现代通信原理实验指导书

实验一 AMI码、HDB3码编译码实验

一、实验目的

1、了解单极性码、双极性码、归零码、不归零码等基带信号波形特点； 2、掌握AMI码、HDB3码的编、译码规则、工作原理及实验方法； 3、熟悉从AMI码、HDB3码中提取位同步信号的原理及方法。

二、实验内容

1、 AMI编译码实验及位同步信号提取实验。 2、 HDB3编译码实验及位同步信号提取实验。

三、实验仪器及设备

1、20MHZ双踪示波器 GOS-6021 1台 2、函数信号发生器/计数器 SP1641bB 1台 3、直流稳压电源 GPS-X303/C 1台 4、HDB3编译码实验箱 1个

四、实验原理

PCM信号在电缆信道中传输时一般采用基带传输方式。但在实际的基带传输系统中，不能简单地将PCM编码器输出的单极性码序列直接送入信道传输，因为单极性码序列的功率谱中含有丰富的直流分量和较多的低频分量，不适于直接送入用变压器耦合的电缆信道中传输，为了获得优质的传输质量，一般是将单极性码序列进行码型变换，以适应传输信道特性的要求。

(一)传输码型的选择

在选择传输码型时，需考虑信号的传输信道特性以及对定时提取的要求等。归结起来，传输码型的选择，要按以下几个原则考虑:

1．码型中应无直流分量，且低频分量少

在电缆信道传输时，要求传输码型的频谱中不应含有直流分量，同时低频分量要尽量少。原因是PCM端机、再生中继器与电缆线路相连接时，需要安装变压器，以便实现远端供电(因设置无人站)以及平衡电路与不平衡电路的连接。

图1.1 PCM端机、再生中继器与电缆连接图

图1.1是具有远端供电时PCM端机、再生中继器与电缆连接图，图中变压器起隔离电源的作用，以保护局内设备。由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性，如果传输码型中存在直流和低频成分，则无法通过变压器，否则将引起波形失真。

1

2．码型中高频分量应尽量少

一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁辐射而引起的串话是随着频率的升高而加剧，因此要求频谱中高频分量尽量少，否则会因串话限制信号的传输距离。

3．便于提取定时时钟信息

码型频谱中应含有足够大的定时时钟信息，以便再生中继器接收端能提取到必需的时钟信息。

4．码型应具有内在的检错能力

若传输码型具有一定的规律性，即具有内在的检错能力,那么就可根据这一规律性来检测传输码型的差错，以便做到自动监测。 (二)常用的传输码型

1．单极性码

单极性码是一种最简单、最基本的码型。

图1.2 (a)是单极性全占空码(占空比100%)及其频谱，图(b)是单极性半占空码(占空比50%)及其频谱。

图1.2 传输码型及其功率谱密度

单极性码存在直流成分，且信号能量大部分集中在低频部分。占空比越大，则直流成分也越大，信号能量越集中在低频部分。由于单极性码存在上述缺点，它不适合于作为信道传输码型，但在设备内部的传输多采用单极性码。为了减少码间干扰和便于时钟提取，常采用含有时钟频率的单极性半占空码。

2

2．传号交替反转码 (AMI码)

图1.2 (c)所示是双极性半占空码，由于传号码(“1”码)的极性是交替反转的，所以又称传号交替反转码，简称AMI码。AMI码与二进制序列的关系是：二进制序列中“0”仍编为“0”；而二进制序列中的“1”码则交替地变为“+1”码及“-1”码，例如：

二进制序列： 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 AMI码： +1 -1 0 +1 0 0 0 0 –1 +1

由于AMI码的传号码前后交替反转，所以该码没有直流分量，高频、低频成分也较少，而且能量集中在fB/2处，但无时钟频率fB成分(这无关紧要，可在接收端采用全波整流方法。将AMI码还原成单极性半占空码，就可提取时钟信息)。

从频谱中可以看出它有以下优点:

