉PCM编译码模块，开关K1接通SL1(或SL3、SL5、SL6)，打开电源开关。

3．用示波器观察STA、STB，将其幅度调至2V。

    4. 用示波器观察PCM编码输出信号。

l  当采用非集群方式时：

n  测量A通道时：将示波器CH1接SLA（示滤波器扫描周期不超过SLA的周期，以便观察到一个完整的帧信号），CH2接PCM A OUT，观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。

n  测量B通道时：将示波器CH1接SLB，（示滤波器扫描周期不超过SLB的周期，以便观察到一个完整的帧信号），CH2接PCM B OUT，观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。

l  当采用集群方式时：将示波器CH1接SL0，（示滤波器扫描周期不超过SL0的周期，以便观察到一个完整的帧信号），CH2分别接SLA、PCM A OUT、SLB、PCM B OUT以及PCM_OUT，观察编码后的数据所处时隙位置与时隙同步信号的关系以及PCM信号的帧结构（注意：本实验的帧结构中有29个时隙是空时隙，SL0、SLA及SLB的脉冲宽度等于一个时隙宽度）。开关S2分别接通SL1、SL2、SL3、SL4，观察PCM基群帧结构的变化情况。

 5. 用示波器观察PCM译码输出信号

示波器的CH1接STA，CH2接SRA，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。

示波器的CH1接STB，CH2接SRB，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。

 6. 用示波器定性观察PCM编译码器的动态范围。

    将低失真低频信号发生器输出的1KHZ正弦信号从STA-IN输入到MC145503编码器。示波器的CH1接STA（编码输入），CH2接SRA（译码输出）。将信号幅度分别调至大于5VP-P、等于5VP-P，观察过载和满载时的译码输出波形。再将信号幅度分别衰减10dB、20dB、30dB、40dB、45dB、50dB，观察译码输出波形(当衰减45dB以上时，译码输出信号波形上叠加有较明显的噪声)。

    7. 定量测试PCM编译码器的动态范围和频率特性。

    图11-7为动态范围测试方框图。音频信号发生器(最好用低失真低频信号发生器)输出1KHZ正弦信号，将幅度调为5Vp-p（设为0dB），测试S/N，再将信号幅度分别降低10dB、20dB、30dB、45dB、50dB，测试各种信号幅度下的S/N，将测试数据填入表11-1。

图11-7  动态范围测量框图

表11-1

频率特性测试框图如图11-8所示。将输入信号电压调至2Vp-p左右，改变信号频率，测量译码输出信号幅度，将测试结果填入表11-2。

图11-8  频率特性测试框图

表11-2

8. 两人通话实验

本模块提供了两个人通话的信道。由于麦克风输出的信号幅度比较小，需放大到2Vp-p左右再由STA和STB输入到两个编码器。译码器输出信号由SRA和SRB输出，其幅度较大(与STA-IN、STB-IN相同)，需衰减到适当值后再送给扬声器。

在话筒输入放大电路中，可以通过调整可调电阻R18来改变输出增益。

在语音输出放大电路中，可以通过调整可调电阻R12和R22来改变输出音量。

在实验时，只需将话筒输出信号从MIC_OUT端口连接到STA（或STB），再将译码后的语音信号从SRA（或SRB）连接到MIC_IN即可，但需将STA或STB端口的的原有连线去除。

五、实验报告要求及思考题

    1. 整理实验记录，画出量化信噪比与编码器输入信号幅度之间的关系曲线以及译码输出信号幅度与编码输入信号频率之间的关系曲线。

    2. 设PCM通信系统传输两路话音，每帧三个时隙，每路话音各占一个时隙，另一个时隙为帧同步时隙，使用MC145503编译码器。求：

    (1) 编码器的抽样信号频率及时钟信号频率，以及两个抽样信号之间的相位关系。

    (2) 时分复用信号码速率、帧结构。

    (3) 采用PCM基带传输，线路码为HDB3码，设计此通信系统的详细方框图以及PCM编译码电路。

    (4) 采用PCM/2DPSK频带传输，设计此通信系统的详细方框图。