说明。 表4-2 段落码 表4-3 段内码 段落序号 段落码 量化级 段内码 8

说明。 表4-2 段落码 表4-3 段内码 段落序号 段落码 量化级 段内码 8 说明。 段落序号 段落码 量化级 段内码 15 1111 8 111 14 1110 13 1101 7 110 12 1100 11 1011 6 101 10 1010 9 1001 5 100 8 1000 7 0111 4 011 6 0110 5 0101 3 010 4 0100 3 0011 2 001 2 0010 1 0001 1 000 0 0000 在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位 （第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段 落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成2 7＝128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表4-2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表4-3。可见，上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。 本实验采用大规模集成电路TP3067对语音信号进行PCM编、解码。TP3067在一个芯片内部集成了编码电路和译码电路，是一个单路编译码器。其编码速率为2.048MHz，每一帧数据为8位，帧同步信号为8KHz。模拟信号在编码电路中，经过抽样、量化、编码，最后得 到PCM编码信号。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的， 在其他的时隙中编译码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM帧（32个时隙）里，只在一个特定的时隙中发送编码信号。同样，译码电路也只是在一个特定的 时隙（此时隙应与发送时隙相同，否则接收不到PCM编码信号）里才从外部接收PCM编码信号，然后进行译码，经过带通滤波器、放大器后输出。具体电路图如图4-5所示。 1、将信号源模块、模拟信号数字化模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。 2、 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的相应开关 POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位 键，三个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先 连线，后打开电源做实验，不要带电连线） 3、将信号源模块的拨码开关SW04、SW05设置为0000000 0000001。 4、将信号源模块产生的正弦波信号（频率为2.5KHz，峰-峰值为3V）从点“S-IN”输入模拟信号数字化模块，将信号源模块的信号输出点“64K”、“8K”“BS”分别与模拟信号数字化模块的信号输入点“CLKB-IN”、“FRAMB-IN”、“2048K-IN”连接，观察信号输出点“PCMB-OUT”的波形。 5、连接“CLKB-IN”和“CLK2-IN”，“FRAMB-IN”和“FRAM2-IN”，连接信号输出点 “PCMB-OUT”和信号输入点“PCM2-IN”，观察信号输出点“JPCM”输出的波形。 6、改变输入正弦信号的幅度，分别使其峰-峰值等于和大于5V，将示波器探头分别接在信号输出点“JPCM”和“PCMB-OUT”上，观察满载和过载时的脉冲幅度调制和解 调的波形，并下来。 7、改变输入正弦信号的频率，使其频率分别大于3400Hz或小于300Hz，观察点“JPCM”、“PCMB-OUT”的输出波形，记录下来。 1、 输入点参考说明 2048K-IN： PCM所需时钟信号输入点。 S-IN： 模拟信号输入点（基带信号）。 CLKB-IN： PCM编码所需时钟信号输入点。 FRAMB-IN： PCM编码帧同步信号输入点。 PCM2-IN： PCM解调信号输入点。（用数字示波器观察） CLK2-IN： PCM解码所需时钟信号输入点。 