实验2PCM实验.docx

1、实验2PCM实验实验 2 PCM 编译码实验一、实验目的1.理解 PCM 编译码原理及 PCM 编译码性能；2.熟习 PCM 编译码专用集成芯片的功能和使用方法及各样时钟间的关系；3.熟习语音数字化技术的主要指标及丈量方法。二、实验原理1.抽样信号的量化原理模拟信号抽样后变为在时间隔散的信号后，一定经过度化才成为数字信号。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化两种。把输入模拟信号的取值域按等距离切割的量化就称为均匀量化，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，以下列图所示。图 2-1 均匀量化过程表示图信号均匀量化的主要弊端是不论抽样值大小怎样，量化噪声的均方根值都固定不变。所以，m( t

2、) 较小时，则信号量化噪声功率比也很小。这样，关于弱信号时的量化信噪比就难以当达到给定的要求。往常把知足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动向范围，那么，均匀量化时的信号动向范围将遇到较大的限制。为了战胜这个弊端，实质中常常采纳非均匀量化的方法。非均匀量化是依据信号的不一样区间来确立量化间隔的。关于信号取值小的区间，其量化 间隔Dv 也小；反之，量化间隔就大。非均匀量化与均匀量化对比，有两个突出的长处：首先，当输入量化器的信号拥有非均匀散布的概率密度（实质中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端能够获取较高的均匀信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率 的均方根值基本上与信号抽样值成

3、比率，所以量化噪声对大、小信号的影响大概同样，即改 善了小信号时的信噪比。非均匀量化的实质过程往常是将抽样值压缩后再进行均匀量化。此刻宽泛采纳两种对数压缩，美国采纳 压缩律，我国和欧洲各国均采纳 A 压缩律。本实验中 PCM 编码方式也是采纳 A 压缩律。 A 律压扩特征是连续曲线，实质中常常都采纳近似于 A 律函数规律的 13 折线（ A=）的压扩特征。这样，它基本保持连续压扩特征曲线的长处，又便于用数字电路来实现，以下列图所示。图2-2 13 折线特征表2-1 列出了 13 折线时的 x 值与计算得的 x 值的比较。表2-1 A 律和 13 折线比较y0123456718888888x01

4、1111111128按折线分段011111111的 x128643216842段落12345678斜率16168421112 4表中第二行的x值是依据A计算获取的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A曲线十分迫近，同时x按2的幂次切割有益于数字化。2. 脉冲编码调制的基来源理量化后的信号是取值失散的数字信号 , 下一步是将这个数字信号编码。往常把从模拟信号抽样、量化，编码变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制（ Pulse CodeModulation ， PCM）。在 13 折线法中，不论输入信号是正是负，均用 8 位折叠二进制码来表示输入信号的抽 样量

5、化值。此中，用第一位表示量化值的极性，其他七位（第二位至第八位）则表示抽样量 化值的绝对大小。详细的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的 8 种可能状态来分别代表 8 个段落的起点电平。其他四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16 个均匀区分的量化级。这样办理的结果，使 8个段落被区分红 27 128 个量化级。段落码和 8 个段落之间的关系如表 2-2所示，段内码与 16个量化级之间的关系见表 2-3 。上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。段落序号段落码量化级段内码811115111114111071101311016101121100510011101110

6、101040119100130108100020017011160110100050101表 2-2 段落码表 2-3段内码3. PCM编码硬件实现达成 PCM 编码的方式有多种，最常用的是采纳集成电路达成PCM 编译码，如等，集成电路的长处是电路简单，只要几个外头元件和三种时钟即可实现，不足是没法展现编码的中间过程，这类方法比较合适实质通讯系统。另一种PCM 编码方式是用软件来实现，这类方法能分别出 PCM 编码的中间过程，如：带限、抽样、量化、编码的完好过程，对学生理解PCM编码原理很有帮助；TP3057 实现 PCM 编译码，原理框图以下列图所示图 2-3 PCM编译码框图集成芯片 TP

7、3057 达成 PCM 编译码除了相应的外头电路外，主要需要 3 种时钟，即：编码时钟 MCLK、线路时钟 BCLK、帧脉冲 FS 。三个时钟需有必定的时序关系，不然芯片不可以正常工作：编码时钟 MCLK：是一个定值， 2048K；线路时钟 BCLK：是 64K 的 n 倍，即： 64K、128K、 256K、 512K、 1024K、2048K 几种；帧脉冲 FS：是 8K，脉宽一定是 BCLK 的一个时钟周期；4.PCM编码算法实现(1)鉴于软件算法达成 PCM 编码，框图以下列图所示：图 2-4 软件实现 PCM 编码框图本实验我们采纳软件方式达成 PCM 编码、集成芯片 TP3057

