基于微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法及系统，包括对输入模拟信号进行带限、抽样、量化和编码处理；使用一个STM32微处理器将模拟信号波形、抽样时刻、量化值、二进制编码码组同步显示在一个液晶显示器上。本发明实现了在一个屏幕上同时同步显示模拟信号、抽样时刻、量化值、二进制编码组，解决了传统PCM脉冲编码调制实验示波器不能直接显示量化值和二进制码组的问题，通过本发明学生可以直观的观测模拟信号波形、抽样时刻、量化值、二进制码组四者之间在相位和数值上的对应关系，有助于学生对PCM脉冲编码调制原理和过程的理解，同时由于不再需要4通道示波器，节省了繁琐的复杂操作、调试过程所耗费时间。

说明书

技术领域

本发明涉及通讯领域，特别涉及一种基于微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法及系统，是一种基于STM32微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法及系统。

背景技术

现代通信主要是数字通信，模拟信号数字化的过程即是信源编码，PCM脉冲编码调制是一种常用的信源编码方法，PCM脉冲编码调制原理是高校《数字通信原理》课程中一个重要的知识点，也是教学中的一个难点，如何借助实验手段直观地揭示PCM脉冲编码调制的原理和过程，帮助学生理解深奥抽象的理论知识，一直是教学中亟需解决的问题。

完整的PCM脉冲编码调制过程包含模拟信号带限，抽样，量化，编码环节，学生只有理解了模拟信号带宽和抽样频率之间的关系，并在此基础上通过分析抽样时刻上的量化值和二进制编码码组之间的关系，达到理解和掌握PCM脉冲编码调制原理和不同方式信源编码特点的目的，为此，必须保证抽样脉冲与模拟信号上在时间轴上的对应位置相对固定（同步），即要求某抽样时刻的抽样信号幅值即为同时刻模拟信号的幅值，则该时刻模拟信号的幅值、抽样信号幅值、量化值、二进制编码码组是一一的对应关系。

传统PCM脉冲编码调制实验是通过专用编译码芯片构成的实验模块电路来实现的，学生能观测的信号有输入模拟信号、8KHZ抽样脉冲、编码时钟、编码信号。如要较好的分析PCM脉冲编码调制原理就需要一个4通道示波器同时观测上述4个信号，只有这样才能观察到抽样时刻对应在模拟信号上的位置、编码速率和编码波形三者之间的对应关系，由于实验系统中抽样脉冲和模拟信号是在不同的时钟源控制下，不能保证抽样脉冲在模拟信号上的抽样位置相对固定，导致模拟信号经抽样、量化和编码后得到的二进制码组的最低位码元不能确定，根据示波器展示的信号，学生不能得到确定的二进制码组，同时因为示波器只能显示波形，不能直接显示数值，如量化值和二进制码，学生还需要借助A律或U律编码表来分析量化值和二进制码组间的关系，达到理解和掌握PCM脉冲编码调制原理的目的，所以不能通过传统PCM脉冲编码调制实验直观地观测到量化值和二进制码组，不能直观反映出抽样信号值、量化值、二进制码组三者之间的关系，因此传统PCM脉冲编码调制实验方法无法展示编码过程，对学生理解和掌握PCM脉冲编码调制原理的帮助作用不明显。

即便如此，完成上述实验的示波器必须是4通道示波器，因为用两个双通道示波器观看4 个信号波形，无法观察到4 个信号在相位和时间上的对应关系，但是目前高校实验室配备的示波器一般是双通道示波器或单通道示波器，因为4通道示波器相对操作复杂，调试过程耗费时间。