FRAM2-IN： PCM解码帧同步信号输入点。 2、 输出点参考说明 PCMB-OUT： 脉冲编码调制信号输出点。（用数字示波器观察） JPCM： PCM解调信号输出点。 1、实验电路的工作原理，叙述其工作过程 2、根据实验测试记录，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。 1、掌握增量调制编码的基本原理，并理解实验电路的工作过程。 2、了解用不同速率时钟编码时的输出波形。 3、理解连续可变斜率增量调制系统的电路组成与基本工作原理。 4、熟悉增量调制系统在不同工作频率、不同信号频率和不同信号幅度下跟踪输入信号 的情况。 5、掌握增量调制信号的频谱特性。 1、信号源模块 2、模拟信号数字化模块 3、40M双踪示波器 一台 4、信号发生器 一台 5、连接线 若干 增量调制简称为，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化方法。近年来在高速,M 超大规模集成电路中用作转换器。增量调制获得应用的主要原因是： A/D （1） 在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCM； -2-3（2） 增量调制的抗误码性能好，能工作于误比特率为10～10的信道，而PCM则要 -4-6求误比特率为10～10； （3） 增量调制的编译码器比PCM简单。 我们知道，一位二进制码只能代表两种状态，当然就不可能去表示抽样值的大小。可是， 用一位码却可以表示相邻抽样值的相对大小，而相邻抽样值的相对变化将能同样反馈模拟信 号的变化规律。为了证明这一点，我们通过下面的例子来说明。设一个频带受限的模拟信号 如图5-1中的,所示，此模拟信号用一个阶梯波形来逼近。在图中，若用二进制码mt()mt() 的“1”代表,,,,,mt()在给定时刻上升一个台阶，用“0”表示mt()下降一个台阶，则mt()就被一个二进制的序列所表征。 ,mt() mt() , 系统组成如图5-2所示。它由相减器、判决器、本地译码器、积分器、,M 抽样脉冲产生器及低通滤波器组成。本地译码器实际为一脉冲发生器和积分器，它与接收端 一个简单的的译码器完全相同。 脉冲源 mt() ,M信号输出 et()判决器 相减器 , mt() 积分器 脉冲发生器 本地译码器 mt()积分器 低通滤波器 脉冲发生器 ,M 其工作过程如下：消息信号,与来自积分器的信号相减后得到量化误差信号mt()mt() 。如果在抽样时刻et()0,，判决器（比较器）输出则为“1”；反之et()0,时则为“0”。et() 判决器输出一方面作为编码信号经信道送往接收端，另一方面又送往编码器内部的脉冲发生 器：“1”产生一个正脉冲，“0”产生一个负脉冲，积分后得到,,。由于与接收端译mt()mt() 码器中积分输出信号是一致的，因此,常称为本地译码信号。接收端译码器与发送端编mt() 码器中本地译码部分完全相同，只是积分器输出再经过一个低通滤波器，以滤除高频分量。 下面，进一步举例阐述简单增量调制的工作过程。 设为单一的正弦波信号，频率为1000Hz的模拟话音信号加入到发端编码器的输入mt() 端，如图5-3所示。 由图5-3可知，根据上述编码，当tt~时刻，输入信号的正斜率增大，并且是连07 续上升的，即tt~时，编码器连续输出“1”码；当时刻，输入信号相对平稳，et()0,et()711一会儿大于0，又一会儿小于0，则编码器输出码型也是一会儿输出“1”码，一会儿输出“0” 码。从tt~时刻，可根据编码规则，输出其相应的二进制数字信号。 1937 在接收端，译码器的电路与工作过程同发送端编码器中的本地译码器完全相同。 从理论上，简单增量调制的最大信号量化噪声比(S/N)为： qmax 32fs1,20lg[0.2lg(0.2)]()dB (5－1) ()SNmaxq2 ,ffac 在(9－1)式中，是频率， fs 是低通滤波器的截止频率， fa 是信号频率。 fc 当f=32KHz，=3.4KHz，＝1KHz时： ffcsa 3232s () 20lg[0.2lg(0.2)]25.8()SN,,dBq1max23.41,s 由于语音信号幅度的变化范围较宽，为了获得满意的通话质量，语音信号的动态范围至 少要达到30才能满足通话的要求，然而，信号的幅度与信号量化噪声比的变化有关，所dB 以，还必须分析在不同语音信号幅度时的信号量化噪声比。 