8、达成 PCM 译码，目的是希望经过微办理器和液晶能形象展现 PCM 编码的的完好过程，即：带限、抽样、量化、编码的过程，便于学生理解 PCM 编码原理。译码采纳集成芯片 TP3057 的目的是考证软件编码能否正确。(2)软件 PCM 编码原理在 A 律 13折线编码中，正负方向共 16个段落，在每一个段落内有 16个均匀散布的量化电平，所以总的量化电平数 L256 。编码位数 N8CC8，每个样值用 8比特代码 1来表示，分为三部分。第一位C1 为极性码，用 1和 0分别表示信号的正、负极性。第二到第四位码 C2 C3C4 为段落码，表示信号绝对值处于那个段落，3位码可表示 8个段落，代表了8

9、个段落的开端电平值。上述编码方法是把非线性压缩、均匀量化、编码联合为一体的方法。在上述方法中，固然各段内的 16个量化级是均匀的，但因段落长度不等，故不一样段落间的量化间隔是不一样的。 当输入信号小时，段落小，量化级间隔小；当输入信号大时，段落大，量化级间隔大。第一、 二段最短，归一化长度为 1/128 ，再将它平分 16段，每一小段长度为 1/ 2048 ，这就是最小的量化级间隔。依据 13折线的定义，以最小的量化级间隔为最小计量单位，能够计算出13折线A 律每个量化段的电平范围、开端电平I si 、段内码对应电平、各段落内量化间隔i。详细计算结果如表 2-4 所示。表2-4 13折线 A律

10、有关参数表段落号电平范围段落码段落起i=18( )CCC始电平I si( )8102420481 1 11024量化 段内码对应权值间隔（ ）i C C C C5 6 7 8( )64 512 256 128 64751210241 1 051232256128643262565121 0 12561612864321651282561 0 0128864321684641280 1 1644321684332640 1 032216842216320 0 1161842110160 0 0018421办理器自带的 12位 ADC，对应的存放器采样值04095，采样值在 02047，第一位C1

11、 的极性码为负，用 0表示；采样值在 20484095，第一位 C1 的极性码为正，用 1表示。 PCM的其他比特我们经过度化值查表方式产生。 STM32同时将模拟信号、抽样脉冲、量化值、编码值显示在彩色液晶，学生能清楚察看到这 4个信号的互相关系，以下列图所示：图2-5 PCM编码显示上图竖线表示抽样地点，图中上方数字是量化值，样值范围 -20482048；图中下方二进制值是 A 律 13折线编码。如量化值： -1600量化值为负值，故极性码C1 为： 0；电平范围位于 10242048，段落码C C C2 3 4 为： 111，；量化间隔为 64，段落开端电平为1024， 1600-102

12、4 = 576；576/64=9 ；段内码 C5C6C7 C8 为： 1001那么量化值 -1600 对应的 PCM编码值为： 011110015.实验框图说明下列图为 PCM 编译码原理的实验原理框图：图 2-6 PCM 编译码流程框图框图说明：本实验中需要用到以下功能单元：PCM编码由 A2单元达成，模拟信号经 300-3400Hz带通滤波器后送入算法办理器进行模数 变换，模数变换精度 12位，其 AD采样后量化范围为 0-4095 ，编码数据从 2P6输出；PCM译码由 A7 单元，译码数据从 7TP5 输入，PCM数据经译码插值滤波，恢复信号从 7P8输出。图中“原始信号”按钮用于对模

13、拟信号种类、频次、幅度； 6.各模块丈量点说明(1)信源编码模块 -A22P1：原始信号的输入铆孔；2P7：带限输出铆孔2P6：编码输出2TP9: 抽样脉冲2TP8： PCM编码时钟（ 2）. 信源译码模块 -A77TP5： PCM译码数据输入7TP4：恢复译码时钟7TP2：恢复帧同步时钟7TP7： PCM译码输出（滤波前）7P8： PCM译码输出（滤波后）三、实验任务1.PCM编码原理考证，理解带限滤波器作用、 A 律编码规则；2.PCM编译码性能丈量，观察编译码电路频响、时延、失真、增益等；四、实验步骤1.实验准备(1)获取实验权限，从阅读器进入在线实验平台；(2)选择实验内容使用鼠标在通

