《[2017年整理]基于pcm编解码电路研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[2017年整理]基于pcm编解码电路研究（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实训报告课 程：电视技术实训项目：编解码电路系 别：电气电子工程学院专业班级：13 级应用电子技术（3+2）一班姓 名：杨宗欣学 号：2 3 号成 绩：_指导教师：_日 期：2014 年 11 月 日 节课大连职业技术学院1电话网中 PCM 编解码电路研究1 概述PCM：Pulse Code Modulation 的缩写，即：脉冲编码调制。PCM 是用于将一个模拟信号（如话音）嫁接到一个 64kbps 的数字位流上，以便于传输。 PCM 将连续的模拟信号变换成离散的数字信号，在数字音响中普遍采用的是脉冲编码研制方式，即所谓的PCM（PULSE CODE MODULATION） 。PCM 编码是
2、 Pulse Code Modulation 的缩写，又叫脉冲编码调制，它是数字通信的编码方式之一，其编码主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。PCM 编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大。我们常见的 Audio CD 就采用了 PCM 编码，一张光盘的容量只能容纳72分钟的音乐信息。PCM 方式是由取样，量化和编码三个基本环节完成的。音频信号经低通滤波器带限滤波后，由取样，量化，编码三个环节完成 PCM 调制，实现 A/D 变化，形成的PCM 数字信号再经纠错编码和
3、调制后，录制在记录媒介上。数字音响的记录媒介有激光唱片和盒式磁带等。放音时，从记录媒介上取出的数字信号经解调，纠错等处理后，恢复为 PCM 数字信号，由 D/A 变换器和低通滤波器还原成模拟音频信号。将 CDPCM 数字信号变换还原成模拟信号的解码器称为 CD-PCM 解码器。2 PCM 的特点与前景PCM 是为了用数字方式传输或存储模拟信号，对模拟信号进行数字化的一种方法。PCM 被广泛用于电话通信中的语音传递和利用无线电传输的遥测系统中。它把模拟信号变为一系列在时间和幅度上都离散化的数字信号，然后再进一步把已离散的信号以一定的编码方法将其变为二进制代码。其编码过程分为抽样、量化、压缩、编码
4、几个步骤。在 PCM 中，波形的每个样本独立进行编码。然而，以奈奎斯特速率或更高速率采样的绝大多数信号（包括语音信号） ，其相邻的样本之间呈现明显的相关性，换言之，2相邻采样幅度间的平均变化较小。所以，利用采样中多余度的编码方案将使语音信号的码率降低。一种简单的解决方法就是对相邻样本之差编码而不是对样本本身编码，由于相邻样本之差比实际样本幅度小，所以表示差信号需要较小的位数。这种普通方法的一种改进方案是用前面的 n 个样本根据一定的规律来预测当前的样本，然后将预测值与实际值的误差进行量化后传输，在根据误差信号，采用和发送端相同的预测方法恢复出原始信号。特点是保真度高，解码速度快，缺点是编码后的
5、数据量大。 我们常见的 audio cd就采用了 PCM 编码，一张光盘的容量只能容纳 72 分钟的音乐信息。3 PCM 接口分类 53.1 话音中继接口(FXO)当你希望进行呼叫:拿起电话机（FXO 装置） 。FXS 埠将检测你是否已经进入摘机状态。拨电话号码，该号码将作为双音多频（DTMF）数字被传送到 FXS 端口。内向呼叫：FXS 端口接受呼叫，然后向附着的 FXO 装置发送振铃电压。电话铃响：尽快摘机以便进行呼叫应答。结束呼叫：通常 FXS 端口依靠连接的 FXO 装置来结束呼叫。3.2 话音终端接口(FXS)FXS 英文全称为 Foreign Exchange Station，外部
6、交换站。它是一种话音接口，是数字电话交换系统和 POTS 电话之间的一个线路端连接。它模拟 PABX 的分机接口（或中心局的用户接口），可实现一部普通电话机与一部多路复用器的连接。简单的说它是直接与普通模拟电话机、传真机、IP 电话相连的接口。3.3 数据接口（RS-232 串口）使用三根音频线，分别为收(Rx)、发(Tx) 、地(GND) ，信号线与地线（信号地线，非公共接地）之间有 12V 以内的直流电压，用万用表可直接测量。3.4 模拟四线接口 (4w E/M)使用六根音频线，分别为收(Rx)两根、发(Tx) 两根、E/M 各一根，信号线与地线（信号地线，非公共接地）之间只有微弱的交流电
7、压，用万用表难以测量出来。34 PCM 编解码原理4.1 语音信号的数字化 4语音信号是连续变化的模拟信号，实现语音信号的数字化必须经过抽样、量化和编码三个过程 3。 4.1.1 抽样 抽样是把模拟信号以其信号带宽 2 倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。例如，话音信号带宽被限制在 0.33.4kHz 内，用 8kHz 的抽样频率(fs)，就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。对一个正弦信号进行抽样获得的抽样信号是一个脉冲幅度调制(PAM)信号。对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可还原出原来的模拟信号。抽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
