PCM記憶重發編碼器的設計

閆 鑫

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

遙測技術發展已久，它對產品的研制開發起到重要的作用。它可以提供產品設計階段的原始數據，產品研制階段的故障分析數據，以及鑒定階段產品的驗收數據等。在實際應用中，由于遙測環境復雜，各種干擾因素可造成遙測信號的短時中斷，出現遙測數據丟幀現象，而有些重要的數據可能恰恰出現在干擾嚴重的情況下，數據幀的丟失造成關鍵數據的不完整性，給系統設計帶來困難。采用記憶重發技術構成的PCM編碼器就會彌補這一損失。因此，設計成的記憶重發編碼器具有重要的實用價值[1]。

1 PCM記憶重發編碼器的設計要求及原理

脈沖編碼調制（PCM）是用串行二進制脈沖編碼序列傳送時分多路采樣信號的一種數字化遙測系統。由于PCM能夠完成高精度信號傳輸、靈活多變的遙測幀格式及對數據進行合理的加工處理等優點，目前已經成為應用廣泛的遙測體制。另外，在新型的彈載（機載、星載）遙測數據采集系統中，總線制，模塊化已經成不容置疑的發展趨勢，而實現總線制。模塊化的遙測系統則應著重發展多數據流和記憶重發技術[2]。

PCM記憶重發編碼器主要完成如下功能：

a) 對模擬被測電信號的采樣保持；

b) 電信號的數字量化；

c) 形成標準的PCM串行數據流；

d) PCM幀結構的可編程設計；

e) 具有記憶重發功能，重發時間可編程。

記憶重發技術是指將被測模擬量通過A/D轉換器轉換成的數字量，一方面實時插入PCM串行數據流中：另一方面，將其存貯于數據存儲器中，經過Δt存儲延遲后再取出，插入PCM數據流，經無線信道重發，形成“先進先出”的循環工作方式，數據已讀出的存儲空間作為新采集數據的存貯單元，如此循環往復工作。根據PCM記憶重發編碼器所要完成的主要功能及相關技術指標，采用高速、對半閃爍A/D轉換技術，可編程時序控制技術及數據記憶重發技術，格式編排技術等構成新型、靈活、方便的可編程PCM記憶重發編碼器它主要由如下幾大部分構成：時鐘發生器、可編程時序碼控制器，多路復用器、數據記憶存儲器4幀同步碼發生器及格式控制器等，如圖1所示。

圖1 PCM記憶重發編碼器框圖

依據被測參數的信號特征和測試要求，對PCM幀結構進行設計、計算，確定合理的幀結構形式，通過可編程時序碼控制器形成可控制的時序碼信號，分別控制多路復用器、數據記憶存儲器及幀同步碼發生器，通過對模擬多路復用器的編程控制，可以實現不同被測信號的超倍采樣和模數轉換：通過對數據記憶存儲器的讀、寫及片選控制，完成實時數據記憶存儲及Δt時間后的數據重發功能并形成“先進先出”的循環工作方式；通過對幀同步碼發生器的地址及片選控制，使幀同步碼出現于每幀的最后幾個字的位置上，有了上述的各種編程控制，就可以形成適合不同要求的PCM幀結構形式。依靠格式控制器，對實時數據、重發數據及幀同步碼進行數據合理編排，獲取完整的PCM串行數據流，再經濾波器輸出，供發射機調制使用。

2 可編程時序碼控制器

將預先設計編排好的時序控制碼寫入EPROM，把EPROM的每根數據輸出線作為時序控制信號線，在相關時鐘的作用下，讀出EPROM相應地址單元的時序碼，即形成相應的時序控制信號。例如選用8bit的EPROM，就可同時輸出8路時序控制信號，若需要更多的控制信號，只需要選用較多bit數的EPROM即可。其中，時序碼存儲器可根據設計要求綜合考慮選定多種型號的只讀存儲器，同時要根據實際情況，選用讀取時間適當的存儲器，以便輸出準確的時序控制信號。當各路被測模擬信號頻帶范圍各異時，各路信號的采樣頻率將會有所不同，這時，只要改變EPROM內的時序碼就可以方便地改變時序控制信號，實現超倍采樣。

3 多路復用器

由A/D轉換器及模擬多路復用器構成PCM編碼器的核心部件，多路復用器是對多路被測模擬量分時采集，形成時分多路復用數據采集系統。通過選通多路復用器模擬通道的相應地址，實現對模擬信號的實時采集。

多路復用器的設計方案基本上分成兩種：(1)直接選用自身帶多路模擬通道的A/D轉換器，通過并聯使用，構成任意模擬通道的多路復用器；(2)使用單通道A/D轉換器加上多通道模擬門，構成靈活的多路復用器。兩種方法各有特點，可根據任務需求，靈活選擇使用。下面給出第二種方法的設計思路。

A/D轉換器選用單通道、高速8位的AD7820模數轉換器，它具有如下特點：

a) 快速轉換時間：1.36 u smax；

b) 內部跟蹤/保持功能：

c) 無誤碼：

d) 用戶無需微調，無需外部時鐘：

e) 單電源供電+5 V。

AD7820是高速的8位、微處理兼容的模數轉換器，它采用對半閃爍I（haIf-flash)轉換技術，使得轉換時間為1.36 μs。轉換器模擬量輸入范圍是0～5 V，并帶有單極性+5 V電源，其最高功耗僅有75 mW，總的調整誤差小于1/2LSB，在整個溫度范圍內無誤碼，多通道模擬門的品種眾多，使用簡單，將多路模擬門的輸出端并聯接入A/D轉換器，就構成實用的多路復用器[4]。

4 數據記憶重發

選用靜態數據存儲器，在對時序碼控制器的作用下，將實時采集的數據插入PCM串行數據流的同時，存入數據記憶存儲器中，等待延時Δt時間后再讀出，插入PCM串行數據流，形成“先進先出”的記憶重發循環工作方式，數據已讀出的空間作為新采集數據的存儲空間，循環往復工作，其重發時間由如下計算公式得到：

式中 T：記憶重發時間；N：存儲器地址線最高權位：fin：地址發生器輸入時鐘頻率。

通過地址線權位控制，可以改變記憶重發時間。

5 可重組PCM采編器原理樣機的調試

PCM采編器電路原理圖通過Altera公司的quartuII的編譯仿真通過后，編譯生成的.sof文件和.pof文件，可以用計算機通過下載電纜byteblaster MV，將.pof文件中的數據下載到EPC2中。在實際工作中，每次系統通電時，EPC2就主動將所設計電路加載到EPFl0K20TCl44-4中，加載時間不超過100 ms，然后電路就能按照設計要求工作。圖2就是PCM編碼器在示波器上的輸出波形，如圖所示，上面波形為PCM數據輸出，下面波形為同步時鐘輸出，通過示波器顯示，時鐘與數據同步，數據完整，達到實驗要求。

圖2 PCM采編器輸出波形

6 結論

該采編器采用高速A/D轉換技術，可編程時序控制技術，以及記憶重發技術，可以實現多種幀結構設汁，彌補數據丟幀的現象，提高遙測數據的完整性，保證測試數據的質量，為地面數據處理帶來方便.采用這種技術設計的編碼器已經成功地應用于遙測及遠程多管火箭遙測系統中，取得了良好的效果，具有廣泛的應用前景.

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