脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng).

1、通信原理課程設(shè)計(jì)脈沖編碼調(diào)制（ PCM）系統(tǒng)摘要：脈沖編碼調(diào)制（ PulseCodeModulation ），簡(jiǎn)稱 PCM 。是數(shù)字信號(hào)是對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生。PCM 的優(yōu)點(diǎn)就是音質(zhì)好，缺點(diǎn)就是體積大。PCM 可以提供用戶從2M 到 155M 速率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)，也可以提供話音、圖象傳送、遠(yuǎn)程教學(xué)等其他業(yè)務(wù)。關(guān)鍵字：脈沖編碼調(diào)制、取樣、量化、編碼、解碼Abstract:Pulse Code Modulation (PulseCodeModulation), referred to as PCM. Digital signal is a continuous chan

2、ge in analog signal sampling, quantization and coding production. PCM sound quality is good advantages and disadvantages are bulky. PCM can provide users from 2M to 155M line speed of digital data services, can also provide voice, video transmission, remote learning, and other businesses.Keywords:Pu

3、lse code modulation, modulation, demodulation1通信原理課程設(shè)計(jì)目錄 41.151.251.371.4101.510 112.1TP306713 14 162通信原理課程設(shè)計(jì)一、工作原理：脈沖編碼調(diào)制是把模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)幕痉椒ㄖ?，它通過抽樣、量化和編碼，把一個(gè)時(shí)間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散、 取值離散的數(shù)字信號(hào)， 然后在信道中進(jìn)行傳輸。接收機(jī)將收到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)再生、譯碼、平滑后恢復(fù)出原始的模擬信號(hào)。 PCM系統(tǒng)的組成如下圖所示。低通濾波量化器取樣器器編碼器再生中繼器再生中繼器再 生 電恢復(fù)濾波器信宿解碼器路PCM 主要經(jīng)過 3 個(gè)

4、過程：抽樣、量化和編碼。抽樣過程將連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間、連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)，量化過程將抽樣信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào)，編碼過程將量化后的信號(hào)編碼成為一個(gè)二進(jìn)制碼組輸出。再經(jīng)解碼恢復(fù)并輸出。3通信原理課程設(shè)計(jì)1.1取樣：取樣就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。 該模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息， 也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。 它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。取樣如下圖所示取樣必須遵循奈奎斯特抽樣定理， 離散信號(hào)才可以完全代替連續(xù)信號(hào)。低通連續(xù)信號(hào)抽樣定理內(nèi)容： 一個(gè)頻帶限制在 赫內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào) ,若以 的間隔對(duì)它進(jìn)行

5、等間隔抽樣，則 將被所得到的抽樣值完全確定。1.2量化 ：把幅度連續(xù)變化的模擬量變成用有限位二進(jìn)制數(shù)字表示的數(shù)字量的過程稱為量化。量化誤差：量化后的信號(hào)和抽樣信號(hào)的差值。量化誤差在接4m ( t )通信原理課程設(shè)計(jì)收端表現(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。量化級(jí)數(shù)越多誤差越小，相應(yīng)的二進(jìn)制碼位數(shù)越多，要求傳輸速率越高，頻帶越寬。為使量化噪聲盡可能小而所需碼位數(shù)又不太多，通常采用非均勻量化的方法進(jìn)行量化。非均勻量化根據(jù)幅度的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔，幅度小的區(qū)間量化間隔取得小，幅度大的區(qū)間量化間隔取得大。模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點(diǎn)是： 無(wú)論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方

6、根值都固定不變。因此，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小， 這樣，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔v 也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)， 量化噪聲功率的均方根值基本上與信

7、號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過壓縮再5通信原理課程設(shè)計(jì)進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是壓縮律和 A 壓縮律。美國(guó)采用壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用A 壓縮律，因此， PCM 編碼方式采用的也是A 壓縮律。所謂 A 壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：yAx,0X1ln AA11ln Ax1X 1yln A,A1A 律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線， A 值不同壓擴(kuò)特性亦不同， 在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。 實(shí)際中，往往都采用近似于 A 律函數(shù)規(guī)

