通信原理課程設計基于Systemview的PCM時分復用多路系統(tǒng)設計

1、通信原理課程設計 學 院: 信息學院 班 級: 通信0902 姓 名: 學 號: 指導老師： 濟 南 大 學2011年12月30日 課 程 設 計 任 務 書課程設計題目：基于systemview的pcm時分復用多路系統(tǒng)設計課程設計內(nèi)容與要求：（1）基于systemview軟件實現(xiàn)；（2）實現(xiàn)單路話音信號的抽樣、壓縮、均勻量化與編碼得到pcm信號；（3）實現(xiàn)多路pcm信號的時分復用；（4）實現(xiàn)接收端的分接與譯碼；（5）考慮實現(xiàn)位同步電路；（6）觀察輸出信號的眼圖，得出誤碼率-信噪比曲線；（7）分別選擇不同特性信道時考察誤碼率-信噪比曲線。第1章 緒論1.1 研究背景 systemview是一種

2、電子仿真工具。它是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計和仿真，是一個強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理，濾波器設計，直到復雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設計，仿真要求。此外systemview具有良好的交互界面，簡單易學，通過分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個可視的仿真過程。本文主要闡述了如何利用systemview設計pcm時分復用多路系統(tǒng)。通過仿真設計電路，分析電路仿真結果，為最終硬件實現(xiàn)提供理論依據(jù)。此外該軟件支持外部數(shù)據(jù)的輸入和輸出，支持用戶自己編寫代碼(c/c)，兼容matlab軟件。同時，提供了與硬件設計工具的接口，給使用者提供了很大的便利。1.2 pc

3、m 簡介 pcm 脈沖編碼調(diào)制是pulse code modulation的縮寫，是數(shù)字通信的編碼方式之一。模擬信號數(shù)字化必須經(jīng)過三個過程，即抽樣、量化和編碼，pcm編碼的主要過程是將話音、圖像等模擬信號每隔一定時間根據(jù)抽樣定理進行抽樣,使其離散化,同時將抽樣值按四舍五入取整量化,同時將抽樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值，以實現(xiàn)由模擬向數(shù)字的轉換。 1. 抽樣(samping)抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，抽樣必須遵循奈奎斯特抽樣定理。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣

4、定理確定的。例如，話音信號帶寬被限制在0.33.4khz內(nèi)，用8khz的抽樣頻率，就可獲得能取代原來連續(xù)話音信號的抽樣信號。對一個正弦信號進行抽樣獲得的抽樣信號是一個脈沖幅度調(diào)制（pam）信號，再對抽樣信號進行檢波和平滑濾波，即可還原出原來的模擬信號。2. 量化（quantizing）抽樣信號雖然是時間軸上離散的信號，但仍然是模擬信號，其樣值在一定的取值范圍內(nèi)，可有無限多個值。顯然，對無限個樣值一一給出數(shù)字碼組來對應是不可能的。為了實現(xiàn)以數(shù)字碼表示樣值，必須采用“四舍五入”的方法把樣值分級“取整”，使一定取值范圍內(nèi)的樣值由無限多個值變?yōu)橛邢迋€值。這一過程稱為量化。量化后的抽樣信號與量化前的抽樣

5、信號相比較，當然有所失真，且不再是模擬信號。這種量化失真在接收端還原模擬信號時表現(xiàn)為噪聲，并稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決于把樣值分級“取整”的方式，分的級數(shù)越多，即量化級差或間隔越小，量化噪聲也越小。小信號量化技術要多，大信號量化級數(shù)要少，從而保持信噪比恒定。3. 編碼（coding）量化后的抽樣信號在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個可取的樣值，且信號正、負幅度分布的對稱性使正、負樣值的個數(shù)相等，正、負向的量化級對稱分布。若將有限個量化樣值的絕對值從小到大依次排列，并對應地依次賦予一個十進制數(shù)字代碼（例如，賦予樣值0的十進制數(shù)字代碼為0），在碼前以“”、“”號為前綴，來區(qū)分樣值的正、負，則量化后

6、的抽樣信號就轉化為按抽樣時序排列的一串十進制數(shù)字碼流，即十進制數(shù)字信號。簡單高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)是二進制碼系統(tǒng)，因此，應將十進制數(shù)字代碼變換成二進制編碼。根據(jù)十進制數(shù)字代碼的總個數(shù)，可以確定所需二進制編碼的位數(shù)，即字長。這種把量化的抽樣信號變換成給定字長的二進制碼流的過程稱為編碼。話音pcm的抽樣頻率為8khz，每個量化樣值對應一個8位二進制碼，故話音數(shù)字編碼信號的速率為8bits8khz64kb/s。量化噪聲隨量化級數(shù)的增多和級差的縮小而減小。量化級數(shù)增多即樣值個數(shù)增多，就要求更長的二進制編碼。因此，量化噪聲隨二進制編碼的位數(shù)增多而減小，即隨數(shù)字編碼信號的速率提高而減小。自然界中的聲音非常復雜，波

7、形極其復雜，通常我們采用的是脈沖代碼調(diào)制編碼，即pcm編碼。pcm通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字編碼2。1.3 system view軟件簡介 system view 是一個用于現(xiàn)代工程與科學系統(tǒng)設計及仿真的動態(tài)系統(tǒng)分析平臺。從濾波器設計、信號處理、完整通信系統(tǒng)的設計與仿真，直到一般的系統(tǒng)數(shù)學模型建立等各個領域，system view 在友好而且功能齊全的窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個精密的嵌入式分析工具。system view是美國elanix公司推出的，基于windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(token)描述程序。利用sys

