PCM系統(tǒng)的性能分析畢業(yè)論文設(shè)計(jì).doc

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)題目PCM系統(tǒng)的性能分析學(xué)生姓名劉 龍 娟學(xué)號(hào)1113024093所在學(xué)院物理與電信工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)通信工程專業(yè)03班指導(dǎo)教師魏瑞完成地點(diǎn)物理與電信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2015年6月4日畢業(yè)論文設(shè)計(jì)任務(wù)書院 ( 系 )物理與電信工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)通信 03 班學(xué)生姓名劉龍娟一、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)題目PCM系統(tǒng)的性能分析二、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)工作自2015年1月10日起至2015年6月15日止三、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn):物理與電信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室四、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求：數(shù)字通信系統(tǒng)己經(jīng)成為現(xiàn)今通信發(fā)展的方向，但是經(jīng)過傳感器的轉(zhuǎn)換以后自然界中的很多信息，大多數(shù)依

2、舊為模擬量，PCM(脈沖編碼調(diào)制) 它是一種調(diào)制方式就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換作數(shù)字信號(hào)。重點(diǎn)運(yùn)用在語音傳輸，并且在數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信當(dāng)中得到了廣闊的運(yùn)用。因此，選擇PCM系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用仿真軟件對(duì)PCM系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求：1.運(yùn)用仿真軟件實(shí)現(xiàn)三種不同段內(nèi)碼的PCM系統(tǒng)的仿真并觀測(cè)調(diào)制解調(diào)過程中觀察各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)域和頻域的波形；2.結(jié)合三種不同信道環(huán)境對(duì)比三種不同段內(nèi)碼的PCM系統(tǒng)的頻譜特點(diǎn)與誤碼率情況；3.對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。五、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)應(yīng)收集資料及參考文獻(xiàn)：閱讀和學(xué)習(xí)關(guān)于PCM系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)方面的專業(yè)資料，參閱的外文文獻(xiàn)不少于六、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)的

3、進(jìn)度安排：3 篇。1月 10 日 3 月 20 日：查閱資料，完成外文翻譯原文和開題報(bào)告。3 月 21 日 4 月 20 日：完成 PCM系統(tǒng)的基本仿真設(shè)計(jì)并提交中期檢查報(bào)告。4月 21 日 5 月 20 日：進(jìn)一步完善PCM系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備作品驗(yàn)收。5 月 21 日 6 月 15 日：撰寫、修改畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備并完成答辯。指導(dǎo)教師系 (教研室 ) 主任簽名接受論文 ( 設(shè)計(jì)) 任務(wù)開始執(zhí)行日期系(教 研室)批準(zhǔn)日期學(xué)生簽名PCM系統(tǒng)的仿真與分析劉龍娟（陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院通信工程專業(yè)2011 級(jí) 3 班，陜西漢中 723003 ）指導(dǎo)教師：魏瑞 摘要 脈沖編碼調(diào)制 (PCM)

4、 是將模擬語音信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的一種方式。本次設(shè)計(jì)建立了基于Simulink 的PCM 仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)包括PCM 編譯碼模塊、數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊。詳細(xì)介紹了三種不同段內(nèi)碼的編碼方式下PCM編譯碼模塊的構(gòu)建；針對(duì)數(shù)字調(diào)制解調(diào)，構(gòu)建了含BPSK 、信道以及濾波器在內(nèi)的子系統(tǒng)；最后通過仿真得出三種編碼方式下系統(tǒng)的誤碼率和頻譜圖。根據(jù)仿真結(jié)果分析找出了相對(duì)最優(yōu)的系統(tǒng)配置方案，為實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)。 關(guān)鍵詞 MATLAB； Simulink仿真平臺(tái)；脈沖編碼調(diào)制（PCM）Analysis of the PCM system performanceLiu Longjuan(Grade 2011,

5、Class3,Major of CommunicationEngineering ,Dept ofElectrinics and InformationEngineeringShaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)Tutor:Wei RuiAbstract：Pulse Code Modulation (PCM) is a way of changing the analog voice signal into a digital signal . ThePCM system was designed in the Simu

