通信原理实验——PCM编译码

PCM编译码

• 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关系
3. 熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法

• 主要仪器设备及软件

硬件：多功能实验箱、示波器、导线

软件：无

• 实验原理

1. 抽样信号的量化原理

抽样信号的量化是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。其原理如下：

1. 将连续的模拟信号进行采样，得到一系列的采样值。
2. 将采样值映射为离散的数字量。具体地，将采样值划分为若干个离散的量化级别，每个量化级别对应一个数字量。例如，将采样值划分为256个量化级别，每个量化级别对应一个8位二进制数字量。
3. 将每个采样值映射为其所在的量化级别对应的数字量。具体地，将采样值与量化级别进行比较，确定其所在的量化级别，并将该量化级别对应的数字量作为该采样值的量化结果。
4. 将量化结果编码为数字信号。具体地，将每个量化结果转换为对应的二进制数字，并将这些二进制数字组合为数字信号输出。

2PSK调制具有简单、易实现的优点，但由于只有两个相位角度，传输速率较低，且对于噪声和干扰的抵抗能力较弱。因此，在实际应用中，通常采用更高阶的PSK调制方式来提高传输速率和抗干扰性能。

抽样信号的量化可以分为两种方式：均匀量化和非均匀量化。

1、均匀量化

均匀量化是将量化区间等分为若干个等宽的子区间，每个子区间代表一个量化级别。在均匀量化中，量化器的精度由量化区间的数量来决定。均匀量化的优点是实现简单、易于理解和计算，但是在量化低幅度信号时，存在量化误差较大的问题。

2、非均匀量化

非均匀量化是将量化区间划分为不等宽的子区间，每个子区间代表一个量化级别。在非均匀量化中，量化器的精度由量化区间的宽度来决定。非均匀量化的优点是可以在低幅度信号处提供更高的精度，从而减小量化误差。非均匀量化的常见方法包括：

自适应量化：根据信号的幅度动态调整量化区间的宽度，以提高量化精度。

微分量化：在量化之前，先对信号进行微分，再进行均匀量化，从而在低幅度信号处提供更高的精度。

对数量化：将信号转换为对数形式，再进行均匀量化，从而在低幅度信号处提供更高的精度。

总的来说，非均匀量化相对于均匀量化来说可以提供更高的量化精度，但是实现复杂度较高，需要更多的硬件资源。在实际应用中需要根据具体情况选择合适的量化方式。

2. 脉冲编码调制的基本原理

脉冲编码调制（PCM）是一种将模拟信号转换为数字信号的技术，其基本原理如下：

1. 采样：对模拟信号进行采样，将连续的模拟信号转换为一系列的离散样本。
2. 量化：将采样值映射为离散的数字量。具体地，将采样值划分为若干个离散的量化级别，每个量化级别对应一个数字量。例如，将采样值划分为256个量化级别，每个量化级别对应一个8位二进制数字量。
3. 编码：将每个采样值映射为其所在的量化级别对应的数字量。具体地，将采样值与量化级别进行比较，确定其所在的量化级别，并将该量化级别对应的数字量作为该采样值的量化结果。
4. 调制：将数字量转换为脉冲信号。具体地，将每个数字量转换为对应的二进制数字，并将这些二进制数字组合为脉冲信号输出。常见的调制方式包括脉冲振幅调制（PAM）、脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）等。

3. PCM编码硬件实现

PCM编码的硬件实现通常包括以下几个模块：

1. 采样模块：采样模块通常由模拟信号输入、采样电路和采样保持电路组成。模拟信号通过输入端口进入采样电路，经过采样电路将模拟信号转换为模拟电压值，然后通过采样保持电路将采样值保持在一个电容器或者保持电路中，以便后续的量化和编码处理。
2. 量化模块：量化模块通常由比较器、参考电压源和编码器组成。比较器将采样值与参考电压进行比较，确定其所在的量化级别，并将该量化级别对应的数字量输出。编码器将数字量转换为二进制数字，并输出到调制模块。
3. 调制模块：调制模块通常由时钟、计数器、寄存器和输出缓冲器组成。时钟提供时序信号，计数器计算时钟的周期数，寄存器存储采样值的二进制数字，输出缓冲器将二进制数字转换为脉冲信号输出。
4. 控制模块：控制模块通常由微处理器、控制逻辑和时序控制电路组成。微处理器负责控制整个PCM编码系统的工作流程，控制逻辑负责控制各个模块的工作状态，时序控制电路负责控制时序信号的生成和分配。

