數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)七

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉該系統(tǒng)的時鐘信號與各種定時信號的產(chǎn)生方法。2、理解自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）的工作原理。3、了解大規(guī)模集成電路MC145540的電路組成及工作原理。4、了解單片機(jī)在通信中的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求1、復(fù)習(xí)脈沖編碼調(diào)制（PCM）實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。2、預(yù)習(xí)有關(guān)MCS－51單片計算機(jī)的原理及應(yīng)用。3、預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)原理和步驟。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!

三、實(shí)驗(yàn)原理

（一）系統(tǒng)電路組成系統(tǒng)電路和總方框圖如圖7－1所示。圖7－1數(shù)字信號通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!（二）系統(tǒng)時鐘信號與信號產(chǎn)生電路在實(shí)驗(yàn)電路或其它電路中，時鐘信號是非常重要的，產(chǎn)生出來的時鐘的好壞，將直接影響著整體電路質(zhì)量，時鐘的不穩(wěn)、抖動或產(chǎn)生互相干擾，時鐘信號的時序關(guān)系不嚴(yán)密，出現(xiàn)誤差等等，對通信電路產(chǎn)生不同程度的影響。因此，對時鐘信號或者是其它定時信號，必須要有嚴(yán)格的要求，如相位關(guān)系，脈沖占空比定時脈寬。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!2、系統(tǒng)電路分析(1)2048KHz時鐘信號產(chǎn)生電路電路如圖7－4所示。圖7－42048KHz時鐘信號產(chǎn)生電路數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!（2）時鐘分頻及定時變換電路

圖7－6時鐘分頻及定時變換電路數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!圖7－7分頻電路及定時變換電路波形圖

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!圖7－9發(fā)送定時信號波形圖數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!從圖中可知,同發(fā)送定時信號類同,產(chǎn)生定時信號的方法也相同,故波形略。需要指出的是，U213:A、B（74LS04）、U203:B(74LS74)的作用是對接收到的數(shù)字基帶信號進(jìn)行整形輸出。U213:D、E（74LS04）、U210:A（74LS08）、U208:D、E（74LS08）的作用是用接收使能信號（由軟件產(chǎn)生）對接收時鐘1024KHz的選通進(jìn)行輸出。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!（三）自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）系統(tǒng)電路1、ADPCM基本原理目前，脈沖編碼調(diào)制（PCM）的數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)在大容量數(shù)字微波、光纖通信系統(tǒng)，以及市話網(wǎng)局間中繼傳輸系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)有的PCM編碼必須采用64Kbit/s的A律或μ律對數(shù)壓擴(kuò)的方法，才能符合長途電話傳輸語音的質(zhì)量指標(biāo)，其占用頻帶要比模擬單邊帶通信系統(tǒng)寬很多倍。這樣，對于費(fèi)用昂貴的長途大容量傳輸，尤其是對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用PCM數(shù)字通信方式時的經(jīng)濟(jì)性很難和模擬相比擬。因此，人們一直致力于研究壓縮數(shù)字化語音占用頻帶的工作，也就是努力在相同質(zhì)量指標(biāo)的條件下，降低數(shù)字化語音數(shù)碼率，以提高數(shù)字通信系統(tǒng)的頻帶利用率。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!當(dāng)以高于奈奎斯特速率對話音或視頻信號抽樣時，在前后樣值間可以看到有明顯的相關(guān)性，將這些相關(guān)樣值按通常PCM系統(tǒng)的方式加以編碼時會使得編碼信號含有多余信息。如在編碼前將這種多余信息去掉，則可得到效率較高的編碼信號。為此，可先利用信號X（nts）的相關(guān)性對未來樣值進(jìn)行線性預(yù)測，預(yù)測器通常為抽頭延時濾波器（即FIR濾波器）如圖7－12所示。圖7－12線性預(yù)測器的構(gòu)成數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!2、ADPCM專用芯片MC14LC5540介紹圖7－13MC145540ADPCM編譯碼內(nèi)部電路框圖

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!MC145540ADPCM芯片特性單一供電方式：2.7--5.25V低功耗：5V時150mW功耗下降0.3mW3V時65mW功耗下降0.2mW低噪聲；有差分模擬電路。μ律/A律壓擴(kuò)PCM編譯碼/濾波器電路。三種速率選擇（32、24、16Kbit/s）四種算法ADPCMCODEC完全滿足G721、723、726和G714的PCM性能。通用可編程雙音頻發(fā)生器?？删幊贪l(fā)送增益調(diào)整，接收增益調(diào)整與側(cè)音增益調(diào)整。可提供話筒接口的低噪聲、高增益的三端輸入運(yùn)算放大器電路?？芍苯优c揚(yáng)聲器接口、推挽300Ω負(fù)載負(fù)抗相匹配?？商峁┱疋徑涌诘耐仆?00Ω的驅(qū)動電路?？商峁┑凸姆绞剑?V電源送入數(shù)字信號處理電路。5V電源送入模擬信號處理電路。在接收端具有噪聲突發(fā)檢測算法。有串行控制口和監(jiān)控內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)微計算機(jī)控制。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!圖7－16ADPCM信號串行口時序波形圖數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!②ADPCM編譯碼系統(tǒng)電路數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!

