基于微處理器的pcm脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通訊領(lǐng)域，特別涉及一種基于微處理器的PCM脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗方法及系統(tǒng)，是一種基于STM32微處理器的PCM脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代通信主要是數(shù)字通信，模擬信號數(shù)字化的過程即是信源編碼，PCM脈沖編碼調(diào)制是一種常用的信源編碼方法，PCM脈沖編碼調(diào)制原理是高校《數(shù)字通信原理》課程中一個重要的知識點，也是教學中的一個難點，如何借助實驗手段直觀地揭示PCM脈沖編碼調(diào)制的原理和過程，幫助學生理解深奧抽象的理論知識，一直是教學中亟需解決的問題。
[0003]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)，學生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制編碼碼組之間的關(guān)系，達到理解和掌握PCM脈沖編碼調(diào)制原理和不同方式信源編碼特點的目的，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、二進制編碼碼組是一一的對應(yīng)關(guān)系。
[0004]傳統(tǒng)PCM脈沖編碼調(diào)制實驗是通過專用編譯碼芯片構(gòu)成的實驗?zāi)K電路來實現(xiàn)的，學生能觀測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，由于實驗系統(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，導致模擬信號經(jīng)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(jù)示波器展示的信號，學生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(shù)值，如量化值和二進制碼，學生還需要借助A律或U律編碼表來分析量化值和二進制碼組間的關(guān)系，達到理解和掌握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(guān)系，因此傳統(tǒng)PCM脈沖編碼調(diào)制實驗方法無法展示編碼過程，對學生理解和掌握PCM脈沖編碼調(diào)制原理的幫助作用不明顯。
[0005]即便如此，完成上述實驗的示波器必須是4通道示波器，因為用兩個雙通道示波器觀看4個信號波形，無法觀察到4個信號在相位和時間上的對應(yīng)關(guān)系，但是目前高校實驗室配備的示波器一般是雙通道示波器或單通道示波器，因為4通道示波器相對操作復(fù)雜，調(diào)試過程耗費時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供基于微處理器的PCM脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗方法及系統(tǒng)，是基于STM32微處理器的PCM脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗方法及系統(tǒng)；針對所述問題，該實驗系統(tǒng)通過STM32軟件同步算法確保模擬信號和抽樣脈沖間絕對同步，同時通過控制STM32，在同一塊液晶顯示屏上同時觀測到模擬信號波形、時間軸上的抽樣時刻、抽樣信號、量化值、二進制編碼組5個信號，準確顯示出某一抽樣時刻所對應(yīng)的量化值大小、準確顯示出該時刻量化值對應(yīng)的二進制碼組，應(yīng)對上述輸出信號，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；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。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是:
基于微處理器的PCM脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗方法，包括對輸入模擬信號進行帶限、抽樣、量化和編碼處理；其中，所述方法是使用一個STM32微處理器輸出模擬信號波形、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。
[0008]方案進一步是:所述同步顯示的處理過程是:
第一步: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；
第二步:使用微處理器的A/D轉(zhuǎn)換電路，以64KHZ的A/D抽樣頻率對輸入模擬信號進行抽樣，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)時間軸的輸入模擬信號波形；
第三步: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行PCM抽樣，在所述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下方或上方。
[0009]第四步: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(yīng)的量化值同步顯示在抽樣時刻標記的下方或上方。
[0010]第五步:微處理器對所述量化值進行二進制編碼，每個量化值對應(yīng)的二進制碼組同步顯示在抽樣時刻標記的下方或上方。
[0011]方案進一步是:所述方法進一步包括信號顯示調(diào)試的步驟，包括:
第一步:將一個計算機通過一個ARM仿真器連接STM32微處理器芯片；
第二步:在計算機上編寫運行一個對所述輸入模擬信號進行帶限、抽樣、量化和編碼處理、同步顯示在一個液晶顯示器的程序；
第三步:通過ARM仿真器進行程序功能模擬，同時計算機對所述程序進行調(diào)試，調(diào)試完成后將程序下載進STM32微處理器芯片中；
第四步:將ARM仿真器和計算機脫離STM32微處理器芯片，STM32微處理器芯片獨立運行。
[0012]方案進一步是:所述PCM抽樣頻率是8 KHZ。
[0013]方案進一步是:所述二進制編碼方式是8位的A律13折線編碼。
[0014]方案進一步是:在輸出模擬信號波形、時間軸上的抽樣時刻、抽樣信號、量化值、二進制編碼碼組同步顯示在一個液晶顯示器的同時，所述方法進一步包括:應(yīng)對上述輸出信號，還同步輸出編碼波形和PCM抽樣脈沖波形，所述波形用于示波器觀察、與液晶上顯示的二進制碼組比對。
[0015]基于微處理器的PCM脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗系統(tǒng)，包括STM32微處理器芯片，圍繞所述微處理器芯片設(shè)置有一個頻率范圍在300HZ-3400HZ的帶寬限制電路和數(shù)字液晶顯示器；所述帶寬限制電路的輸入端連接音頻模擬信號采集電路，所述帶寬限制電路的輸出端連接微處理器芯片的A/D轉(zhuǎn)換輸入接口，液晶顯示器通過接口電路連接所述微處理器芯片的數(shù)據(jù)輸出線，在所述帶寬限制電路的輸出設(shè)置有一個帶限模擬音頻信號測試端口。
[0016]方案進一步是:圍繞所述微處理器芯片還設(shè)置有一個譯碼信號輸出電路，包括運算放大器，運算放大器的正極輸入端通過一個隔直電容連接STM32微處理器芯片的D/A輸出，運算放大器的正極輸入端同時連接一個直流電平變換電路，將以1.65V電平對稱的交流信號變換為以O(shè)電平對稱的交流信號，運算放大器的負極輸入端與運算放大器的輸出端短路，D/A的輸出信號經(jīng)運算放大器驅(qū)動和電平變換后輸出在一個譯碼信號測試端口。
[0017]方案進一步是:所述帶寬限制電路包括一個用作濾波器的集成芯片TP3057和一個運算放大器，運算放大器的負極輸入端與輸出端短路，運算放大器的正極輸入端通過一個電容連接TP3057芯片的輸出端，運算放大器的正極輸入端同時連接一個直流電平變換電路，帶限后的模擬信號經(jīng)運算放大器驅(qū)動和電平變換后從運算放大器的輸出端輸出。運算放大器的輸出連接至微處理器芯片的A/D轉(zhuǎn)換輸入接口，直流電平變換電路使得運算放大器的輸出信號從以O(shè)電平對稱的交流信號變換為以1.65V電平對稱的交流信號，1.65V作為STM32微處理器進行A/D變換直流供電，所述帶限音頻信號測試端口通過一個電阻連接在TP3057芯片的輸出端。
[0018]方案進一步是:所述微處理器芯片還設(shè)置有用連接示波器的PCM抽樣脈沖波形輸出端口和編碼波形輸出接口。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:實現(xiàn)了在一個屏幕上隨時間軸同時同步顯示模擬信號波形、抽樣時刻、抽樣信號、量化值、二進制編碼碼組，解決了傳統(tǒng)PCM脈沖編碼調(diào)制實驗示波器不能直接顯示數(shù)值，如量化值、二進制碼組的問題；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STM32微處理器A/D轉(zhuǎn)換電路的抽樣頻率設(shè)置為PCM抽樣頻率的整數(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