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1、实验十三实验十三 自适应差值脉冲编码调制自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)系统实验系统实验一、一、实验目的实验目的1加深对自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)工作原理的理解2了解大规模集成电路MC14550的电路组成及工作过程3了解利用编写程序对其芯片MC145540的控制与输出处理过程二、预习要求二、预习要求认真预习数字通信原理中有关PCM编解码原理与自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)的原理及其算法等有关章节和其它相关内容。三、实验仪器仪表及所用芯片简介三、实验仪器仪表及所用芯片简介（一）实验仪器仪表（一）实验仪器仪表15、5双路直流稳压电源 一台 2二踪示波器 一台 3信
2、号发生器 一台 4三用表 一块5数字通信号与信号处理实验系统实验箱 一台 6失真度仪 一台（二）所用芯片简介（二）所用芯片简介本实验所用集成电路芯片有：74F04,TL084,MC145540,其中前两种已介绍过了。下面列出MC145540专用集成电路芯片的管脚排列。MC145540 自适应差值脉冲编码调制（ADPCM、CODEC）编译码器。典型参数：PW=65Mw,当工作电压在 3V5V时,温度范围从4085,具有降功耗能。见实验工作原理中的介绍。外引线排列图见右图所示。四、实验电路工作原理四、实验电路工作原理在数字通信系统传送与处理过程中,发送、接收、处理的信息是二进制数码,因而它与模拟通
3、信相比,具有抗干扰性强(可中继再生,防止噪声积累)、便于加密、适于处理与集成化,可靠性好及能构成综合业务数字网络等特点,基于这些优点,使得数字通信业已成为现代通信技术发展的重要方向。对于电话数字通信,需要对话音进行编码与解码,即进行AD、DA变换。将模拟话转为数字话,话音编码方法很多,常用的有脉冲编码调制(PCM)Pulse Code Modulation),增量调制(DM或MDelta Modulation),线性预测编码(LPCLinear Predictive coding)及它们的改进方法：差值脉冲编码调制(DPCM),自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)与自适应增量调制(ADM)等。
4、其中除LPC为参数编码外,其它均为波形编码。在分析ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)工作原理之前,必须搞清楚PCM的工作原理才能进行分析,关于PCM编译码的原理及其工作过程请参见原理教材与本实验教材的实验四,这里不再重复讲述。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的广泛的应用。但是,由于目前世界各国的数字通信网正在得到讯速发展,现有的PCM编码必须采用64kbit/a的A律或u律对数压扩的方法,才能符和长途电话传输语音的质量指标,这样其占用频带要比模拟单边带通系
5、统宽很多倍。因此,在拥有相同频带宽度的传输系统中,PCM能传送的电话路数要比模拟单边带通信方式传送的电话路数少得多。这样,对于费用昂贵的长途大容量传输系统,尤其是对于卫星通信系统,采用PCM数字通信方式的经济性能很难和模拟通信相比拟。至于在超短波波波段的移动通信网中,由于其频带有限(每路电话必须小于25KHZ),64kbit/sPCM更难于获得应用。因此,人们一直致力于研究压缩数字话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。近些年来,人们在不断改进PCM、DM的性能,陆续开发出多种新编码形式,从而达到改善话音质量和降低数码率的目
6、的。常见的有差值脉冲编码调制(DPCM)与自适应差值PCM(ADPCM),及增量总和调制(),连续可变斜率增量调制(CVSD)与自适应增量调制(ADM)。采用这些方法一般在保证相同音质下,可使PCM的数码率从64kb/s降到32或16kb/s；使DM的数码率从32kb/s降到16或8kb/s。差值PCM(DPCM)和自适应差值PCM(ADPCM)是在PCM基础上改进的新型数字话方法,它在实现上采用预测技术减少量化编码器输入信号多余度,将差值信号编码以提高效率、降低编码信号速率,它广泛应用于语音和图像信号数字话。CCITT近几年确定了64kb/s32kb/s变换体制,将标准的PCM码变换为32k
7、b/sADPCM码,传输后在恢复为64kb/sPCM信号,从而使64kb/s数字话压缩率一倍,使传输信道的容量扩大一倍。通常,人们把低于64kbit/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,如有关分脉码调制(DPCM),子带编码(SBC),变换或编码(ATC),多脉冲激励线性预测编码(MPLPC),参加或波形失量编码(VQ),随机码激励统计编码(CELP)等等。多年来大量的研究表明,自适应差分脉码调制(ADPCM)是语言压缩编码中复杂度较低的一种方法。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。（一）ADP
8、CM基本原理ADPCM是在差分脉码调制DPCM基础上逐步发展起来的。ADPCM与DPCM之间的主要区别在于：ADPCM中的量化器与预测器均采用自适应方式,既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或接近于最佳参数状态。尽管采用固定参数量化器与自适应预测器的语音编码系统也称为ADPCM,但是,本次实验系统中使用ADPCM的大规模集成电路专用芯片MC145540,其量化器与预测器均为自适应方式。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系统方式加以编码时会使得编码信号含有多余信号。如在编码前将这种多余信息去掉,则可得到