①无直流成分，低频成分也少，有利于采用变压器进行远供电源的隔离，而且对变压器的要求(如体积)也可以降低。

②高频成分少，不仅可节省信道频带，同时也可以减少串话，因信码能量集中在fB/2处，所以通常以fB/2频率来衡量信道的传输质量。

③码型提供了一定的检错能力，因为传号码的极性是交替反转的，如果发现传号码的极性不是交替反转的，就一定出现误码，因而可以检出单个误码。

④码型频谱中，虽无时钟频率成分，但AMI码经过非线性处理(全波整流)，变换成单极性码后，就会有时钟频率fB成分。

由于具有上述优点，AMI码广泛使用于PCM系统中，它是CCITT建议采用的码型之一。 AMI码编码电原理图及其对应的波形如图1.3(a)、(b)所示。

图1.3 AMI码编码电原理图及其对应波形

3

AMI编码的缺点是二进制序列中的“0”码变换后仍然是“0”码，如原二进制序列中连“0”码过多，则变换后AMI序列中仍然是连“0”过多，这就不利于定时信息的提取，为了克服这一缺点，常采用HDB3码。

3．三阶高密度双极性码(HDB3码)

HDB3码是三阶高密度双极性码简称，HDB3码除保留AMI码所有优点外，还可将连“0”码限制在3 个以内，它克服了AMI码对“0”码个数无法限制的缺点。

HDB3码编码规则:

二进制序列变换为HDB3码按下列规则进行：

(1) HDB3是伪三进码，它的三个状态可用+1，-1和0来表示；

(2) 二进制序列中的“0”码在HDB3码中仍编为“0”码，但对出现四个连“0”码时应按特殊规律编码；

(3) 二进制序列中的“1”码，在HDB3码中应交替地变成+1和-1码(信号交替反转），但在编四个连“0”码时要引入传号交替反转码的“破坏点”V码(V码本身就是“1”码，可正、可负)；

(4) 二进制序列中四个连“0”按以下规则编码：

(a) 若信码中出现四个连“0”码时，要将这四个连“0”码用000V或B00V来代替。

(B也是“1”码，可正、可负)。B、V为附加的传号码，称为取代码。

(b) 如果HDB3码中四个连“0”码前面的一个传号码的极性与前一个破坏点V的极性

相反，则四个连“0”码的第一个“0”码应编为“0”码；如果HDB3码中四个连“0”码前的一个传号码的极性与前一个破坏点V的极性相同，则四个连“0”码的第一个“0”码就编成B码。这一规则保证了相继破坏点具有交替的极性，因而不会引入直流成份。

(c) 四个连“0”码的第二个“0”和第三个“0”码总是编成“0”码。

(d) 四个连“0”码的最后一个“0”码总是编成破坏点V码，以便接收端对破坏点的

识别。

概括地说，HDB3码是一种四连“0”取代码，它的取代码是“000V”或“B00V”。这两个取代码的选取原则是：使任意两个相邻v脉冲间的传号数为奇数时选用000V取代码，偶数时则选用B00V取代码，这一规定的结果使相邻V脉冲的极性改变符合极性交替原则。

(三) HDB3码编、解码器方框图、电原理图 1．HDB3码编码器

HDB3码编码方框图、电原理图、波形图如图1.4(a)(b)(c)所示。该编码器由连“0”码检出、取代节判决、破坏点产生和单双变换四个部份组成。连零检出电路的作用是：当信码流中出现四个连“0”码时，检出一个控制信号，该检出电路由JC1－JC4四级移位寄存器和与非门JC11组成。取代节判决电路作用是：当有四个连“0”出现时，判别由哪种取代节(BOOV或OOOV)来取代四连“0”码，该判别电路由JC5、JCl2、JC6和JC10组成。破坏点产生电路是把取代节最后一比特变成极性交替的破坏点，它由JC5、JC7和JC12组成。单双变换电路的作用是：将单极性不归零码变换成双极性不归零码，它由JCl6、JCl7、JCl5、JCl8、BGl、BG2及脉冲变压器组成。

4

图1.4 HDB3编码电路方框图、原理图和波形

2、HDB3码解码器

接收端收到HDB3码后，应对HDB3码解码，还原成二进码。HDB3解码器的电原理图、时间波形图如图1.5所示，根据HDB3码的特点，HDB3码解码主要分成三步进行:首先检出极性