当信号幅度的最大值为A，信号的幅度为时，求出对应的信噪比如下： Amax A2AAA2max (5－2) SNSN,,,,,()qqmaxNNAAqqmaxmax 由（5－2）式可知，任意幅值信号的信噪比与最大信噪比减小的分贝数，等于信号幅度 值较减小的分贝数。 Amax 如果，(/)25.8SNdB,而信号在其所要求的动态范围内幅度下降20，信号量化噪dBqmax 声比为，当信号量化噪声比为5.8时，已不能满足保证话音质量的25.8dB,20dB,5.8dBdB基本要求。 从上述讨论可以看出，,信号是按台阶来量化的，因而同样存在量化噪声问题。,M,M 系统中的量化噪声有两种形式：一种称为过载量化噪声，另一种称为一般量化噪声，如图 9-4所示。过载量化噪声发生在模拟信号斜率陡变时，由于阶梯电压波形跟不上信号的变化， 形成了很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称为过载现象，也称过载噪声；如果无过载噪 声发生，则模拟信号与阶梯波形之间的误差就是一般的量化噪声。 et() et() et() t t, mt() t t t nt() t, mt()mt()mt() et()mt() nt() t et() et(),mt(),mt() t,mt() t t mt() ()b()a t tnt()nt() nt()mt()mt() ,mt() mt()mt() mt(),mt(),mt() nt() 0 0 0 nt()nt()1 1 mt()1 0 0 固定不变，即为均匀量化。对均匀量化而言，如果量阶取,,值较大，则信号斜率变化较小的信号量化噪声（又称颗粒噪声）就大；如果量阶取值较小，,综上所述，简单增量调制电路在实际通信中没有得到应用是因为它的信号量化噪声比则信号斜率较大的量化噪声（又称过载噪声）就大。均匀量化无法使两种噪声同时减小，这小，主要是量化阶距（量阶）样，以致于信号的动态范围变窄，但是它为增量调制技术提供了理论基础。 在语音通信中应用较为广泛的是音节压扩自适应增量调制，它是在数字码流中提取脉冲 控制电压，经过音节平滑，按音节速率（也就是语音音量的平均周期）去控制量化阶距,的。在各种音节压扩自适应增量调制中，连续可变斜率增量调制（CVSD）系统用得较多。在实验箱中，也以连续可变斜率增量调制作为实验内容进行。 连续可变斜率增量调制（Continuously Variable Slope Delta Modulation），其英文缩写为CVSD，有专用集成芯片，其型号有：MC34115，MC3417，MC3418，MC3517，MC3518，MC35115等等。它是美国摩托罗拉（Motorola）公司生产，只需要一个时钟信号，在该集成芯片的外 围适当接上一些分立元器件作为辅助电路，即可实现音节压扩自适应增量调制。若在该芯片 管脚的第15端接上不同的电平（高电平或低电平）即可作发送端的编码器，也可作接收端 的译码器。图5-5为CVSD编码器、解码器的方框图。 et() pt() mt() t相减器 判决器 t话音信号 发送数字信号 mt() , mt() 时钟 ,mt() 斜率过载检测电路 nt() 斜率极性控制电路 斜率量值控制电路 本地译码器 mt()音节压扩控制电路（压缩） 0 1 0 1 时钟 0 音节压扩控制电路（扩张） 1 mt() pt() 1 量化电路 斜率极性控制电路 译码器 低通滤波器 语音信号 1 1 1 斜率过载检测电路 1 1 斜率量值控制电路 0 0 0 0 由图5-5可知，与简单增量调制相比，发端的编码器在反馈回路中增加了自适应控制电 路，即音节压扩控制电路，它由三个部分组成： ? 斜率过载检测电路：用来检测过载状态，它是由一个3比特移位寄存器构成的输出三连“1”码或三连“0”码，其电路由D触发器作移位寄存器，电路辅有与门、或门。斜率 过载检测电路也称为电平检测电路。 ? 斜率量值控制电路：用来转换量化阶距的大小。其电路由RC音节平滑滤波器、电, 压电流转换器和非线性网络组成。 ? 斜率极性控制电路：用来转化量化阶距的极性，当时，输出为正极性，当，et()0,et()0, 输出为负极性，其电路由脉冲幅度调制器和积分网络组成。 其电路的工作过程是这样的：在输入端，话音信号,与话音信号进行比较，将mt()mt() 其比较的结果值进行判决，若，则输出“1”码，若 ，则输出et()0,et()0,et()pt()pt() 为“0”码，这同简单增量调制器编码方式是相同的。