1、實驗三實驗三 增量調制（增量調制（M）編譯碼實驗）編譯碼實驗v一、實驗目的一、實驗目的v 1、了解語音信號的M編碼過程；v 2、驗證M的編譯碼原理； 粗略了解M編譯碼專用集成電路的基本工作原理、 外部電路設計原則和一般使用方法； 了解語音信號數字化技術的主要指標，學習指標的測 試方法。v二、實驗預習要求二、實驗預習要求v 1、復習通信系統原理中有關M增量調制原理的章節；v 2、認真預習本實驗內容，熟悉實驗步驟；v 3、了解主要指標的測試方法。 三、單片三、單片M編碼系統組成和電路原理編碼系統組成和電路原理 v1、系統組成與電路原理、系統組成與電路原理 系統組成的方框圖如圖所示，它是由定時部分、

2、M編譯碼器及收、發運放電容濾波器組成的。 語音信號發定時發濾波器編碼器收定時收濾波器譯碼器語音信號信 道M編譯碼系統框圖 v2、電路原理、電路原理vMC3418簡介簡介 MC3418是MOTOLOLA公司生產的通信專用集成電路，它是數字檢測音節壓擴增量編譯碼器。它由模擬輸入放大器、數字輸入運算放大器、電壓/電流轉換運算放大器、極性開關、工作選擇開關和數字檢測(移位寄存器和邏輯電路)等部分構成的。 第15腳的工作電平可以控制該片工作于編碼狀態或譯碼狀態：當第15腳接高電平(VCC/2)時，該片做編碼器用；當第15腳接低電平(地)時，該片做譯碼器用。+-+12調 制 /解 調 選 擇時 鐘VCC電

3、 源 +VEE電 源 -12345678910111213141516模 擬 運 放VTH數 字 運 放3+-極 性 開 關+-4IintIovcc/2邏 輯4位 移 位 寄 存 器控 制 電 壓控 制 電 流脈 沖MC3418編譯碼器原理框圖 v當單片作為編碼器使用時，15腳接高電平，這時工作開關使模擬運放與移位寄存器接通。模擬信號由1腳輸入，本地譯碼信號由2腳輸入，運算放大器對它們進行比較并將差值放大。運算放大器輸出經電平轉換給出數字信碼。v在14腳輸入的時鐘后沿時刻，運算放大器輸出的結果進入移位寄存器。這一結果也同時接到9腳和極性開關，前者作為數字碼輸出，后者用來控制流入積分器的電流的極

4、性，積分運算放大器與外接的RC網絡構成積分器，受極性開關控制的電流在此積分后累加形成本地譯碼信號。v四級移位寄存器和邏輯電路完成檢測功能。當有四個連“1”或連“0”碼出現時，從11腳輸出一個負極性的一致脈沖，一致脈沖經外接音節濾波器平滑之后得到量階控制電壓，此電壓反映了前一段時間內模擬輸入信號的平均斜率。v量階控制電壓加到第3腳。由內部V/I轉換電路決定4腳的電壓隨3腳的電壓變化。當4腳通過外接電阻連接到某一固定電位上，則流入4腳的電流就隨3腳的控制電壓變化，從而將控制電壓的變化轉換為控制電流的變化。V/I轉換器的輸出電流與4腳的輸入電流相等。此電流經極性開關送到積分器，因此，積分量階的大小就

5、隨著輸入模擬信號的平均斜率而變化。這樣就形成了數字檢測音節的壓擴過程。 v在作譯碼器應用時，第15腳通過一只10K電阻接地，這時數字運算放大器與移位寄存器接通。信碼由13腳輸入與12腳的閥電平比較，然后經運算放大器整形后送到移位寄存器，經再定時的信碼從9腳輸出。其后的工作過程則與編碼器一樣，只是譯碼信號不再送回第2腳而是送往接收低通濾波器。 單積分電路單積分電路v MC3418內部僅有積分運算放大器，為完成本地譯碼過程，需要外接一個網絡。用戶可以根據自己的需要用外接RC網絡接成單積分、雙積分、等電路。本實驗給出一種單積分電路的實例。v積分電路對應的控制電流壓縮比應達到258，相當于49dB。最

