实验2PCM实验.docx
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实验2PCM实验
实验2PCM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）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2-213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2-1A律和13折线比较
y
0
1
2
3
4
5
6
7
1
8
8
8
8
8
8
8
x
0
1
1
1
1
1
1
1
1
128
按折线分段
0
1
1
1
1
1
1
1
1
的x
128
64
32
16
8
4
2
段落
1
2
3
4
5
6
7
8
斜率
16
16
8
4
2
1
1
1
24
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（PulseCode
Modulation，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
8
111
15
1111
14
1110
7
110
13
1101
6
101
12
1100
5
100
11
1011
10
1010
4
011
9
1001
3
010
8
1000
2
001
7
0111
6
0110
1
000
5
0101
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2-3PCM编译码框图
集成芯片TP3057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L
256。
编码位数N
8
C
C8
，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C2C3C4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
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
Isi、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2-413折线A律有关参数表
段落号
电平范围
段落码
段落起
i=1~8
（）
CCC
始电平
Isi
（）
8
1024~2048
111
1024
量化段内码对应权值
间隔
（）
iCCCC
5678
（）
6451225612864
7
512~1024
110
512
32
256
128
64
32
6
256~512
101
256
16
128
64
32
16
5
128~256
100
128
8
64
32
16
8
4
64~128
011
64
4
32
16
8
4
3
32~64
010
32
2
16
8
4
2
2
16~32
001
16
1
8
4
2
1
1
0~16
000
0
1
8
4
2
1
办理器自带的12位ADC，对应的存放器采样值
0~4095，采样值在0~2047，第一位
C1的极
性码为负，用0表示；采样值在2048~4095，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2-5PCM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-2048~2048；
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
C
1为：
0；
电平范围位于1024~2048，段落码
CCC
234为：
111，；
量化间隔为64，段落开端电平为
1024，1600-1024=576
；576/64=9；
段内码C5C6C7C8为：
1001
那么量化值-1600对应的PCM编码值为：
01111001
5.实验框图说明
下列图为PCM编译码原理的实验原理框图：
图2-6PCM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-A2
2P1：
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-A7
7TP5：
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）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：
250Hz～
4KHz。
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
736
992
192
832
544
-192
-832
=992
编码值
01001000
0110101
01101111
0
2.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）20050080010002000300034003600
输出幅度（V）
4.填下下表，并画出PCM的动向范围：
输入幅度（V）
1
2
3
4
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。
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