发明内容

本发明目的在于提供基于微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法及系统，是基于STM32微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法及系统；针对所述问题，该实验系统通过STM32软件同步算法确保模拟信号和抽样脉冲间绝对同步，同时通过控制STM32，在同一块液晶显示屏上同时观测到模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码组5个信号，准确显示出某一抽样时刻所对应的量化值大小、准确显示出该时刻量化值对应的二进制码组，应对上述输出信号，还同步输出编码波形和PCM抽样脉冲波形，通过示波器观察，便于和液晶上显示的二进制码组对照；同步输出译码信号，通过示波器观察，比对带限音频模拟信号，分析量化误差大小。

为了实现上述目的，本发明的方案是：

基于微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法，包括对输入模拟信号进行带限、抽样、量化和编码处理；其中，所述方法是使用一个STM32微处理器输出模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码组同步显示在一个液晶显示器上。

方案进一步是：所述同步显示的处理过程是：

第一步：在液晶显示器上建立一个同步水平轴，所述水平轴是基于所述处理器工作频率的时间轴；

第二步：使用微处理器的A/D转换电路，以64KHZ的A/D抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并在所述液晶显示器上显示出抽样信号的包络，形成对应时间轴的输入模拟信号波形；

第三步：依据PCM脉冲编码调制规则的PCM抽样频率，微处理器对所述模拟信号进行PCM抽样，在所述模拟信号波形上做出PCM抽样时刻标记，PCM抽样信号同步显示在抽样时刻标记的下方或上方。

第四步：微处理器对所述PCM抽样信号进行量化，每个PCM抽样信号对应的量化值同步显示在抽样时刻标记的下方或上方。

第五步：微处理器对所述量化值进行二进制编码，每个量化值对应的二进制码组同步显示在抽样时刻标记的下方或上方。

方案进一步是：所述方法进一步包括信号显示调试的步骤，包括：

第一步：将一个计算机通过一个ARM仿真器连接STM32微处理器芯片；

第二步：在计算机上编写运行一个对所述输入模拟信号进行带限、抽样、量化和编码处理、同步显示在一个液晶显示器的程序；

第三步：通过ARM仿真器进行程序功能模拟，同时计算机对所述程序进行调试，调试完成后将程序下载进STM32微处理器芯片中；

第四步：将ARM仿真器和计算机脱离STM32微处理器芯片，STM32微处理器芯片独立运行。

方案进一步是：所述PCM抽样频率是８KHZ。

方案进一步是：所述二进制编码方式是8位的A律13折线编码。

方案进一步是：在输出模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码码组同步显示在一个液晶显示器的同时，所述方法进一步包括：应对上述输出信号，还同步输出编码波形和PCM抽样脉冲波形，所述波形用于示波器观察、与液晶上显示的二进制码组比对。

基于微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验系统，包括STM32微处理器芯片，围绕所述微处理器芯片设置有一个频率范围在300HZ-3400HZ的带宽限制电路和数字液晶显示器；所述带宽限制电路的输入端连接音频模拟信号采集电路，所述带宽限制电路的输出端连接微处理器芯片的A/D转换输入接口，液晶显示器通过接口电路连接所述微处理器芯片的数据输出线，在所述带宽限制电路的输出设置有一个带限模拟音频信号测试端口。

方案进一步是：围绕所述微处理器芯片还设置有一个译码信号输出电路，包括运算放大器，运算放大器的正极输入端通过一个隔直电容连接STM32微处理器芯片的D/A输出，运算放大器的正极输入端同时连接一个直流电平变换电路，将以1.65V电平对称的交流信号变换为以0电平对称的交流信号，运算放大器的负极输入端与运算放大器的输出端短路，D/A的输出信号经运算放大器驱动和电平变换后输出在一个译码信号测试端口。

方案进一步是：所述带宽限制电路包括一个用作滤波器的集成芯片TP3057和一个运算放大器，运算放大器的负极输入端与输出端短路，运算放大器的正极输入端通过一个电容连接TP3057芯片的输出端，运算放大器的正极输入端同时连接一个直流电平变换电路，带限后的模拟信号经运算放大器驱动和电平变换后从运算放大器的输出端输出。运算放大器的输出连接至微处理器芯片的A/D转换输入接口，直流电平变换电路使得运算放大器的输出信号从以0电平对称的交流信号变换为以1.65V电平对称的交流信号，1.65V作为STM32微处理器进行A/D变换直流供电，所述带限音频信号测试端口通过一个电阻连接在TP3057芯片的输出端。

