PCM编、译码电路的设计.doc

完整版)PCM编、译码电路的设计
PCM编、译码电路的设计
南华大学南校区电子信息工程9911班 13号 周 鹏
摘要：介绍了PCM通信系统的组成，具体分析了脉冲编码调制的工作原理，及所设计的电路原理，设计表明该PCM系统具有很好的稳定性、功耗低、调试简单等特性，具有一定的使用价值。
关键词：脉冲编码调制（PCM)；编、译码;TP3067
一、 前言
脉冲编码(PCM）技术已经在数字通讯系统中得到了广泛的应用.十多年来，由于超大规模的集成技术的发展,PCM通讯设备在缩小体积、减轻重量、降低功耗、简化调试以及方便维护等方面都有了显著的改进.目前，数字电话终端机的关键部件，如编译码器（Codec）和话路滤波器等都实现了集成化。
二、 脉冲编码调制(PCM)原理
所谓的脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值变换成代码。PCM通讯系统的组成方框图如图1所示。图中，输入的模拟信号m(t）经抽样、量化、编码后变成了数字信号（PCM信号），经信道传输到达接受端，先由译码器恢复出抽样值，再经低通滤波器滤出模拟基带信号m(t）。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器）；译码与低通滤波的组合称为数/模变换器（D/A变换器）.

A/D变换

m（t） msq(t) 干扰
编 码
量 化
抽 样
信 道

ms(t)

低 通 滤 波
译 码

m(t） msq(t）
图1 PCM通信系统的组成方框图
在13折线编码的方法中，无论输入的信号是正还是负,均按8段折线进行编码，用8位二进制码c1c2c3c4c5c6c7c8来表示。其中第一位码c1表示量化值的极性，称为极性码；第二至第四位3位码c2c3c4的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平,称为段落码；第五至第八位4位码c5c6c7c8的16种可能状态用来分别代表每一段落的均匀划分的量化级，称为段内码。这样处理的结果，8个段落被划分成128个量化级。该编码的方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。
在13折线编码的方法中，第一、第二段最，每一小段归一化长度为1/2048,即一个最小量化间隔；第八段最长,每一小段归一化长度为1/32,包含64个最小量化间隔。采用13折线编码方法，在保证小信号区间量化间隔相同的条件下，7位非线性编码与11位线性编码等效。由于非线性编码的码位数减少，因此设备简化所需传输系统带宽减小.

