PCM编、解码实验

一、实验目的

1． 了解PCM编译码原理；
2． 掌握PCM光纤传输过程。

二、实验设备

1． THKGT-2型 多媒体光纤通信传输实验仪一台；
2． 20MHz示波器一台；
3． 一号导线两根。

三、实验原理

1． PCM基本工作原理
PCM基群作为数字微波通信和光纤通信系统的终端设备，在目前通信系统中占有很重要地位。本实验主要学习PCM30/32路基群系统的PCM编译码器、并对PCM编译码器进行自环测试，加深对PCM终端设备的了解。
脉冲编码调制通信就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中进行传输。而脉冲编码调制就是对模拟信号先进行抽样后，再对样值的幅度进行量化、编码的过程。
所谓抽样，就是利用抽样脉冲对模拟信号进行周期性扫描，从而把时间上连续的信号变成变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真地恢复原模拟信号。它的抽样速率下限是由抽样定理确定的。在该实验中，抽样速率采用8Kbit/s。模拟信号抽样示意图如图4-1所示。
 
图4-1  模拟信号抽样示意图
所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。一个模拟信号，经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。所谓编码，就是用一组二进制码来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。在幅度与时间上连续变化的模拟信号经抽样后，虽然在时间轴上变为离散量，但在幅度上每一采样仍为连续量，为了使每一采样用数字代码表示，就必须将幅度用有限个电平来表示，实现这个过程称作幅度量化。由此可见，脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式。
PCM的原理如图4-2所示。话音信号先经防混迭低通滤波器，得到限带信号（300~ 3400Hz），进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。对于电话CCITT规定抽样率为8KHz，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s。为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大，如图4-3所示。
 
图4-2  PCM的原理框图
 
图4-3  A律与u律的压缩特性
在实际中广泛使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和μ律。对压缩器而言，其输入输出归一化特性表示式为：

式中A、μ为压缩系数，CCITT规定它们取值是A=87.6与μ=255。A律PCM主要用于欧洲，μ律主要用于北美和日本，我国采用欧洲体制。它们的编码规律如图4-4所示。
 
图4-4  PCM编码方式
图中给出了信号抽样编码字与输入电压的关系，其中编码方式（1）为符号/幅度数据格式，Bit7表示符号位，Bit6~0表示幅度大小；（2）为A律压缩数据格式，它是（1）的ADI（偶位反相）码；（3）为μ律压缩数据格式，它是由（1）的Bit6~0反相而得到，通常为避免00000000码出现，将其变成零抑制码00000010。
2． 本实验系统编译码器简介
（1）在本实验系统的PCM编译码器为美国国家半导体公司的TP3067。图4-5是它的管脚排列图，内部框图如图4-6所示。
 
图4-5   TP3067管脚排列图
 
图4-6   TP3067逻辑方框图
（2）引脚功能说明

符　号	功       能
VP0+	接收功率放大器的同相输出
GNDA	模拟地，所有信号均以该引脚为参考点
VP0-	接收功率放大器的反相输出
VPI	接收功率放大器的反向输入
VFRO	接收滤波器的模拟输出
VCC	正电源引脚，VCC=+5V±5%
FSR	接收帧同步脉冲以允许BCLKR移PCM数据进入DR，FSR脉冲速率为 8kHz，有关定时细节见图25-5和图25-6。
DR	接收帧数据输入，PCM数据随着FSR前沿移入DR
BCLKR/ CLKSESL	位时钟端。在FSR上升沿后移数据进入DR。位时钟可以从64KHz变化到 2.048MHz，另外，逻辑输入选择1.536MHz/1.544MHz或2.048MHz作主时 钟同步方式。（见表25—1）
MCLKR/PDN	接收主时钟，必须是1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，可以不与MCLKX 同步，但为了获得性能必须与MCLKx同步。
MCLKX	发送主时钟。必须是1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz，可以不与MCLKR 同步，但同步操作性能更好。
BCLKX	位时钟端。BCLKX用于从DX端移出PCM数据，可以从64KHz到 2.048MHz，但必须与MCLKX同步。
DX	三态PCM数据输出端。
FSX	发送帧同步脉冲输入端。FSX允许BCLKX将PCM数据从DX端移出。FSX工作频率8KHz。定时细节见图25-5和图25-6。
TSX	开漏输出端，在编码时隙时TSX为低电平。
ANLB	模拟环路控制输入端。正常操作时为逻辑低电平，当当处于高电平时，发送滤波器输入从发送前置滤波器断开并与接收功率放大器输出VP0+相连。
GSX	发送输入放大器模拟输出端。用以外部设定增益。
VFxI-	发送输入放大器反相输入。
VFxI+	发送输入放大器同相输入。
VBB	负电源引脚，VBB=-5V±5%。

