实验七 数字基带信号处理实验

1. 实验七数字基带信号处理实验

2. 一、实验目的 • 1、熟悉该系统的时钟信号与各种定时信号的产生方法。 • 2、理解自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）的工作原理。 • 3、了解大规模集成电路MC145540的电路组成及工作原理。 • 4、了解单片机在通信中的应用。 • 二、实验预习要求 • 1、复习脉冲编码调制（PCM）实验的内容。 • 2、预习有关MCS－51单片计算机的原理及应用。 • 3、预习本实验内容，熟悉实验原理和步骤。

3. 三、实验原理 • （一）系统电路组成 系统电路和总方框图如图7－1所示。 图7－1数字信号通信实验系统框图

4. （二）系统时钟信号与信号产生电路 • 在实验电路或其它电路中，时钟信号是非常重要的，产生出来的时钟的好坏，将直接影响着整体电路质量，时钟的不稳、抖动或产生互相干扰，时钟信号的时序关系不严密，出现误差等等，对通信电路产生不同程度的影响。因此，对时钟信号或者是其它定时信号，必须要有严格的要求，如相位关系，脉冲占空比定时脉宽。

5. 1、时钟信号系统电路组成 图7－2 时钟信号系统电路原理框图

6. 2、系统电路分析 • (1) 2048KHz时钟信号产生电路 电路如图7－4所示。 图7－4 2048KHz时钟信号产生电路

7. 电路由倒相器U214:A、B（74LS04）二分频器U211:B（74LS74）等电路组成。电路加电工作后，在测试点TP210处可侧出2048KHz方波信号，再经二分频即为1024KHz方波时钟信号，分别作为收、发电路的突收、突发工作时钟信号，波形如图7－5所示。电路由倒相器U214:A、B（74LS04）二分频器U211:B（74LS74）等电路组成。电路加电工作后，在测试点TP210处可侧出2048KHz方波信号，再经二分频即为1024KHz方波时钟信号，分别作为收、发电路的突收、突发工作时钟信号，波形如图7－5所示。 图7－5 突收、突发工作时钟信号

8. （2）时钟分频及定时变换电路 图7－6 时钟分频及定时变换电路

9. 发送1024KHz方波信号进入倒相器U206:A（74LS04）的输入端（第1引脚）后，再经过U206:F（74LS04）输出到第一级分频电路U201（74LS161）中，逐级分频，得到256KHz的时钟信号，在测试点TP211处可测出波形。将U201（74LS161）的第15引脚输出的64KHz窄脉冲信号送至第二级分频电路U202（74LS161）的第7与10引脚，作选通信号。由于只有在64KHz的窄脉冲期间，分频电路才能有输出。因此U202的输出经过逐次分频后，通过U203:A（74LS74）与U204:A（74LS161）U212（74LS04），在U203:A的Q端输出8KHz作为发送分帧同步信号，端输出反相8KHz作为接收分帧同步信号。发送1024KHz方波信号进入倒相器U206:A（74LS04）的输入端（第1引脚）后，再经过U206:F（74LS04）输出到第一级分频电路U201（74LS161）中，逐级分频，得到256KHz的时钟信号，在测试点TP211处可测出波形。将U201（74LS161）的第15引脚输出的64KHz窄脉冲信号送至第二级分频电路U202（74LS161）的第7与10引脚，作选通信号。由于只有在64KHz的窄脉冲期间，分频电路才能有输出。因此U202的输出经过逐次分频后，通过U203:A（74LS74）与U204:A（74LS161）U212（74LS04），在U203:A的Q端输出8KHz作为发送分帧同步信号，端输出反相8KHz作为接收分帧同步信号。 • U208:A（74LS08）的输出8KHz信号作为软定时信号的计数信号，输送至CPU U215（89C51）的定时器T0、T1。 • U210:B（74LS04）是8KHz窄脉冲对256KHz方波进行选通输出。U206:B、C、E（74LS04）作延时用，对256KHz方波信号进行延时，克服逻辑竞争现象。

10. 图7－7分频电路及定时变换电路波形图

11. （3）发送定时信号产生电路 图7－8 发送定时信号产生电路

12. 图7－9 发送定时信号波形图

13. （4）接收定时信号产生电路 图7－10 接收定时信号产生电路

14. 从图中可知,同发送定时信号类同,产生定时信号的方法也相同,故波形略。需要指出的是，U213:A、B（74LS04）、U203:B(74LS74)的作用是对接收到的数字基带信号进行整形输出。从图中可知,同发送定时信号类同,产生定时信号的方法也相同,故波形略。需要指出的是，U213:A、B（74LS04）、U203:B(74LS74)的作用是对接收到的数字基带信号进行整形输出。 • U213:D、E（74LS04）、U210:A（74LS08）、U208:D、E（74LS08）的作用是用接收使能信号（由软件产生）对接收时钟1024KHz的选通进行输出。

