脉冲编码调制PCM与时分复用实验
—、实验目的
1.加深对PCM编码过程的理解
2.熟悉PCM编、译码专用集成芯片的功能和使用方法
3.了解PCM系统的工作过程
4. 了解帧同步信号的时序状态关系
5. 掌握时分多路复用的工作过程
6.用同步正弦波信号观察A律PCM八比特编码的实验
二、实验电路工作原理
（一） PCM基本工作原理
脉冲调制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传输。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，量化、编码的过程。
所谓抽样，就是在抽样脉冲来到的时刻提取对模拟信号在该时刻的瞬时值，抽样把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。抽样速率的下限是由抽样定理确定的。在该实验中，抽样速率采用8Kbit/s。
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组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。
PCM的原理如图4-1所示。话音信号先经防混叠低通滤波器，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，再经编码后转换成二进制码。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。
在实际中广泛使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和律。
A律PCM用于欧洲和我国，律用于北美和日本。它们的编码规律如图4-3所示。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。对压缩器而言，其输入输出归一化特性表
(二) PCM编译码电路
PCM编译码电路TP3067芯片介绍，详见所附光盘TP3067芯片文件。
1.编译码器的简单介绍
模拟信号经过编译码器时，在编码电路中，它要经过取样、量化、编码，如图4-4(a)所示。到底在什么时候被取样，在什么时候输出PCM码则由A/D控制来决定，同样PCM码被接收到译码电路后经过译码、低通滤波、放大，最后输出模拟信号，把这两部分集成在一个芯片上就是一个单路编译码器，它只能为一个用户服务，即在同一时刻只能为一个用户进行A/D及D/A变换。 编码器把模拟信号变换成数字信号的规律一般有二种，一种是μ律十五折线变换法，它一般用在PCM24路系统中，另一种是A律十三折线非线性交换法，它一般应用于PCM 30/32路系统中，这是一种比较常用的变换法.模拟信号经取样后就进行A律十三折线变换，最后变成8位PCM码，在单路编译码器中，经变换后的PCM码是在一个时隙中被发送出去，这个时序号是由A/D控制电路来决定的，而在其它时隙时编码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM帧里只有一个由它自己的A/D控制电路决定的时隙里输出8位PCM码，同样在一个PCM 帧里，它的译码电路也只能在一个由它自己的D/A控制电路决定的时序里，从外部接收8位PCM 码。其实单路编译码器的发送时序和接收时序还是可由外部电路来控制的，编译码器的发送时序由A/D控制电路来控制。我们定义为FSx(发送时隙)和FSr(接收时隙)，要求FSx和FSr是周期性的，并且它的周期和PCM的周期要相同，都为125μS，这样，每来一个FSx，其编码器（Codec）就输出一个PCM码，每来一个FSr，其编码器Codec就从外部输入一个PCM码。
图4-4(b)是PCM的译码电路方框图，工作过程同图4-4(a)相反，因此就不再讨论了。
图4-4 A/D及D/A 电路框图
2.在本实验中选择A律变换，以2.048Mbit/s的速率来传送信息，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降功耗控制端，PDN=0时，编译码能正常工作，PDN=1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降功耗控制。
图4-5是短帧同步定时波形图。
图4-5 短帧同步定时
三、 实验内容
1．用同步正弦波信号观察A律PCM八比特编码的实验
2．脉冲编码调制（PCM）及系统实验
3．PCM八比特编码时分复用输出波形观察测量实验
4．PCM编码时分多路复用时序分析实验
四、 实验步骤及注意事项
本PCM编译码系统分为PCM（一）、PCM（二）两个分系统（见图4-9、图4-10电原理图）。芯片U501及外围电路构成PCM（一），芯片U502及外围电路构成PCM（二）。每个TP3067芯片U501含有一路PCM编码器和一路PCM译码器。本PCM编译码系统信号流程框图(如图4-6)， PCM（一）上、PCM（二）下 电原理图（如图4-9 ）。
编码部分：将PCM（一）编码数据在X时隙（TP503）输出，PCM（二）编码数据在Y时隙（TP509）输出，两路信号可“线与”时分复用输出（PCM编码输出为三态门输出，其向同一条总线上轮流传输信号而互不干扰，条件为同一时间只能有一个三态门处于工作状态，其余的门处于高阻状态，即在不同的时间段占用总线）。
