一种CVSD数字压扩增量调制原理解析实验方法及系统与流程

本发明涉及通讯领域，特别涉及一种CVSD数字压扩增量调制原理解析实验方法及系统，是一种基于STM32微处理器的CVSD数字压扩增量调制原理解析实验方法及系统。

背景技术：

连续可变斜率增量调制CVSD也称为数字检测音节压扩增量调制，其量化阶随着输入模拟信号斜率和幅度的不同而自动改变，即根据输入信号变化的不同采用不同的量化阶。

对于CVSD数字压扩增量调制原理的学习是现代数字通信技术的一个重要的知识点，如何通过实验的方法直观显示在一个音节周期内输入模拟信号、量化阶信号、二进制编码信号之间在相位、数值之间一一对应关系及信号间的跟随变化关系，以帮助学生理解CVSD编码调制的原理和过程一直是教学中亟需解决的问题。

学生只有理解了量化阶随着输入模拟信号斜率和幅度的变化而自动跟随改变的过程，并在此基础上一方面通过分析一个音节周期内输入模拟信号和积分器输出信号幅度大小的比较结果。另一方面通过分析二进制编码输出连码数据跟随输入信号频率和幅度变化的对应关系。最后得出量化阶的变化和编码信号之间的对应关系，以达到理解和掌握CVSD编码调制原理的目的，为此，必须保证一个音节周期内量化阶信号、输入模拟信号、二进制编码信号在时间轴上的对应位置相对固定，保证三者之间在相位和逻辑上的一一对应的跟随关系，即要求在同一个时钟控制下同屏显示量化阶信号、输入模拟信号、二进制编码信号和音节周期的同时量化阶信号需叠加显示于输入模拟信号上以方便分析量化阶信号跟随输入信号频率和幅度变化的相互关系。

通常CVSD数字压扩增量调制实验是通过增量调制编译码集成芯片构成的实验模块电路来实现的，用示波器观察CVSD编码过程，一般仅能同时观察两个信号，虽可以用示波器同时观测输入模拟信号和量化阶信号，由于量化阶信号没有叠加于输入模拟信号上显示，所以不能准确分析量化阶信号和输入模拟信号在幅度上的比较结果，也不能准确反应量化阶信号跟随输入模拟信号变化的过程，同时不能同时在同一个显示屏观测到同一音阶周期内二进制编码信号，无法分析二进制编码输出连码数据跟随输入信号频率和幅度变化的对应关系。或者可以用示波器同时观测输入模拟信号和二进制编码信号的波形，来分析编码信号与输入模拟信号的对应关系，即仅能观测到编码输出数据信号跟随输入模拟信号基本同步变化过程，不能同时在同一个显示屏观测到在同一音阶周期内量化阶发生的同步变化；由于无法看到在一个音节周期内输入模拟信号、量化阶信号、编码信号三者之间在相位和数值上的一一对应的跟随关系，同时不能准确显示量化阶信号和输入模拟信号在幅度上的比较关系，无法直观反映出量化阶和编码信号跟随输入模拟信号幅度和斜率的变化时对应的量化阶和编码信号同步变化的编码过程，所以通常的CVSD数字压扩增量调制实验方法对理解和掌握CVSD数字压扩增量调制原理的帮助作用不明显。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种CVSD数字压扩增量调制原理解析实验方法及系统。通过STM32软件同步算法确保输入模拟信号、量化阶信号、二进制编码信号三者之间在一个音节周期内绝对同步，同时通过控制STM32，在同一块液晶显示屏上同时观测到模拟信号波形、时间轴上的音节周期、量化阶信号、编码信号4个信号，可以准确观察输入模拟信号频率和幅度变化引起的编码输出数据、量化阶电平、连码位数的变化及量化阶信号和输入模拟信号在幅度上的比较关系。

为了实现上述目的，本发明的方案是：

一种CVSD数字压扩增量调制原理解析实验方法，包括对输入音频模拟信号进行带限、抽样、相减比较、判决差值编码、脉幅调制、平滑和积分处理获得音频模拟信号、量化阶信号、二进制编码信号，通过STM32微处理器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设定音节周期的时间轴，以设定的A/D抽样频率对输入音频模拟信号进行抽样，并在所述液晶显示器上显示出抽样信号的包络，包络形成对应时间轴输入的音频模拟信号波形；其中，将获取的量化阶信号、二进制编码信号动态跟随音频模拟信号波形与具有音节周期的时间轴同步显示；

