模拟信号PCM编码的实现

西南科技大学专业方向设计报告

课程名称：通信专业方向设计

设计名称：模拟信号PCM编码的实现

姓名：杨广广

学号: 20064690

班级：通信0603

指导教师：谭顺华

起止日期：2009.12.5-2009.12.28

西南科技大学信息工程学院制

方向设计任务书

学生班级：通信0603 学生姓名：杨广广学号：20064690 设计名称：模拟信号PCM编码的实现

起止日期：2009.12.5-2009.12.28指导教师：谭顺华

方向设计学生日志

模拟信号PCM编码的实现

一、摘要：脉冲编码调制(PCM)是模拟信号数字化的最基本的方法，在通信、电子、计算机领域得到了广泛的应用。PCM理论自提出之后，随着通信技术、电子技术和计算机技术的发展，其实现办法也经历了不断的发展。本文就PCM的基本原理以及PCM的各种实现方法作一介绍。

二、设计目的和意义

脉冲编码调制(PCM)是模拟信号数字化的最基本的方法，理论简单，应用成熟。脉冲编码调制的概念是1937年由法国工程师Alee Reeres最早提出来的。随着集成电路技术的飞速发展，超大规模集成电路的PCM编、解码器出现，使它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信、信号处理、军事及民用电子技术领域发挥着越来越重要的作用，目前广泛应用于通信、计算机、数字仪表、遥控遥测等领域，其应用广和深度也在不断地扩展和深化。随着全球数字化、信息化的不断推进，脉冲编码调制会有更加良好的发展和应用前景。

三、设计原理

PCM是一种将模拟信号转换为数字信号的基本方法。主要包括抽样、量化与编码3个过程。抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间上离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成多位二进制码组成的码组表示抽样值，完成模拟信号到数字信号的转换。编码后的二进制码组经数字信道传输，在接收端，经过译码和滤波，还原为模拟信号。

1.抽样

模拟信号数字化的第一步是在时间上对模拟信号进行离散化处理，将时间上连续的模拟信号处理成时间上离散的信号，这一过程称为抽样。

抽样是利用采样脉冲序列δT(t)，从连续时间信号f(t)中抽取一系列离散样值。Ts =1/fs．称为f(t)采样间隔，或采样周期，fs称为采样频率。抽样是通过抽样电路来实现的。由于后续的量化过程需要一定的时间t，对于随时间变化的

模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间t内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。一般用保持电路来实现。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数，见图1。

图1 抽样过程

时间连续信号f(t)，其最高截止频率为fm。如果用时间间隔为Ts≤ fm的开关信号对f(t)进行抽样，则f(t)就可被样值信号fs(t)=f(nTs)来惟一地表示。或者说，要从样值序列中无失真地恢复原时间连续信号，其抽样频率应选为fs≥2 fm，这就是著名的抽样定理。

2.量化

抽样后信号仍然是模拟信号，其幅值为无限多个值，若直接转换成二进制数字信号表示需要无限多位二进制信号与之对应，这是不可能实现的，因此要采用量化的办法，用有限个值来表示模拟信号抽样值。

量化可以分为均匀量化与非均匀量化两种方式，实际应用普遍采用非均匀量化。非均匀量化的特点是：信号幅度小时量化间隔小其量化误差也小；信号幅度大时量化间隔大，其量化误差也大。采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比。

实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，目前普遍采用数字电路实现。其特性是：信号通过这种压缩电路处理后就改变了大信号和小信号之间的比例关系，大信号时比例基本不变或变化较小，而小信号则相应按比例增大。目前广泛采用的两种对数压缩特性是压缩律和A压缩律。我国使用的是A律l3折线特

性。

3.编码

编码就是把抽样并量化的量化值变换成一组二进制码组的过程。此时信号称为PCM信号。从概念上讲，编码过程可以用天平称某一物体重量的过程类比。编码可以分为线性编码、解码与非线性编码、解码两种。实际电路中，量化和编码电路常合在一起，称为模/数转换电路。

四、详细设计步骤、设计结果及分析

脉冲编码调制是理论上简单，应用上成熟的技术，广泛应用于通信、计算机、数字仪表、遥控遥测等领域。随着通信技术、电子技术和计算机技术的不断发展进步，在应用中的PCM的实现方法也经历了不断发展的过程，由最初通过模拟电路实现，数字电路实现，集成电路实现，软硬件结合实现，到采用单片机来实现。（一）硬件数字电路实现