当输入话音信号中，连续出现上mt() 升沿或连续出现下降沿，或者说输入信号中正斜率增大或负斜率增大，在编码器的输出端 ,中将出现连续的“1”码或“0”码，这样，如果不增加自适应控制电路，则将会出现pt()mt()无法跟踪信号，而出现过载现象，如图9-6所示。 mt() 幅度 话音信号 mt() 跟踪信号 ,mt() t mt(),mt() 若电路中增加自适应控制电路，则当中出现连续“1”码或“0”码时，斜率过载pt() 检测电路则立即工作，当 出现连续的三个“1”码或三个“0”码时，斜率过载检测器pt() 从，，的返回信号中即输出码流中按三连“1”或三连“0”检测，其输出是一些不同宽度的pt 正脉冲，其宽度为 K，，，是连码的个数，是取样信号周期，它们输入到斜率T,K,2TT,ss 量值控制电路，因斜率量值器是由音节滤波器、电压电流转换器和非线性网络组成，因RC 而音节平滑滤波器把正脉冲序列进行平滑滤波，变成连续缓慢变化和直流控制电压，其RC 变化的周期等于一个音节时间（约10ms），当出现“1”码增多时，斜率过载检测器输pt() 出的正脉冲数就相对增多，通过R对的充电时间相对增长放电时间相对缩短，因此，直C 流控制电压升高，电压电流转换器把音节平滑滤波器输出的控制电压转换为控制电流，非线 性网络使控制电流的变化规律能更好地跟随输入信号斜率的变化，提高自适应能力，扩大其 动态范围。另外，斜率过载检测电路内部的pt()输出信号还接至斜率极性控制电路内的脉 幅调制器的输入端，与来自斜率量值控制电路的输出信号一起加到脉幅调制器的另一输入 端，因斜率极性控制电路由脉幅调制器和积分网络组成，经过脉幅调制电路和积分网络后就 形成了有正负极性的量阶；二是根据音节平滑滤波器输出的电压来改变量阶，使量阶的变化 为自适应的变化，其量阶值由自适应逻辑控制。此时，当检测到三连“1”码或者是三连“0”码，则称为3bit规则，若为四连“1”码或者四个连“0”码，则称为4bit规则。也就是说，CVSD的量阶变化，主要是由连码检测规则决定的，因发送端的编码器是反馈方式工作，即 量阶,是从输出码流中检测的，因此，随输入信号正斜率增加，码流中连“1”码就增多；如果负斜率增加，则连“0”码增多，对CVSD而言，只要把包络音节时间内连“1”码或连“0”码的次数逐一检测出来，经过音节平滑，形成控制电压，就能得到不同输入信号斜率 ,能始终跟踪话音信号的变化，也就是当话音信号斜率小mt()mt() 量阶值，以致于再生信号时，它的量阶值则小，当话音信号的斜率大时，则它的量阶自适应的增大，也就是量阶值随 输入信号斜率变化而做自适应和调整。这正是连续可变斜率调制（CVSD）的工作原理，mt() 如图5-7所示。 音频模拟信号由“S-IN”点输入，经过耦合电容E05至MC34115的模拟信号输入端1脚。U01（MC34115）的第15脚接高电平，使其工作在编码方式。此时芯片内的模拟输入运 算放大器与移位寄存器接通，从1脚（ANI）输入的音频模拟信号与2脚（ANF）输入的本地解码信号相减并放大得到误差信号，然后根据该信号的极性编成数字信码，从第9脚（DOT）输出；该信码在芯片内经过三级或四级移位寄存器及检测电路，检测过去的3位或4位信码中是否出现连续的“1”或连续的“0”。当移位寄存器各级输出为全“1”码或全“0”码时，表明积分运算放大器增益过小，检测逻辑电路从第11脚（COIN端）输出负极性一致脉冲， 经过外接平滑滤波器后得到量阶控制电压加到3脚（SYL端，由内部电路决定），GCC端电压与SYL端相同，这就相当于量阶控制电压加到GCC端，该端外接调节电位器P01，调节P01即可改变GCC端的输入电流，以此控制积分量阶的大小，从而改变环路增益，展宽动态范围。 第4脚（GCC）的输入电流经电压/电流变换运算放大器，再经量阶极性控制开关送到积分运 算放大器电路，极性开关由信码控制。外接积分网络与芯片内部积分运算放大器相连，在二 次积分网络上得到本地解码信号送回ANF端与输入信号再进行比较，从而完成整个编码过 程。在没有音频模拟信号输入时，话路是空闲状态，则编码器应能输出稳定的“1”、“0”交替码，这需要一个最小积分电流来实现，该电流可通过调节电位器增大阻值来获得。由于极 性开关的失配，积分运算放大器与模拟运算放大器的电压失调，此电流不能太小，否则无法 得到稳定的“1”、“0”交替码。