8、律的 13 折線（ A=87.6 ）的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)， 又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)編碼1.3編碼：編碼，就是用一組二進(jìn)制碼組來(lái)表示每一個(gè)有固定電平的量化值。為了用二元編碼的碼字表示量化樣值，可先把樣值換算成二進(jìn)制數(shù)，然后，按著二進(jìn)制數(shù)字的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成電波形，即二元編碼信號(hào)。常見的二進(jìn)制碼有：自然二進(jìn)制碼組（ NBC ）,折疊二進(jìn)制碼組（FBC ）和格雷二進(jìn)制碼組（RBC ）。三種常見二進(jìn)制碼組如下圖所示6通信原理課程設(shè)計(jì)量化值序號(hào)自然碼 折疊碼FBC 雷碼 RBCNBC151111111110001411101110100113110111011011121100

9、1100101011101110111110101010101011119100110011101810001000110070111000001006011000010101501010010011140100001101103001101000010200100101001110001011000010000001110000編碼過程中用逐次型編碼器進(jìn)行編碼，其原理圖如下圖所示：7通信原理課程設(shè)計(jì)D1極性判決或話音電流I 樣整流保持門PCM比較器I 權(quán)恒流源7/11記憶電路D2電阻網(wǎng)絡(luò)變換電路D8各功能電路原理說(shuō)明如下：比較器：是編碼器的核心部件。每比較一次產(chǎn)生一位碼元，它輸出的就是PCM

10、 碼字。為自動(dòng)產(chǎn)生所需的I 權(quán)，比較器的輸出還反饋到記憶電路。記憶電路：除第一次比較是固定的以外，其余各次比較都必須依據(jù)前次比較的結(jié)果來(lái)選取I 權(quán)的數(shù)值， 所以必須用記憶電路記存前幾位的狀態(tài)。恒流源及電阻網(wǎng)絡(luò)：它產(chǎn)生各種需要的I 權(quán)。7/11 位碼字變換器：它就是一個(gè)數(shù)字壓縮器。因?yàn)榉蔷鶆蛄炕?7 位非線性碼等效于 11 位線性碼，比較器只能編 7 位碼字，反饋后來(lái)的當(dāng)然也是 7 位碼字。而恒流源有 11 個(gè)基本的權(quán)值電流，需要 11 個(gè)控制脈沖來(lái)進(jìn)行控制， 所以必須把 7 位變成 11 位。實(shí)質(zhì)就是把 7 位非線性碼變成 11 位線性碼。8通信原理課程設(shè)計(jì)保持電路：因?yàn)檫@種編碼方法需要把I

11、 樣與 I 權(quán)比較 7 次，且在比較中 I 樣應(yīng)保持幅度不變。一般，樣值脈沖只有34 個(gè)碼元寬度，但要求它至少有7 個(gè)碼元寬度（比較7 次的時(shí)間）。辦法就是靠二次抽樣把波形展寬，故采用保持電路完成二次抽樣功能。1.4再生：PCM 信號(hào)在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)衰減和失真，因此在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)必須在一定的距離內(nèi)對(duì)PCM 信號(hào)波形進(jìn)行再生。1.5解碼：解碼是編碼的逆過程，即D/A 變換。它把接收來(lái)的信號(hào)變成量化的 PCM 信號(hào)，常用的電路方式為電阻網(wǎng)絡(luò)譯方式，如下圖所示：PCM極性控制記憶電路7/12 變換寄存恒流源電阻讀網(wǎng)絡(luò)PAM存入和讀出控制9通信原理課程設(shè)計(jì)記憶電路：它的作用是將輸入的PCM 串行碼變

12、成同時(shí)輸出的并行碼。所以是一個(gè)串/并變換電路。7/12 變換電路：它的作用是將7 位非線性碼變成12 位的線性碼。按壓擴(kuò)特性應(yīng)變?yōu)?1 位線性碼，但上于在譯碼器中比編碼器多用了一個(gè)“權(quán)電流” ，外加了半個(gè)量化級(jí)，所以可譯成12 線性碼，從而改善了信擾比。極性控制電路： 檢出極性碼元D1,以便使恢復(fù)出來(lái)的PCM 信號(hào)能夠極性還原。寄存讀出電路： 這是譯碼器所特有的。它將 12 位串行的線性碼變成并行碼。所以也是一個(gè)串/并變換電路。并行的12 位線性碼同時(shí)驅(qū)動(dòng)權(quán)值電流電路，就產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的譯碼輸出。由此可知，PCM 信號(hào)通過譯碼器要滯后一個(gè)字的時(shí)間才能輸出PAM 的量化樣值。恒流源及電阻網(wǎng)絡(luò)：它輸出的