方案进一步是：所述微处理器芯片还设置有用连接示波器的PCM抽样脉冲波形输出端口和编码波形输出接口。

本发明的有益效果是：实现了在一个屏幕上随时间轴同时同步显示模拟信号波形、抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码码组，解决了传统PCM脉冲编码调制实验示波器不能直接显示数值，如量化值、二进制码组的问题；同时模拟信号和抽样脉冲在STM32微处理器同一个时钟源控制下，可以将STM32微处理器A/D转换电路的抽样频率设置为PCM抽样频率的整数倍关系，保证液晶上显示的模拟信号波形和抽样脉冲位置固定，即抽样脉冲与模拟信号上在时间轴上的对应位置相对固定（同步），从而准确确定编码后的二进制码组，解决了传统PCM脉冲编码调制实验由于实验系统中抽样脉冲和模拟信号是在不同的时钟源控制下，不能保证抽样脉冲在模拟信号上的抽样位置相对固定，导致模拟信号经抽样、量化和编码后得到的二进制码组的最低位码元不能确定的问题。

同时，模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、量化值、二进制码组同时同步一屏显示，可以准确显示出抽样信号与模拟信号在时间和相位上的对应关系，准确显示出某一抽样时刻所对应的量化值大小、准确显示出该时刻量化值对应的二进制码组，教学中通过本发明学生可清晰观察模拟信号数字化处理的完整过程，可以直观的观测模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制码组，能够直接根据所显示的模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、量化值、二进制码组四者之间在相位和数值上的对应关系，分析PCM脉冲编码调制原理和过程，有助于学生对理论知识的理解，同时发明由于不再需要4通道示波器，本发明节省了繁琐的复杂操作、调试过程所耗费时间。

同时，应对上述输出信号，还同步输出编码波形，通过示波器观察，便于和液晶上显示的二进制码组对照；同步输出译码信号，通过示波器观察，比对带限音频模拟信号，分析量化误差大小。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1 为传统方法系统示意图；

图2为本发明模拟信号波形、抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码码组同步显示的图形；

图3为本发明抽样脉冲、编码波形显示的图形；

图4为本发明系统示意图；

图5为本发明译码输出电路示意图；

图6为本发明带宽限制电路示意图。

具体实施方式

图2示意了传统的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法，传统PCM脉冲编码调制实验是通过专用编译码芯片构成的实验模块电路来实现的，学生能观测的信号有输入模拟信号、8KHZ抽样脉冲、编码时钟、编码信号。如要较好的分析PCM脉冲编码调制原理就需要一个4通道示波器同时观测上述4个信号，只有这样才能观察到抽样时刻对应在模拟信号上的位置、编码速率和编码波形三者之间的对应关系，由于实验系统中抽样脉冲和模拟信号是在不同的时钟源控制下，不能保证抽样脉冲在模拟信号上的抽样位置相对固定，导致模拟信号经抽样、量化和编码后得到的二进制码组的最低位码元不能确定，根据示波器展示的信号，学生不能得到确定的二进制码组，同时因为示波器只能显示波形，不能直接显示数值，如量化值和二进制码，学生还需要借助A律或U律编码表来分析量化值和二进制码组间的关系，达到理解和掌握PCM脉冲编码调制原理的目的，所以不能通过传统PCM脉冲编码调制实验直观地观测到量化值和二进制码组，不能直观反映出抽样信号、量化值、二进制码组三者之间的关系，因此传统PCM脉冲编码调制实验方法无法展示编码过程，对学生理解和掌握PCM脉冲编码调制原理的帮助作用不明显。

