脉冲编码信号同步显示系统设计

创新者：杨秀清

脉冲编码信号同步显示系统设计

创新者：杨秀清

为了将脉冲编码调制信号的转换过程直观地显示出来，设计了一种基于STM32微处理器的新型脉冲编码调制信号同步显示系统方法与系统，首先，该系统利用STM32微处理器实现PCM脉冲编码调制，其次，在同一块液晶显示屏上同时同步显示模拟信号、抽样信号、量化值和二进制码组，展示信号间的对应关系，从而直观地反映出脉冲编码调制原理和过程。

现代通信主要是数字通信，信源编码是模拟信号数字化的重要过程，PCM脉冲编码调制是一种常用的信源编码方法，是数字通信一个非常重要的知识，对其原理过程的理解是数字通信系统中信源编码模块设计实现的基础，如何借助实验手段直观地揭示PCM脉冲编码调制的原理和过程，帮助理解深奥抽象的理论知识，是本文需要解决的问题。

传统PCM脉冲编码调制实验系统是通过专用编译码芯片构成的实验模块电路来实现的，能观测到的信号有输入模拟信号、8KHZ抽样脉冲、编码时钟、编码信号。如要较好的分析PCM脉冲编码调制原理就需要一个4通道示波器同时观测上述4个信号，只有这样才能观察到抽样时刻对应在模拟信号上的位置、编码速率和编码波形三者之间的对应关系。由于实验系统中抽样脉冲和模拟信号是在不同的时钟源控制下，不能保证抽样脉冲在模拟信号上的抽样位置相对固定，导致模拟信号经抽样、量化和编码后得到的二进制码组的最低位码元不能确定，根据示波器展示的信号，不能得到确定的二进制码组，同时因为示波器只能显示波形，不能直接显示数值，如量化值和二进制代码，还需要借助A律或U律编码表来分析量化值和二进制码组间的关系，达到理解和掌握PCM脉冲编码调制原理的目的，所以不能通过传统PCM脉冲编码调制实验直观地观测到量化值和二进制码组，不能直观反映出抽样信号值、量化值、二进制码组三者之间的关系，因此传统PCM脉冲编码调制实验方法无法展示量化过程和编码过程，对理解和掌握PCM脉冲编码调制原理的帮助作用不明显。

如果将模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、编码值同时同步一屏显示，就能够直接根据所显示的模拟信号波形、抽样信号、量化值、编码值四者之间在相位和数值上的对应关系，分析PCM脉冲编码调制原理和过程，本文首先对脉冲编码调制信号同步显示方法进行论述，其次对脉冲编码调制信号同步显示系统构成进行说明。

基于STM32微处理器的脉冲编码调制信号同步显示系统

同步显示方法设计

完整的PCM脉冲编码调制过程包含模拟信号带限，抽样，量化，编码环节，只有理解了模拟信号带宽和抽样频率之间的关系，并在此基础上通过分析抽样时刻上的量化值和二进制编码码组之间的关系，达到理解和掌握PCM脉冲编码调制原理的目的，为此，必须保证抽样脉冲与模拟信号上在时间轴上的对应位置相对固定（同步），即要求某抽样时刻的抽样信号幅值即为同时刻模拟信号的幅值，则该时刻模拟信号的幅值、抽样信号幅值、量化值、二进制编码码组是一一的对应关系。所以，需要直接显示出量化信号的电平值和编码信号的二进制代码，同时，抽样信号、量化值、二进制码组和输入模拟信号需要同时显示在一个显示屏上，并且所有信号在时间轴上的对应位置相对固定，即某抽样时刻的抽样信号幅值即为同时刻模拟信号的幅值，该抽样时刻抽样信号所对应的量化值和二进制码组同步显示，通过分析所观测到的模拟信号波形与抽样信号在相位和数值上的对应关系理解抽样过程及原理；通过分析所观测到的抽样信号、量化值和二进制码组三者之间在数值上的对应关系理解量化、编码过程及原理。

我们将高速微处理器与彩色液晶显示器相结合，利用STM32微处理器完成PCM脉冲编码调制，并输出模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制编码组同步显示在一个液晶显示器上，其同步显示机理如下：