6、link simulation environment, including PCM coding and decoding module,digital modem module. The PCM codec module constructed in three segments inner code was to be introduced.Forthe digital modem, A subsystem including BPSK, channel and filter was built.Finally,the BER and spectrum of thethree codin

7、g system was derived.Optimal system configuration was to be found based on the simulation results, itprovides a theoretical basis for the practical application.Key words： MATLAB;Simulink simulation platform;Pulse Code Modulation (PCM)目錄引言 .11 研究方案 . .41.1研究目標(biāo) .41.2方案選擇 .41.2.1基于 FPGA的 PCM系統(tǒng)仿真 .41.2.

8、2基于 Simulink 的 PCM系統(tǒng)仿真 . . 61.2.3軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn) PCM系統(tǒng)仿真 .61.3方案比較 . . 81.4軟件介紹 . . 81.4.1 MATLAB 簡(jiǎn)介 .81.4.2 Simulink 介紹 .92 PCM基本原理 .112.1抽樣 .122.2量化 .132.3編碼 .142.4譯碼 .173 PCM系統(tǒng)仿真 .183.1總體設(shè)計(jì)思想 .183.2各模塊的設(shè)計(jì)和仿真 .183.2.1 PCM 編碼模塊設(shè)計(jì) .183.2.2 PCM 解碼模塊設(shè)計(jì) .193.2.3 PCM 系統(tǒng)總體模塊. 213.3格雷碼編譯碼設(shè)計(jì) .243.3.1格雷碼的程序?qū)崿F(xiàn). 243.

9、3.2格雷碼的仿真設(shè)計(jì). 263.4折疊碼編譯碼設(shè)計(jì) .293.4.1折疊碼的程序?qū)崿F(xiàn). 293.4.2折疊碼的仿真設(shè)計(jì). 303.5 性能分析 .324 結(jié)束語 . .35致謝 .36參考文獻(xiàn) . .37附錄 A 英文文獻(xiàn) .39附錄 B 格雷碼系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .52附錄 C 折疊二進(jìn)制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 . .53引言當(dāng)今社會(huì)，人們無處不享受著數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)給我們帶來的便利和數(shù)字化多媒體產(chǎn)品帶給我們的多彩的生活?yuàn)蕵?。?shù)字信號(hào)因其易于存儲(chǔ)和傳輸，并且沒有累積失真等數(shù)字的高品質(zhì)而被廣泛應(yīng)用。在語音信號(hào)的領(lǐng)域中，數(shù)字化的語音傳輸和存儲(chǔ)，不論其在可靠性，抗干擾性，速交換，易保密和廉價(jià)格等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高

10、于模擬語音信號(hào)。但是，數(shù)字化的語音信號(hào)也有它的的缺點(diǎn)，就是數(shù)字語音信號(hào)的帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬語音信號(hào)的帶寬，因此要求傳輸數(shù)字語音信號(hào)的信道更大才能夠傳輸數(shù)字語音信號(hào)，為了來降低這種高成本從而促使發(fā)展了一種新的技術(shù)既壓縮編碼。PCM 通信系統(tǒng)就是采用了這種技術(shù)。脈沖編碼調(diào)制，由A.里弗斯在1937 年提出的，這一概念為數(shù)字通信奠定了基礎(chǔ)。60 年代它開始應(yīng)用于市內(nèi)電話網(wǎng)以便擴(kuò)充容量，使已有音頻電纜的大部分芯線的傳輸容量擴(kuò)大24 48 倍。到70 年代中、 末期，在同軸電纜通信、 微波接力通信、 衛(wèi)星通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統(tǒng)中，都相繼采用了脈碼調(diào)制。到了 80 年代初， 脈碼調(diào)制已成功應(yīng)用