这里我们使用TP3057实现PCM编译码。TP3057是一种集成了PCM编码与解码功能的芯片，被广泛应用于计算机音频、数码音频、语音存储、数字通信和音频播放等领域。它内部集成了采样、量化、编码和调制等各种模块，能够实现高质量的数字信号处理。

下面是TP3057实现PCM编码的主要步骤

1. 采样电路：TP3057内部集成了采样电路，用于对输入的模拟信号进行采样。采样电路的工作频率可通过外部晶振进行设置，通常为8kHz。采样值将被传输到量化模块进行处理。
2. 量化模块：TP3057内部的量化模块使用了24位的宽动态范围ΔΣ模数转换器。该模块首先将采样值限制到一个固定的量化范围内，然后使用ΔΣ调制算法将其编码成数字信号。ΔΣ调制算法使用高速脉冲序列来表示数字信号，通过计算这些脉冲的密度来提高编码的精度。
3. 调制器：TP3057内部的调制器使用了PLL锁相环技术生成高精度的时钟信号，并将数字信号转换为高速序列脉冲，输出到输出缓冲器中。
4. 输出缓冲器：TP3057内部的输出缓冲器负责将二进制码流转换成可输出的数字信号，并提供电平调制信号。将该信号输入到数字信号解调器中将其转换回模拟信号。

此外，TP3057还支持数字信号的解码，可以将数字信号转换成模拟信号。通过相应的接口，TP3057可以方便地与其他数字电路、计算机或音频系统连接起来，实现高质量、可靠的数字信号处理。

• 实验电路图

节点说明

1.DDS1:模拟信号输出

2.P04:扬声器输入

3.3P1:原始信号的输入铆孔

4.3P3:带限输出铆孔

5.3P4:编码输出

6.3P5:PCM译码输入

7.3P6:模拟信号恢复输出

8.3P7:抽样脉冲

9.3P8:线路时钟

• 实验步骤和实验结果

1．设置有关实验模块

打开多功能实验箱，了解基础操作，设置实验模块。实验内容选择：实验项目->原理实验->信源编译码实验->PCM编译码原理。

2．导线连接

使用信号连接线按照实验电路图进行连接。

3. 接入示波器

打开示波器开关，将导线接入实验箱的对应要测量的节点。

4. PCM译码观测

用导线连接3P4和 3P5，此时将PCM输出编码数据直接送入本地译码器,构成自环。用示波器同时观测输入模拟信号3TP1和译码器输出信号3TP6，观测信号时以3TP1做同步。定性的观测解码信号与输入信号（1000HZ、2Vpp)的关系:质量、电平、延时。4.PCM频率响应测量

将测试信号电平固定在2Vp-p，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变化随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:200Hz~～4000Hz。

5. PCM译码失真测量

将测试信号频率固定在1000Hz，改变测试信号电平（输入信号的最大幅度为5Vp-p)，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)。

使用双踪示波器分别观察2P1和2P3，点击“基带设置”按钮,设置基带速率为“15-PN”“64K”，点击“设置”进行修改。观察示波器观测波形的变化，理解并掌握基带数据设置的基本方法。

6. PCM编译码系统增益测量

DDS1产生一个频率为100OHz、电平为2Vp-p的正弦波测试信号送入信号测试端口3P1。用示波器（或电平表）测输出信号端口（3TP6）的电平。将收发电平的倍数（增益）换算为dB表示。

7．关机拆线

实验结束，关闭电源，拆除导线，还原实验箱。

• 实验成果

1.定性描述PCM编译码的特性、编码规则，并填下表

2.描述PCM编码串行同步接口的时序关系

PCM编码串行同步接口的时序关系如下：

1. 主机向PCM编码器发送同步信号，使其处于同步状态。

2. 主机发送时钟信号，使PCM编码器按照指定的采样率进行采样。

3. PCM编码器将采样到的模拟信号转换为数字信号，并将其编码为PCM码。

4. PCM编码器将编码后的PCM码按照位序列的顺序，依次输出到串行数据线上。

5. 主机在时钟信号的边沿上读取串行数据线上的数据，并进行解码和处理。

6. 主机发送同步信号，使PCM编码器进入下一个采样周期，重复以上步骤。

3.填下下表，并画出 PCM的频响特性

4.填下下表，并画出PCM的动态范围:输入幅度(V)

• 实验小结

通过本次实验理解PCM编译码原理及PCM编译码性能；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；熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法；PCM编码原理验证，理解带限滤波器作用、A律编码规则；PCM编译码性能测量，观测编译码电路频响、时延、失真、增益等。