8、tem view，可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合系統(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。用戶在進行系統(tǒng)設計時，只需從system view配置的圖標庫中調(diào)出有關圖標并進行參數(shù)設置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結果。 1.3.1 system view軟件中重要元件簡介 第2章 pcm編碼系統(tǒng)設計原理pcm即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能。pcm的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進制表示。為改善小信號量化性能，采用壓擴

9、非均勻量化，有兩種建議方式，分別為a律和律方式，我國采用了a律方式，由于a律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化pcm編碼示意圖見圖1。話音輸入低通濾波瞬時壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時擴張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖3.1 pcm原理框圖下面將簡單介紹pcm編碼中抽樣、量化及編碼的原理：(a) 抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。(b) 量化從數(shù)學上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個

10、離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖2所示，量化器q輸出l個量化值，k=1，2，3，l。常稱為重建電平或量化電平。當量化器輸入信號幅度落在與之間時，量化器輸出電平為。這個量化過程可以表達為：模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。圖3.2 模擬信號的量化模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時的量化信噪比就難以達到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍，可見，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了

11、克服這個缺點，實際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和a壓縮律

12、。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用a壓縮律，因此，pcm編碼方式采用的也是a壓縮律。所謂a壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0a律壓擴特性是連續(xù)曲線，a值不同壓擴特性亦不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當復雜的。實際中，往往都采用近似于a律函數(shù)規(guī)律的13折線（a=87.6）的壓擴特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用數(shù)字電圖3.3 a律函數(shù)13折線路實現(xiàn)，本設計中所用到的pcm編碼正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。圖3示出了這種壓擴特性。表1列出了13折線時的值與計算值的比較。表3.1 13折線時的值與計算

13、值的比較0101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根據(jù)時計算得到的，第三行的值是13折線分段時的值?？梢?，13折線各段落的分界點與曲線十分逼近，同時按2的冪次分割有利于數(shù)字化。(c) 編碼所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落

14、碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結合13折線的量化來加以說明。 表3.2 段落碼 表3.3 段內(nèi)碼段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它

15、的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結果，8個段落被劃分成27128個量化級。段落碼和8個段落之間的關系如表2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關系見表3。pcm編譯碼器的實現(xiàn)可以借鑒單片pcm編碼器集成芯片，如：tp3067a、cd22357等。單芯片工作時只需給出外圍的時序電路即可實現(xiàn)，考慮到實現(xiàn)細節(jié)，仿真時將pcm編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實現(xiàn)。3.1、信號源系統(tǒng)的組成由兩個幅度相同、頻率不同的高斯白噪聲通過低通濾波器后分為兩路信號合成，如圖4 圖3.4 信號源子系統(tǒng)的組成3.2、p

16、cm編碼器模塊 pcm編碼器模塊主要由信號瞬時壓縮器、量化編碼器實現(xiàn)模型如下圖5所示: 圖3.5 pcm編碼器模塊信源信號經(jīng)過瞬時壓縮器實現(xiàn)a律壓縮后再進行均勻量化，實現(xiàn)抽樣量3.3、pcm編碼器組件功能實現(xiàn) 瞬時壓縮器：瞬時壓縮器（圖符16）使用了我國現(xiàn)采用a律壓縮，注意在譯碼時擴張器也應采用a律解壓。對比壓縮前后時域信號（見圖6, 圖7），明顯看到對數(shù)壓縮時小信號明顯放大，而大信號被壓縮，從而提高了小信號的信噪比，這樣可以使用較少位數(shù)的量化滿足語音傳輸?shù)男枰?.4、pcm譯碼器模塊 pcm譯碼器是實現(xiàn)pcm編碼的逆系統(tǒng)。 pcm譯碼器模塊主要由瞬時擴張器、低通濾波器、移位寄存器、鎖存器構

17、成。實現(xiàn)模型如下圖8所示： 圖3.8 pcm譯碼器3.4.1 pcm譯碼器組件功能實現(xiàn)(a)擴張器：實現(xiàn)與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用 a 律壓縮，擴張也必須采用a律瞬時擴張器。 (b)低通濾波器（圖符3）：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會引入孔徑失真，量化時也會帶來量化噪聲，及信號再生時引入的定時抖動失真，需要對再生信號進行幅度及相位的補償，同時濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。(c)寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構成的。一個觸發(fā)器可以存儲一位二級制代碼，存放n位二進制代碼的寄存器，需用n個觸發(fā)器來構成。 移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左

18、移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，在這里是進行串行到并行的轉換。 第四章 設計過程中需解決的問題 首先，必須根據(jù)實際情況合理的設計采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，由于在剛開始的時候,沒有合理設置采樣頻率的參數(shù),出現(xiàn)了在譯碼時恢復波形的失真,最后根據(jù)采樣頻率fs大于等于2fh條件,通過不斷調(diào)試,最終可以合理地恢復源信號波形。但由于在信道傳輸過程中由于各種原因而引起譯碼波形有一定的延時現(xiàn)象。 其次，在調(diào)試帶使能端的2路數(shù)據(jù)選擇器在實現(xiàn)pcm編碼輸出的并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)輸出時，起初由于沒有合理應用選擇控制端，而導致數(shù)據(jù)輸出毫無規(guī)律，即2路數(shù)據(jù)當中隨機地從哪一路輸出，最后通過設置頻率不同的三路脈沖方波作用于選擇控制端，去控制每一路的數(shù)據(jù)輸出，然后經(jīng)