11、在市話中繼傳輸、大容量干線傳輸以及數(shù)字程控交換機(jī)中，并且在用戶話機(jī)中采用。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖傳輸?shù)氖怯啥M(jìn)制數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生的二進(jìn)制光脈沖 “0碼 ”和 “1碼 ”。而數(shù)字信號(hào)是稱為PCM 即脈沖編碼調(diào)制，它對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的。 現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈沖編碼調(diào)制（ pulse code modulation）體制， 這種電的數(shù)字信號(hào)稱為數(shù)字基地信號(hào)，由 PCM 電端機(jī)產(chǎn)生。 PCM 最初并不是用來傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的，而是使交換機(jī)之間有一條中繼線不只傳送一條電話信號(hào)。PCM 有 T1 和 E1 兩種標(biāo)準(zhǔn)（表現(xiàn)形式）。中國(guó)采用的是歐洲的標(biāo)準(zhǔn)E1。

12、E1 的速率是 2.048Mbits ，而 T1的速率是 1.544Mbits 。脈沖編碼調(diào)制可以向用戶提供多種業(yè)務(wù)， 既可以提供從 2M 到 155M速率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)，也可以提供話音、圖象傳送、遠(yuǎn)程教學(xué)等其他業(yè)務(wù)1 。脈沖編碼調(diào)制是 70 年代末法發(fā)展起來的，記錄媒體之一的CD。脈沖編碼調(diào)制的音頻格式也是被 DVD-A 所采用，它支持立體聲和 5.1 環(huán)繞聲， 1999 年由 DVD 討論會(huì)發(fā)布和推出。脈沖編碼調(diào)制的比特率，從 14-bit 發(fā)展到 16-bit 、18-bit 、20-bit 一直到 24-bit ；而采樣頻率從 44.1kHz 發(fā)展到 192kHz 。PCM脈沖編碼

13、調(diào)制這項(xiàng)技術(shù)可以改善和提高的方面則越來越小。但是只是增加了PCM脈沖編碼調(diào)制比特率和采樣率，沒有解決它的根本問題。其原因在于以下兩點(diǎn)：(1) 任何脈沖編碼調(diào)制數(shù)字音頻系統(tǒng)都需要在輸入端設(shè)置急劇升降的濾波器，僅僅讓20Hz到22.05Hz的頻率通過（高端22.05kHz是由于CD44.1kHz的一半頻率而確定）。(2) 在錄音時(shí)采用多級(jí)或者串聯(lián)抽選的數(shù)字濾波器（減低采樣頻率），在重放時(shí)采用多級(jí)的內(nèi)插的數(shù)字濾波器（提高采樣頻率），為了控制小信號(hào)在編碼時(shí)的失真，兩者又都需要加入重復(fù)定量噪聲。這就限制了PCM 技術(shù)在音頻還原時(shí)的保真度。本次設(shè)計(jì)是利用Simulink 強(qiáng)大的工具箱和其建模的優(yōu)勢(shì)建立了P

14、CM 通信系統(tǒng)的仿真模型。與模擬通信相比，數(shù)字通信具有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為了現(xiàn)在通信的主要發(fā)展趨勢(shì)之一?？煽啃院?、抗干擾能力強(qiáng)、廉價(jià)格、易保密、便于加密處理和便于實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的管理等都是它主要的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，必須使發(fā)送端發(fā)出的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，既“模擬信號(hào)數(shù)字化”。模擬信號(hào)數(shù)字化有三個(gè)基本步驟。第一步為“抽樣 ”，就是對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行離散化，通常是以相等的時(shí)間間隔來抽取模擬信號(hào)的樣值。第二步是“量化 ”，將模擬信號(hào)樣值變換到最接近的數(shù)字值。因抽樣后的樣值在時(shí)間上雖是離散的，但在幅度上仍是連續(xù)的，量化過程就是把幅度上連續(xù)的抽樣也變?yōu)殡x散的。第三步是 “編碼 ”，就是把量化后的樣值