首先在液晶显示器上建立一个同步水平轴，所述水平轴是基于所述处理器工作频率的时间轴，抽取输入模拟信号的瞬时幅度值是由STM32微处理器内置A/D转换电路完成，并在所述液晶显示器上显示出抽样信号的包络，形成对应时间轴的模拟信号波形。

同时模拟信号和抽样脉冲在STM32微处理器同一个时钟源控制下，可以将模拟信号的A/D抽样频率设置为PCM脉冲编码调制抽样脉冲频率整数倍关系，保证液晶上显示的模拟信号波形和抽样脉冲位置固定，即抽样脉冲与模拟信号上在时间轴上的对应位置相对固定（同步），从而准确确定编码值，为便于在液晶上显示平滑的抽样信号的包络，A/D抽样频率定为64KHZ，而常用PCM编码调制抽样频率为8KHZ，因此将以64KHZ的A/D抽样频率对输入模拟信号进行抽样所得的样值信号每8个样值编一次码就能满足PCM编码调制要求。同时保证了模拟信号的A/D抽样频率和PCM编码调制抽样脉冲频率成整数倍的关系。

图1　脉冲编码调制信号同步显示系统原理框图

图2　液晶显示器同步显示的模拟信号、抽样信号、量化值和二进制码组

图3　抽样脉冲信号和编码信号

其次，依据PCM脉冲编码调制规则的PCM抽样频率，微处理器对所述模拟信号进行PCM抽样，在模拟信号波形上做出PCM抽样时刻标记，PCM抽样信号同步显示在抽样时刻标记的位置。

微处理器对所述PCM抽样信号进行量化，每个PCM抽样信号对应的量化值同步显示在抽样时刻标记的位置。

微处理器对所述量化值进行8位的A律13折线编码二进制编码，每个量化值对应的二进制码组同步显示在抽样时刻标记的位置。

通过上述方法我们将示波器无法同时同步显示的信号波形、抽样脉冲、量化值、编码值用液晶显示出来，展示信源编码的原理，同时用液晶显示出示波器无法显示数值，如：量化值、编码值。

系统设计

脉冲编码调制信号同步显示系统主要由STM32微处理器、液晶显示器和带限电路构成，如图1所示。

通常语音信号的有效带宽在300HZ-3400HZ，通过带限电路将所采集的模拟信号频率范围限定为300HZ-3400HZ后输入STM32微处理器A/D接口，在STM32微处理器内完成脉冲编码调制抽样、量化和编码过程， 同时通过程序控制确保模拟信号和抽样脉冲间绝对同步，同时在程序控制下同步同时显示带限模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、抽样信号、量化值、二进制码组5个信号在一个液晶显示器如图2所示，即准确显示出某一抽样时刻所对应的量化值大小、准确显示出该时刻量化值对应的二进制码组，为了进一步明确PCM脉冲编码调制信号变化过程，系统还同步输出编码波形和PCM抽样脉冲波形，通过示波器观察，便于和液晶上显示的二进制码组对照如图3所示；同步输出译码信号，通过示波器观察，比对带限音频模拟信号，分析量化误差大小。

图2横坐标1～8代表连续的8个采样时刻，采样频率为8KHz，竖线表示抽样信号，对应的数值为量化值，电平范围-2048∆-2048∆，采用8位A律13 折线编码方式。

图3中抽样脉冲时间控制下，编码信号在抽样脉冲下降沿输出。

结语

基于STM32微处理器的脉冲编码调制信号同步显示系统将模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、量化值、二进制码组同时同步一屏显示，可清晰观察模拟信号数字化处理的完整过程，能够直接根据所显示的模拟信号波形、时间轴上的抽样时刻、量化值、二进制码组四者之间在相位和数值上的对应关系，分析PCM脉冲编码调制原理和过程，有助于对脉冲编码调制理论知识的理解。

杨秀清

北京电子科技职业学院

杨秀清（1967- ）女，河北人，硕士，副教授，主要研究方向：电子信息技术与应用方面的研究；王艳秋（1975-）女，河北人，硕士，讲师，主要研究方向：单片机程序开发与接口板方面的研究。

北京电子科技职业学院重点课题，（NO. YZK2015025）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.024