6、大與最小控制電流分別由4腳外接電阻Rx和Rmin決定。 積分運算放大器的輸入阻抗很高，從極性開關的量階控制電流幾乎全部進入電阻R和電容C。網絡的阻抗傳遞函數可以寫成： H(s)=(V(s)/(I(s)=-(1/(1/R)+SC) 經整理后得到 -(V(s)/(I(s)=(I/C)/(S+1/(RC)=K/(S+WO ) (1) 其中K=1/C，WO=1/(RC)。一般認為是300Hz。當R10K，C=0.1f時，f0 159Hz。 將式(1)寫成時域形式 -I=V/R+C(dv)/dt （2）MC3418567+-4RC單積分電路圖 有關資料指出編碼器約在+12dBm(f=1000Hz)處為臨

7、界過載，另外，輸入信號的最大幅度為4.36V，這時流過積分器的最大電流為 ImaxIcmaxC(dv)/dt0.110-6 210004.36 2.7mA 另一方面，由編碼器要求的最小量階電壓可求出當采樣率fS =32KHz時，最小控制電流應為 Imin9.6A v音節平滑濾波器 MC3418只具有數字檢測功能，為實現壓擴作用還需要一外接網絡。用戶可根據需要接成線性壓擴、非線性壓擴、復雜推遲壓擴等各種形式。本實驗只列舉一種非線性音節平滑濾波器。 音節平滑濾波器是一個簡單的RC濾波電路，電路形式如圖所示。集成片MC3418的數字檢測器連碼一致脈沖信號是由一個集電極開路的晶體管從11腳輸出的。所以

8、需要一個外接的集電極負載電阻。 +-MC3418V/I轉 換3411RPRSCSRXRVCCVCC/2音 節 平 滑 濾 波 器音節平滑濾波器 v當晶體管導通時，電容器CS通過電阻RS充電；當晶體管截止時，電容器CS通過電阻RP放電。充電時間常數 CS(RS+RP)。v設G為一致脈沖在一個音節時間內占空比的統計值。設第3腳電位為VS，11腳電位為V0，當G值一定時，電路應維持充放電電荷相等。設充電時間為GT，放電時間為(1-G)T，因此有 (VS-V0)/RS)GT(VCC/2-VS)/(RS+RP)(1-G)T （3） 令D=RP/RS，則有 VS=(1+D)V0G+(VCC/2)(1-G)

9、/(1+DG) （4） 其中，VO為晶體管飽和壓降，約為0.12V。 音節控制電壓為電容CS兩端的電壓，設它為VCS，因此有 VCS=VCC/2-VS 即 VCS=VCC/2-(1-D)VOG+(VCC/2)(1-G)/(1+DG) （5） 由式(5)可以看出，當RPRs，即D0時有 Vcs(Vcc/2-Vo)G （6） 這時控制電壓與G 成線性關系。 將Vo=0.12V，(Vcc/2)6V代入上式，得 Vcs15.98G （7） 當D0，控制電壓V與G成非線性關系。設D=3，得 Vcs2=(23.52G)/(1+3G) （8） v右圖給出VCS1和VCS2與C的關系曲線，曲線VCS2的斜率大

10、于曲線VCS1的斜率，這就意味著VCS2的壓擴特性更接近于理想特性。GVCS（V）02460.20.40.60.81.012線性關系V與G的關系曲線 v 語音音節包絡的變化范圍約為5ms到20ms。取15ms，220ms，這時 2/1=4v 2/1=(CS(RS+RP)/(CSRS)=1+D D=3v 選CS=0.33F，則RS15.15K，RP=15.15K，取RS=15K，RP=47K得D3.13。v 在臨界過載時，G達到最小值。對正弦信號可得G0.436，這時控制電壓Vcs的最大值約為(計算從略) Vmax4.48V v 此值決定了限流電阻Rx1.5K。 v 定時電路 MC3418編譯碼