15、信號(hào)用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來表示，最終完成模擬信號(hào)的數(shù)字化。 數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字網(wǎng)進(jìn)行傳輸。接收端則是一個(gè)還原過程，把收到的數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)，即 “數(shù)字信號(hào)還原模擬信號(hào) ”，從而再現(xiàn)聲音或圖像。論文的主要內(nèi)容安排如下：第一部分為設(shè)計(jì)方案的選擇。在綜合了不同軟件及硬件的分析優(yōu)缺點(diǎn)后，綜合自己的能力選擇合適的方案。 我最終選擇了在利用 matlab 下進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。 Simulink 是 MATLAB軟件提供的可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它操作簡(jiǎn)單方便、調(diào)試直觀，為通信系統(tǒng)的軟件仿真實(shí)現(xiàn)提供了很大的方便。第二部分為 PCM系統(tǒng)基本原理的闡述。 PCM系統(tǒng)包括模擬信號(hào)的數(shù)字化、調(diào)制解調(diào)和

16、數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)三個(gè)模塊，其中，模擬信號(hào)的數(shù)字化是把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為用二進(jìn)制代表的數(shù)字信號(hào)，分為抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟；信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，在傳輸過程中會(huì)引入噪聲而影響信號(hào)的質(zhì)量；數(shù)字信號(hào)還原模擬信號(hào)解碼、低通等過程組成，它把數(shù)字信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)的模擬信號(hào)。第三部分是PCM系統(tǒng)仿真模塊的總體設(shè)計(jì)。包括總體設(shè)計(jì)思想和編碼、解碼、調(diào)制解調(diào)等子模塊的設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行自然二進(jìn)制的模塊搭建，在運(yùn)行分析之后，將其轉(zhuǎn)換為折疊二進(jìn)制和格雷碼的模型，分析加入噪音前后波形輸出的變化，并且分析編碼時(shí)三種不同碼型的優(yōu)缺點(diǎn)。第四部分是結(jié)束語?？偨Y(jié)了在設(shè)計(jì)過程中遇到的各種問題及最終解決辦法，感謝老師在整個(gè)過程中

17、對(duì)自己的督促及幫助。1 研究方案1.1 研究目標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)現(xiàn)己成為現(xiàn)今通信發(fā)展的主要方向，但是經(jīng)過傳感器的轉(zhuǎn)換以后，自然界中的很多信息仍舊為模擬量， PCM 它是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換作數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式。 重點(diǎn)運(yùn)用在語音傳輸之中，并且在數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信當(dāng)中得到了廣闊的運(yùn)用。因此，選擇 PCM 系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求：? 實(shí)現(xiàn)三種不同段內(nèi)碼的 PCM 系統(tǒng)的仿真并觀測(cè)調(diào)制解調(diào)過程中觀察各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)域和頻域的波形；? 結(jié)合三種不同信道環(huán)境對(duì)比三種不同段內(nèi)碼的PCM 系統(tǒng)的頻譜特點(diǎn)與誤碼率情況；? 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。1.2 方案選擇分析 PCM 系統(tǒng)可以有多種手段，最常用

18、的就是基于單片機(jī)的硬件電路實(shí)現(xiàn)、基于FPGA 的軟件仿真和MATLAB環(huán)境下的Simulink 仿真實(shí)現(xiàn)，方案選擇時(shí)對(duì)以上幾種方法都進(jìn)行分析，綜合確定自己的方案。1.2.1 基于FPGA的PCM系統(tǒng)仿真FPGA （Field Programmable Gate Array）：既現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL 、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展后的產(chǎn)物。作為專用集成電路（ASIC ）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)， FPGA 不僅解決了定制電路在設(shè)計(jì)中的不足，而且改善了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。經(jīng)實(shí)踐表明，F(xiàn)PGA 可以有效地運(yùn)用于PCM 高碼速率場(chǎng)合。FPGA采用了邏輯單元陣列LC

19、A （ Logic Cell Array）的概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（ Configurable Logic Block）、內(nèi)部連線（ Interconnect ）和輸出輸入模塊IOB（ Input Output Block）三個(gè)部分。它的基本特點(diǎn)主要有：? 采用 FPGA 設(shè)計(jì)電路，用戶不需要投片生產(chǎn)就可以得到合用的芯片。?FPGA 可做其它全定制或半定制ASIC 電路的中試樣片。?FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO 引腳。?FPGA 采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS 、 TTL 電平兼容。?FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一

