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1、实验七数字基带信号处理实验 v一、实验目的v 1、熟悉该系统的时钟信号与各种定时信号的 产生方法。v 2、理解自适应差值脉冲编码调制（ADPCM） 的工作原理。v 3、了解大规模集成电路MC145540的电路组 成及工作原理。v 4、了解单片机在通信中的应用。v二、实验预习要求v 1、复习脉冲编码调制（PCM）实验的内容。v 2、预习有关MCS51单片计算机的原理及应 用。v 3、预习本实验内容，熟悉实验原理和步骤。 三、实验原理 v （一）系统电路组成系统电路和总方框图如图71所示。图71数字信号通信实验系统框图 v（二）系统时钟信号与信号产生电路v 在实验电路或其它电路中，时钟信号是 非常
2、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。v1、时钟信号系统电路组成图72 时钟信号系统电路原理框图v2、系统电路分析v (1) 2048KHz时钟信号产生电路电路如图74所示。 图74 2048KHz时钟信号产生电路电路由倒相器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
3、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75所示。图75 突收、突发工作时钟信号 v（2）时钟分频及定时变换电路图76 时钟分频及定时变换电路 v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
4、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。vU208: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。v 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。图77分频电路
5、及定时变换电路波形图 v（3）发送定时信号产生电路 图78 发送定时信号产生电路图79 发送定时信号波形图 v （4）接收定时信号产生电路 图710 接收定时信号产生电路 v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。v 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。v（5）软件使能信号产生电路图711 软件使能信
6、号电路图从图中可见，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625S ，周期为17000S的软件 使能信号。（三）自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）系统电路v 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
7、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。 v 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/s32kb/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
8、 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。v 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。v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
9、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712所示 。 图712 线性预测器的构成v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。v 2、ADPCM专用芯片MC14LC5540介绍 图71
10、3 MC145540 ADPCM编译码内部电路框图 图7-14 管脚分配图 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0.3mW3V时 65mW 功耗下降0.2mW 低噪声；有差分模拟电路。 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300负载负抗
11、相匹配。 可提供振铃接口的推挽300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。图715 外部CPU对MC145540读、写操作时序波形图716 ADPCM信号串行口时序波形图电路基本工作原理 模拟信号平衡输入/不平衡输出电路 v ADPCM编译码系统电路 v模拟信号从电容E101（10uf/16V）,进入电阻R113（ 10K）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（10K）到运放的反相输入
12、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。v 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
13、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。v 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。v 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。v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
14、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。v模拟信号输出电路四、实验仪器 v双踪同步示波器 40MHz 1 台v直流稳压电源 +5V -5V +12V 1 台v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）v数字信号基带传输实验箱 1 台v数字频率计测量频率范围50Hz10MHz 1 台v万用表 1 台五、实验内容及步骤 v特别提醒：v在连接电源和实验箱
15、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TP201TP225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 。 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TP101TP116各测量点 波形的功用。 基带压缩信号处理传输波形图