（3）功能说明
1）上电
当开始上电瞬间，加电复位电路启动COMBO并使它处于掉电状态。所有非主要电路都失效而DX、VFR0、VP0-和VP0+均处于高阻抗状态。为了使器件上电，一个逻辑低电平或时钟脉冲必须作用在MCLKR/PDN引脚上，并且FSX和（或）FSR脉冲必须存在，于是有两种掉电控制模式可以利用。在种中MCLKR/PDN引脚电位被拉高。在另一种模式中使FSX和FSR二者的输入均连续保持低电平，在最后一个FSR或FSX脉冲之后相隔2ms左右，器件将进入掉电状态。一旦个FSX或FSR脉冲出现，上电就会发生，三态数据输出将停留在高阻抗状态中，直到第二个FSX脉冲出现为止。
2）同步工作
在同步工作中，对于发送和接收两个方向，应当用相同的主时钟和位时钟。在这一模式中，MCLKX上必须有时钟信号在起作用，而MCLKR/PDN引脚则起了掉电控制作用。MCLKR/PDN上的低电平使器件上电，而高电平则使器件掉电。这两种情况中，不论发送或接收方向，MCLKX都用作为主时钟输入。位时钟也必须作用在MCLKX上；对于频率为1.536MHz，1.544MHz 或2.048MHz的主时钟，BCLKR/CLKXEL可用来选择合适的内部分频器，在1.544MHz工作状态下，本器件可自动补偿每帧内的第193个时钟脉冲。
当BCLKR/CLKSEL引脚上的电平固定时，BCLKX将被选为发送和接收方向兼用的位时钟。表4-1说明可选取用的工作频率，其值视BCLKR/CLKSEL的状态而定。在同步模式中，位时钟BCLKX可从64KHz变至2.048MHz，但必须与MCLKX同步。
表4-1   主时钟频率的选择：

BCLK/CLKSEL	被选主时钟频率
	TP3067
时钟	2.048MHz
0	1.536MHz或1.544MHz
1	2.048MHz

每一个FSX脉冲标志着编码周期的开始，而在BCLKX的正沿上，从前一个编码周期来的PCM数据从已启动的DX输出中移出。在8个时钟周期后，三态DX输出恢复到高阻抗状态。随着FSR脉冲来临，依赖BCLKX（或在运行中的BCLKR）负沿上的DR输入，PCM数据被锁住，FSX和FSR必须与MCLKX/R同步。
3）异步工作
在异步状态中，发送和接收时钟必须独立设置，MCLK和BCLK必须为2.048MHz，只要把静态逻辑电平加到MCLKX/PDN引脚上，就能实现这一点。FSX启动每个编码周期必须与MCLKX和BCLKX保持同步。FSR启动的每一个译码周期必须与BCLKR同步。BCLKR必须为时钟信号，列于表3-1中的逻辑电平对于异步模式是不成立的。BCLKX和BCLKR的工作频率可从64kHz变到2.048MHz。
4）短帧同步工作
COMBO既可用短帧，也可用长帧同步脉冲，在供电开始时，器件采用短帧模式。在这种模式中，FSX和FSR这两个帧同步脉冲的长度均为一个位时钟周期，其定时关系如图47所示。在BCLKX的
下降边沿当FSX为高时，BCLKX的下一个上升边沿可启动输出符号位的三态输出DX的缓冲器，紧随其后的7个上升边沿以时钟送出剩余的7个位，而下一个下降边沿则将锁住符号位，跟随的7个下降边沿锁住剩余的7个保留位。
 
