脈沖編碼信號同步顯示系統設計

創新者：楊秀清

脈沖編碼信號同步顯示系統設計

創新者：楊秀清

為了將脈沖編碼調制信號的轉換過程直觀地顯示出來，設計了一種基于STM32微處理器的新型脈沖編碼調制信號同步顯示系統方法與系統，首先，該系統利用STM32微處理器實現PCM脈沖編碼調制，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、量化值和二進制碼組，展示信號間的對應關系，從而直觀地反映出脈沖編碼調制原理和過程。

現代通信主要是數字通信，信源編碼是模擬信號數字化的重要過程，PCM脈沖編碼調制是一種常用的信源編碼方法，是數字通信一個非常重要的知識，對其原理過程的理解是數字通信系統中信源編碼模塊設計實現的基礎，如何借助實驗手段直觀地揭示PCM脈沖編碼調制的原理和過程，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PCM脈沖編碼調制實驗系統是通過專用編譯碼芯片構成的實驗模塊電路來實現的，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關系。由于實驗系統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，導致模擬信號經抽樣、量化和編碼后得到的二進制碼組的最低位碼元不能確定，根據示波器展示的信號，不能得到確定的二進制碼組，同時因為示波器只能顯示波形，不能直接顯示數值，如量化值和二進制代碼，還需要借助A律或U律編碼表來分析量化值和二進制碼組間的關系，達到理解和掌握PCM脈沖編碼調制原理的目的，所以不能通過傳統PCM脈沖編碼調制實驗直觀地觀測到量化值和二進制碼組，不能直觀反映出抽樣信號值、量化值、二進制碼組三者之間的關系，因此傳統PCM脈沖編碼調制實驗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值上的對應關系，分析PCM脈沖編碼調制原理和過程，本文首先對脈沖編碼調制信號同步顯示方法進行論述，其次對脈沖編碼調制信號同步顯示系統構成進行說明。

基于STM32微處理器的脈沖編碼調制信號同步顯示系統

同步顯示方法設計

完整的PCM脈沖編碼調制過程包含模擬信號帶限，抽樣，量化，編碼環節，只有理解了模擬信號帶寬和抽樣頻率之間的關系，并在此基礎上通過分析抽樣時刻上的量化值和二進制編碼碼組之間的關系，達到理解和掌握PCM脈沖編碼調制原理的目的，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、二進制編碼碼組是一一的對應關系。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制代碼，同時，抽樣信號、量化值、二進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的量化值和二進制碼組同步顯示，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值上的對應關系理解抽樣過程及原理；通過分析所觀測到的抽樣信號、量化值和二進制碼組三者之間在數值上的對應關系理解量化、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合，利用STM32微處理器完成PCM脈沖編碼調制，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、二進制編碼組同步顯示在一個液晶顯示器上，其同步顯示機理如下：

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微處理器內置A/D轉換電路完成，并在所述液晶顯示器上顯示出抽樣信號的包絡，形成對應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抽樣頻率設置為PCM脈沖編碼調制抽樣脈沖頻率整數倍關系，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位置相對固定（同步），從而準確確定編碼值，為便于在液晶上顯示平滑的抽樣信號的包絡，A/D抽樣頻率定為64KHZ，而常用PCM編碼調制抽樣頻率為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編碼調制要求。同時保證了模擬信號的A/D抽樣頻率和PCM編碼調制抽樣脈沖頻率成整數倍的關系。

圖1　脈沖編碼調制信號同步顯示系統原理框圖

圖2　液晶顯示器同步顯示的模擬信號、抽樣信號、量化值和二進制碼組

圖3　抽樣脈沖信號和編碼信號

其次，依據PCM脈沖編碼調制規則的PCM抽樣頻率，微處理器對所述模擬信號進行PCM抽樣，在模擬信號波形上做出PCM抽樣時刻標記，PCM抽樣信號同步顯示在抽樣時刻標記的位置。

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

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

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值，如：量化值、編碼值。

系統設計

脈沖編碼調制信號同步顯示系統主要由STM32微處理器、液晶顯示器和帶限電路構成，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微處理器內完成脈沖編碼調制抽樣、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、二進制碼組5個信號在一個液晶顯示器如圖2所示，即準確顯示出某一抽樣時刻所對應的量化值大小、準確顯示出該時刻量化值對應的二進制碼組，為了進一步明確PCM脈沖編碼調制信號變化過程，系統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1～8代表連續的8個采樣時刻，采樣頻率為8KHz，豎線表示抽樣信號，對應的數值為量化值，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。

結語

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

楊秀清

北京電子科技職業學院

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

北京電子科技職業學院重點課題，（NO. YZK2015025）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.024