实现模数转换的电路很多，如并联比较型电路、逐次渐近型电路、双积分型电路等。这里介绍应用非常广泛的逐次渐近型电路，其原理框图见图2。

图2 A/D转换原理框图

1.原理

逐个产生比较电压，逐次与输入电压比较，逐渐逼近的方式进行模拟信号向数字信号转换。转换前将寄存器清零，所以加给DAC转换器的数字量也为0，转换控制信号为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置成l，使寄存器的输出为100··· 00。这个数字量被DAC转换成相应的模拟电压，并送到比较器与输入的信号进行比较，如果比较的电压比输入的模拟电压大，说明数字过大，那么这个l要去掉，如果比较电压小于输入的模拟电压，那么说明这个数字不够大，这个l应保留，然后再按同样的方法将次高位置1，把比较电压与输入

的模拟电压再进行比较，看这个l是否保留，如此下去，直到最低位比较完为止。这时的寄存器的数字就是所转换的数字信号二进制代码。

图3 逐次渐近电路图

这是一个3位的二进制数码逐次渐近型电路，图中的c位电压比较器，

当V ≥V。时比较器的输出VB=0；当V1

2.工作过程

转换开始前先将FA 、FB、 FC置零，同时将FF1一FF5组成的环形移位寄存器置成Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 =10000状态，转换控制信号V变成高电平以后开始转换。

第一个脉冲到达后，FA被置成l，FB、FC被置成0，这时的寄存器状态QA QB QC =100，加到DAC转换器的输入端上，并在DAC的输出端得到相应的模拟电压V0、V1和V0在比较器中进行比较，结果就两种，若VI≥V0，则VB=O，若VI

第二个脉冲到达时，把FB 置成l ，如果原来的VB=l 则把FA 置成0，如果VB =O 则FA=l 继续保留住，同时Q1 Q2 Q3 Q4 Q5变为OO1OO 。

第三个脉冲来到时，FC 被置成l ，如果原来的VB=1则把FB 置成0，如果VB=0则FB=1继续保留住，同时Q1 Q2 Q3 Q4 Q5变为OOO1O 。

第四个脉冲来到时，如果原来的VB =l 则把FC 置成0，如果VB=O 则FC=l 继续保留住，那么这时的QA QB QC 状态值就是我们要的数字编码，同时Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 变为0000l ，这时Q5=l 时QA QB QC 的值通过门G6 G7 G8送到输出端。

第五个脉冲到达时Q1 Q2 Q3 Q4 Q5变为lOOOO ，返回初始状态，这时Q5=O ，G6 G7 G8关闭，QA QB QC 的值不能传输出去。

从以上过程来看，3位的逐次渐近电路完成一次需要5个时钟周期，如果是N 位逐次渐近电路完成一次需要N+2个时钟周期，而且在位数比较多时，逐次渐近型电路的规模要比其它类型的电路小的多，这也是逐次渐近型电路是目前集成模数转换器产品用的最多的电路的原因。

(二)集成电路实现

1.集成电路编码器的基本原理

模数转换过程中，模拟信号经过编译码器时，在编码电路中，它要经过取样、量化、编码，到底在什么时候被取样，在什么时序输出PCM 码则由A →D 控制来决定，同样PCM 码被接收到后译码电路经过译码、低通滤波、放大，最后输出模拟信号，把这两部分集成在一个芯片上就是一个单路编译码器，它只能为一个用户服务，即在同一时刻只能为一个用户进行A/D 及D/A 变换，实现双工通信。见图4。

模拟信号

PCM

模拟信号

PCM

图4 双工通信原理框图

模拟信号经取样后进行A律l3折线变换，最后变成8位PCM码，在单路编译码器中，经变换后的PCM码是在一个时隙中被发送出去，这个时序号是由A→D控制电路来决定的，而在其它时隙时编码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM帧里只在一个由它自己的A→D控制电路决定的时隙里输出8位PCM码，同样在一个PCM帧里，它的译码电路也只能在一个由它自己的D→A控制电路决定的时序里，从外部接收8位PCM码。单路编译码器的发送时序和接收时序还可由外部A—D控制电路来控制。

2.集成电路芯片介绍

集成电路把数字电路的体积缩小、重量减轻、功耗降低、处理精确，其工艺简单、集成度高、抗干扰性能好，简化了电路复杂程度，在一些芯片中可以采用软件结合来处理信号。各公司、厂家开发生产的用于实现PCM的集成电路芯片很多，在此介绍美国国家半导体公司的TP3067集成电路芯片。