ADPCM數(shù)據(jù)信號從第25引腳（DR端）進(jìn)入，串行輸入至接收串行移位寄存器電路中，經(jīng)過ADPCM譯碼器進(jìn)行譯碼，輸出PCM數(shù)據(jù)碼，再經(jīng)過接收增益調(diào)整電路后送入PCM譯碼電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC等電路輸出模擬信號經(jīng)過放大濾波，最后從芯片內(nèi)電子開關(guān)K4輸出，運(yùn)放3、4、5、6四個運(yùn)放電路，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行連接。在本實(shí)驗(yàn)電路中，運(yùn)放連接方法見圖7-19所示。最后從第5引腳（RO端）輸出模擬信號。特別強(qiáng)調(diào)的是，該芯片的工作是由外部CPU對其內(nèi)部16個字節(jié)的RAM進(jìn)行編程，由程序進(jìn)行控制。本實(shí)驗(yàn)使用89C51單片機(jī)對其進(jìn)行控制與管理使該芯片能可靠穩(wěn)定地工作。本次實(shí)驗(yàn)選用收、發(fā)同步信號為8KHZ窄脈沖信號。ADPCM發(fā)送電路的編碼時鐘為256KHZ方波信號，ADPCM接收電路的譯碼時鐘也為256KHZ。編、譯碼的速率有32Kbit/s、24Kbit/s、16Kbit/s等三種方法。這三種方法都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而在16Kbit/s編碼時，語音質(zhì)量還沒有下降，還能達(dá)到高質(zhì)量通信系統(tǒng)的要求，它和其他語音編碼方法（如子帶編碼等）組合起來，達(dá)到較高的質(zhì)量。還應(yīng)該指出，對圖象信號也可進(jìn)行ADPCM編碼，以獲得高質(zhì)量的數(shù)字化圖象信號。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!四、實(shí)驗(yàn)儀器

雙蹤同步示波器≥40MHz1臺直流穩(wěn)壓電源+5V-5V+12V1臺低頻信號發(fā)生器輸出頻率范圍滿足50Hz-8KHz1臺

輸出電壓范圍滿足0--5V（峰峰值）數(shù)字信號基帶傳輸實(shí)驗(yàn)箱1臺數(shù)字頻率計測量頻率范圍50Hz—10MHz1臺萬用表1臺數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!3、示波器檢查TP109、TP110、TP111在加電瞬間是否有波形。4、如3正常，將音頻信號發(fā)生器的某一頻率（1KHZ）信號從插座M101送入，觀察TP105、TP106、TP107、TP108的波形，分析ADPCM編譯碼原理，記錄波形，注意相位關(guān)系。同時觀察TP103、TP104、TP115、TP116的波形，注意相位關(guān)系。5、觀察TP104波形、標(biāo)明TP101—TP116各測量點(diǎn)波形的功用。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!1、時鐘信號系統(tǒng)電路組成圖7－2時鐘信號系統(tǒng)電路原理框圖數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!

電路由倒相器U214:A、B（74LS04）二分頻器U211:B（74LS74）等電路組成。電路加電工作后，在測試點(diǎn)TP210處可側(cè)出2048KHz方波信號，再經(jīng)二分頻即為1024KHz方波時鐘信號，分別作為收、發(fā)電路的突收、突發(fā)工作時鐘信號，波形如圖7－5所示。圖7－5突收、突發(fā)工作時鐘信號