即便如此，完成上述实验的示波器必须是4通道示波器，因为用两个双通道示波器观看4 个信号波形，无法观察到4 个信号在相位和时间上的对应关系，但是目前高校实验室配备的示波器一般是双通道示波器或单通道示波器，因为4通道示波器相对操作复杂，调试过程耗费时间。

实施例1：

为了有效解决传统PCM脉冲编码调制实验方法和电路存在的问题，本实施例基于STM32微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验方法，包括对输入模拟信号进行带限、抽样、量化和编码处理；所述方法是使用一个STM32微处理器输出模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码组同步显示在一个液晶显示器上。

如图2所示，实施例中：所述同步显示的处理过程是：

第一步：在液晶显示器上建立一个同步水平轴1，所述水平轴是基于所述处理器工作频率的时间轴；

第二步：使用微处理器的A/D转换电路，以64KHZ的A/D抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并在所述液晶显示器上显示出抽样信号的包络，形成对应时间轴的输入模拟信号波形2；

第三步：依据PCM脉冲编码调制规则的PCM抽样频率，微处理器对所述模拟信号进行PCM抽样，在所述模拟信号波形上做出PCM抽样时刻标记3，PCM抽样信号4同步显示在抽样时刻标记的下方或上方。

第四步：微处理器对所述PCM抽样信号进行量化，每个PCM抽样信号对应的量化值5同步显示在抽样时刻标记的下方或上方。

第五步：微处理器对所述量化值进行二进制编码6，并将每个量化值对应的二进制码组同步显示在抽样时刻标记的下方或上方。

实施例中：所述方法进一步包括信号显示调试的步骤，包括：

第一步：将一个计算机通过一个ARM仿真器连接STM32微处理器芯片；

第二步：在计算机上编写运行一个对所述输入模拟信号进行带限、抽样、量化和编码处理、同步显示在一个液晶显示器的程序；

第三步：通过ARM仿真器进行程序功能模拟，同时计算机对所述程序进行调试，调试完成后将程序下载进STM32微处理器芯片中；

第四步：将ARM仿真器和计算机脱离STM32微处理器芯片，STM32微处理器芯片独立运行。

实施例中：所述PCM编码调制抽样频率是８KHZ。

实施例中：所述二进制编码方式是8位的A律13折线编码，是一种标准音频编码方式，其方法是将音频模拟信号幅值的取值范围分成256个量化级，即将模拟信号幅值的取值范围分成16个不均匀量化区间（16大段落），再将每一个段落分成16个均匀量化区间（16小段），因而每一个量化值用为八位二进制代码表示。

八位A律13折线编码的码字安排分为三部分，第一位码字为极性码，用1和0分别表示模拟信号的正、负极性。第二到第四位码字为段落码，表示信号量化值的绝对值处于8个不均匀大段的哪一段落内，代表了8个段落的起始电平值。因每个大段内又均分成16小段，16小段内的起始电平数值用第五到第八位码表示，第五到第八位四位码称为段内码。

实施例中的STM32自带的12位数模转换器，能将抽取模拟信号瞬时幅度值量化成4096个值，对应量化电平的范围在0～4096，通过微处理器内的减法电路减去2048，量化电平的范围变化为-2048～2048，正好对应着A律13折线编码的量化电平的范围，如果量化值在-2048～0电平范围，采用A律13折线编码，则认为第一位极性码为0，如果量化值在0～2048电平范围，则认为第一位极性码为1，微处理器是通过查A律13折线编码表得出每个量化值所对应的二进制编码码组。

使用微处理器的A/D转换电路，以64KHZ的A/D抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并在所述液晶显示器上显示出抽样信号的包络，形成对应时间轴的模拟信号波形；