所述获取二进制编码信号同步显示的过程是：按照音节周期对抽样信号与积分处理输出信号比较后输出的差值信号进行判断，差值信号>0输出1码， 差值信号<0输出0码，得到输出的单极性脉冲信号和由单极性的脉冲信号宽度形成的二进制编码波形，码元宽度为一个音节周期，将二进制编码波形随音频模拟信号波形的动态变化同步显示在时间轴之上，其中，所述积分处理输出信号为所述量化阶信号；

所述获取量化阶信号并显示的过程是：

第一步：对单极性的脉冲信号宽度形成的二进制编码波形进行平滑处理，取其平均值作为平滑处理后输出信号的电压值；

第二步：对平滑处理后输出的电压值进行脉幅调制，产生一个双极性脉冲，脉冲的幅度随信号的斜率变化；

第三步：对双极性脉冲进行积分处理产生量化阶信号；

第四步：将量化阶信号随音频模拟信号波形同步叠加显示在音频模拟信号波形上。

方案进一步是：所述音节周期为10毫秒，所述的抽样信号是针对每一个音节周期的输入音频模拟信号以32KHZ的A/D抽样频率进行抽样的抽样信号。

方案进一步是：所述同步叠加显示在音频模拟信号波形上的量化阶信号波形是随以音节周期为阶长随音频模拟信号波形变化随动的量化阶信号波形，其量化阶信号波形是通过对二进制码的连码检测判断实现的，其过程是：当二进制码为连续“1”时量化阶信号波形是随模拟信号波形向上的连续阶长阶梯波，当二进制码为连续“0”时量化阶信号波形是随模拟信号波形向下的连续阶长阶梯波，当二进制码为“0”、“1” 交替时量化阶信号波形是随模拟信号波形平行的连续阶长上下交替波。

方案进一步是：所述方法进一步包括：所述STM32微处理器在输出模拟信号波形、量化阶信号、二进制编码信号和时间轴上的音节周期信号至显示器的同时，还将二进制编码信号同步对外输出，用于“增量调制编译码模块”的输入信号，经译码后还原模拟语音输入信号。

一种CVSD数字压扩增量调制原理解析实验系统，包括STM32微处理器芯片，围绕所述微处理器芯片设置有一个频率范围在300HZ-3400HZ的带宽限制电路和数字液晶显示器；所述带宽限制电路的输入端连接音频模拟信号采集电路，所述带宽限制电路的输出端连接微处理器芯片的A/D转换输入接口，液晶显示器通过接口电路连接所述微处理器芯片的数据输出线，在所述带宽限制电路的输出设置有一个带限音频模拟信号测试端口；其中，围绕所述微处理器芯片还设置有一个译码电路，所述译码电路包括一个用作增量调制译码的集成芯片MC34115、一个运算放大器和一个用作低通滤波的集成芯片TP3057，集成芯片MC34115通过第一隔直电容连接STM32微处理器芯片的二进制编码信号输出接口，二进制编码信号经集成芯片MC34115译码后通过第二隔直电容连接集成芯片TP3057进行低通滤波，运算放大器的正极输入端通过第三电容连接TP3057芯片的输出端，运算放大器的正极输入端同时连接一个由第一电阻和第二电阻并联，两个电阻分别连接正1.65伏和负1.65伏电源组成的直流电平变换电路，将以1.65V电平对称的交流信号变换为以0电平对称的交流信号，运算放大器的负极输入端与运算放大器的输出端短路，译码信号输出电路的输出端是一个译码信号测试端口。

方案进一步是：所述带宽限制电路包括一个用作滤波器的集成芯片TP3057和一个运算放大器，运算放大器的负极输入端与输出端短路，运算放大器的正极输入端通过一个电容连接TP3057芯片的输出端，运算放大器的正极输入端同时连接一个直流电平变换电路，带限后的模拟信号经运算放大器驱动和电平变换后从运算放大器的输出端输出；运算放大器的输出端连接至微处理器芯片的A/D转换输入接口，直流电平变换电路使得运算放大器的输出信号从以0电平对称的交流信号变换为以1.65V电平对称的交流信号，1.65V作为STM32微处理器进行A/D变换的直流供电，所述音频信号测试端口通过一个电阻连接在TP3057芯片的输出端。