译码部分：PCM（一）译码部分在Y时隙（TP509）接收数据，PCM（二）译码部分在X时隙（TP503）接收数据。
其信号流程框图如图4-6。
图4-6 PCM编译码系统信号流程框图
（一）我们以PCM（一）数据编码输出，最终由PCM（二）译码输出为例
1. 打开实验箱右侧电源开关，电源指示灯亮。
2. 薄膜键盘选择PCM编译码，有三个选项。
01 T24，R8，C2M
02 T30，R16，C2M
03 T0，R1，C128KHz
选择一项按确认键。其中：
T表示PCM（一）编码时隙，PCM（二）译码时隙。24即第24个时隙脉冲
R表示PCM（二）编码时隙，PCM（一）译码时隙。16即第16个时隙脉冲
C表示PCM（一）与PCM（二）的线路编译码时钟，如：2M即2048KHz，一帧中可容纳32路数据时分复用；那若线路编译码时钟为128KHz，一帧中可容纳几路数据时分复用，通过实验观察验证你的结果。
3. 用连接线将同步正弦波信号由TP002引出，接入PCM（一）的模拟信号输入铜铆孔TP501。
4. K501的1-2脚相连，即将PCM（一）编码器的编码信号（或者与PCM（二）时分复用的数据）送到“时分复用总线”上； K502的1-2脚相连，即PCM（一）和PCM（二）的译码器接收“时分复用总线”上的对应时隙上的数据。
5. 测量TP501～TP504、TP511～TP512各点波形，波形如图4-8。示波器两通道同时测量TP503、TP504两点波形，此时能观察到稳定的8比特PCM数字输出信号。
6. 测量TP506、TP512两路译码器还原输出铜铆孔，看哪个译码器能还原输出正确的同步正弦波信号，参照上面的实验原理介绍分析实验结果。
7. 用连接线将译码输出信号由TP512（或TP506）引出，接入到功放模块TP006“喇叭输入”接口。
8. 改变输入的模拟信号，选择不同的编译码时隙和线路时钟，测量各点波形。
(二) 时分复用，解复用实验
1. 打开实验箱右侧电源开关，电源指示灯亮。
2. 薄膜键盘选择PCM编译码，有三个选项。
01 T24，R8，C2M
02 T30，R16，C2M
03 T0，R1，C128KHz
选择一项按确认键。
3. 用连接线将不同的两种模拟信号分别接入TP501和TP507 “模拟输入”铜铆孔。
4. K501的1-2脚相连，即将PCM（一）编码器的编码信号（或者与PCM（二）时分复用的数据）送到“时分复用总线”上； K502的1-2脚相连，即PCM（一）和PCM（二）的译码器接收“时分复用总线”上的对应时隙上的数据。
5. 用连接线连接TP504和TP510两铜铆孔，即将PCM（二）编码输出信号复用到“时分复用总线”上。时分多路复用波形分析示意图(如图4-7)
6. 测量TP501～TP512各点波形，分析各波形间的关系。
7. 用连接线将译码器输出信号由TP506和TP512引出，分别接入到功放模块TP006“输入” 铜铆孔接口或“电话模拟收”铜铆孔接口。
此时两路模拟信号分别经过PCM编码，时分复用，解复后用各自译码输出。
8. 改变输入的模拟信号，选择不同的编译码时隙和时钟，测量各点波形。
注：上述步骤中，薄膜键盘选择03项，可在普通示波器上观测到稳定的PCM编码波形。
跳线开关放置：
K501：1—2：PCM（一）编码器的编码信号）送到“时分复用总线”上；
2—3：PCM（一）编码数据（或者与PCM（二）时分复用的数据）输出，发往AMI/HDB3码编译码系统编码输入端。
K502：1—2：PCM（一）和PCM（二）译码器接收“时分复用总线”的数据；
2—3：PCM（一）和PCM（二）译码器接收AMI/HDB3码编译码系统译码数据。
五、测量点说明
TP501：同TP507。该点为输入的音频信号，用连接线连接模拟信号源与TP501，若幅度过大，则被限幅电路限幅成方波，因此信号波形幅度尽量小一些。方法是：改变相应信号源的幅度大小。
TP502：同TP508。PCM（一）、PCM（二）编译时钟信号，由薄膜键盘选择决定。
TP503：同TP509。频率为8KHz的帧同步信号（矩形窄脉冲），但两个测量点时序不一样。时序关系由薄膜键盘选择决定。
TP504：同TP510。PCM编码输出的数字信号。此时为PCM（一）一路编码输出信号；若将铜铆孔TP504和TP510用连接线连接，即将PCM（二）编码输出信号与PCM（一）编码输出信号复用到“时分复用总线”上，示意图可见图4-7。
其中，一路数字编码输出波形为8比特编码(一般为7个半码元波形,最后半个码元波形被集成电路内部移位寄存器在装载下一路数据前复位时丢失掉)，数据的速率由编译时钟决定，其中第一位为语音信号编码后的符号位，后七位为语音信号编码后的电平值。
TP511：同TP505。PCM译码系统接收输入的数字信号，波形同TP504、TP510。
TP512：同TP506。分别为PCM（一）、PCM（二）译码输出的模拟信号，波形应分别与TP501、TP507同。
六、 实验报告要求
1. 画出实验电路的实验方框图，并叙述其工作过程。
2. 画出实验过程中各测量点的波型图，注意对应相位、时序关系。
3. 观察同步正弦波的编码波形，读出编码数据（至少12个字节数据，注意观测方法）。
4. 写出本次实验的心得体会，以及对本次实验有何改进意见。