实施例中的抽取输入模拟信号的瞬时幅度值是由STM32内置A/D转换电路完成，并在所述液晶显示器上显示出抽样信号的包络，形成对应时间轴的模拟信号波形；为便于在液晶上显示平滑的抽样信号的包络，A/D抽样频率定为64KHZ，而常用PCM编码调制抽样频率为８KHZ，因此将以64KHZ的A/D抽样频率对输入模拟信号进行抽样所得的样值信号每8个样值编一次码就能满足PCM编码调制要求。

编码，是将每个样值所取的量化电平变换成一组二进制代码的过程，如是A律13折线编码，微处理器是通过查A律13折线编码表得出每个量化值所对应的二进制编码码组。

为了进一步全面的学习PCM脉冲编码调制过程所有信号间的对应关系，实施例中：所述方法在输出模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码码组同步显示在一个液晶显示器的同时，如图3所示，所述方法进一步包括：应对上述输出信号，还同步输出编码波形20和PCM抽样脉冲波形21，所述波形用于示波器观察、与液晶上显示的二进制码组比对。同步输出译码信号，

通过示波器观察，比对带限音频模拟信号，分析量化误差大小。

实施例2：

一种基于STM32微处理器的PCM脉冲编码调制原理解析实验系统，是实现实施例1所述方法的系统，如图4所示，包括一个STM32微处理器芯片7，是Cortex-M3 core的STM32F103高速微处理器芯片。围绕所述微处理器芯片设置有一个频率范围在300HZ-3400HZ的带宽限制电路8和数字液晶显示器9；所述带宽限制电路的输入端连接音频模拟信号采集电路10，所述带宽限制电路的输出端连接微处理器芯片的A/D（模拟转数字）输入接口，液晶显示器通过液晶显示接口电路11连接所述微处理器芯片的数据输出线，在所述带宽限制电路的输出设置有一个带限音频信号测试端口12。

实施例中模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码码组是通过液晶显示接口电路模块连接至彩色触摸液晶显示屏显示的，接口电路模块的16位数据线对应微处理器芯片数据线。

实施例中：围绕所述微处理器芯片还设置有一个译码信号输出电路13，所述译码信号输出电路的输入端连接微处理器芯片的D/A（数字转模拟）输出接口，译码信号输出电路的输出端是一个译码信号测试端口14，译码信号测试端口和所述带限音频信号测试端口用于连接一个双通道示波器的两个通道测试输入，对音频模拟信号和译码信号显示比对，分析量化误差大小；具体电路如图5所示：量化输出电路包括运算放大器15，运算放大器的正极输入端通过一个隔直电容C1连接STM32的D/A输出接口，运算放大器的正极输入端同时连接一个由电阻R1和R2分压构成的直流电平变换电路，将以1.65V电平对称的交流信号变换为以0电平对称的交流信号，运算放大器的负极输入端与输出端短路，D/A的输出信号经运算放大器驱动和电平变换后输出在一个译码信号测试端口14；译码信号测试端口和所述带限音频信号测试端口用于连接一个双通道示波器的两个通道测试输入，比较输入音频模拟信号和译码信号间的差别，分析量化误差大小。

实施例中：如图6所示，所述带宽限制电路包括一个用作滤波器的型号为TP305716集成芯片和一个运算放大器17，运算放大器的负极输入端与输出端短路，运算放大器的正极输入端通过一个电容C2连接TP3057芯片的输出端，运算放大器的正极输入端同时连接一个由电阻R3和R4组成的分压直流电平变换电路，即连接到分压电阻R3和R4的中点，带限后的模拟信号经运算放大器驱动和电平变换后从运算放大器的输出端输出。运算放大器的输出连接至微处理器芯片的A/D转换输入接口，直流电平变换电路使得运算放大器的输出信号从以0电平对称的交流信号变换为以1.65V电平对称的交流信号，所述音频信号测试端口通过一个电阻连接在TP3057芯片的输出端。

为了能够全面分析处理过程的信号变化，实施例中：所述微处理器芯片还设置有用连接示波器的PCM抽样脉冲波形输出端口18和编码波形输出接口19。