方案进一步是：所述微处理器芯片还设置有连接示波器的编码波形输出接口。

本发明的有益效果是：在一个液晶显示屏同时观察输入信号频率和幅度变化引起的编码输出数据、量化阶电平、连码位数的变化，同时量化阶信号叠加显示于输入模拟信号上，直观显示了量化阶信号跟随输入信号频率和幅度变化的相互关系及量化阶信号和输入模拟信号在幅度上的比较关系，有助于学生对CVSD编码调制原理和过程的理解。实现了在同一个同步时钟控制下，保证了在一个音节周期内，输入模拟信号、量化阶信号、二进制编码信号之间在相位上和逻辑上的一一对应的跟随关系，不会发生因同步时钟不同，这三个信号失去逻辑上的对应关系，导致所显示的编码输出数据与量化阶电平变化步调不一致；同时由于量化阶信号叠加显示于输入模拟信号上，直观显示了量化阶信号和输入模拟信号的大小比较关系。

另外在STM32微处理器控制下，系统同步输出译码信号，通过示波器观察，比对输入模拟信号，定性的观测解码恢复出的模拟信号质量。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明显示波形示意图；

图2为本发明CVSD语音编码框图；

图3为本发明系统示意图；

图4为本发明译码电路示意图；

图5为本发明带宽限制电路示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例在于提供基于STM32微处理器的CVSD数字压扩增量调制原理解析实验方法，该实验系统通过STM32软件同步算法确保输入模拟信号、量化阶信号、二进制编码信号三者之间在一个音节周期内绝对同步，同时通过控制STM32，在同一块液晶显示屏上同时观测到模拟信号波形、时间轴上的音节周期、量化阶信号、编码信号4个信号，可以准确观察输入模拟信号频率和幅度变化引起的编码输出数据、量化阶电平、连码位数的变化及量化阶信号和输入模拟信号在幅度上的比较关系。利用STM32微处理器实现了在一个液晶显示屏同时显示输入模拟信号、量化阶信号、二进制编码编码信号和音节周期，并且在同一个同步时钟控制下，保证了在一个音节周期内，输入模拟信号、量化阶信号、二进制编码信号之间在相位上和逻辑上的一一对应的跟随关系，不会发生因同步时钟不同，这三个信号失去逻辑上的对应跟随关系，导致所显示的编码输出数据与量化阶电平变化步调不一致。同时由于量化阶信号叠加显示于输入模拟信号上，直观显示了量化阶信号和输入模拟信号的大小比较关系。

如图1所示：液晶显示屏同时显示输入模拟信号1、量化阶信号波形2、二进制编码信号3和时间轴4上的音节周期。通过本方法学生可以直观的在一个液晶显示屏同时观察输入信号频率和幅度变化引起的编码输出数据、量化阶电平、连码位数的变化，同时量化阶信号叠加显示于输入模拟信号上，直观显示了量化阶信号跟随输入信号频率和幅度变化的相互关系及量化阶信号和输入模拟信号在幅度上的比较关系，有助于学生对CVSD编码调制原理和过程的理解。

因此：一种CVSD数字压扩增量调制原理解析实验方法，包括对输入音频模拟信号进行带限、抽样、相减比较、判决差值编码、脉幅调制、平滑和积分处理获得音频模拟信号、量化阶信号、二进制编码信号，通过STM32微处理器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设定音节周期的时间轴，以设定的的A/D抽样频率对输入音频模拟信号进行抽样，并在所述液晶显示器上显示出抽样信号的包络，包络形成对应时间轴输入的音频模拟信号波形；其中，将获取的量化阶信号、二进制编码信号动态跟随音频模拟信号波形与具有音节周期的时间轴同步显示；

所述获取二进制编码信号同步显示的过程是：按照音节周期对抽样信号与积分处理输出信号比较后输出的差值信号进行判断，差值信号>0输出1码， 差值信号<0输出0码，得到输出的单极性脉冲信号和由单极性的脉冲信号宽度形成的二进制编码波形，码元宽度为一个音节周期，将二进制编码波形随音频模拟信号波形的动态变化同步显示在时间轴之上，其中，所述积分处理输出信号为所述量化阶信号；