5

破坏点，即找出四连“0”中添加的V码的位置(破坏点的位置)，其次去掉添加的V码，最后去掉四连“0”第一位添加的B码，还原成单极性不归零码。

HDB3码解码电路工作原理如下:JCl、JC2二个D触发器在CP作用下，将信码再生送来的码(有正极性和负极性)都变成正的不归零码，再通过JC3、JC4、JC9、JCl0将破坏点V码检出，再由与非门JCll、JCl2构成的扣除门将破坏点V码去除，为了去掉添加的B码可将JCl3输出信号经过JC5、JC6、JC7三级移存器进行三比特移位，这样所添加的B码正好与破坏点相遇，再用扣除门JC14、在JC9、JCl0的扣除脉冲作用下，扣除B码，JCl4输出的已是扣除添加的B、V码的负极性不归零信号，再经J触发器定位整形，即可从解码器送出正极性的不归零码。

HDB3码位定时提取由异或门完成。归零码变换后再经晶体管调谐选频提取时钟分量，最后由7404判决、整形产生位定时。如图1.6所示。

图1.5 HDB3解码器电原理图、波形图

6

图1.6 HDB3码位定时提取

五、实验内容与步骤

准备工作：

1、打开稳压电源开关，调整稳压电源的输出（按实验板上所需电压调整），将电流表旋纽顺时针旋至最大；

2、将稳压电源输出插座与实验板电源插座之间的连线连接好（注意正、负极），检查无误后按下“OUTPUT” 按纽；

3、注意观察电流表指示：正电流 I＜180mA

若电流表上指示电流与上述电流差距太大，要迅速关掉电源，检查电源连线有无接错或其它原因。

本实验有以下测试点及输出点： ? ? ? ? ? ? ?

P12 单极性二进制码序列

P22 编码器输出信号(AMI码或HDB3码) P23 四连零检出信号 P31 译码时钟提取信号

CP3 整形后的译码时钟提取信号 P32 除破坏点V码后的检出信号

PCM OUT 译码器输出信号(AMI码或HDB3码)

为了测试电路方便，实验板上提供了一个简易PCM信号发生器，根据开关的位置，可产生8位循环的随机码。实验时可自己选择K1－K8的开关，产生所需的各种连0、连1单极性二进制码。

（一）、AMI编、译码实验及位同步信号提取实验

将K9、K10置“AMI”位置(波形记录20个码元以上)。

1．K1一K8置“10011100”，测量记录P12、P22、P31、CP3波形，观察AMI码变换规则。 2．K1一K8置“10000000”，测量记录P12、P22、 P31、CP3波形，观察当连0码多时，AMI码的变换规则。测量P31译码时钟提取波形时会发现，由于连0数多，P31时钟提取波形呈衰减趋势，整形后的时钟信号CP3脉冲波形有断续。即AMI码连0数大多时，对时钟信号提取不利。

3．K1一K8置“00000000”，测量记录P12、P22、 P31、CP3波形，P12、P22这时为全

7

0电平，再测量译码时P31时钟提取波形及整形后的时钟信号CP3的波形，P31、CP3也为全0，时钟信号提取不到。

（二）、HDB3编、译码实验及位同步信号提取实验

将K9、K10置“HDB3”位置(波形记录20个码元以上)。

1．K1一K8置“10Ol11OO”，测量记录P12、P22、P23、 P31、P32、CP3、PCM OUT波形，观察HDB3码变换规则。在没有四连0时，P23无四连0检出信号， HDB3与AMI码变换规则相同。但由于要储存计算有无4个连0，故P22输出比P12输入要延时5个码元，其余类同。测量P32时检测不到破坏点V码，比较P12与PCM OUT输出，恢复的数据与发端相同。

2．K1一K8置“10010000”，测量记录P12、P22、P23、 P31、P32、CP3、PCM OUT波形。由于有四个连0码，P23有四连0检出信号，P22输出有破坏点V码出现。将P22与CP2比较，你会发现，这时四连0是做BOOV变换。因为这时两个V间有偶数个B码。测量P32，这时收端可以检测到破坏点V码，CP3时钟提取正常，将译码PCM OUT与P12比较，恢复数据与发端相同。

3．K1一K8置“10000000”，测量记录P12、P22、P23、 P31、P32、CP3、PCM OUT波形，观察HDB3码变换规则，这时可看到有破坏点V码，测量P23，有四连0检出信号。把P22与CP2比较，你会发现，这时四连0码是做0OOV变换，因为这时两个V间有奇数个B码。 测量译码PCM OUT，恢复的数据与P12输入相同。

