PCM编译器芯片Tp3057
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- 提问者网友：送舟行
- 2021-03-22 04:50
PCM编译器芯片Tp3057
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- 2021-03-22 04:59
1. 点到点PCM多路电话通信原理
脉冲编码调制(PCM)技术与增量调制(ΔM)技术已经在数字通信系统中得到广泛应用。当信道噪声比较小时一般用PCM，否则一般用ΔM。目前速率在155MB以下的准同步数字系列(PDH)中，国际上存在A解和μ律两种PCM编译码标准系列，在155MB以上的同步数字系列(SDH)中，将这两个系列统一起来，在同一个等级上两个系列的码速率相同。而ΔM在国际上无统一标准，但它在通信环境比较恶劣时显示了巨大的优越性。
点到点PCM多路电话通信原理可用图9-1表示。对于基带通信系统，广义信道包括传输媒质、收滤波器、发滤波器等。对于频带系统，广义信道包括传输媒质、调制器、解调器、发滤波器、收滤波器等。
本实验模块可以传输两路话音信号。采用TP3057编译器，它包括了图9-1中的收、发低通滤波器及PCM编译码器。编码器输入信号可以是本实验模块内部产生的正弦信号，也可以是外部信号源的正弦信号或电话信号。本实验模块中不含电话机和混合电路，广义信道是理想的，即将复接器输出的PCM信号直接送给分接器。
2. PCM编译码模块原理
本模块的原理方框图图9-2所示，电原理图如图9-3所示（见附录），模块内部使用+5V和-5V电压，其中-5V电压由-12V电源经7905变换得到。
图9-2 PCM编译码原理方框图
该模块上有以下测试点和输入点：
• BS PCM基群时钟信号(位同步信号)测试点
• SL0 PCM基群第0个时隙同步信号
• SLA 信号A的抽样信号及时隙同步信号测试点
• SLB 信号B的抽样信号及时隙同步信号测试点
• SRB 信号B译码输出信号测试点
• STA 输入到编码器A的信号测试点
• SRA 信号A译码输出信号测试点
• STB 输入到编码器B的信号测试点
• PCM PCM基群信号测试点
• PCM-A 信号A编码结果测试点
• PCM-B 信号B编码结果测试点
• STA-IN 外部音频信号A输入点
• STB-IN 外部音频信号B输入点
本模块上有三个开关K5、K6和K8，K5、K6用来选择两个编码器的输入信号，开关手柄处于左边(STA-IN、STB-IN)时选择外部信号、处于右边(STA-S、STB-S)时选择模块内部音频正弦信号。K8用来选择SLB信号为时隙同步信号SL1、SL2、SL5、SL7中的某一个。
图9-2各单元与电路板上元器件之间的对应关系如下：
•晶振 U75：非门74LS04；CRY1：4096KHz晶体
•分频器1 U78:A：U78:D：触发器74LS74；U79：计数器74LS193
•分频器2 U80：计数器74LS193；U78:B：U78:D：触发器74LS74
•抽样信号产生器 U81：单稳74LS123；U76：移位寄存器74LS164
•PCM编译码器A U82：PCM编译码集成电路TP3057（CD22357）
•PCM编译码器B U83：PCM编译码集成电路TP3057（CD22357）
•帧同步信号产生器 U77：8位数据产生器74HC151；U86:A：与门7408
•正弦信号源A U87：运放UA741
•正弦信号源B U88：运放UA741
•复接器 U85：或门74LS32
晶振、分频器1、分频器2及抽样信号（时隙同步信号）产生器构成一个定时器，为两个PCM编译码器提供2.048MHz的时钟信号和8KHz的时隙同步信号。在实际通信系统中，译码器的时钟信号(即位同步信号)及时隙同步信号(即帧同步信号)应从接收到的数据流中提取，方法如实验五及实验六所述。此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步信号直接送给译码器。
由于时钟频率为2.048MHz，抽样信号频率为8KHz，故PCM-A及PCM-B的码速率都是2.048MB，一帧中有32个时隙，其中1个时隙为PCM编码数据，另外31个时隙都是空时隙。
PCM信号码速率也是2.048MB，一帧中的32个时隙中有29个是空时隙，第0时隙为帧同步码(×1110010)时隙，第2时隙为信号A的时隙，第1(或第5、或第7 —由开关K8控制)时隙为信号B的时隙。
本实验产生的PCM信号类似于PCM基群信号，但第16个时隙没有信令信号，第0时隙中的信号与PCM基群的第0时隙的信号也不完全相同。
由于两个PCM编译码器用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接(即不需要进行码速调整)。又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对PCM-A和PCM-B进行线或。本模块中用或门74LS32对PCM-A、PCM-B及帧同步信号进行复接。在译码之前，不需要对PCM进行分接处理，译码器的时隙同步信号实际上起到了对信号分路的作用。