所述获取量化阶信号并显示的过程是：

第一步：对单极性的脉冲信号宽度形成的二进制编码波形进行平滑处理，取其平均值作为平滑处理后输出信号的电压值；

第二步：对平滑处理后输出的电压值进行脉幅调制，产生一个双极性脉冲，脉冲的幅度随信号的斜率变化；

第三步：对双极性脉冲进行积分处理产生量化阶信号；

第四步：将量化阶信号进行波形转换后随音频模拟信号波形同步叠加显示在音频模拟信号波形上。

其中：所述音节周期为10毫秒，所述的抽样信号是针对每一个音节周期的输入音频模拟信号以32KHZ的A/D抽样频率进行抽样的抽样信号。

其中：所述同步叠加显示在音频模拟信号波形上的量化阶信号是以音节周期为阶长随音频模拟信号波形变化随动的量化阶信号波形，其量化阶信号波形，也就是将量化阶信号进行波形转换是通过对二进制码的连码检测判断实现的，其过程是：当二进制码为连续“1”时量化阶信号波形是随模拟信号波形向上的连续阶长阶梯波，当二进制码为连续“0”时量化阶信号波形是随模拟信号波形向下的连续阶长阶梯波，当二进制码为“0”、“1” 交替时量化阶信号波形是随模拟信号波形平行的连续阶长上下交替波。

总结上述编码处理过程，如图2框图所示；微处理器通过减法器对抽样信号X(n)与积分器输出信号Xp(n)比较后输出差值信号d(n)；对差值信号d(n)进行判断，d(n)>0输出1码， d(n)<0输出0码，得到输出二进制数字编码信号c(n)，c(n)为单极性脉冲信号，其中：幅度大于零的正脉冲表示1码，脉冲幅度为零表示0码，码元宽度为一个音节周期，将c(n)同步显示在音节周期时刻标记的下方或上方。微处理器对编码c(n)进行连“1”和连“0”码检测，并对应连码同步产生相应宽度的脉冲，脉冲宽度与连码位数成正比。

微处理器对上述脉冲进行平滑处理，取出其平均值作为平滑处理后输出信号的电压值。当连“1”和连“0”码多时，电压值增大；反之当连码少时，电压值减小，平滑的作用相当于将上述脉冲输入 (RC接近10ms) RC充放电电路，电路输出的平均值即为所需电压信号值。

微处理器对上述平滑处理后的输出电压进行脉幅调制，产生一个双极性脉冲，当连“1”码多，积分输出正脉冲的幅度增大输出的是随模拟信号波形向上的连续阶长阶梯波；当连“0”码多，积分输出负脉冲的幅度增大输出的是随模拟信号波形向下的连续阶长阶梯波。反之当连码少为“0”、“1” 交替时，积分输出脉冲的幅度减小是随模拟信号波形平行的连续阶长上下交替波。

其中：连码检测判断与二进制码的显示也关联，检测二进制编码连码数量的多少，对应连码同步产生相应宽度的脉冲，脉冲宽度与连码位数成正比。微处理器对上述脉冲进行平滑处理，取出其平均值作为平滑处理后输出信号的电压值。当连“1”和连“0”码多时，电压值增大；反之当连码少时，电压值减小；微处理器对上述平滑处理后的输出电压进行脉幅调制，产生一个双极性脉冲，当连“1”码多，输出正脉冲的幅度增大；当连“0”码多，输出负脉冲的幅度增大。反之当连码少时，输出脉冲的幅度减小。脉冲幅度是随信号斜率变化的。

由于脉幅调制器输出的脉冲幅度是随信号斜率变化的，因此，经积分电路以后，每个抽样周期内斜变电压上升或下降的量化阶也就随着变化。微处理器对上述双极性的脉冲进行积分处理产生量阶信号，量阶信号同步显示在音节周期时刻标记的下方或上方。本实施例是将量化阶信号波形随音频模拟信号波形同步叠加显示在音频模拟信号波形上，在同一个音节周期内，若数字编码c(n)输出为“1”，积分处理输出上升一个量阶；若数字编码c(n)为“0”，积分处理输出下降一个量阶。