4．K1一K8置“00000000”，测量记录P12、P22、P23、 P31、P32、CP3、PCM OUT波形，观察HDB3码变换规则。这时四连0是做BOOV变换。P23有四连0检出信号。测量译码P3l、时钟CP3，虽然P12无信号送入，时钟CP3仍然能提取得出来。用频率计测量时钟CP3频率，其数值与P1、P2是相同的。将K9、K10转置“AMI”，则P3l、CP3时钟立即消失，把K9、K10再转置“HDB3”，则P3l、CP3时钟立即出现。测量P32，有破坏点V码检出。比较P12与P32，P32有插入B脉冲检出。测量P12与译码PCM OUT，恢复的数据相同，仍然是全0码。

六、实验报告要求

① 分析整理实验数据及波形；

② 说明AMI码和HDB3码的特点及变换原则；

③ 从示波器上看到的HDB3变换规则与理论上分析的有什么不同，为什么会有这个差别？

实验二：抽样定理实验

一、实验目的

1. 了解抽样信号和抽样保持信号的形成。 2. 验证抽样定理。

8

3. 了解多路抽样路际串话的原因。

二、实验内容

1. 抽样和分路脉冲的形成实验

2. 抽样信号和PAM信号的形成实验 3. 抽样信号的恢复实验 4. 抽样定理验证实验 5. 多路抽样路际串话实验

三、实验仪器及设备

1. 2. 3. 4. 5.

20MHZ双踪示波器 GOS-6021 1台 数字频率计 1202 1台 直流稳压源 HT－17121 1 台 万用表 1块 抽样定理实验箱 1个

四、基本原理

抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础的。抽样性能的优劣关系到整个系统的性能指标。

利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为“抽样”，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号，在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真恢复出原信号。

图2. 1画出了传输一路语音信号的PCM系统原理框图。从图中可以看出，要实现对语音的PCM编码，首先就要对语音信号进行抽样，然后才能进行量化和编码。因此，抽样过程是语音数字化的重要环节，也是一切模拟信号数字化的重要环节。

为了更形象地观察抽样过程，加深对抽样定理的理解，本实验提供了一种典型的抽样电路。除此以外，本实验还模拟了两路PAM通信系统，从而帮助大家初步了解时分多路的通信方式。

图2. 1 PCM系统原理框图

1、抽样定理

9

抽样定理指出，一个频带限制在（0，fH）赫兹内的时间连续信号m(t)，如果以TS≤1/2 fH秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。因此，对于一个最高频率为3400HZ的语音信号m(t)，可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示，语音信号m(t)的频谱及语音信号的抽样频谱分别如图2和图3所

图2.2 语音信号的频谱 图2.3 语音信号的抽样频谱

示。在接收端，再用截止频率为fH的理想低通滤波器就可以无失真地恢复原始信号 m(t)，这说明了抽样定理的正确性。

图2.4 留出防卫带的语音信号的抽样频谱 图2.5 fs＜fH时语音信号的抽样频谱

实际上，考虑到低通滤波器特性不可能理想，对最高频率为3400Hz的语言信号，通常采用8KHz抽样频率，这样可以留出1200Hz的防卫带。见图2.4，如果fs＜fH，就会出现频谱混迭的现象，如图2.5所示。

在验证抽样定理的实验中，我们用单一频率fH的正弦波来代替实际的语音信号。采用标准抽样频率fs＝8KHZ。改变音频信号的频率fH，分别观察不同频率时，抽样序列和低通滤波器的输出信号，体会抽样定理的正确性。

图2.6 抽样定理实验方框图

2、多路脉冲调幅系统中的路际串话

10

非线性编码器具有特定的压缩特性，这种特性是为了使编码结果与信号幅度相匹配，以最大限度地减小量化噪声功率。目前得到广泛使用的是两种对数形式的压缩特性，即A 律和μ律对数线近似。本实验选用的集成化PCM编译码器14502具有13折线逼近的对数压缩特性。编码器与译码器的压缩特性如图3.2和图3.3所示。图3.2中，每一个折线段各自被划分为16个分层电平。二相邻段落的分层按步阶1/2递减分段，而每个段落内的分层都是均匀的。