比较器
保持电路
整流器
输入 Is ｜Is|>IW “1”
｜Is｜图2 逐次比较型编码器的原理方框
逐次比较型编码器的原理方框如图2,它由整流器、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。编码器的任务就是要根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制代码,除第一位极性码外，其他7位二进制代码是通过逐次比较确定的。预先规定好一些作为标准的电流（或电压），称为权值电流，用符号IW表示。IW的个数与编码位数有关.当样值脉冲Is到来后,用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流IW去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码，直到IW和抽样值Is逼近为止。
整流器用来判别输入样值脉冲的极性,编出第一位码（极性码）。样值为正时，出“1”码；样值为负值时，出“0”码。同时将双极性脉冲变换成单极性脉冲。比较器通过样值电流Is和标准电流IW进行比较,从而对输入信号抽样值实现非线性量化和编码。每比较一次输出一位二进制代码,且当｜Is｜＞IW时，出“1”码；反之出“0”码.由于在13折线法中用了7位二进代码来代表段落和段内码，所以对一个输入信号的抽样值需要进行7次比较。每次所需的标准电流IW均由本地译码电路提供。本地译码电路包括记忆电路、7/11变换电路和恒流源。记忆电路用来寄存二进制代码，因除第一次比较外,其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流IW值,因此，7位码组中的前6位状态均应由记忆电路寄存下来.7/11变换电路就是一个数字压缩器，因为采用非均匀量化的7位非线性编码等效于11位线性码,而比较器只能编7位码,因此反馈到本地译码电路的全部码也只有7位。因为恒流源有11个基本权值电流支路，需要11个控制脉冲来控制，所以必须经过变换，把7位码变成11位码,其实质就是完成非线性和线性之间的变化。恒流源用来产生各种标准电流值。为了获得各种标准电流IW,在恒流源中有数个基本权值电流支路.基本的权值电流个数与量化级数有关。保持电路的作用是保持输入信号的抽样值在整个比较过程中具有一定的幅度。由于逐次比较型编码器编7位码（除极性码外）需要将Is与IW比较7次，在整个比较过程中都应保持输入信号的幅度不变,故需要采用保持电路。
三、 芯片的结构功能和工作原理
Ⅰ、TP3067
鉴于我国国内采用的是A律量化特性,因此在本设计当中，采用的是TP3067专用大规模的集成电路，它是CMOS工艺制造的单片PCM A律编译器，并且片内带输入输出话路滤波器。
TP3067的管脚如图3所示，其内部组成框图如图4所示.
⑴ VPO+ 收端功率放大器的同相输出端.
⑵ GNDA 模拟地,所有信号都以此管脚
为参考。
⑶ VPO- 收端功放的反相输出端。
⑷ VPI 收端功放的反相输入端.
⑸ VFRO 接收部分滤波器模拟输出端.
⑹ VCC ＋5V电压输入。 图3 TP3067管脚图
⑺ FSR 接收部分帧同步时隙信号，是一个8KHz脉冲序列。
⑻ DR 接收部分PCM码流解码输入端.
⑼ BCLKR 位时钟（bit clock)，它使PCM码流随着FSr上升沿逐位移
/CLKSEL 入Dr端，位时钟可以从64KHz到2048MHz的任意频率。或者作为一个逻辑输入选择1536MHz、1544MHz或2048MHz,用作同步模式的主时钟。
⑽ MCLKR 接收部分主时钟，它的频率必须为1536MHz、1544MHz或
/PDN 2048MHz。可以和MCKLX异步,但是同步工作时可达到最
佳状态。
当MCKLX接低电平，MCKLR被选择为内部时钟，当
MCKLX接高电平，该芯片进入低功耗状态。
⑾ MCKLX 发送部分主时钟，必须为1536MHz、1544MHz或
2048MHz。可以和MCKLR异步，但是同步工作时可以达到最佳状态。
⑿ BCLKX 发送部分时钟，使PCM码流逐位移入DR端。可以为从
64KHz到2048MHz的任意频率，但必须和MCKLX同步。
⒀ DX 发送部分PCM码流编码输出端。
⒁ FSX 发送部分帧同步时隙信号，为一个8KHz的脉冲序列。
⒂ 漏极开路输出端，它在编码时隙输出低电平。
⒃ ANLB 模拟反馈输入端。在正常工作状态下必须置成逻辑“0”，
置成逻辑“1"时，发送部分滤波器的输入端并不与发送部
分的前置滤波器相连，而是和接收部分功放的VPO+相连。
⒄ GSX 发送部分输入放大器的模拟基础，用于在外部同轴增益。
⒅ VFXI- 发送部分输入放大器的反相输入端。
⒆ VFXI+ 发送部分输入放大器的同相输入端。
⒇ VBB 接－5V电源。
原理：编码过程,模拟信号从4端VPI端输入，经过反相放大器，一般R1＝R2，所以反相放大器的输出为输入电压的反相。信号再经过RC开关电容等处理编码，受FSX信号的控制，在DX端，数字逐位输出。
译码过程,数字信号受FSX信号的控制，从DR,即8脚逐位输入，经译码处理，经反相放大器，在VPO-模拟输出。
Ⅱ、74LS04
这是一个TTL反相器，其框图如图5，当输入端为高电平“1”时，其输出Y为低电平“0".当输入端为低电平“0”时,其输出为高电平“1”.
如表1：
图5 74LS04芯片
输入
输出
0
1
1
0