3. TP3057简介
本模块的核心器件是A律PCM编译码集成电路TP3057，它是CMOS工艺制造的专用大规模集成电路，片内带有输出输入话路滤波器，其引脚及内部框图如图9-4、图9-5所示。引脚功能如下：
图9-4 TP3057引脚图
(1) V一 接-5V电源。
(2) GND 接地。
(3) VFRO 接收部分滤波器模拟信号输出端。
(4) V+ 接+5V电源。
(5) FSR 接收部分帧同信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列。
(6) DR 接收部分PCM码流输入端。
(7) BCLKR/CLKSEL 接收部分位时钟(同步)信号输入端，此信号将PCM码流在FSR上升沿后逐位移入DR端。位时钟可以为64KHz到2.048MHz的任意频率，或者输入逻辑“1”或“0”电平器以选择1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主时钟，此时发时钟信号BCLKX同时作为发时钟和收时钟。
(8) MCLKR/PDN 接收部分主时钟信号输入端，此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKX异步，但是同步工作时可达到最佳状态。当此端接低电平时，所有的内部定时信号都选择MCLKX信号，当此端接高电平时，器件处于省电状态。
(9) MCLKX 发送部分主时钟信号输入端，此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKR异步，但是同步工作时可达到最佳状态。
(10) BCLKX 发送部分位时钟输入端，此信号将PCM码流在FSX信号上升沿后逐位移出DX端，频率可以为64KHz到2.04MHz的任意频率，但必须与MCLKX同步。
图9-5 TP3057内部方框图
(11) DX 发送部分PCM码流三态门输出端。
(12) FSX 发送部分帧同步信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列。
(13) TSX 漏极开路输出端，在编码时隙输出低电平。
(14) GSX 发送部分增益调整信号输入端。
(15) VFXi- 发送部分放大器反向输入端。
(16) VFXi＋ 发送部分放大器正向输入端。
TP3057由发送和接收两部分组成，其功能简述如下。
发送部分：
包括可调增益放大器、抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器、压缩A/D转换器。抗混淆滤波器对采样频率提供30dB以上的衰减从而避免了任何片外滤波器的加入。低通滤波器是5阶的、时钟频率为128MHz。高通滤波器是3阶的、时钟频率为32KHz。高通滤波器的输出信号送给阶梯波产生器(采样频率为8KHz)。阶梯波产生器、逐次逼近寄存器（S•A•R）、比较器以及符号比特提取单元等4个部分共同组成一个压缩式A/D转换器。S•A•R输出的并行码经并/串转换后成PCM信号。参考信号源提供各种精确的基准电压，允许编码输入电压最大幅度为5VP-P。
发帧同步信号FSX为采样信号。每个采样脉冲都使编码器进行两项工作：在8比特位同步信号BCLKX的作用下，将采样值进行8位编码并存入逐次逼近寄存器；将前一采样值的编码结果通过输出端DX输出。在8比特位同步信号以后，DX端处于高阻状态。
接收部分：
包括扩张D/A转换器和低通滤波器。低通滤波器符合AT&T D3/D4标准和CCITT建议。D/A转换器由串/并变换、D/A寄存器组成、D/A阶梯波形成等部分构成。在收帧同步脉冲FSR上升沿及其之后的8个位同步脉冲BCLKR作用下，8比特PCM数据进入接收数据寄存器(即D/A寄存器)，D/A阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A变换并保持变换后的信号形成阶梯波信号。此信号被送到时钟频率为128KHz的开关电容低通滤波器，此低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真(sinx)/x进行补尝。
在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明PCM编译码器的性能。
动态范围的定义是译码器输出信噪比大于25dB时允许编码器输入信号幅度的变化范围。PCM编译码器的动态范围应大于图9-6所示的CCITT建议框架（样板值）。
当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。TP3057编译码系统不过载输入信号的最大幅度为5VP-P。
由于采用对数压扩技术，PCM编译码系统可以改善小信号的量化信噪比，TP3057采用A律13折线对信号进行压扩。当信号处于某一段落时，量化噪声不变(因在此段落内对信号进行均匀量化)，因此在同一段落内量化信噪比随信号幅度减小而下降。13折线压扩特性曲线将正负信号各分为8段，第1段信号最小，第8段信号最大。当信号处于第一、二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此当信号太小时，量化信噪比会小于25dB，这就是动态范围的下限。TP3057编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为0.025Vp-p。