该芯片总环路失调电压约为1.5mv，所以量阶可选择为3mv。当本地积分时间常数为1ms时，最小积分电流取10uA，就可得到稳定的“1”、“0”交替码。如果输出不要求有稳定的“1”、“0”交替码，量阶可减小到0.1mv，但环路仍可正常工作。 由发送端送来的编码数字信号送到U02（MC34115）芯片的第13脚，即接收数据输入端。 因为该芯片工作在译码状态，故第15脚应为低电平，使模拟输入运算放大器与移位寄存器 断开，而数字输入运算放大器与移位寄存器接通，这样，接收数据信码经过数字输入运算放 大器整形后送到移位寄存器，后面的工作过程与编码时是相同的，只是解调信号不再送回第 2脚（ANF），而是直接送入后面的积分网络中，最后得到解调信号。 1、将信号源模块、模拟信号数字化模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。 2、 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下三个模块中的相应开关 POWER1、POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位 键，三个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先 连线，后打开电源做实验，不要带电连线） 3、将信号源模块产生的频率为2KHz、峰-峰值为1V左右的正弦波从信号输入点“S-IN” 输入模拟信号数字化模块，将信号源模块中的信号输出点“64K”与模拟信号数字化 模块中的信号输入点“64K”连接，调节标号为“编码量阶”的电位器，观察“本地 译码”、“一次积分”、“一致脉冲”、“ΔM调制输出”各点输出的波形。调节 标号为“译码量阶”、“译码幅度”的电位器，观察 “ΔM解调输出” 点输出的 波形。 4、改变输入正弦信号的频率和幅度或改变工作时钟的频率，重复观察上述各点波形。 5、电位器功能说明 编码量阶：可调节ΔM调制量阶的大小。量阶越大，编码波形中0、1变化越少。 译码量阶：功能同编码量阶。 译码幅度：调节ΔM译码输出波形的幅度。 1、输入点参考说明 S-IN：模拟信号输入点（基带信号）。 64K：64K方波输入点（编、解码时钟）。 2、输出点参考说明 本地译码：本地译码信号输出点（建议用数字存储示波器观测）。 一次积分：一次积分信号输出点（建议用数字存储示波器观测）。 一致脉冲：一致脉冲输出点（建议用数字存储示波器观测）。 ΔM调制输出：增量调制信号输出点（建议用数字存储示波器观测） ΔM解调输出：增量调制解调信号输出点（建议用数字存储示波器观测）。 1、分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程 2、根据实验测试记录，画出各测量点的波形图，并分析实验现象。 1、加深对自适应差分脉冲编码调制工作原理的理解。 2、了解大规模集成电路MC145540的电路组成及工作原理。 1、信号源模块 2、模拟信号数字化模块 3、40M双踪示波器 一台 4、连接线 若干 由前面,M,M和实验我们已经知道，在不考虑信道误码率的情况下，的性能通PCM 常比,M,的差。这主要是因为和系统不管误差信号如何变化，传输的增量是PCMPCM 固定不变的。如果使增量的数值随误差信号M的变化量化成个电平之一，然后再进行dk() 编码，这样，系统的性能就会得到改善。在这样的系统中，由于对传输的增量还要经过脉冲 编码调制，因而称它为增量脉冲编码调制或差分脉冲编码调制。下面先介绍()DPCM 的基本原理。 DPCM dk()qdk()数字信道Sk()dk()Sk()rq+量化器编码解码 +-,Ik()Ik()+Sk()+e()SkDPCMe + ()预测器预测器Skr 编码器解码器 图6-1给出了系统原理框图。图中输入抽样值信号为，接收端输出重建信Sk()DPCM 号为，是输入信号与预测信号的差值， 是经量化后的差值，是Skr()dk()Ske()dkq()Ik() 信号经编码后输出的数字码。 dkq() 编码器中的预测器与解码器的预测器完全相同，因此，在信道传输无误码的情况下， 解码器输出的重建信号与编码器的完全相同。的总量化误差定义为输Skr()Skr()ek()DPCM入信号Sk()与解码器输出的重建信号Skr()之差，即有