(1)集成电路芯片内部结构。TP3067是美国国家半导体公司生产的用CMOS工艺制造的单片PCM A律编译器，芯片内带输入输出话路滤波器，内部设计有性能良好的电源滤波电路，能够实现A律PCM编码和解码。TP3067对话音进行8 kHz采样，即每0.125 ms一次，每次采样编成8 bit编码，C5409接收后，变换成线性的l6 bit，每20 ms组成l帧，共需TP3067进行160次采样。TP3067是把编码和译码集成在一起的一个芯片，其内部结构的主要部分及作用是：RC有源滤波器，滤出信号中的噪声并且增大带负载的能力；开关电容带通滤波器，除了滤波外，其输出启动编码器的抽样保持电路；电压基准提供输入过载电压；DAC、数模转化提供一个比较电压。

(2)工作原理。TP3067工作功能见图5。

图5 TP3067实际工作电路图

①同步工作。在同步工作中，对于发送和接收两个方向应当用相同的主时钟和位时钟，在这一模式中，MCLKX 上必须有时钟信号在起作用，而MCLKR/PDN 引脚则起了掉电控制作用。MCLKR/PDN上的低电平使器件上电，而高电平则使器件掉电。这两种情况中，不论发送或接收方向，MCLKX都作为主时钟输入，位时钟也必须作用在MCLKX上，对于频率为1.536 MHz、1.544 MHz或2.048 MHz的主时钟，BCLKR/CLKCEL可用来选择合适的内部分频器，在1.544 MHz工作状态下，可自动补偿每帧内的第193个时钟脉冲。当BCLKR/CLKSEL引脚上的电平固定时，BCLKX将被选为发送和接收方向兼用的位时钟。在同步模式中，位时钟BCLKX值可以从64 KHz变至2.048 MHz，但必须与MCLKX同步。每一个FSX脉冲标志着编码周期的开始，而在BCIXX的正沿上，从前一个编码周期来的PCM数据从已启动的DX 输出中移出。在8个时钟周期后，三态DX输出恢复到高阻抗状态。随着FSR脉冲来临，依赖BCLKX(或运行中的BCLKR)负沿上的DR输入，PCM数据被锁定，FSX

和FSR必须与MCLKX或MCLKR同步。

②发送部件。发送部件的输入端为一个运算放大器，并配有两个调整增益的

外接电阻。在低噪声和宽频带条件下，整个音频通带内的增益可达20dB以上。该运算放大器驱动一个增益为1的滤波器(由RC有源前置滤波器组成)，后面跟随一个时钟频率为256 KHz的8阶开关电容带通滤波器。该滤波器的输出直接驱动编码器的抽样保持电路。配人一个精密电压基准，以便提供额定峰值的输入过载。FSX 帧同步脉冲控制滤波器输出的抽样，然后逐次逼近的编码周期就开始。8位码装入缓冲器内，并在下一个FSX脉冲下通过DX移出，整个编码时延近似地等于165 ns 加上125 ns(由于编码时延)，其和为290 ns。

此编译码器的功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，它的功能使用可由用户通过一些控制来选择。

（三）软硬件结合实现

在实际应用中，采用PCM编码集成电路芯片来实现PCM编码器的功能，在电路设计上和实现上比较繁琐和复杂，因此可以通过软件的方法来实现PCM编码芯片的部分功能，与PCM编解码芯片相结合来共同完成整个电路设计，这样不仅设计简单，而且灵活方便。

PCM编码的过程包括抽样、量化、编码。可以采用软件方法实现PCM编码器的量化和编码功能，抽样由抽样保持电路来实现。我国采用A律l3折线压缩特性，量化线段为8段，每段划分为l6等分，信号分为正负极性。模拟信号采用的是8位折叠二进制编码。编码的过程就是把抽样后得到的模拟信号编码为用8位二进制码表示的数字信号，格式D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7，其中D0为极性码，D1 D2 D3为段落码，D4 D5 D6 D7为段内码。

编码一般采用逐次编码方案，编码过程分为3步：①先对抽样的信号进行极性判断，形成极性码；②采用对分法查找对比确定段落码；③在已知的段落里逐次比较确定段内码。以上过程可通过程序来实现。

（四）用单片机实现

随着微型处理器的发展和大面积应用，为单片机的出现及应用奠定了强大的基础。应用于工业生产和电子技术的基于PCM编码的单片机类型很多，其功能和价格不同。在此介绍HT46R23原理以及工作过程。

1. HT46R23的功能特性

HT46R23是台湾合泰公司推出的lO位 A/D转换器的高性能8位。它有两种封装形式，一种是24条引脚的封装(24k SKDIP-A/SOP-A)，另一种是28条引脚封装(28k SKDIP-A/SOP-A)，除了双向I/O口线的数量不同外，其它性能基本一致。其主要功能特性有：工作电压3．3～5．5 V，一个外部输入(与I/O口复用)，23/19条8位双向I/O口线，VDD=5 V，时钟为8 MHz时指令周期0．5 us，16位带7级预分频的可定时/计数器，1个内置晶体和RC振荡器，4 k ×15 bit程序存储器，看门狗(WDT)，192 ×8内部RAM，支持发声的PFD，8通道A/D转换器，大部分RAM均可执

