实验 2 PCM 编译码实验
一、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间的关系；
3.熟悉语音数字化技术的主要指标及测量方法。
二、实验原理
模拟信号抽样后变成在时间离散的信号后，必须经过量化才成为数字信号。 模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化两种。
把输入模拟信号的取值域按等距离分割的量化就称为均匀量化，每个量化区间的量化电 平均取在各区间的中点，如下图所示。
图 2-1 均匀量化过程示意图
均匀量化的主要缺点是无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此， 当信号 m(t ) 较小时，则信号量化噪声功率比也很小。这样，对于弱信号时的量化信噪比就难gu10灯头以达到给定的要求。通常把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，那么，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中往往采用非均匀量化的方法。
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化 间隔Dv 也小；反之，量化间隔就大。非均匀量化与均匀量化相比，有两个突出的优点：首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中往往是这样）时，非均匀量化 器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率 的均方根值基本上与信号抽样值成比例，因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改 善了小信号时的信噪比。
非均匀量化的实际过程通常是将抽样值压缩后再进行均匀量化。现在广泛采用两种对数
压缩，美国采用μ压缩律，我国和欧洲各国均采用 A 压缩律。本实验中 PCM 编码方式也是采用 A 压缩律。A 律压扩特性是连续曲线，实际中往往都采用近似于 A 律函数规律的 13 折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本保持连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路来实现，如下图所示。 图 2-2 13 折线特性
表 2-1 列出了 13 折线时的 x 值与计算得的 x 值的比较。
表 2-1 A 律和 13 折线比较
y | 0 | 1 8 | 2 8 | 3 8 | 4 8 | 5 8 | 6 8 | 7 8 | 1 |
x | 0 | 1 128 | 1 60.6 | 1 30.6 | 正弦波发生器1 15.4 | 1 7.79 | 1 3.93 | 1 1.98 | 1 |
按折线分段 的 x | 0 | 1 128 | 1 64 | 1 32 | 1 16 | 1 8 | 1 4 | 1 2 | 1 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
斜率 | 16 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 | 1 2 | 1 4 |
| | | | | | | | | | | | | | | | |
表中第二行的 x 值是根据 A = 87.6 计算得到的，第三行的 x 值是 13 折线分段时的值。可见，13 折线各段落的分界点与 A = 87.6 曲线十分逼近，同时 x 按 2 的幂次分割有利于数字化。
2.脉冲编码调制的基本原理
量化后的信号是取值离散的数字信号,下一步是将这个数字信号编码。通常把从模拟信号抽样、量化，编码变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）。
在 13 折线法中，无论输入信号是正是负，均用 led视频处理器8 位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值。其中，用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量 化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的 8 种可能状态来分别代
表 8 个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的 16 种可能状态来分别代表每一段落
的
曼越橘
16 个均匀划分的量化级。这样处理的结果，使 8 个段落被划分成 27＝128 个量化级。段落
码和 8 个段落之间的关系如表 2-2 所示，段内码与 16 个量化级之间的关系见表 2-3。上述编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。
表 2-2 段落码 表 2-3 段内码
3.PCM 编码硬件实现
完成 PCM 编码的方式有多种， 最常用的是采用集成电路完成 PCM 编译码， 如TP3057.TP3067 等，集成电路的优点是电路简单，只需几个外围元件和三种时钟即可实现， 不足是无法展示编码的中间过程，这种方法比较适合实际通信系统。另一种 PCM 编码方式是用软件来实现，这种方法能分离出 PCM 编码的中间过程，如：带限、抽样、量化、编码的完整过程，对学生理解 PCM 编码原理很有帮助；
TP3057 实现 PCM 编译码，原理框图如下图所示
图 2-3 PCM 编译码框图
集成芯片 TP3057 完成 PCM 编译码除了相应的外围电路外，主要需要 3 种时钟，即：编码时钟 MCLK、线路时钟 BCLK、帧脉冲 FS。三个时钟需有一定的时序关系，否则芯片不能正常工作：
编码时钟 MCLK：是一个定值，2048K；
线路时钟 BCLK：是 64K 的 n 倍，即：64K、128K、256K、512K、1024K、2048K 几种； 帧脉冲 FS：是 8K，脉宽必须是 BCLK 的一个时钟周期；
4.PCM 编码算法实现
(1)基于软件算法完成 PCM 编码，框图如下图所示：
图 2-4 软件实现 PCM 编码框图
本实验我们采用软件方式完成 PCM 编码、集成芯片 TP3057 完成 喷淋嘴PCM 译码，目的是希望通过微处理器和液晶能形象展示 PCM 编码的的完整过程，即：带限、抽样、量化、编码的过程，便于学生理解 PCM 编码原理。译码采用集成芯片 TP3057 的目的是验证软件编码是否正确。
(2)软件 PCM 编码原理
在 A 律13折线编码中，正负方向共16个段落，在每一个段落内有16个均匀分布的量化电平，因此总的量化电平数 L = 256 。编码位数 N = 8 ，每个样值用8比特代码C1 ～ C8 来表示，分为三部分。第一位C1 为极性码，用1和0分别表示信号的正、负极性。第二到第四位码C2涤纶单丝C3C4 为段落码，表示信号绝对值处于那个段落，3位码可表示8个段落，代表了8个段落的起始电平值。
上述编码方法是把非线性压缩、均匀量化、编码结合为一体的方法。在上述方法中，虽然各段内的16个量化级是均匀的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化间隔是不同的。
当输入信号小时，段落小，量化级间隔小；当输入信号大时，段落大，量化级间隔大。第一、 二段最短，归一化长度为 1/128 ，再将它等分16段，每一小段长度为 1/ 2048 ，这就是最小的量化级间隔 ∆。根据13折线的定义，以最小的量化级间隔 ∆为最小计量单位，可以计算出13折线 A 律每个量化段的电平范围、起始电平 I si 、段内码对应电平、各段落内量化间隔
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