14、讯原理实验目录选择： PCM 编译码实验 ，进入 PCM 编译码实验页面。2.PCM编码原理考证(1)设置工作参数设置原始信号为：“正弦”，频次： 1KHz，幅度设置指示为 45；(2)PCM串行接口时序察看输出时钟和帧同步时隙信号观察：用示波器同时观察抽样脉冲信号 2TP9 和输出时钟信号2TP8，观察时以 2TP9 做同步。剖析和掌握 PCM 编码抽样脉冲信号与输出时钟的对应关系（同步沿、抽样脉冲宽度等） 。(3)PCM串行接口时序察看抽样时钟信号与 PCM 编码数据丈量：用示波器同时观察抽样脉冲信号 2TP9 和编码输出信号2P6 ，观察时以 2TP9 做同步。剖析和掌握 PCM 编码输

15、出数据与抽样脉冲信号（数据输出与抽样脉冲沿）及输出时钟的对应关系。(4)在液晶观察 PCM 编码用鼠标点击 PCM编译码框图（图 ）右上角“！”号，液晶屏上会出现 PCM编码分析图（下列图），我们能够察看模拟信号、抽样脉冲、量化值、编码值等有关波形和参数，依据实验原理，研究量化值和编码值间的对应规则，即 PCM 编码规则；实验时，鼠标移至抽样脉冲上时，屏幕上显示该抽样信号的 PCM 编码值及对应的编码规则；注： PCM编码数据从抽样脉冲的下沿开始，高位在前，考虑到商用PCM 编译码芯片数据偶数位反转，所以编码数据（2P6）也应偶数位反转，上图中量化值1792的 PCM 编码值反转后为：；(5)

16、PCM编码输出数据观察用示波器同时观察抽样脉冲信号（ 2TP9）和编码输出数据端口（ 2P6），观察时以 2TP9做同步。在示波器上读出一个编码样点值，并和液晶上的相应编码数据进行比较。3.PCM译码观察用鼠标点击图 开关，开封闭合， PCM输出编码数据 A7 模块译码。用示波器同时观察输入模拟信号 2P7 和译码器输出信号 7P8，定性观察编译码前后波形（ 1KHz、2Vpp）的关系： 质量、电平。4.PCM频次响应丈量将测试信号电平固定在 2Vpp ，调整测试信号频次，定性的观察译码恢复出的模拟信号电平。观察输出信号信电平相对输入信号频次变化的相对关系。用点频法丈量。丈量频次范围：250H

17、z4KHz。300Hz: 1KHz:2KHz: 3KHz:4KHz:5.PCM译码失真丈量将测试信号频次固定在 1KHz，改变测试信号电平（输入信号的最大幅度为 3Vpp 。），用示波器定性的观察译码恢复出的模拟信号质量（经过示波器对照编码前和译码后信号波形光滑 度）。6.PCM编译码系统增益丈量DDS1 产生一个频次为 1KHz、电平为 2Vpp 的正弦波测试信号送入信号测试端口 2P1 。用示波器（或电平表）测输出信号端口（7P8）的电平。将收发电平的倍数（增益）换算为dB表示。7.实验结束实验结束，从阅读器退出在线实验平台。五、实验报告1.定性描绘 PCM 编译码的特征、编码规则，并填下

18、表。频次： 1KHz样点 1样点 2样点 3样点 4样点 5样点 6样点 7样点 8幅度： 2Vpp量化值736992192832544-192-832=992编码值0100100001101010110111102.描绘 PCM 编码串行同步接口的时序关系。3.填下下表，并画出 PCM 的频响特征。输入频次（ Hz） 200 500 800 1000 2000 3000 3400 3600输出幅度（ V）4.填下下表，并画出 PCM 的动向范围：输入幅度（ V）1234输出幅度六、思虑题1.输入信号为 0Vpp 时，PCM 编码数据是多少为何PCM编码数据应当有两个， 00000000 和关

19、于输入信号为 0Vpp,由于它没有正负极性，也就是说，正负极性都能够表示，也就是不论是 1仍是 0都能够表示。再考虑绝对值， OV即是 000000。 0二者组合起来就是 00000000和.2.鉴于 AD 和微办理器，细述 PCM 编码流程，实现方法，对 AD 精度要求等；3.据图回答下列问题，已知模拟信号为三角波，频次，幅度设置指示为 30 ；示波器通道接线见图；示波器 4 个通道波形间是什么关系为何1黄色是输入波形，绿色是那个波形，紫色的是编码波形，蓝色是译码波形。七、实验注意1. 实验时编码输入端模拟信号不拟太大，原则上在 2Vpp 左右，译码输出不溢出为限； 2.示波器观察模拟信号和编码数据时，模拟信号以 2P7 端为准；八、实验心得、经过本次实验，我理解了 PCM 编译码原理及 PCM 编译码性能，熟习了 PCM 编译码专用集成芯片的功能和使用方法及各样时钟间的关系和语音数字化技术的主要指标及丈量方法。固然在实验中碰到了很多的小问题，可是都被我解决了，对知识的理解进一步加深。