数字基带信号处理实验.ppt

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1、实验七数字基带信号处理实验,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MCS51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。,三、实验原理,（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,（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

2、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。,1、时钟信号系统电路组成,图72 时钟信号系统电路原理框图,2、系统电路分析(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，再经二分频即为1024KHz方波时钟信号，分别作为收、发电路的

3、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,（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,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

4、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。,图77分频电路及定时变换电路波形图,（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

5、定时信号波形图,（4）接收定时信号产生电路,图710 接收定时信号产生电路,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。,（5）软件使能信号产生电路,图711 软件使能信号电路图,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6

6、25S，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,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

7、音数码率，以提高数字通信系统的频带利用率。,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

8、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。,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

9、器（即FIR滤波器）如图712所示。,图712 线性预测器的构成,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。,2、ADPCM专用芯片MC14LC5540介绍,图713 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：低功耗：5V时 150mW 功耗下降0.3mW 3V时 65mW 功耗下降0.2mW

10、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、

11、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,ADPCM编译码系统电路,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

12、，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。,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

13、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。,模拟信号输出电路,四、实验仪器,双踪同步示波器 40MHz 1台直流稳

14、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50Hz10MHz 1台万用表 1台,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,