图3.2 编码压缩特性 图3.3 译码器压缩特性

模拟信号经分段分层处理后被编成二进制码组，码组的形式为折叠二进制。在A律l3折线的编码方式中，国际标准规定最大量化输入为2048个量化单位，各段量化间隔?1＝?2＝1，?3＝2，?8＝64。由于采用非线性编码，码组中每位电平码的权重是变化的。以上编码规律可用表1—1、表1—2详细说明。这里对应模拟信号为正值的情况，若输入为负，则PCM码字的最高位“符号位”由“1”改为“0”，其他规律不变。

16

1. 逐次反馈比较编码

所谓编码就是将抽样后的样值信号变换成二进码序列的方法，用的最多的是逐次反

馈编码方案。图3.4是逐次反馈比较编码方框图。

图3.4 逐次反馈比较编码方框图

编码的工作原理与天平称量物体重量的方法相似。 (1) 判定值(权值)的提供与编码方法

逐次反馈编码相当于天平称物，要提供一套大小不同的判定值(砝码)来作标准权值。当称量(比较)一次后，如果物体重量(相当于信号的抽样值)重于砝码(相当于设备中提供的判定值)时，下一次称量需保留原砝码外再增加一个砝码(换一个较大的判定值)，反之若发现物体重量轻于砝码重量时，则需更换一个较小的砝码，逐次反馈比较编码方式就是仿此概念而来的。

确定A律13折线8位码的判定值的方法是：极性码的判决不需要判定值(严格讲，其判定值为零)，它根据输入信号(电流值0的极性来决定。即

Is?0时,a1?\1\码，Is?0时,a1?\0\码 。

17幅度码的位数是7位，需要2?1?2?1?127个判定值，它们分别是： 第1段 0、1、2、3?????????????15共15种 第2段 16、17、18?????????????31共16种 第3段 32、34、36?????????????62共16种 第4段 64、68、72?????????????124共16种 第5段 128、136、144???????????248共16种 第6段 256、272、288???????????496共16种 第7段 512、544、576???????????992共16种 第8段 1024、1088、1152?????????1984共16种

实际上没有必要产生这127种判定值(否则设备太复杂)，根据13折线压扩特性是通过图

17

中本地解码电路中7/11变换来实现，即将压缩后7位非线性码变换成11位线性码，也就是只需要利用这11位线性码所对应的权值作为判定值即可。

(2) 极性判决与全波整流

具有正、负双极性信号的话音信号，分别送入极性判决和全波整流电路，一方面将正或负信号编成a1=“1”码或a1=“0”码，另一方面将双极性信号整流成单极性“正”信号再送入编码器编码。

对编码用的全波整流器的要求是： 对大、小信号都能整流，同时具有良好的线性特性。对于普通二极管整流器来讲，由于二极管的结电压以及伏安特性的非线性，上述两点要求均无法实现为此常采用运算放大器的折叠放大电路来组成全波整流电路。 (3) 比较器

比较器是一种模数变换部件，它是双端模拟输入单端数字输出的三端器件，如图3.5 (a)所示，对于理想的电压或(电流)比较器，其输入与输出的转移特性如图 (b)所示。如果在正端输入样值U(I)；负端接判定值UR(IR)，显然Us≥UR时，输出U0H (“1”码)；当Us?UR时，输出U0为低电平U0L (“0”码)。但这种理想比较器是不可能做到的，实际比较器的转移性如图(c)所示，它在Us?UR??后才转换，而在区间(??~??)是不转换的，这区间称为模糊区。在模糊区内U0不能肯定是“1”码还是“0”码。而比较器的灵敏度是从输出“0”码转换成

U?URU?URU?UR“1”码所需要的s差值来衡量的，s大时，比较器灵敏度就低，而s小时，比较器灵敏度就高，显然图(c)的灵敏度为2?，从要求比较器灵敏度高的条件，希望模糊区2?越小越好。

图3.5 比较器

对转移特性影响较大的还有比较器输入失调电压，它不仅使灵敏度降低，而且失调电压的不稳定会形成比较器工作点漂移，严重时会引起编码误差，所谓失调即??不等，如图(d)所示。解决办法可采用自动稳零路如图(e)所示。这样可使模糊区的中点对准Us?UR?0 称为稳零。

