脈沖編碼信號同步顯示系統(tǒng)設(shè)計

創(chuàng)新者：楊秀清

脈沖編碼信號同步顯示系統(tǒng)設(shè)計

創(chuàng)新者：楊秀清

為了將脈沖編碼調(diào)制信號的轉(zhuǎn)換過程直觀地顯示出來，設(shè)計了一種基于STM32微處理器的新型脈沖編碼調(diào)制信號同步顯示系統(tǒng)方法與系統(tǒng)，首先，該系統(tǒng)利用STM32微處理器實(shí)現(xiàn)PCM脈沖編碼調(diào)制，其次，在同一塊液晶顯示屏上同時同步顯示模擬信號、抽樣信號、量化值和二進(jìn)制碼組，展示信號間的對應(yīng)關(guān)系，從而直觀地反映出脈沖編碼調(diào)制原理和過程。

現(xiàn)代通信主要是數(shù)字通信，信源編碼是模擬信號數(shù)字化的重要過程，PCM脈沖編碼調(diào)制是一種常用的信源編碼方法，是數(shù)字通信一個非常重要的知識，對其原理過程的理解是數(shù)字通信系統(tǒng)中信源編碼模塊設(shè)計實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，如何借助實(shí)驗(yàn)手段直觀地揭示PCM脈沖編碼調(diào)制的原理和過程，幫助理解深奧抽象的理論知識，是本文需要解決的問題。

傳統(tǒng)PCM脈沖編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是通過專用編譯碼芯片構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路來實(shí)現(xiàn)的，能觀測到的信號有輸入模擬信號、8KHZ抽樣脈沖、編碼時鐘、編碼信號。如要較好的分析PCM脈沖編碼調(diào)制原理就需要一個4通道示波器同時觀測上述4個信號，只有這樣才能觀察到抽樣時刻對應(yīng)在模擬信號上的位置、編碼速率和編碼波形三者之間的對應(yīng)關(guān)系。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中抽樣脈沖和模擬信號是在不同的時鐘源控制下，不能保證抽樣脈沖在模擬信號上的抽樣位置相對固定，導(dǎo)致模擬信號經(jīng)抽樣、量化和編碼后得到的二進(jìn)制碼組的最低位碼元不能確定，根據(jù)示波器展示的信號，不能得到確定的二進(jìn)制碼組，同時因?yàn)槭静ㄆ髦荒茱@示波形，不能直接顯示數(shù)值，如量化值和二進(jìn)制代碼，還需要借助A律或U律編碼表來分析量化值和二進(jìn)制碼組間的關(guān)系，達(dá)到理解和掌握PCM脈沖編碼調(diào)制原理的目的，所以不能通過傳統(tǒng)PCM脈沖編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)直觀地觀測到量化值和二進(jìn)制碼組，不能直觀反映出抽樣信號值、量化值、二進(jìn)制碼組三者之間的關(guān)系，因此傳統(tǒng)PCM脈沖編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)方法無法展示量化過程和編碼過程，對理解和掌握PCM脈沖編碼調(diào)制原理的幫助作用不明顯。

如果將模擬信號波形、時間軸上的抽樣時刻、抽樣信號、量化值、編碼值同時同步一屏顯示，就能夠直接根據(jù)所顯示的模擬信號波形、抽樣信號、量化值、編碼值四者之間在相位和數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系，分析PCM脈沖編碼調(diào)制原理和過程，本文首先對脈沖編碼調(diào)制信號同步顯示方法進(jìn)行論述，其次對脈沖編碼調(diào)制信號同步顯示系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行說明。

基于STM32微處理器的脈沖編碼調(diào)制信號同步顯示系統(tǒng)

同步顯示方法設(shè)計

完整的PCM脈沖編碼調(diào)制過程包含模擬信號帶限，抽樣，量化，編碼環(huán)節(jié)，只有理解了模擬信號帶寬和抽樣頻率之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上通過分析抽樣時刻上的量化值和二進(jìn)制編碼碼組之間的關(guān)系，達(dá)到理解和掌握PCM脈沖編碼調(diào)制原理的目的，為此，必須保證抽樣脈沖與模擬信號上在時間軸上的對應(yīng)位置相對固定（同步），即要求某抽樣時刻的抽樣信號幅值即為同時刻模擬信號的幅值，則該時刻模擬信號的幅值、抽樣信號幅值、量化值、二進(jìn)制編碼碼組是一一的對應(yīng)關(guān)系。所以，需要直接顯示出量化信號的電平值和編碼信號的二進(jìn)制代碼，同時，抽樣信號、量化值、二進(jìn)制碼組和輸入模擬信號需要同時顯示在一個顯示屏上，并且所有信號在時間軸上的對應(yīng)位置相對固定，即某抽樣時刻的抽樣信號幅值即為同時刻模擬信號的幅值，該抽樣時刻抽樣信號所對應(yīng)的量化值和二進(jìn)制碼組同步顯示，通過分析所觀測到的模擬信號波形與抽樣信號在相位和數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系理解抽樣過程及原理；通過分析所觀測到的抽樣信號、量化值和二進(jìn)制碼組三者之間在數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系理解量化、編碼過程及原理。

我們將高速微處理器與彩色液晶顯示器相結(jié)合，利用STM32微處理器完成PCM脈沖編碼調(diào)制，并輸出模擬信號波形、時間軸上的抽樣時刻、抽樣信號、量化值、二進(jìn)制編碼組同步顯示在一個液晶顯示器上，其同步顯示機(jī)理如下：