13、電流值就是所恢復(fù)的信號(hào)量化樣值，并由12 位線性碼控制“恒流源及電阻網(wǎng)絡(luò)”的開關(guān)。二、芯片選擇：鑒于我國(guó)國(guó)內(nèi)采用的是A 律量化特性，因此本實(shí)驗(yàn)采用TP3067 專用大規(guī)模集成電路，它是CMOS工藝制造的單片 PCMA律編譯器，并且片內(nèi)帶輸入輸出話路濾波器。TP3067 的管腳、內(nèi)部組成框圖如下圖示10通信原理課程設(shè)計(jì)11通信原理課程設(shè)計(jì)2.1TP3067 的管腳定義：（ 1）VPO+ 收端功率放大器的同相輸出端。（ 2）GNDA模擬地。所有信號(hào)都以此管腳為參考。（ 3）VPO- 收端功放的反相輸出端。（ 4）VPI 收端功放的反相輸入端。（ 5）VFRO接收部分濾波器模擬輸出端。（ 6）VCC

14、 +5V 電壓輸入。（7）FSR 接收部分幀同步時(shí)隙信號(hào)，是一個(gè)8KHz 脈沖序列。（8）DR 接收部分 PCM 碼流解碼輸入端。12通信原理課程設(shè)計(jì)（9）BCLKR/CLKSEL位時(shí)鐘 (bitclock),它使 PCM 碼流隨著 FSr上升沿逐位移入 Dr 端, 位時(shí)鐘可以為從 64KHz 到2048MHz 的任意頻率?；蛘咦鳛橐粋€(gè)邏輯輸入選擇1536MHz、1544MHz 或2048MHz,用作同步模式的主時(shí)鐘。（ 10）MCLKR/PDN接收部分主時(shí)鐘 , 它的頻率必須為 1536MHz、1544MHz 或2048MHz?？梢院?MCKLx異步，但是同步工作時(shí)可達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng) MCL

15、Kx接低電平， MCLKR被選擇為內(nèi)部時(shí)鐘，當(dāng)MCLKx接高電平，該芯片進(jìn)入低功耗狀態(tài)。（ 11）MCLKx 發(fā)送部分主時(shí)鐘，必須為 1536MHz、1544MHz 或2048MHz?？梢院?MCLKR異步，但是同步工作時(shí)可達(dá)到最佳狀態(tài)。（ 12）BCLKx 發(fā)送部分時(shí)鐘，使 PCM 碼流逐位移入 DR 端?？梢詾閺?64KHz 到 2048MHz 的任意頻率，但必須和 MCLKx同步。（ 13）Dx 發(fā)送部分 PCM 碼流編碼輸出端。（ 14）FSx 發(fā)送部分幀同步時(shí)隙信號(hào)， 為一個(gè) 8KHz 的脈沖序列。（ 15）TSx 漏極開路輸出端，它在編碼時(shí)隙輸出低電平。（ 16）ANLB 模擬反饋

16、輸入端。在正常工作狀態(tài)下必須置成邏輯“0”。當(dāng)置成邏輯 “1”時(shí)，發(fā)送部分濾波器的輸入端并不與發(fā)送部分的前置濾波器相連，而是和接收部分功放的 VPO相連。（ 17）GSx 發(fā)送部分輸入放大器的模擬基礎(chǔ)， 用于在外部同軸增益。（ 18）VFxI- 發(fā)送部分輸入放大器的反相輸入端。（ 19）VFxI+ 發(fā)送部分輸入放大器的同相輸入端。13通信原理課程設(shè)計(jì)（ 20）VBB 接 -5V 電源。三、電路設(shè)計(jì)：發(fā)送通道接收通道PCM系統(tǒng)的完整電路14通信原理課程設(shè)計(jì)本電路采用大規(guī)模集成電路TP3067 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行PCM 編、解碼。 TP3067 在一個(gè)芯片內(nèi)部集成了編碼電路和譯碼電路，是一個(gè)單路編譯碼器。其編碼速率為2.048MHz ，每一幀數(shù)據(jù)為8 位，幀同步信號(hào)為8KHz 。模擬信號(hào)在編碼電路中，經(jīng)過抽樣、量化、編碼，最后得到PCM 編碼信號(hào)。在單路編譯碼器中，經(jīng)變換后的PCM 碼是在一個(gè)時(shí)隙中被發(fā)送出去的，在其他的時(shí)隙中編譯碼器是沒有輸出的，即對(duì)一個(gè)單路編譯碼器來(lái)說(shuō)，它在一個(gè)PCM 幀（32 個(gè)時(shí)隙） 里，只在一個(gè)特定的時(shí)隙中發(fā)送編碼信號(hào)。同