表1

可见输入与输出之间是反相关系，即Y其电压传输特性如图6。

图4 TP3067功能框图

图6 电压传输特性

Ⅲ、74LS74
它是一种利用TTL传输门的边沿触发器——D触发器，其框图如图6,这种触发器的动作特点是输出端的转换发生在CLK的上升沿,而且触发器所保存下来的状态仅仅取决于CLK上升沿到达时的输入状态，因为触发器输出端状态的转换发生在CLK的上升沿，所以这是一个上升沿触发的边沿触发器，它的特性如表2。

CLK
D
Qn
Qn+1
×
×
×
Qn

0
0
0

0
1
0

1
0
1

1
1
1
注解：X为任意值 表2 图6
74LS74 D触发器的特性方程为Qn+1=D
Ⅳ、74LS20
它是一种TTL与非门，74LS20有四个输入端，A、B、C、D，其输出为Y0。其工作原理为只有当A、B、C、D当中有一个接低电平“0”时,则输出Y0，而高电平“1"，只有当A、B、C、D同为高电平“1”时，输出Y0,为低电平“0”时，如表3。
输 入
输 出
A
B
C
D

0
X
X
X
1
1
1
1
1
0
表3
注解：X为任意值
可见其输出与输入的关系为 Y＝.
其低电平输入电流时与反相器相同,当输入端接高电平时,输入电流为单个输入端的高电平输入电流的两倍。其输出特性与74LS04相同.
Ⅴ、74LS138
该芯片是用TTL与非门组成的3线—8线译码器，它的框图如图7所示。
当E3＝1，＋＝0时可写出各个输出端电平的方程式.
＝＝
＝＝
＝＝
＝＝
＝＝
＝＝
＝＝
＝＝
由上式可以看出,～同时又是A2A1A0这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小译码器。
74LS138由3个附加控制端，、和E3,当E3＝1，＋＝0时，译码器处于工作状态，否则译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平,如表4所示。这3个控制端也叫“片选”输入端，利用片选的作用可以将多片连接起来以扩展译码器的功能。

输 入
输 出
E3
+
C B A

0
×
× × ×
1 1 1 1 1 1 1 1
×
0
× × ×
1 1 1 1 1 1 1 1
1
0
0 0 0
0 1 1 1 1 1 1 1
1
0
0 0 1
1 0 1 1 1 1 1 1
1
0
0 1 0
1 1 0 1 1 1 1 1
1
0
0 1 1
1 1 1 0 1 1 1 1
1
0
1 0 0
1 1 1 1 0 1 1 1
1
0
1 0 1
1 1 1 1 1 0 1 1
1
0
1 1 0
1 1 1 1 1 1 0 1
1
0
1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 0
表4 3线—8线译码器74LS138功能表

图7 3线-8线译码器内部结构图
Ⅵ、74LS161
74LS161为中规模集成的4位二进制计数器，它除了具有二进制加法计数功能外,还具有预置数,保持和异步置零等附加功能.其结构图8。图中为预置数控制图，P0—P3为数据输入端，TC为进位输出端，为异步置零（复位)端，CEP和CET为工作状态控制端.表5是74LS161的功能表，它给出了当CEP和CET为不同取值时电路的工作状态。

CLK

CEP CET
工作状态
×
×
0
× ×
置零

0
1
× ×
预置数

1
1
0 1
保持

1
1
× 0
保持（但TC=0）

1
1
1 1
计数
注解:X为任意值
表5 4位二进制计数器74LS161功能表
当==CEP=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111状态返回0000状态，TC端从高电平跳变至低电平,可以利用TC端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。
若计数输入脉冲的频率为f,则Q0、Q1、Q2和Q3端输出脉冲的频率将依次为f,f,f和f针对计数器的这种分频功能，也把它叫做分频器。