11、器所需的定時脈沖均由定時部分提供，為模擬一個實際的時分多路系統的工作狀態，定時部分可給出2048KHz及8路32KHz的定時，定時部分的時間關系如圖3-9所示。為確保收、發同步，本實驗系統的編碼和譯碼部分公用一個定時源，這是有別于實際情況的。512KHZ256KHZ128KHZ64KHZ32KHZG1G2AABCY0Y1 定時部分時間關系圖 四、實驗儀器四、實驗儀器v雙蹤同步示波器 20MHz 1臺v直流穩壓電源 +5V -5V +12V 1臺v低頻信號發生器 輸出頻率范圍滿足50Hz-8KHz 輸出電壓范圍滿足0-5V（峰峰值）1臺v失真度測試儀 QZ4121測量頻率范圍滿足50Hz-8KH

12、z 測量信噪比范圍0- -50dB 1臺v雜音計 HF5151A 1臺vM實驗箱1臺v數字頻率計 測量頻率范圍50Hz10MHz 1臺v萬用表 1臺五、實驗內容五、實驗內容 v(一)、 時鐘部分 主振頻率為4096KHz，經分頻后得到2048KHz的定時，再經分頻分相后得到8路32KHz的定時。 用示波器在測試點(1)點觀察主振波形，用頻率計測量其頻率。在(2)、(3)、(4)觀察并測量2048KHz和32KHz定時信號。v(二)、 發送濾波器 在(5)輸入頻率為1KHz、幅度為2Vp-p的音頻信號。在(5)觀察輸入信號，在(6)觀察經發送濾波器的輸出信號，記下它們的幅度和波形。v(三)、 M

13、編碼器 在(6)觀察經發送濾波器限帶后輸入編碼器的音頻信號，在(7)觀察本地譯碼信號。在(8)觀察編碼輸出的數字信號(幅度約為10Vp-p)。以音頻信號作為同步信號，觀察信碼的變化規律。對應正弦波過零處應有連“0”或聯“1”碼型出現；對應正弦波的波峰和波谷處應有“0”、“1”交替碼型出現。v(四)、 M譯碼器 用短線連接(8)(9)，即將編碼信號送入譯碼器。在(9)觀察輸入譯碼器的編碼信號，在(10)觀察譯碼器輸出的有鋸齒的模擬信號，并記錄波形。v(五)、 接收濾波器 在(10)觀察濾波器的輸入信號。在(11)觀察譯碼器輸出的有鋸齒的模擬信號經濾波器輸出的模擬信號。記下它們的波形和幅度。v(六

14、)、 系統性能測試v 系統性能有三項指標：動態范圍、信噪比和頻率特性。v 1、動態范圍 v在滿足一定信噪比(S/N)條件下，編譯碼系統所對應于800Hz(或1000Hz)音頻信號的幅度范圍定義為動態范圍。動態范圍應大于電子工業部1982年暫定的標準框架(樣板值)。圖示給出了這個樣板。 -50-40-30-20-10018202224輸入電平S/N(dB)(dBmo)M編譯碼系統動態范圍樣板圖 v動態范圍的測試框圖如圖所示。v 在原理部分已經提到，M編譯碼器允許輸入信號的最大幅度為4.36V。為了確保器件的安全使用，本實驗在進行動態范圍這一指標測試時，不再對輸入信號的臨界過載進行驗證。取輸入信號

15、的最大幅度為5Vp-p(注意：信號要由小至大調節)，測出此時的S/N值。然后以10dB間隔衰減輸入信號，將測試數據填入下表。 音頻發生器可變衰減器編碼器失真儀雜音計譯碼器示波器動態范圍測試框圖 -10dB-20dB-30dB-40dB-50dBVin(mv)p-p500015005001505015VoutKNS/N(dB)v2、信噪比特性v 在上一項測試中選擇出最佳編碼電平(S/N最高，推薦為2Vp-p)。在此電平下測試不同頻率下的信噪比值。頻率選擇在500Hz/1KHz/2KHz/3KHz,將測試數據填入下表。f(Hz) 50010001500200025003000VoutKNS/N(dB)f(Hz) 2505001000200030003400Vout3、頻率特性 選一合適的輸入電平(Vin=2V