初始阶段，系统设定一个默认的量化阶电平也称为预测值（例如使c(n)输出为“1”或为“0”的一个值），输入模拟信号经过 AD抽样得到抽样信号值，将抽样信号值与预测值比较，当抽样信号值大于预测值,则系统判决输出二进制数字编码为“1”，同时积分器输出上升一个量阶，作为下一个音节周期的预测值。 当抽样信号值小于预测值, 则系统判决输出二进制数字编码为“0”，同时积分器输出下降一个量阶，作为下一个音节周期的预测值。预测值因为一直通过和采样值对比来决定增减，所以预测值总是比较接近采样值，具有良好的跟随性。预测值的变化过程形成所述量化阶信号。

为了降低误差，量阶需要一直自适应调节，使得输入信号幅值范围发生变化时，量阶自适应的变化，提高编码器的动态范围，如果信号增加，那么对应编码位为“1”，如果信号连续增加使得编码为连续出现了3个1，那么系统通过一致性脉冲检测到这种情况之后，自动的增加量化阶电平，争取信号的增加在量化阶电平的范围之内。如果之后信号的增加小于了量化阶电平，那么对应的编码输出为“0”，如果信号的增加仍然大于量化阶电平，那么对应编码输入仍为“1”，系统仍要增加量化阶电平，直到信号的增加小于量化阶电平为止。信号连续减小对应调整过程类似。

实施例中：所述音节周期为10毫秒。

实施例中：所述量化阶信号是积分处理产生的 ，在同一个音节周期内，二进制编码为“1”，积分处理输出上升一个量阶；若数字编码为“0”，积分处理输出下降一个量阶。

实施例中：所述方法进一步包括：所述STM32微处理器在输出模拟信号波形、量化阶信号、二进制编码信号和时间轴上的音节周期信号至显示器的同时，还将二进制编码信号同步对外输出，用于“增量调制编译码模块”的输入信号，经译码后还原模拟语音输入信号。

实施例2：

一种实现实施例1多数方法的CVSD数字压扩增量调制原理解析实验系统，如图3所示，包括STM32微处理器芯片5，所述STM32微处理器芯片中包含有如图2所示的减法器、判决器、脉幅调制积分器、连码检测以及对音频模拟信号抽样和连码检测抽样的处理模块；围绕所述微处理器芯片设置有一个频率范围在300HZ-3400HZ的带宽限制电路6和数字液晶显示器7；所述带宽限制电路的输入端连接音频模拟信号采集电路8，所述带宽限制电路的输出端连接微处理器芯片的A/D转换输入接口，液晶显示器通过接口电路9连接所述微处理器芯片的数据输出线，在所述带宽限制电路的输出设置有一个带限音频模拟信号测试端口10；其中，围绕所述微处理器芯片还设置有一个译码电路11，所述译码电路如图4所示，包括一个用作增量调制译码的集成芯12（MC34115）、一个运算放大器13和一个用作低通滤波的集成芯片14（TP3057），集成芯片MC34115通过第一隔直电容C1连接STM32微处理器芯片的二进制编码信号输出接口，二进制编码信号经集成芯片MC34115译码后通过第二隔直电容C2连接集成芯片TP3057进行低通滤波，运算放大器的正极输入端通过第三电容C3连接TP3057芯片的输出端，运算放大器的正极输入端同时连接一个由第一电阻R1和第二电阻R2并联，两个并连电阻的一端分别连接正负1.65伏电源VDD、-VDD组成的直流电平变换电路，将以1.65V电平对称的交流信号变换为以0电平对称的交流信号，运算放大器的负极输入端与运算放大器的输出端短路，译码信号输出电路的输出端是一个译码信号测试端口15。

实施例中：所述带宽限制电路如图5所示，包括一个用作滤波器的集成芯片16（TP3057）和一个运算放大器17，运算放大器的负极输入端与输出端短路，运算放大器的正极输入端通过一个电容连接TP3057芯片的输出端，运算放大器的正极输入端同时连接一个由第三电阻R3和第四电阻R4并联，两个并联电阻的一端分别与正1.65伏电源VDD和地GND连接组成的直流电平变换电路，带限后的模拟信号经运算放大器驱动和电平变换后从运算放大器的输出端输出；运算放大器的输出端连接至微处理器芯片的A/D转换输入接口，直流电平变换电路使得运算放大器的输出信号从以0电平对称的交流信号变换为以1.65V电平对称的交流信号，1.65V作为STM32微处理器进行A/D变换的直流供电，所述音频信号测试端口18通过一个电阻连接在TP3057芯片的输出端。

实施例中：所述微处理器芯片还设置有连接示波器的二进制编码波形输出接口19。