7比特串并变换及记亿电路如由图3.6所示。

18

图3.6 7比特串并变换及记忆电路

(4) 本地解码器

图3.4所示的方框图中，输入经保持的PAM信号分作两路，一路送入极性判决电路，在D1时刻进行判决，信号为正极性或负极性时，分别用a?1或a?0表示。另一路经全波整

11流后与本地解码器输出的判决值比较，在位脉冲D2,D3,?,D8时隙比较后，形成a2,a3,?,a8码字。本地解码器的作用就是将除极性码a1以外的a2,a3,?,a8码逐位反馈经串并变换，并存贮在记亿电路中，记亿电路输出分别为M2,M3?,M8，再将M2~M8这7位非线性码变换为11位线性码(又称7/11变换)，再经11位线性解码网络，就可得到11种判定值(IR)。所以本地解码器包括7比特串并变换及记亿电路、7/11变换电路及11比特线性解码网络。

① 7比特串并变换及记忆电路

每个样值开始比较前，下权脉冲D8将M2置于1，同时将M3~M8清0，由于

M2M3M4?100，正好是第5量化段的起点电平，它等于128?，用这个IR2和输入经保持的PAM值比较。当PAM值(以Is表示)大于IR2时，a2?1，经非门后a'2?0，然后反馈至F2 (与

非门)的一个输入端，在这时反馈用脉冲D'2?1同时加到F2的另一端，F2输出高电位，即，F2?1时，M2?1保留，另外在这同时D2又将M3置1，结果M2M3M4?110，正好是第7段

I?512?的起点电平，它等于512?。下一次比较时， R3。当PMA值(Is)小于IR3时，a3?0，经非门后a'3?1，反馈至F3的一个输入端，同时D'3?1加至F3的另一输入端，F3?0，这时M3被清零即M3?0，同时D'2将M3置1，结果M2M3M4?010，这正好是第3段起点电平，它等于32?，下一次比较时IR3?32???。

② 7/11变换电路

7/11变换又称非线性码/线性码变换，即将非线性7位幅度码变换成线性11位幅度码它

19

们的变换关系可用表1—3表示。

表1—3 A律13折线非线性码与线性码的关系

其中Ci为第i段的“段落标志”，即Ci?C1表示是第1个量化段，于是有C1?a2a3a4，C2?a2a3a4,C3?a2a3a4,C4?a2a3a1,C5?a2a3a1,C6?a2a3a4,C7?a2a3a4,C8?a2a3a4根据表1—3可得出ai与Bi之间的逻辑表达式。例如线性码B4的权为128?，哪几种情况要求出128?的权值呢? 对应于128?的非线性码有以下4种情况：

第一种是第8量化段(C8?1)时的a7?1；即C8a7?1； 第二种是第7段(C7?1)的a6?1时； 第三种是第6段(C6?1)的a5?1时; 第四种是第5段(C5?1)时。

根据公式2－27可写出下列7/11变换逻辑表达式：

B1(1024?)?C8B2(512?)?C8a5?C7B3(256?)?C8a6?C7a5?C6B4(128?)?C8a7?C7a6?C6a5?C5B5(64?)?C8a8?C7a7?C6a6?C5a5?C4?B6(32?)?C8?C7a8?C6a7?C5a6?C4a5?C3B7(16?)?B8(8?)?B9(4?)?B10(2?)?B11(1?)??B12(12?)??C7?C6a8?C5a7?C4a6?C3a5?C2?C6

?C5a8?C4a7?C3a6?C2a5?C1a5?C5?C4a8?C3a7?C2a6?C1a6?C4?C3a8?C2a7?C1a7?C3?C2a8?C1a8?C2?C1式中“+”表示“或”运算；相乘表示“与”运算，标“*”者为收端解码用。

