实验2、PCM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.熟悉PCM编译码专用集成芯片的功能和使用方法及各种时钟间的关系；3.熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法。二、实验原理1.抽样信号的量化原理模拟信号抽样后变成在时间离散的信号后，必须经过量化才成为数字信号。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分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，如下图所示。图2-1均匀量化过程示意图均匀量化的主要缺点是无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号m(t)较小时，则信号量化噪声功率比也很小。这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，那么，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中往往采用非均匀量化的方法。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对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相比，有两个突出的优点：首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中往往是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均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例，因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的信噪比。非均匀量化的实际过程通常是将抽样值压缩后再进行均匀量化。现在广泛采用两种对数压缩，美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律。本实验中PCM编码方式也是采用A压缩律。A律压扩特性是连续曲线，实际中往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本保持连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路来实现，如下图所示。图2-213折线特性表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y0182838485868781x01128160.6130.6115.417.7913.9311.981按折线分段的x011281641321161814121段落12345678斜率161684211214表中第二行的x值是根据A87.6计算得到的，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87.6曲线十分逼近，同时x按2的幂次分割有利于数字化。2.脉冲编码调制的基本原理量化后的信号是取值离散的数字信号,下一步是将这个数字信号编码。通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（PulseCodeModulation，PCM）。在13折线法中，无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。其中，用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代段落序号段落码81117110610151004011301020011000量化级段内码15111114111013110112110011101110101091001810007011160110501014010030011200101000100000表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，使8个段落被划分成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。表2-2段落码表2-3段内码3.PCM编码硬件实现完成PCM编码的方式有多种，最常用的是采用集成电路完成PCM编译码，如TP3057.TP3067等，集成电路的优点是电路简单，只需几个外围元件和三种时钟即可实现，不足是无法展示编码的中间过程，这种方法比较适合实际通信系统。另一种PCM编码方式是用软件来实现，这种方法能分离出PCM编码的中间过程，如：带限、抽样、量化、编码的完整过程，对学生理解PCM编码原理很有帮助；TP3057实现PCM编译码，原理框图如下图所示图2-3PCM编译码框图集成芯片TP3057完成PCM编译码除了相应的外围电路外，主要需要3种时钟，即：编码时钟MCLK、线路时钟BCLK、帧脉冲FS。三个时钟需有一定的时序关系，否则芯片不能正常工作：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，脉宽必须是BCLK的一个时钟周期；4.PCM编码算法实现(1)基于软件算法完成PCM编码，框图如下图所示：图2-4软件实现PCM编码框图本实验我们采用软件方式完成PCM编码、集成芯片TP3057完成PCM译码，目的是希望通过微处理器和液晶能形象展示PCM编码的的完整过程，即：带限、抽样、量化、编码的过程，便于学生理解PCM编码原理。译码采用集成芯片TP3057的目的是验证软件编码是否正确。(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个均匀分布的量化电平，因此总的量化电平数L256。编码位数N8，每个样值用8比特代码C1～C8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个段落的起始电平值。上述编码方法是把非线性压缩、均匀量化、编码结合为一体的方法。在上述方法中，虽然各段内的16个量化级是均匀的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化间隔是不同的。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，再将它等分16段，每一小段长度为1/2048，这就是最小的量化级间隔。根据13折线的定义，以最小的量化级间隔为最小计量单位，可以计算出13折线A律每个量化段的电平范围、起始电平Isi、段内码对应电平、各段落内量化间隔i。具体计算结果如表2-4所示。表2-413折线A律有关参数表段落号i=1~8电平范围()段落码C2C3C4段落起始电平Isi()量化间隔i()段内码对应权值（）C5C6C7C881024~2048111102464512256128647512~10241105123225612864326256~512101256161286432165128~25610012886432168464~128011644321684332~6401032216842216~32001161842110~16000018421处理器自带的12位ADC，对应的寄存器采样值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的其它比特我们通过量化值查表方式产生。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，学生能清晰观察到这4个信号的相互关系，如下图所示：图2-5PCM编码显示上图竖线表示抽样位置，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C1为：0；电平范围位于1024~2048，段落码C2C3C4为：111，；量化间隔为64，段落起始电平为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：011110015.实验框图说明下图为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单元完成，模拟信号经300-3400Hz带通滤波器后送入算法处理器进行模数转换，模数转换精度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类型、频率、幅度；6.各模块测量点说明(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编码原理验证，理解带限滤波器作用、A律编码规则；2.PCM编译码性能测量，观测编译码电路频响、时延、失真、增益等；四、实验步骤1.实验准备(1)获得实验权限，从浏览器进入在线实验平台；(2)选择实验内容使用鼠标在通信原理实验目录选择：PCM编译码实验，进入PCM编译码实验页面。2.PCM编码原理验证(1)设置工作参数设置原始信号为：“正弦”，频率：1KHz，幅度设置指示为45；(2)PCM串行接口时序观察输出时钟和帧同步时隙信号观测：用示波器同时观测抽样脉冲信号2TP9和输出时钟信号2TP8，观测时以2TP9做同步。分析和掌握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串行接口时序观察抽样时钟信号与PCM编码数据测量：用示波器同时观测抽样脉冲信号2TP9和编码输出信号2P6，观测时以2TP9做同步。分析和掌握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)在液晶观测PCM编码用鼠标点击PCM编译码框图（图2.6）右上角“！”号，液晶屏上会出现PCM编码解析图（下图），我们可以观察模拟信号、抽样脉冲、量化值、编码值等相关波形和参数，根据实验原理，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，因此编码数据（2P6）也应偶数位反转，上图中量化值1792的PCM编码值反转后为：10101001；(5)PCM编码输出数据观测用示波器同时观测抽样脉冲信号（2TP9）和编码输出数据端口（2P6），观测时以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译码观测用鼠标点击图2.6开关，开关闭合，PCM输出编码数据A7模块译码。用示波器同时观测输入模拟信号2P7和译码器输出信号7P8，定性观测编译码前后波形（1KHz、2Vpp）的关系：质量、电平。4.PCM频率响应测量将测试信号电平固定在2Vpp，调整测试信号频率，定性的观测译码恢复出的模拟信号电平。观测输出信号信电平相对输入信号频率变化的相对关系。用点频法测量。测量频率范围：250Hz～4KHz。300Hz:1KHz:2KHz:3KHz:4KHz:5.PCM译码失真测量将测试信号频率固定在1KHz，改变测试信号电平（输入信号的最大幅度为3Vpp。），用示波器定性的观测译码恢复出的模拟信号质量（通过示波器对比编码前和译码后信号波形平滑度）。6.PCM编译码系统增益测量DDS1产生一个频率为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，从浏览器退出在线实验平台。五、实验报告1.定性描述PCM编译码的特性、编码规则，并填下表。频率：1KHz幅度：2Vpp样点1样点2样点3样点4样点5样点6样点7样点8量化值736992192832544-192-832=992编码值1110011111101111110010001110101011100001010010000