常用1KHz的正弦信号作为输入信号来测量PCM编译码器的动态范围。
图9-6 PCM编译码系统动态范围样板值
语音信号的抽样信号频率为8KHz，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为3.4KHz的低通滤波器处理后再进行A/D处理。语音信号的最低频率一般为300Hz。TP3057编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。这就是PCM编译码系统频率特性的含义。
四、实验步骤
1. 熟悉PCM编译码单元工作原理，开关K9接通8KHz(置为1000状态)，开关K8置为SL1(或SL5、SL7)，开关K5、K6分别置于STA-S、STB-S端，接通实验箱电源。
2. 用示波器观察STA、STB，调节电位器R19(对应STA)、R20(对应STB)，使正弦信号STA、STB波形不失真(峰峰值小于5V)。
3. 用示波器观察PCM编码输出信号。
示波器CH1接SL0，（调整示波器扫描周期以显示至少两个SL0脉冲，从而可以观察完整的一帧信号）CH2分别接SLA、PCM-A、SLB、PCM-B以及PCM，观察编码后的数据所处时隙位置与时隙同步信号的关系以及PCM信号的帧结构（注意：本实验的帧结构中有29个时隙是空时隙，SL0、SLA及SLB的脉冲宽度等于一个时隙宽度）。
开关K8分别接通SL1、SL2、SL5、SL7，观察PCM基群帧结构的变化情况。
4. 用示波器观察PCM译码输出信号
示波器的CH1接STA，CH2接SRA，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。
5. 用示波器定性观察PCM编译码器的动态范围。
开关K5置于STA-IN端，将低失真低频信号发生器输出的1KHz正弦信号从STA-IN输入到TP3057(U82)编码器。示波器的CH1接STA（编码输入），CH2接SRA（译码输出）。将信号幅度分别调至大于5VP-P、等于5VP-P，观察过载和满载时的译码输出波形。再将信号幅度分别衰减10dB、20dB、30dB、40dB、45dB、50dB，观察译码输出波形(当衰减45dB以上时，译码输出信号波形上叠加有较明显的噪声)。
也可以用本模块上的正弦信号源来观察PCM编译码系统的过载噪声(只要将STA-S或STB-S信号幅度调至5VP-P以上即可)，但必须用专门的信号源才能较方便地观察到动态范围。
脉冲编码调制(PCM)技术与增量调制(ΔM)技术已经在数字通信系统中得到广泛应用。当信道噪声比较小时一般用PCM，否则一般用ΔM。目前速率在155MB以下的准同步数字系列(PDH)中，国际上存在A解和μ律两种PCM编译码标准系列，在155MB以上的同步数字系列(SDH)中，将这两个系列统一起来，在同一个等级上两个系列的码速率相同。而ΔM在国际上无统一标准，但它在通信环境比较恶劣时显示了巨大的优越性。
点到点PCM多路电话通信原理可用图9-1表示。对于基带通信系统，广义信道包括传输媒质、收滤波器、发滤波器等。对于频带系统，广义信道包括传输媒质、调制器、解调器、发滤波器、收滤波器等。
本实验模块可以传输两路话音信号。采用TP3057编译器，它包括了图9-1中的收、发低通滤波器及PCM编译码器。编码器输入信号可以是本实验模块内部产生的正弦信号，也可以是外部信号源的正弦信号或电话信号。本实验模块中不含电话机和混合电路，广义信道是理想的，即将复接器输出的PCM信号直接送给分接器。
2. PCM编译码模块原理
本模块的原理方框图图9-2所示，电原理图如图9-3所示（见附录），模块内部使用+5V和-5V电压，其中-5V电压由-12V电源经7905变换得到。
图9-2 PCM编译码原理方框图
该模块上有以下测试点和输入点：
• BS PCM基群时钟信号(位同步信号)测试点
• SL0 PCM基群第0个时隙同步信号
• SLA 信号A的抽样信号及时隙同步信号测试点
• SLB 信号B的抽样信号及时隙同步信号测试点
• SRB 信号B译码输出信号测试点
• STA 输入到编码器A的信号测试点
• SRA 信号A译码输出信号测试点
• STB 输入到编码器B的信号测试点
• PCM PCM基群信号测试点
• PCM-A 信号A编码结果测试点
• PCM-B 信号B编码结果测试点
• STA-IN 外部音频信号A输入点
• STB-IN 外部音频信号B输入点
本模块上有三个开关K5、K6和K8，K5、K6用来选择两个编码器的输入信号，开关手柄处于左边(STA-IN、STB-IN)时选择外部信号、处于右边(STA-S、STB-S)时选择模块内部音频正弦信号。K8用来选择SLB信号为时隙同步信号SL1、SL2、SL5、SL7中的某一个。
图9-2各单元与电路板上元器件之间的对应关系如下：
•晶振 U75：非门74LS04；CRY1：4096KHz晶体