 
图4-7   短帧同步定时
5）长帧同步工作
为了应用长帧模式，FSX和FSR这两个帧同步脉冲的长度等于或大于位时钟周期的三倍，其定时关系如图4-8所示。在64KHz工作状态中，帧同步脉冲至少要在160ns内保持低电位。随着FSX或BCLKX的上升边沿（无论哪一个后到），DX三态输出缓冲器就被启动，于是被时钟移出的个比特为符号位，以后来到的BCLKX的7个上升边沿以时钟移出剩余的7位码。随着第8个上升边沿或FSX变低（无论哪一个后发生），DX输出由BCLKX的下降沿来阻塞。在以后8个BCLKR的下降边沿（BCLKR在同步模式），接收帧同步脉冲FSR的上升边沿将锁住DR的PCM数据。
 
图4-8  长帧同步定时
6）发送部件
发送部件的输入端是一个运算放大器，并配有两个调整增益的外接电阻。在低噪声和宽频带条件下，整个音频通带内的增益可达20dB以上。该运算放大器驱动一个增益为1的滤波器（由RC有源前置滤波器组成），后面跟随一个时钟频率为256KHz的8阶开关电容带通滤波器。该滤波器的输出直接驱动编码器的抽样保持电路。内有一个精密电压基准，以便提供额定峰值为2.5V的输入过载（tmax）。FSX帧同步脉冲控制滤波器输出的抽样，然后逐次逼近的编码周期就开始。8位码装入缓冲器内，并在下一个FSX脉冲下通过DX移出。整个编码时延近似等于165μs加上125μs（由于编码时延），其和为290μs。
7）接收部件
接收部件包括一个扩展DAC（数模转换器），而它又驱动一个时钟频率为256KHz的5阶开关电容低通滤波器。译码器是依照A律（TP3067）设计的，而5阶低通滤波器校正8KHz抽样——保持电路所引起的sinx/x衰减。在滤波器后跟随一个其输出在VFR0上的2阶RC低通后置滤波器。接收部件的增益为1，但利用功率放大器可加大增益。当FSR出现时在后续的8个BCLKR（BCLKX）的下降边沿，DR输入端上的数据将被时钟控制。在译码器时隙的终端，译码循环就开始，10μs左右（译码器更新时间），加上110μs（滤波器时延）与62.5μs（半帧），其和近似地等于180μs。
8）接收功率放大器
两个反相模式功率放大器用来直接驱动一个匹配的线路接口电路。
编译码器的功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行μ律变换，它的数据既可以固定速率传送，也可以可变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态等，到底使用它的什么功能可由用户通过控制来选择。
在本实验中我们选择它进行A律变换，以2.048Mbit来传送信息，信息帧为无信令帧，它的发送时序与接收时序直接受FSX和FSR控制。
还有一点，编译码器一般都有一个PDN低功耗控制端，PDN=1时，编译码能正常工作，PDN=0时，编译码器处于低功耗状态，这时编译码器其它功能都不起作用，我们在设计时，可以实现对编译码器的低功耗控制。用户摘机，编译码器工作，用户挂机，编译码器低功耗。
3． 时序发生、PCM编译码模块原理
本模块的原理方框图如图4-9所示。
该模块上有以下测试点和输入点：
TP2048   PCM基群时钟信号(位同步信号)测试点
TP8K    接收、发送帧同步脉冲测试点
A_IN      输入到编译码器U51编码信号测试点
A_OUT    编译码器U51译码输出信号测试点
TXD      信号的PCM编码输出/测试点
RXD     信号的PCM译码输入/测试点
 
 
图4-9  PCM编译码原理方框图
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，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。

四、实验内容与步骤

1． 实验箱上电；
2． 模拟信号发生模块的K41拨到SIN，用示波器CH1通道测量的正弦波输出端SIN_TRAN波形，调节幅度调节电位器W47和频率调节电位器W41，调节输出正弦波为1Vp-p，1KHz。
3． 连接SIN_TRAN和PCM编译码模块的A_IN，连接TXD和RXD。
4． 用示波器观察PCM编码输出信号。
示波器的CH1接A_IN1， CH2接TXD，观察编码后的数据。
5． 用示波器观察PCM译码输出信号。
示波器的CH1接A_IN1，CH2接A_OUT1，观察这两个信号波形，调节正弦波频率变化，观察两个波形。
6． 实验完毕，关闭所有电源，拆除所有实验连接线，整理实验箱。

五、实验数据

1． 阐述PCM编译码的过程和工作原理。
2． 整理测量得到的各种数据和观察到的波形。