图8 4位同步二进制计数器 74LS161 逻辑图
四、 设计电路的原理
（一） 设计总图
PCM编、译码系统由定时部分和PCM编译码器组成，电路设计原理如总图（图9）。在本设计当中，编译码部分公用一个定时源，用以确保收发时隙的同步,但在实际的PCM数字电话设备中，必须有一个同步系统来保证收发同步的。
（二） 工作原理
（1)总频率的产生电路
主要由三个74LS04芯片和一个石英晶体组成石英晶体振荡器，其主要利用石英晶体具有谐振电路的特性，它的谐振频率等于晶体的机械振动的固有频率。此电路产生频率f为4.096MHZ的脉冲方波信号。最后一个74LS04反相器起提高带负载的能力.
（2） 分频的产生电路
主要由一块74LS74芯片、两块74LS161芯片、一块74LS20芯片和一块74LS138芯片及74LS04芯片组成。
石英晶体振荡器产生的脉冲方波接到74LS74D触发器的时钟端，D触发器的输入端2脚与输出端6脚相连，当脉冲由低电平向高电平跳变时，即上升沿到达时,触发器的输出端电平发生翻转，翻转后,输出电平保持不变，直到4。096MHZ脉冲方波的第二个上升沿到达时,输出电平才发生变化。所以，在D触发器的输出端6脚产生的脉冲方波的频率为f1＝f＝2。048 MHZ。
将D触发器的产生频率f1为2048MHZ的脉冲方波又接到第一块74LS161四位二进制同步计数器的时钟端2脚，只有74LS161芯片的7、10、1、9脚为高电平时，芯片才处于计数状态。当芯片处于计数状态时，f1=2.048MHZ的脉冲方波由高电平向低电平跳变时，输出端Q0Q1Q2Q3=0000，开始计数。当第一个下降沿到达时,Q0端由“0”变为“1”。当第二个下降沿到达时,Q0端由“1"变为“0”,Q1端由“0"变为“1”。由此推理:Q0,Q1，Q2，Q3端输出脉冲的频率分别为f1、f1、f1、f1。即1。024MHZ、512KHZ 、256KHZ 、128KHZ。
芯片74LS138与两块74LS161芯片相连，74LS138的输入端1、2、3脚和控制端E2与第二块74LS161芯片的输出端13、12、11、14脚相连，控制端E3与第二块74LS161芯片的输出端11脚相连，E1端即4脚经过一个74LS20与第一块74LS161的输出端14、13、12相连,74LS138芯片输出端Y4即11端经过74LS04芯片作为下级的输入。
要使74LS138芯片处于工作状态,必须使 +=0，E3=1。当第一块74LS161的输出全为“1”时，即74LS20的输入端10、12、13脚全为“1"（9脚为高电平）,则74LS20输出为低电平,也就是E1=0。同时，E3为高电平.要使E2为低电平，第二块74LS161的输出Q0端(14脚）必须为低电平，因为第二块74LS161芯片刚开始未处于工作状态，Q0、Q1、Q2、Q3都处于低电平，所以这时74LS138输出端Y0(15脚)为高电平，也就是说15脚输出的脉冲频率f2与第一块芯片74LS161的输出端Q3（11脚）的输出的频率相同，f2=f1/16=128KHZ.
当第一块74LS161芯片的11脚电平由“1”跳变为“0"时 ，使Q0Q1Q2、Q3=1000时，74LS138控制端的电平不满足要求，所以74LS138不工作
当Q0Q1Q2Q3=0001时，74LS138工作。此时第二块芯片74LS161 Q3输出频率f4为第一块芯片74LS161的输出端Q3（11脚）的输出的频率的1/16，即f4=8KHZ。所以，74LS04芯片的输出10脚同样产生8KHZ的方波。
(3）PCM编码、译码电路
芯片TP3067的7、14脚接到上级的输出,即74LS04的10脚，获得8KHZ的频率信号。9、10、11、12脚接到74LS74的6脚，获得2。048MHZ的频率信号。PCM就可处于编译码工作状态。
（4)定时部分
TP3067编译码器所需的定时脉冲均由定时部分提供。这里只须要主时钟2048KMHz的帧定时8KHz信号。

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