•分频器1 U78:A：U78:D：触发器74LS74；U79：计数器74LS193
•分频器2 U80：计数器74LS193；U78:B：U78:D：触发器74LS74
•抽样信号产生器 U81：单稳74LS123；U76：移位寄存器74LS164
•PCM编译码器A U82：PCM编译码集成电路TP3057（CD22357）
•PCM编译码器B U83：PCM编译码集成电路TP3057（CD22357）
•帧同步信号产生器 U77：8位数据产生器74HC151；U86:A：与门7408
•正弦信号源A U87：运放UA741
•正弦信号源B U88：运放UA741
•复接器 U85：或门74LS32
晶振、分频器1、分频器2及抽样信号（时隙同步信号）产生器构成一个定时器，为两个PCM编译码器提供2.048MHz的时钟信号和8KHz的时隙同步信号。在实际通信系统中，译码器的时钟信号(即位同步信号)及时隙同步信号(即帧同步信号)应从接收到的数据流中提取，方法如实验五及实验六所述。此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步信号直接送给译码器。
由于时钟频率为2.048MHz，抽样信号频率为8KHz，故PCM-A及PCM-B的码速率都是2.048MB，一帧中有32个时隙，其中1个时隙为PCM编码数据，另外31个时隙都是空时隙。
PCM信号码速率也是2.048MB，一帧中的32个时隙中有29个是空时隙，第0时隙为帧同步码(×1110010)时隙，第2时隙为信号A的时隙，第1(或第5、或第7 —由开关K8控制)时隙为信号B的时隙。
本实验产生的PCM信号类似于PCM基群信号，但第16个时隙没有信令信号，第0时隙中的信号与PCM基群的第0时隙的信号也不完全相同。
由于两个PCM编译码器用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接(即不需要进行码速调整)。又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对PCM-A和PCM-B进行线或。本模块中用或门74LS32对PCM-A、PCM-B及帧同步信号进行复接。在译码之前，不需要对PCM进行分接处理，译码器的时隙同步信号实际上起到了对信号分路的作用。
3. TP3057简介
本模块的核心器件是A律PCM编译码集成电路TP3057，它是CMOS工艺制造的专用大规模集成电路，片内带有输出输入话路滤波器，其引脚及内部框图如图9-4、图9-5所示。引脚功能如下：
图9-4 TP3057引脚图
(1) V一 接-5V电源。
(2) GND 接地。
(3) VFRO 接收部分滤波器模拟信号输出端。
(4) V+ 接+5V电源。
(5) FSR 接收部分帧同信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列。
(6) DR 接收部分PCM码流输入端。
(7) BCLKR/CLKSEL 接收部分位时钟(同步)信号输入端，此信号将PCM码流在FSR上升沿后逐位移入DR端。位时钟可以为64KHz到2.048MHz的任意频率，或者输入逻辑“1”或“0”电平器以选择1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主时钟，此时发时钟信号BCLKX同时作为发时钟和收时钟。
(8) MCLKR/PDN 接收部分主时钟信号输入端，此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKX异步，但是同步工作时可达到最佳状态。当此端接低电平时，所有的内部定时信号都选择MCLKX信号，当此端接高电平时，器件处于省电状态。
(9) MCLKX 发送部分主时钟信号输入端，此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。可以和MCLKR异步，但是同步工作时可达到最佳状态。
(10) BCLKX 发送部分位时钟输入端，此信号将PCM码流在FSX信号上升沿后逐位移出DX端，频率可以为64KHz到2.04MHz的任意频率，但必须与MCLKX同步。
图9-5 TP3057内部方框图
(11) DX 发送部分PCM码流三态门输出端。
(12) FSX 发送部分帧同步信号输入端，此信号为8KHz脉冲序列。
(13) TSX 漏极开路输出端，在编码时隙输出低电平。
(14) GSX 发送部分增益调整信号输入端。
(15) VFXi- 发送部分放大器反向输入端。
(16) VFXi＋ 发送部分放大器正向输入端。
TP3057由发送和接收两部分组成，其功能简述如下。
发送部分：
包括可调增益放大器、抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器、压缩A/D转换器。抗混淆滤波器对采样频率提供30dB以上的衰减从而避免了任何片外滤波器的加入。低通滤波器是5阶的、时钟频率为128MHz。高通滤波器是3阶的、时钟频率为32KHz。高通滤波器的输出信号送给阶梯波产生器(采样频率为8KHz)。阶梯波产生器、逐次逼近寄存器（S•A•R）、比较器以及符号比特提取单元等4个部分共同组成一个压缩式A/D转换器。S•A•R输出的并行码经并/串转换后成PCM信号。参考信号源提供各种精确的基准电压，允许编码输入电压最大幅度为5VP-P。