首先在液晶顯示器上建立一個同步水平軸，所述水平軸是基于所述處理器工作頻率的時間軸，抽取輸入模擬信號的瞬時幅度值是由STM32微處理器內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換電路完成，并在所述液晶顯示器上顯示出抽樣信號的包絡(luò)，形成對應(yīng)時間軸的模擬信號波形。

同時模擬信號和抽樣脈沖在STM32微處理器同一個時鐘源控制下，可以將模擬信號的A/D抽樣頻率設(shè)置為PCM脈沖編碼調(diào)制抽樣脈沖頻率整數(shù)倍關(guān)系，保證液晶上顯示的模擬信號波形和抽樣脈沖位置固定，即抽樣脈沖與模擬信號上在時間軸上的對應(yīng)位置相對固定（同步），從而準(zhǔn)確確定編碼值，為便于在液晶上顯示平滑的抽樣信號的包絡(luò)，A/D抽樣頻率定為64KHZ，而常用PCM編碼調(diào)制抽樣頻率為8KHZ，因此將以64KHZ的A/D抽樣頻率對輸入模擬信號進(jìn)行抽樣所得的樣值信號每8個樣值編一次碼就能滿足PCM編碼調(diào)制要求。同時保證了模擬信號的A/D抽樣頻率和PCM編碼調(diào)制抽樣脈沖頻率成整數(shù)倍的關(guān)系。

圖1　脈沖編碼調(diào)制信號同步顯示系統(tǒng)原理框圖

圖2　液晶顯示器同步顯示的模擬信號、抽樣信號、量化值和二進(jìn)制碼組

圖3　抽樣脈沖信號和編碼信號

其次，依據(jù)PCM脈沖編碼調(diào)制規(guī)則的PCM抽樣頻率，微處理器對所述模擬信號進(jìn)行PCM抽樣，在模擬信號波形上做出PCM抽樣時刻標(biāo)記，PCM抽樣信號同步顯示在抽樣時刻標(biāo)記的位置。

微處理器對所述PCM抽樣信號進(jìn)行量化，每個PCM抽樣信號對應(yīng)的量化值同步顯示在抽樣時刻標(biāo)記的位置。

微處理器對所述量化值進(jìn)行8位的A律13折線編碼二進(jìn)制編碼，每個量化值對應(yīng)的二進(jìn)制碼組同步顯示在抽樣時刻標(biāo)記的位置。

通過上述方法我們將示波器無法同時同步顯示的信號波形、抽樣脈沖、量化值、編碼值用液晶顯示出來，展示信源編碼的原理，同時用液晶顯示出示波器無法顯示數(shù)值，如：量化值、編碼值。

系統(tǒng)設(shè)計

脈沖編碼調(diào)制信號同步顯示系統(tǒng)主要由STM32微處理器、液晶顯示器和帶限電路構(gòu)成，如圖1所示。

通常語音信號的有效帶寬在300HZ-3400HZ，通過帶限電路將所采集的模擬信號頻率范圍限定為300HZ-3400HZ后輸入STM32微處理器A/D接口，在STM32微處理器內(nèi)完成脈沖編碼調(diào)制抽樣、量化和編碼過程， 同時通過程序控制確保模擬信號和抽樣脈沖間絕對同步，同時在程序控制下同步同時顯示帶限模擬信號波形、時間軸上的抽樣時刻、抽樣信號、量化值、二進(jìn)制碼組5個信號在一個液晶顯示器如圖2所示，即準(zhǔn)確顯示出某一抽樣時刻所對應(yīng)的量化值大小、準(zhǔn)確顯示出該時刻量化值對應(yīng)的二進(jìn)制碼組，為了進(jìn)一步明確PCM脈沖編碼調(diào)制信號變化過程，系統(tǒng)還同步輸出編碼波形和PCM抽樣脈沖波形，通過示波器觀察，便于和液晶上顯示的二進(jìn)制碼組對照如圖3所示；同步輸出譯碼信號，通過示波器觀察，比對帶限音頻模擬信號，分析量化誤差大小。

圖2橫坐標(biāo)1～8代表連續(xù)的8個采樣時刻，采樣頻率為8KHz，豎線表示抽樣信號，對應(yīng)的數(shù)值為量化值，電平范圍-2048?-2048?，采用8位A律13 折線編碼方式。

圖3中抽樣脈沖時間控制下，編碼信號在抽樣脈沖下降沿輸出。

結(jié)語

基于STM32微處理器的脈沖編碼調(diào)制信號同步顯示系統(tǒng)將模擬信號波形、時間軸上的抽樣時刻、量化值、二進(jìn)制碼組同時同步一屏顯示，可清晰觀察模擬信號數(shù)字化處理的完整過程，能夠直接根據(jù)所顯示的模擬信號波形、時間軸上的抽樣時刻、量化值、二進(jìn)制碼組四者之間在相位和數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系，分析PCM脈沖編碼調(diào)制原理和過程，有助于對脈沖編碼調(diào)制理論知識的理解。

楊秀清

北京電子科技職業(yè)學(xué)院

楊秀清（1967- ）女，河北人，碩士，副教授，主要研究方向：電子信息技術(shù)與應(yīng)用方面的研究；王艷秋（1975-）女，河北人，碩士，講師，主要研究方向：單片機(jī)程序開發(fā)與接口板方面的研究。

北京電子科技職業(yè)學(xué)院重點(diǎn)課題，（NO. YZK2015025）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.024