9、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131所示。图131 线性预测器的构成线性预测器的预测值为10)()(nissisiTnTxanTX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编码器改对差值信号e(nTs)=x(nTs)(nTs)进量化和编码,以达到DPCM或ADPCM编码的目的。X以上就是简要介绍了ADPCM的基本原理,关于它的详细工作原理及其数学推导请见有关ADPCM方面的教材。下面介绍本实验系
10、统使用的专用ADPCM大规模集成电路芯片MC145540(二)ADPCM专用芯片MC145540介绍1. 逻辑图逻辑图见图132所示2管脚功能简介管脚功能简介第1引脚(TGransmit Gain)：发送增量控制。由第2引脚（TI-）和第3引脚（TI+）输入的音频模拟信号经输入运放后从该端输出。该端实质上是发送滤波器的输入端。这是设定运算放大器发送增益的输出和输入到发送带通滤波器。此运算放大器能驱动2K负载到VAG引脚。当TI_和TI+连到VDD时,TG运算放大器掉电,TG引脚变成高阻抗,输入到发送放大器。此引脚上的所有信号以VAG引脚为基准。当器件是在模拟掉电方式下时,此引脚是高阻抗。此运算
11、放大器由VDD引脚加电。第2引脚(TI_Transmit Analog Inverting Input)：模拟运算放大器反相输入端。音频模拟信号通过该端进入模拟运放。这是发送增益设定运算放大器的反相输入。增益设定电阻通常从此引脚连到TG和从此引脚到模拟信号源。TI+和TI_引脚的工模范围从10V到V。连接此引脚和TI+(引脚3)到VDD将置此放大器的输出(TG)于高阻抗状态,这样,允许TG引脚作为发送滤波器的高阻抗输入。第3引脚(TI+Transmit Analog Input)：模拟运算放大器反相输入端。该端一般与第引脚相接,由第四引脚提供一个2.4V电频输入。这是发送增量益设定运算放大器的
12、同相输入。对于输入增益设定运算放大器,此引脚调节差分到单端电路。允许输入信号以VSS引脚为基准,使电频移向VAG引脚,噪声最小。对于反相放大器结构,如果输入信号准备以VAG引脚为基准,则此引脚可连到VAG引脚。TI+和TI_引脚的共模范围是1.0V到VDD 2V。连接此脚和TI_(引脚2)到VDD将置此放大器的输出(TG)于高阻抗态,这样,允许TG引脚作为高阻抗输入到发送滤波器。第4引脚(VAGAnalog Ground Qutput)：模拟对地输出端,该端能提供一个输出2.4V电压,输出给第3引脚。该端必须在和地之间接入一个去耦电容,电容量在0.01uf0.1uf之间。此输出提供中电源模拟地
13、调整到2.4V。器件内部所有模拟信号都以此引脚为基准。此引脚应用使用0.010.1uf陶瓷电容器祛耦到VSS。如果音频信号处理基准为VSS,则要特别小心利用以防止VSS和VAG引脚之间的噪生。当在模拟掉电方式下VAG引脚变为高阻抗。第5引脚(ROReceive Analog Output)：接收模拟信号输出端。ADPCM信号经过变换处理后的模拟音频信号从该端输出。这来自数/模变换器的接收平滑滤波器的同相输出。此输出能趋动2K负载到1.575V峰值,基准为VAG引脚。此引脚可以是以VAG引脚或通过BR2(b7)为VEXT的一半电压两者之一为直流基准。除了它启动作模拟信号输出外,此引脚是高阻抗。当
14、器件是在模拟掉电方式下时,此引脚是高阻抗。第6引脚(AXO_Auxlliary Audio Power Inverting Output)：音频信号反相输出端。该端与第7引脚一起可把音频信号平衡输出。这是辅助功率输出驱动器的反相输出。此辅助功率驱动器能差动地驱动300负载。此功率放大器从VEXT得电,其输出能摆动到VSS和VEXT的0.5V以内。此引脚可以是以VAG引脚或经BR2(b7)的VEXT的一半电压两者之一为直流基准。此引脚在电下为高阻抗。除了当它为模拟信号输出而启动外,此引脚是高阻抗。第7引脚(AXO+Auxlliary Audio Power Output)：音频信号同相输出,功能
15、同AXO_。这是辅助功率输出驱动器的同相输出。输助功率驱动器能差动地驱动300负载。此功率放大器从VEXT得电,其输出能摆动VSS和VEXT的0.5以内。此引脚可以是以VAG引脚或BR2(b7)的VEXT的一半电压两者之一为直流基准。此脚在掉电下为高阻抗。除了当它为模拟信号输出而起动外,此引脚为高阻抗。第8引脚(VDSPDigital Signal Processor Power Supply Qutput)：数字信号处理单元电压输出端。该端是指向该芯片内的数字信号处理单元电路提供稳定的输出电压。电压为。但是它不能向外不负载电路供电。该引脚与地之间应接上一个去耦电容。电容值在.1uf。此引脚连
16、到在片VDSP电压调整器的输出,供给DSP电路和ADPCM编码解码器的其它数字单元的正电压。此引脚应该用0.1uf陶瓷电容祛耦到VSS。此引脚不能用来对外部负载加电,当掉电以维持存储时此引脚内部连到VEXT。此电源输入引脚必须在2.70和5.25V之间,在内部它连到VDSP电压调整器的输入,5V调整充电泵、全部数字I/0,包括串行控制端口和ADPCM串行数据端口。此引脚也连到模拟输出驱动器(P0+、P0_、AXO+和AXO_)此引脚应用0.1uf陶瓷电容器祛耦到VSS,当器件掉电时,此引脚内部连到VDD和VDSP引脚。第10引脚(PIPower Amplifier Input)：音频功率信号放大输入端。该芯片必须与第5引脚或第6、7引脚的输出音频功率信号之间反馈接入到该端。从第11引脚输出音频功率信号。同时,该端内运放的放大增益由芯片内部
