脉冲编码调制(PCM)系统讲解

脉冲编码调制（PCM）系统
摘要：
脉冲编码调制（PulseCodeModulation），简称PCM。是数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生。PCM的优点就是音质好，缺点就是体积大。PCM可以提供用户从2M到155M速率的数字数据专线业务，也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。
1.4再生………………………………………………10
1.5解码………………………………………………10
二、芯片选择………………………………………………11
2.1 TP3067管脚定义………………………………13
三、电路设计………………………………………………14
四、心得体会………………………………………………16
（14）FSx发送部分帧同步时隙信号，为一个8KHz的脉冲序列。
（15）TSx漏极开路输出端，它在编码时隙输出低电平。
（16）ANLB模拟反馈输入端。在正常工作状态下必须置成逻辑“0”。当置成逻辑“1”时，发送部分滤波器的输入端并不与发送部分的前置滤波器相连，而是和接收部分功放的VPO＋相连。
（17）GSx发送部分输入放大器的模拟基础，用于在外部同轴增益。
一、工作原理：
脉冲编码调制是把模拟信号数字化传输的基本方法之一，它通过抽样、量化和编码，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，然后在信道中进行传输。接收机将收到的数字信号经再生、译码、平滑后恢复出原始的模拟信号。PCM系统的组成如下图所示。
PCM主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。再经解码恢复并输出。
实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是 压缩律和A压缩律。美国采用 压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。
所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：
A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现编码
关键字：
脉冲编码调制、取样、量化、编码、解码
Abstract:
Pulse Code Modulation (PulseCodeModulation), referred to as PCM. Digital signal is a continuous change 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.
极性控制电路：检出极性码元D1,以便使恢复出来的PCM信号能够极性还原。
寄存读出电路：这是译码器所特有的。它将12位串行的线性码变成并行码。所以也是一个串/并变换电路。并行的12位线性码同时驱动权值电流电路，就产生对应的译码输出。由此可知，PCM信号通过译码器要滞后一个字的时间才能输出PAM的量化样值。
恒流源及电阻网络：它输出的电流值就是所恢复的信号量化样值，并由12位线性码控制“恒流源及电阻网络”的开关。
二、芯片选择：
鉴于我国国内采用的是A律量化特性，因此本实验采用TP3067专用大规模集成电路，它是CMOS工艺制造的单片PCMA律编译器，并且片内带输入输出话路滤波器。
TP3067的管脚、内部组成框图如下图示
保持电路：因为这种编码方法需要把I样与I权比较7次，且在比较中I样应保持幅度不变。一般，样值脉冲只有3~4个码元宽度，但要求它至少有7个码元宽度（比较7次的时间）。办法就是靠二次抽样把波形展宽，故采用保持电路完成二次抽样功能。
1.4再生：
PCM信号在传输过程中会出现衰减和失真，因此在长距离传输时必须在一定的距离内对PCM信号波形进行再生。
Keywords:
Pulse code modulation, modulation, demodulation
一、工作原理………………………………………………4
1.1取样………………………………………………5
1.2量化………………………………………………5
1.3编码………………………………………………7
1.3编码：
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。
为了用二元编码的码字表示量化样值，可先把样值换算成二进制数，然后，按着二进制数字的结构转化成电波形，即二元编码信号。常见的二进制码有：自然二进制码组（NBC）,折叠二进制码组（FBC）和格雷二进制码组（RBC）。
三种常见二进制码组如下图所示
（11）MCLKx发送部分主时钟，必须为1536MHz、1544MHz或2048MHz。可以和MCLKR异步，但是同步工作时可达到最佳状态。
（12）BCLKx发送部分时钟，使PCM码流逐位移入DR端。可以为从64KHz到2048MHz的任意频率，但必须和MCLKx同步。
（13）Dx发送部分PCM码流编码输出端。
1.2量化：
把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程称为量化。
量化误差：量化后的信号和抽样信号的差值。量化误差在接收端表现为噪声，称为量化噪声。量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多，通常采用非均匀量化的方法进行量化。非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔，幅度小的区间量化间隔取得小，幅度大的区间量化间隔取得大。
心得体会：
本次通信原理的课程设计在刚开始时自已也找不到方向，后面最终沉下心来，认真查看相关资料并不断请教他人，终于有了一些成果，在这次课程设计中，使我掌握了PCM编码的工作原理及PCM系统的工作过程，并使我更了解了通信原理这门课程，不断增强了对此门课程的兴趣，此次设计使我受益匪浅，使自己的实践动手能力不断得到了增强。
2.1TP3067的管脚定义：
（1）VPO+收端功率放大器的同相输出端。
（2）GNDA模拟地。所有信号都以此管脚为参考。
（3）VPO-收端功放的反相输出端。
（4）VPI收端功放的反相输入端。
（5）VFRO接收部分滤波器模拟输出端。
（6）VCC +5V电压输入。
（7）FSR接收部分帧同步时隙信号，是一个8KHz脉冲序列。
（18）VFxI-发送部分输入放大器的反相输入端。
（19）VFxI+发送部分输入放大器的同相输入端。
（20）VBB接-5V电源。
三、电路设计：
发送通道
接收通道
PCM系统的完整电路
本电路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
模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号 较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。
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编码过程中用逐次型编码器进行编码，其原理图如下图所示：
各功能电路原理说明如下：
比较器：是编码器的核心部件。每比较一次产生一位码元，它输出的就是PCM码字。为自动产生所需的I权，比较器的输出还反馈到记忆电路。
1.5解码：
解码是编码的逆过程，即D/A变换。它把接收来的信号变成量化的PCM信号，常用的电路方式为电阻网络译方式，如下图所示：
记忆电路：它的作用是将输入的PCM串行码变成同时输出的并行码。所以是一个串/并变换电路。
7/12变换电路：它的作用是将7位非线性码变成12位的线性码。按压扩特性应变为11位线性码，但上于在译码器中比编码器多用了一个“权电流”，外加了半个量化级，所以可译成12线性码，从而改善了信扰比。
记忆电路：除第一次比较是固定的以外，其余各次比较都必须依据前次比较的结果来选取I权的数值，所以必须用记忆电路记存前几位的状态。
恒流源及电阻网络：它产生各种需要的I权。
7/11位码字变换器：它就是一个数字压缩器。因为非均匀量化的7位非线性码等效于11位线性码，比较器只能编7位码字，反馈后来的当然也是7位码字。而恒流源有11个基本的权值电流，需要11个控制脉冲来进行控制，所以必须把7位变成11位。实质就是把7位非线性码变成11位线性码。
（8）DR接收部分PCM码流解码输入端。
（9）BCLKR/CLKSEL位时钟(bitclock),它使PCM码流随着FSr上升沿逐位移入Dr端,位时钟可以为从64KHz到2048MHz的任意频率。或者作为一个逻辑输入选择1536MHz、1544MHz或
2048MHz,用作同步模式的主时钟。
（10）MCLKR/PDN接收部分主时钟,它的频率必须为1536MHz、1544MHz或2048MHz。可以和MCKLx异步，但是同步工作时可达到最佳状态。当MCLKx接低电平，MCLKR被选择为内部时钟，当MCLKx接高电平，该芯片进入低功耗状态。
量化值序号
自然码NBC
折叠码FBC
雷码RBC
15
1111
1111
1000
14
1110
1110
1001
13
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12
1100
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11
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10
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9
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7
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6
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Hale Waihona Puke Baidu1.1取样：
取样就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号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，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。
取样如下图所示
取样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。
低通连续信号抽样定理内容：一个频带限制在赫内的时间连续信号,若以的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔 也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。