行位操作，l5位查表指令，8级堆栈，两路PWM输出通道， C BUS总线，低电压复位功能，所有指令均为1～2个指令周期，63条精简指令集，暂停和唤醒功能。

2. HT46R23单片机工作原理

HT46R23内部含有8通道A/D转换器，它的引脚为PB0(AN0)一PB7(AN7)，其参考电压为VDD与A/ D转换有关的寄存器有4个，它们是：ADRL、ADRH、ADCR和ACSR。ADRL和ADRH是AD转换结果的低字节和高字节数据寄存器，属只读存储器。AD转换完成后，即可从这两个存储器读取AD数据。ADCR是A/D转换控制寄存器，用来定义A/D转换器的工作状态，包括A/D转换的通道、选择模拟输入端、A/ D转换开始和结果标志等。需进行A/D转换，要求先设置PB端口，选择转换的模拟通道，然后给START位一个启动信号即开始A/D转换。A/D转换结果后，EOC为被清零，并且产生A/D转换中断。ADSR是A/D时钟控制寄存器，用于选择A/D的时钟源。ADCR是A/D转换控制寄存器，ADCR的第0～2共3个位是用于选择模拟输入通道，HT46R23共有8个通道可以选择。ADCR的第3～5三个位用于设置PB口的工作模式，使PB端口既可以当作普通I/O端口，也可以用于模拟输入通道。ADCR的第6位EOC是A/D 转换结束的状态标志位，通过查询这个标志位即可了解A/D转换过程是否已经结束。ADCR的START位是用来启动A/D转换的，给START控制位一个上升沿和一个下降沿信号，A/D转换开始。其工作步骤如下：①选择PB端1：3的A/D输人引脚，并通过ADCR中的PCR2～PCR0位，将它们规划为A/D输人引脚。②通过ADCR中的ACS2～ACS0位，选择连接至内部A/D转换器的通道。③通过ACSR中的ADCS1和ADCS0，选择所需的A/D转换时钟。④通过设定ADCR寄存器中的START位从0到1再回到0，可

以开始模数转换的过程。⑤间断的查询ADCR寄存器中的EOCB位，检查模数转化过程是否转化完成，转化完成时，可读取A/D数据寄存器ADRL和ADRH获得转化后的值。

HT46R23的功能与操作完全由应用程序来控制，由应用程序控制开始模数转换过程后，单片机的内部硬件就会协同工作，完成模数转换，在这个过程当中程序可以继续其它的功能。

五、总结

随着科学技术的发展，PCM编码技术在很多的领域得到了应用和长足的发展。模数转化的方法很多，但是PCM编码是最基本的方法，只有掌握了基础方法后，随着科技的发展和需求的多样化才能在原有的基础上设计出能满足不同领域需求的设备，才能在现实应用中发现并解决问题，不断地推进PCM编码技术的演变和发展。

随着全球数字化、信息化的不断推进，脉冲编码调制技术也会不断进步和发展，PCM将会有更加良好的发展及应用前景。

六、体会

本次专业方向设计，我收获颇多。通过对PCM编码的设计，我进一步熟悉了信号调制的方法，对调制的基本思路和方法有了更深入的了解。同时，这次设计使我对数字信号处理、通信原理已经单片机课本上学到的知识点有了更深入的理解和掌握。还有很重要的一点是，我学会了如何安排设计所需的时间及合理利用网络资源等普遍实用的学习方法，通过和和同学探讨，拓宽了我的眼界，学习了很多别人好的设计思路和设计方法等。

由于我正准备考研，时间非常紧缺，本次设计几乎都是晚上加班熬夜做出来的，不可避免地存在不足。不过我相信，这是一次很有意义的设计，将为我下学期的毕业设计奠下坚实的基础。

七、参考文献

[1] 程佩青. 数字信号处理教程（第三版）. 清华大学出版社，2007.2

[2] 康华光. 电子技术基础（第五版）.高等教育出版社，2005.7

[3] 曹志刚、钱亚生. 现代通信原理. 清华大学出版社，1994

[4] 谢瑞和. 微机原理与接口技术.高等教育出版社，2007.7

[5] 蒋志海. 单片机原理及应用. 电子工业出版社，2005.4

[6] 李学海. PIC单片机实用教程（提高篇）.北京航空航天大学出版社 ,2002.10

[7] 百度百科：https://www.wendangku.net/doc/ff113557.html,/