15. （5）软件使能信号产生电路 从图中可见，软件使能信号产生电路是由89C51CPU构成的。在这里，我们编写程序要求输出一个脉冲宽度为625μS，周期为17000μS的软件使能信号。 图7－11 软件使能信号电路图

16. （三）自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）系统电路（三）自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）系统电路 • 1、ADPCM基本原理 目前，脉冲编码调制（PCM）的数字通信系统已经在大容量数字微波、光纤通信系统，以及市话网局间中继传输系统中获得广泛的应用。但是现有的PCM编码必须采用64Kbit/s的A律或μ律对数压扩的方法，才能符合长途电话传输语音的质量指标，其占用频带要比模拟单边带通信系统宽很多倍。这样，对于费用昂贵的长途大容量传输，尤其是对于卫星通信系统，采用PCM数字通信方式时的经济性很难和模拟相比拟。因此，人们一直致力于研究压缩数字化语音占用频带的工作，也就是努力在相同质量指标的条件下，降低数字化语音数码率，以提高数字通信系统的频带利用率。

17. 自适应差值编码调制（ADPCM）是在差值脉冲编码调制（DPCM）基础上逐步发展起来的，DPCM的工作原理参见原理教材有关章节。它在实现上采用预测技术减少量化编码器输入信号的多余度，将差值信号编码以提高效率、降低编码信号速率，这广泛应用于语音和图像信号数字化。CCITT近几年确定了64Kb/s—32kb/s的变换体制，将标准的PCM码变换为32kb/s的ADPCM码，传输后再恢复为64Kb/s的PCM信号，从而使64Kb/s数字话音压缩速率一倍，使传输信道的容易扩大一倍。自适应差值编码调制（ADPCM）是在差值脉冲编码调制（DPCM）基础上逐步发展起来的，DPCM的工作原理参见原理教材有关章节。它在实现上采用预测技术减少量化编码器输入信号的多余度，将差值信号编码以提高效率、降低编码信号速率，这广泛应用于语音和图像信号数字化。CCITT近几年确定了64Kb/s—32kb/s的变换体制，将标准的PCM码变换为32kb/s的ADPCM码，传输后再恢复为64Kb/s的PCM信号，从而使64Kb/s数字话音压缩速率一倍，使传输信道的容易扩大一倍。 • ADPCM中的量化器与预测器均采用自适应方式，即量化器与预测器的参数能根据输入信号的统计特性自适应于最佳参数状态。通常，人们把低于64Kb/s数码率的语音编码方法称为语音压缩编码技术，语音压缩编码方法很多，自适应差值脉冲调制（ADPCM）是语音压缩编码中复杂程度较低的一种方法。它能在32kbit/s数码率上达到符合64kbit/s数码率的语音质量要求，也就是符合长途电话的质量要求。

18. 当以高于奈奎斯特速率对话音或视频信号抽样时，在前后样值间可以看到有明显的相关性，将这些相关样值按通常PCM系统的方式加以编码时会使得编码信号含有多余信息。如在编码前将这种多余信息去掉，则可得到效率较高的编码信号。为此，可先利用信号X（nts）的相关性对未来样值进行线性预测，预测器通常为抽头延时滤波器（即FIR滤波器）如图7－12所示。 图7－12 线性预测器的构成

19. 线性预测器的预测值为： 其中ai为预测系数，在DPCM中为常数；在ADPCM中为自适应变量。n为预测阶数。可以根据预测误差能量最小的准则求出预测系数ai。这样，PCM编码器改为对差值信号e(nTs)=x(nTs)—x∧(nTs)进行量化和编码，以达到ADPCM编码的目的。

20. 2、ADPCM专用芯片MC14LC5540介绍 图7－13 MC145540 ADPCM编译码内部电路框图

21. 图7-14 管脚分配图

22. MC145540ADPCM芯片特性 • 单一供电方式：2.7--5.25V • 低功耗：5V时 150mW 功耗下降0.3mW • 3V时 65mW 功耗下降0.2mW • 低噪声；有差分模拟电路。 • μ律/A律压扩PCM编译码/滤波器电路。 • 三种速率选择（32、24、16Kbit/s）四种算法ADPCM • CODEC完全满足G721、723、726和G714的PCM性能。 • 通用可编程双音频发生器。 • 可编程发送增益调整，接收增益调整与侧音增益调整。 • 可提供话筒接口的低噪声、高增益的三端输入运算放大器电路。 • 可直接与扬声器接口、推挽300Ω负载负抗相匹配。 • 可提供振铃接口的推挽300Ω的驱动电路。 • 可提供低功耗方式：3V电源送入数字信号处理电路。 • 5V电源送入模拟信号处理电路。 • 在接收端具有噪声突发检测算法。 • 有串行控制口和监控内存，可实现微计算机控制。