发帧同步信号FSX为采样信号。每个采样脉冲都使编码器进行两项工作：在8比特位同步信号BCLKX的作用下，将采样值进行8位编码并存入逐次逼近寄存器；将前一采样值的编码结果通过输出端DX输出。在8比特位同步信号以后，DX端处于高阻状态。
接收部分：
包括扩张D/A转换器和低通滤波器。低通滤波器符合AT&T D3/D4标准和CCITT建议。D/A转换器由串/并变换、D/A寄存器组成、D/A阶梯波形成等部分构成。在收帧同步脉冲FSR上升沿及其之后的8个位同步脉冲BCLKR作用下，8比特PCM数据进入接收数据寄存器(即D/A寄存器)，D/A阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A变换并保持变换后的信号形成阶梯波信号。此信号被送到时钟频率为128KHz的开关电容低通滤波器，此低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真(sinx)/x进行补尝。
在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明PCM编译码器的性能。
动态范围的定义是译码器输出信噪比大于25dB时允许编码器输入信号幅度的变化范围。PCM编译码器的动态范围应大于图9-6所示的CCITT建议框架（样板值）。
当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。TP3057编译码系统不过载输入信号的最大幅度为5VP-P。
由于采用对数压扩技术，PCM编译码系统可以改善小信号的量化信噪比，TP3057采用A律13折线对信号进行压扩。当信号处于某一段落时，量化噪声不变(因在此段落内对信号进行均匀量化)，因此在同一段落内量化信噪比随信号幅度减小而下降。13折线压扩特性曲线将正负信号各分为8段，第1段信号最小，第8段信号最大。当信号处于第一、二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此当信号太小时，量化信噪比会小于25dB，这就是动态范围的下限。TP3057编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为0.025Vp-p。
常用1KHz的正弦信号作为输入信号来测量PCM编译码器的动态范围。
图9-6 PCM编译码系统动态范围样板值
语音信号的抽样信号频率为8KHz，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为3.4KHz的低通滤波器处理后再进行A/D处理。语音信号的最低频率一般为300Hz。TP3057编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。这就是PCM编译码系统频率特性的含义。
四、实验步骤
1. 熟悉PCM编译码单元工作原理，开关K9接通8KHz(置为1000状态)，开关K8置为SL1(或SL5、SL7)，开关K5、K6分别置于STA-S、STB-S端，接通实验箱电源。
2. 用示波器观察STA、STB，调节电位器R19(对应STA)、R20(对应STB)，使正弦信号STA、STB波形不失真(峰峰值小于5V)。
3. 用示波器观察PCM编码输出信号。
示波器CH1接SL0，（调整示波器扫描周期以显示至少两个SL0脉冲，从而可以观察完整的一帧信号）CH2分别接SLA、PCM-A、SLB、PCM-B以及PCM，观察编码后的数据所处时隙位置与时隙同步信号的关系以及PCM信号的帧结构（注意：本实验的帧结构中有29个时隙是空时隙，SL0、SLA及SLB的脉冲宽度等于一个时隙宽度）。
开关K8分别接通SL1、SL2、SL5、SL7，观察PCM基群帧结构的变化情况。
4. 用示波器观察PCM译码输出信号
示波器的CH1接STA，CH2接SRA，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。
5. 用示波器定性观察PCM编译码器的动态范围。
开关K5置于STA-IN端，将低失真低频信号发生器输出的1KHz正弦信号从STA-IN输入到TP3057(U82)编码器。示波器的CH1接STA（编码输入），CH2接SRA（译码输出）。将信号幅度分别调至大于5VP-P、等于5VP-P，观察过载和满载时的译码输出波形。再将信号幅度分别衰减10dB、20dB、30dB、40dB、45dB、50dB，观察译码输出波形(当衰减45dB以上时，译码输出信号波形上叠加有较明显的噪声)。
也可以用本模块上的正弦信号源来观察PCM编译码系统的过载噪声(只要将STA-S或STB-S信号幅度调至5VP-P以上即可)，但必须用专门的信号源才能较方便地观察到动态范围。
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