20

③ 线性解码网络

线性解码网络用于线性码的数/模转换，它的特点是变换后电流(电压)值，对应着每一位幅度码权值的总和。图3.7是11位线性型解码网络。

该电路是某集成电路(11位幅度码)的解码网络，其特点如下：

a、网络中电阻仅两种(R,2R)，容易满足精度要求，也有利于集成化;

b、不论幅度码Bi?\1\码时的Ii或Bi?\0\码时的Ii不等于零，而且两者的电流Ii近似相等，(因运算放大器输入端为虚地)；

c、从任一节点(1~11点)向右看进去的阻抗都为2R (如图所示)，因此每个2R支路中的电流Ii自左向右以1/2系数逐渐递减。

图3.7 11位线码解码器

每个支路电流Ii分别为：

I1?VREF2R?(VREF2R)?20I2?I1?2?1?(VREF2R)?2?1??I11?I1?2?10?(VREF2R)?2?10VREF~参考电压

而送到运放输入端的总电流ID，决定于幅度码B1~B11的状态，即当Bi?\1\时，Ii才送到运放输人端，因此总电流ID为：

ID?(VREF/2R)(B1?B2?2?1?B3?2?2????B11?2?10)

设VREF/2R?2?10??，则(2.28)式可写成：

ID?(1024B1?512B2?256B3???2B10?B11)?

由此可见，梯形网络利用电流的1/2递减系数起到使电流(电压)幅值依次减半的作用。 7/11变换后的11位线性码B1~B11分别控制开关S1~S11，各幅度码的总和就是变换后的电流(电压)值。

(5) A律13折线解码

解码的作用是把接收到的PCM 信码还原成相应的PAM 信号，即数/模(D/A)变换。 A律13折线解码器的方框图如图3.8所示，它与图图3.4中本地解码电路很相似，又有不同点：

① 增加了极性控制部分：

21

根据接收到的PCM信号的极性码ai是“1”码还是“0”码，来辨别PAM信号的极性，极性码的状态在记亿寄存器M1中，由M1?\0\，或M1?\1\来控制“极性控制电路，使解码后的PAM信号的极性得以恢复成与发送端相同的极性。

② 逻辑压扩部分由原7/11变换改为7/12变换：

由7/11变换变成7/12变换是使变换后输出的线性码增加一个码位，其目的是使解码输出的信号值，对应于量化编码时的每一量化间隔的中间值，就是说可保证解码后的量化误差不会超过?i2。

举例说明

如前所述某抽样值Is?444?，经过A律13折线编码后，其码字为{11011011}。从减小量化误差这概念来讲，量化值应取量化级(量化间隔)的中间值。而Is?444?，是在第6量化

段中第12个量化级中，量化间隔为432?~448?，按理说量化值取中间值为440?时

图3.8 13折线(A线)解码器方框图

其量化误差最小。但从编码{11011011}解码后的电平来看是432?，这样的结果量化误差为

444??432??12?，大于?62?8?，如果在解码后固定加一个?i2，则量化误差为444??432???62?4?，这样量化误差就小于半个量化级8?，因此，在解码后固定加入一个?i2，就可保证解码后的量化误差小于?i2。

表1—3中各相应段的1*加入后，相当于补加了一个?i2，第6段中的1*是?i2?8?，

?2?8?即解码后第6段要固定加上i。

③ 寄存器读出是接收端解码器中所特有的，它的作用是把输入信号(PCM信号)寄存起来(相当于一个栈房)，在一定的时刻一齐输出到解码网络去。

单片集成PCM编解码器

早期的编解码器模拟部分电路采用双极工艺，数字部分电路要用MOS工艺；因而要由两块芯片组成一个编解码器。随着生产工艺的改进和MOS电路性能指标的提高，己可以全部用MOS工艺在一块芯片上制成单片单路编解码器。其中，CMOS工艺制成的电路利于降低功耗，但工艺过程较复杂；而采用NMOS工艺的电路耗电量较高，但工艺较简单，权衡利弊，从目前美、日等国商品来看，大多采用CMOS工艺。

话路滤波器是PCM编解码器不可缺少的部件，在话音信号的抽样之前，先通过低通 滤波器(截止频率为3400HZ)，将3400HZ以上的成分滤掉，以防止用8kHZ抽样频率抽样后产生折叠噪声，这个滤波器要采用5阶椭圆函数有源滤波器来实现。

另外PCM解码后输出的是阶梯形的PAM信号，为了防止高频失真，需加入一个具有x/sinx函数的均衡低通滤波器，以补偿高频成份。

22

图3.9 集中编码方式PCM30/32方框图

七十年代前音频滤波器是采用LC分立元件组成，七十年代出现了实用的RC有源滤波器以及薄膜混合电路，七十年代末，采用MOS工艺技术，成功地制成一种新型的音频话路滤波器一一MOS开关电容滤波器，由于这种MOS开关电容滤波器可以采用NMOS或CMOS工艺实现，这样就可能在同一块硅片上利用大规模集成电路技术将话路滤波器和编解码器集成在一起成为单片PCM编解码器。

