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

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	466	-269	-860	-951	-492	269	860	951
编码值	11011 110	01010 001	01101 011	01101 110	01011 111	11010 001	11101 011	11101 110

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

输入频率（Hz）	200	500	800	1000	2000	3000	3400	3600
输出幅度(V)	3	5	6	10	12	13	16	19

4.填下下表，并画出PCM的动态范围:输入幅度(V)

输入幅度（V）	1	1.5	2	2.5	3	3.5	4	5
输出幅度	2	2.4	3	3.5	4	5.1	6	9

• 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。