23. 图7－15 外部CPU对MC145540读、写操作时序波形

24. 图7－16 ADPCM信号串行口时序波形图

25. 电路基本工作原理 ① 模拟信号平衡输入/不平衡输出电路

26. ② ADPCM编译码系统电路

27. 模拟信号从电容E101（10uf/16V）,进入电阻R113（10KΩ）到运放的反相输入TI-端，运放的输出端一方面送至增益调整电路和滤波器电路，另一方面，经过TG端至反馈电阻R114（10KΩ）到运放的反相输入TI-端，构成负反馈，放大倍数等于模拟信号从电容E101（10uf/16V）,进入电阻R113（10KΩ）到运放的反相输入TI-端，运放的输出端一方面送至增益调整电路和滤波器电路，另一方面，经过TG端至反馈电阻R114（10KΩ）到运放的反相输入TI-端，构成负反馈，放大倍数等于 故为1：1，没有放大作用。滤波器的输出信号一方面送至侧音增益调整电路，另一方面送至模/数转换电路，变为数字信号，通过外CPU微处理器对内部RAM编程控制，K1使开关接通ADC转换的输出，进入PCM编码电路，输出PCM信号，再经过ADPCM编码电路，输出到发送串行移位寄存器电路中，最后ADPCM数据从第20引脚（DT端）输出。

28. ADPCM数据信号从第25引脚（DR端）进入，串行输入至接收串行移位寄存器电路中，经过ADPCM译码器进行译码，输出PCM数据码，再经过接收增益调整电路后送入PCM译码电路、数模转换DAC等电路输出模拟信号经过放大滤波，最后从芯片内电子开关K4输出，运放3、4、5、6四个运放电路，可根据实际情况进行连接。在本实验电路中，运放连接方法见图7-19所示。最后从第5引脚（RO端）输出模拟信号。ADPCM数据信号从第25引脚（DR端）进入，串行输入至接收串行移位寄存器电路中，经过ADPCM译码器进行译码，输出PCM数据码，再经过接收增益调整电路后送入PCM译码电路、数模转换DAC等电路输出模拟信号经过放大滤波，最后从芯片内电子开关K4输出，运放3、4、5、6四个运放电路，可根据实际情况进行连接。在本实验电路中，运放连接方法见图7-19所示。最后从第5引脚（RO端）输出模拟信号。 • 特别强调的是，该芯片的工作是由外部CPU对其内部16个字节的RAM进行编程，由程序进行控制。 • 本实验使用89C51单片机对其进行控制与管理使该芯片能可靠稳定地工作。 • 本次实验选用收、发同步信号为8KHZ窄脉冲信号。ADPCM发送电路的编码时钟为256KHZ方波信号，ADPCM接收电路的译码时钟也为256KHZ。编、译码的速率有32Kbit/s、24Kbit/s、16Kbit/s等三种方法。这三种方法都可以进行实验，而在16Kbit/s编码时，语音质量还没有下降，还能达到高质量通信系统的要求，它和其他语音编码方法（如子带编码等）组合起来，达到较高的质量。还应该指出，对图象信号也可进行ADPCM编码，以获得高质量的数字化图象信号。

29. ③模拟信号输出电路

30. 四、实验仪器 • 双踪同步示波器 ≥40MHz 1台 • 直流稳压电源 +5V -5V +12V 1台 • 低频信号发生器 输出频率范围满足50Hz-8KHz 1台 输出电压范围满足0--5V（峰峰值） • 数字信号基带传输实验箱 1台 • 数字频率计测量频率范围50Hz—10MHz 1台 • 万用表 1台

31. 五、实验内容及步骤 • 特别提醒： • 在连接电源和实验箱之前，一定要先确认二组电源的电压极性和电压值正确，在确认完全无误之前不允许将实验箱和电源连接，，另外在连接实验箱和电源时请务必关断电源开关。 1、接通+5V，-5V直流稳压电源。 2、用双踪示波器观察TP201—TP225各测量点的波形。 根据对各时钟信号产生的介绍，认真分析电路的工 作过程及信号输出的波形。记录所观察到的波形， 标明各测量点的作用，并分析相位关系与时序关系。

32. 3、示波器检查TP109、TP110、TP111在加电瞬间是否有波形。3、示波器检查TP109、TP110、TP111在加电瞬间是否有波形。 4、如3正常，将音频信号发生器的某一频率（1KHZ）信号从插座M101送入，观察TP105、TP106、TP107、TP108的波形，分析ADPCM编译码原理，记录波形，注意相位关系。同时观察TP103、TP104、TP115、TP116的波形，注意相位关系。 5、观察TP104波形、标明TP101—TP116各测量点波形的功用。

33. 基带压缩信号处理传输波形图