A、单片开关电容话路滤波器

1. 开关电容代替电阻

用开关电容替代电阻，十分适合于大规模集成工艺，因为在硅片上制作扩散电阻不仅面积大，而且精度较难保证。

开关电容滤波器由开关、电容和运算放大器组成，首先介绍开关电容替代电阻的基本原理，如图3.10所示。

图3.10 (a )中K表示开关，它是由两个MOS晶体管来实现的，如图3.10 (b)所示，同频反相的信号接于两管栅极以保证两管交替导通，等效于开关K左右接通的作用。开关K以一定的频率fSW?1TSW在U1和U2之间接换，当K与U1接通时，电容上储存的电荷Q?C1U1通过一次切换，在周期TSW内由U1端送往U2端的电荷等于

?Q＝Q1－Q2＝C（1U1－U2)

这就等效于在U1端和U2端有一电流通过，其数值为I?

?QC1(U1?U2) ?TSWTSW只有开关频率fSW比U1、U2端信号的最高频率还要高得多，开关切换过程中U1、U2之

间可认为不变，那么电流I也基本维持不变，则U1、U2之间可等效于一个电阻，如图图3.10 (c)所示。

其阻值R为： R?(U1?U2)/I?TSW/C1?I/fSW?C1

上式说明电阻R与电容C1的容量和开关频率fSW有关，一旦两个因素确定，R也随之确

23

定。

图3.10开关电容代替电阻

B、电容阵列式解码网络

单片集成编解码器内部电路的核心部分是解码网络(D/A变换)，为适应大规模集成工艺制造的特点，解码网络的构成方式已不同于分立元件或小规模集成电路，目前用的最多的是电容阵列式解码网络。

典型的适用于MOS工艺的解码网络是电容阵列式(电荷分布式)解码网络，它是利用MOS电容存储电荷的原理，由一组具有二倍比的电容阵列受开关控制，使其电荷再分布来实现解码。

图3.11是电容阵列式解码网络。

图3.11 电容阵列式解码网络

MOS开关S1(i?1~n，本例中n?6)由n位二进制数字控制，当b1?1时，Si接参考基准电源UREF；当bi?0时，Si接地。

初始时，开关K接地，Si受数字位bi控制，此时x点充有电荷，在点的电荷：

Qz??CURBF?bi (3. 4) i?1i?12n随后开关K倒向悬空位置，并使所有开关Si全部接地，若运放输入阻抗足够大无漏电，此时x点电位等于：

U1?Q1Inbi ??R?i?2C2i?121A?IREFnbi?i?1 i?12224

式1.3中的2C为X点对地总电容，设运放增益为A，则运放在输出电压为;

U0?(3. 5)

可以看出输出电压U0与送入的二进制数字信息有着对应的关系从而实现了D/A转换功能。

PCM编译码实验原理图如图3.12所示。

P1 晶振 4096kH分频器脉正弦信 抽 样 冲 W 外音

产生器 号源 P2 K5 K3 K2 K1 P7 W2 P6 P9 编码 14502 译码 功 放 假负载 K6 图3.12 PCM编译码实验原理图

五、实验内容与步骤

准备工作：

1、打开稳压电源开关，调整稳压电源的输出（按实验板上所需电压调整），将电流表旋纽顺时针旋至最大；

2、将稳压电源输出插座与实验板电源插座之间的连线连接好（注意正、负极），检查无误后按下“OUTPUT” 按纽；

3、开机时注意观察电流表：

正电流 ＋I＜180mA 负电流 －I＜60 mA

若电流表上指示电流与上述电流差距太大，要迅速关掉电源，检查电源线有无接错或其它原因。

本实验有以下测试点及输出点：

? ? ? ? ? ? ? ?

P1 晶振输出波形 P2 位定时时钟信号 P3 多路编码取样脉冲 P6 正弦（音频）信号

P7 经衰减后的正弦（音频）信号 P9 PCM编码输出 P10 PCM解码输出

P12 多路编码信令时隙脉冲

(一) 时钟信号测试实验

25

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nkf6.html