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!發(fā)送1024KHz方波信號進(jìn)入倒相器U206:A（74LS04）的輸入端（第1引腳）后，再經(jīng)過U206:F（74LS04）輸出到級分頻電路U201（74LS161）中，逐級分頻，得到256KHz的時鐘信號，在測試點(diǎn)TP211處可測出波形。將U201（74LS161）的第15引腳輸出的64KHz窄脈沖信號送至第二級分頻電路U202（74LS161）的第7與10引腳，作選通信號。由于只有在64KHz的窄脈沖期間，分頻電路才能有輸出。因此U202的輸出經(jīng)過逐次分頻后，通過U203:A（74LS74）與U204:A（74LS161）U212（74LS04），在U203:A的Q端輸出8KHz作為發(fā)送分幀同步信號，端輸出反相8KHz作為接收分幀同步信號。U208:A（74LS08）的輸出8KHz信號作為軟定時信號的計數(shù)信號，輸送至CPUU215（89C51）的定時器T0、T1。U210:B（74LS04）是8KHz窄脈沖對256KHz方波進(jìn)行選通輸出。U206:B、C、E（74LS04）作延時用，對256KHz方波信號進(jìn)行延時，克服邏輯競爭現(xiàn)象。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!（3）發(fā)送定時信號產(chǎn)生電路圖7－8發(fā)送定時信號產(chǎn)生電路數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!（4）接收定時信號產(chǎn)生電路

圖7－10接收定時信號產(chǎn)生電路

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!（5）軟件使能信號產(chǎn)生電路圖7－11軟件使能信號電路圖從圖中可見，軟件使能信號產(chǎn)生電路是由89C51CPU構(gòu)成的。在這里，我們編寫程序要求輸出一個脈沖寬度為625μS，周期為17000μS的軟件使能信號。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!自適應(yīng)差值編碼調(diào)制（ADPCM）是在差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，DPCM的工作原理參見原理教材有關(guān)章節(jié)。它在實(shí)現(xiàn)上采用預(yù)測技術(shù)減少量化編碼器輸入信號的多余度，將差值信號編碼以提高效率、降低編碼信號速率，這廣泛應(yīng)用于語音和圖像信號數(shù)字化。CCITT近幾年確定了64Kb/s—32kb/s的變換體制，將標(biāo)準(zhǔn)的PCM碼變換為32kb/s的ADPCM碼，傳輸后再恢復(fù)為64Kb/s的PCM信號，從而使64Kb/s數(shù)字話音壓縮速率一倍，使傳輸信道的容易擴(kuò)大一倍。ADPCM中的量化器與預(yù)測器均采用自適應(yīng)方式，即量化器與預(yù)測器的參數(shù)能根據(jù)輸入信號的統(tǒng)計特性自適應(yīng)于最佳參數(shù)狀態(tài)。通常，人們把低于64Kb/s數(shù)碼率的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術(shù)，語音壓縮編碼方法很多，自適應(yīng)差值脈沖調(diào)制（ADPCM）是語音壓縮編碼中復(fù)雜程度較低的一種方法。它能在32kbit/s數(shù)碼率上達(dá)到符合64kbit/s數(shù)碼率的語音質(zhì)量要求，也就是符合長途電話的質(zhì)量要求。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!線性預(yù)測器的預(yù)測值為：

其中ai為預(yù)測系數(shù)，在DPCM中為常數(shù)；在ADPCM中為自適應(yīng)變量。n為預(yù)測階數(shù)?？梢愿鶕?jù)預(yù)測誤差能量最小的準(zhǔn)則求出預(yù)測系數(shù)ai。這樣，PCM編碼器改為對差值信號e(nTs)=x(nTs)—x∧(nTs)進(jìn)行量化和編碼，以達(dá)到ADPCM編碼的目的。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!圖7-14管腳分配圖

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!圖7－15外部CPU對MC145540讀、寫操作時序波形數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!電路基本工作原理

①模擬信號平衡輸入/不平衡輸出電路

數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!模擬信號從電容E101（10uf/16V）,進(jìn)入電阻R113（10KΩ）到運(yùn)放的反相輸入TI-端，運(yùn)放的輸出端一方面送至增益調(diào)整電路和濾波器電路，另一方面，經(jīng)過TG端至反饋電阻R114（10KΩ）到運(yùn)放的反相輸入TI-端，構(gòu)成負(fù)反饋，放大倍數(shù)等于

故為1：1，沒有放大作用。濾波器的輸出信號一方面送至側(cè)音增益調(diào)整電路，另一方面送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，變?yōu)閿?shù)字信號，通過外CPU微處理器對內(nèi)部RAM編程控制，K1使開關(guān)接通ADC轉(zhuǎn)換的輸出，進(jìn)入PCM編碼電路，輸出PCM信號，再經(jīng)過ADPCM編碼電路，輸出到發(fā)送串行移位寄存器電路中，最后ADPCM數(shù)據(jù)從第20引腳（DT端）輸出。數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!③模擬信號輸出電路數(shù)字基帶信號處理實(shí)驗(yàn)共33頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

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