8、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。语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制(PAM) 信号。 4.1.2 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。即：抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整” ，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。量化后的抽样信号与量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是
9、模拟信号。这种量化失真在接收端还原模拟信号时表现为噪声，并称为量化噪声。量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。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。 4非均匀量化的实现方法有两种：一种是北美和日本采用的 律压扩，一种是欧洲和我国采用的 A 律
10、压扩。 在 PCM-30/32 通信设备中，采用 A 律 13 折线 1的分段方法，具体是：Y 轴均匀分为 8 段，每段均匀分为 16 份，每份表示一个量化级，则 Y 轴一共有 168128 个量化级。 ；X 轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。13 折线示意图如下：图 1 A 律 13 折线由于分成 128 个量化级，故有 7 位二进制码(27128)，又因为 Y 轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有 8 位二进制码。 4.1.3 编码量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、
11、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值 0 的十进制数字代码为 0） ，在码前以“” 、 “”号为前缀，来区分样值的正、负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。5话音 PCM 的抽样频率为 8kHz，每个量化样值对应一个 8 位二进制码，故话音数字编码信号的速率为 8bit
12、s8kHz64kb/s。量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即 PCM 编码。PCM 通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。在实际的 PCM 设备中，量化和编码是一起进行的。通信中采用高速编码方式。 编码器分为逐次反馈型、折叠级联型和混合型三种，在 PCM-30/32 通信设备中通常采用逐次反馈型的编码器。4.2 时分复用 6 所谓时分复用，是将某一信道按时间加
13、以分割，各路信号的抽样。值依一定的顺序占用某一时间间隔（也成时隙） ，即多路信号利用同一信道在不同的时间进行各自独立的传输。 时分复用的特点： （1 ）复用设备内部各通路的部件基本通用 （2 ）要求收、发两端同时工作，要求有良好的同步系统。 时分复用的目的：一个信道传输多路信号，即若干路信号可以采用时分复用方式以一定的结构形式复接成一路高速率的复合数字信号群路信号。 数字复接包括 bit 复接和码组复接。 PCM-30/32 路通信设备是采用码组复接的时分复用系统。 PCM-30/32 路系统的帧结构如下图所示6图 2 PCM-30/32 路系统的帧结构图中帧周期 T=1/8000 秒125u
14、s,将其平均分成 32 个时隙，每个时隙的时间间隔为125/323.91us，每一时隙传送 8 位编码，每个码的时间间隔为 3.91us/8=488ns，每帧共传送 328256 位码字。 在 30/32 路 PCM 系统中，帧结构中第一个时隙 TS0 用于传送帧同步信号，TS16用于传送话路信令，故只有 30 个时隙用于传送话音信号，所以只能提供 30 个话路。当采用共路信令传送方式时，必须将 16 帧再构成一个更大的帧，称为复帧。复帧的重复频率为 500Hz，周期为 2ms。 目前数字电话都采用 PCM 方式。对 PCM 系统，国际上采用 PDH（准同步）复接技术。此技术有两种制式，一种是
15、北美和日本采用的 24 路话音信号复接成一个基群的T 制，速率是 1554kbit/s;一种是欧洲和我国采用的 30/32 路话音信号复接成一个基群的 E 制，速率为 2048kbit/s。为了进一步提高信道利用率，国际电联规定四个基群复接成一个二次群，四个二次群复接成一个三次群，四个三次群复接成一个四次群。 PDH 系列存在诸如传输速率、帧结构和光纤接口等无世界性规范，逐级复用插入分支不灵活等问题，不能适应现代电信网的发展需要。 7国际电联于 19881993 年提出并完善了同步数字系列(SDH) 。其复用结构如下图：图 3 复用结构在 SDH 中，其基础传输信号是同步传输模块(STM)。S
16、TM-1 的传输速率为155520kbit/s,STM-N 的传输速率为 N155520kbit/s，目前 N 的取值为 1、4、16 和64。4.4 频分多路复用频分多路复用 7(frequency-division multiplexing，FDM)这种方法是把传输信道的频带分成好几个窄带，每个窄带传送一路信号。例如，一个信道的频带为 1400 Hz，把这个信道分成 4 个子信道(subchannels) ：820990 Hz, 12301400 Hz, 16401810 Hz 和20502220 Hz ，相邻子信道间相距 240 Hz，用于确保子信道之间不相互干扰。每对用户仅占用其中的一个子信道。这是模拟载波通信的