20、。可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA設(shè)置其工作狀態(tài)是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來實(shí)現(xiàn)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。我們可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，芯片將EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，等配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 能夠重復(fù)使用。FPGA 的編程不需要專用的編程器，只須用通用的EPROM 、PROM 編程器即可。當(dāng)我們需要修改功能時(shí)，只需要更換一片EPROM 即可。這樣，同一片 FPGA ，不同的編程數(shù)據(jù)， 就可以產(chǎn)生不同的電路功能 2

21、。因此， FPGA 的使用是非常靈活的。利用 FPGA 開發(fā)時(shí)，所用軟件為Quartus II 。 Quartus II 是 Altera 提供的 FPGACPLD 開發(fā)集成環(huán)境。Altera 是世界上最大可編程邏輯器件的供應(yīng)商之一。Quartus II 在 21 世紀(jì)初推出， 是 Altera前一代 FPGACPLD集成開發(fā)環(huán)境MAX+plus II的更新?lián)Q代產(chǎn)品， 它界面友好， 使用便捷。在 QuartusII 上可以完成設(shè)計(jì)輸入、布線布局（適配）、HDL 綜合、仿真、下載和硬件測(cè)試等流程，它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。下圖1.1 所示

22、的上排是Quartus II的編譯設(shè)計(jì)主控界面，它顯示了Quartus II自動(dòng)設(shè)計(jì)的各主要處理環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)流程，包括設(shè)計(jì)輸入編輯、設(shè)計(jì)分析與綜合、適配、編程文件匯編（裝配）、時(shí)序參數(shù)提取和編程下載等幾個(gè)步驟。下排的流程框圖，是與上面的Quartus II設(shè)計(jì)流程相對(duì)照的標(biāo)準(zhǔn)的EDA 。開發(fā)流程其設(shè)計(jì)流程圖12如圖1.1 所示：圖1.1 QuartusII設(shè)計(jì)流程1.2.2 基于Simulink的PCM系統(tǒng)仿真Simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。該環(huán)境具有良好的交互界面，通過分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個(gè)可視的仿真過程，無需大

23、量書寫程序，只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅在工程上得到應(yīng)用，在教學(xué)領(lǐng)域也得到認(rèn)可，尤其在信號(hào)分析、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。其可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬、數(shù)字及數(shù)模混合電路及各種速率系統(tǒng)，并提供了內(nèi)容豐富的基本庫(kù)和專業(yè)庫(kù)14 。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以通過模塊分層來實(shí)現(xiàn)。PCM 系統(tǒng)主要包括模擬信號(hào)的數(shù)字化、信道傳輸和數(shù)字信號(hào)還原模擬信號(hào)三部分，在編碼模塊采用三種不同的段內(nèi)碼進(jìn)行編碼，最后用示波器觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形，加上含有噪聲的信道，最后運(yùn)行結(jié)果并通過波形來分析該系統(tǒng)的性能。仿真基本框圖如圖 1.2 所示：圖 1.2PCM 原理框圖1.2.3 軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)PCM 系統(tǒng)仿真隨著計(jì)算

24、機(jī)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)仿真技術(shù)在電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛，而信號(hào)級(jí)系統(tǒng)仿真軟件 SystemView 的出現(xiàn)則標(biāo)志著仿真技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用達(dá)到了一個(gè)新的水平。 根據(jù) PCM 編碼基本原理， 設(shè)計(jì)出 Systemview 仿真模型， 然后對(duì)仿真的結(jié)果加以分析， 最終根據(jù)仿真的模型建立以及仿真結(jié)果設(shè)計(jì)出 PCM 編碼的硬件實(shí)現(xiàn)電路。SystemView 可以快速建立和修改系統(tǒng)，并在對(duì)話框內(nèi)快速訪問和調(diào)整參數(shù)，修改實(shí)時(shí)顯示。只需簡(jiǎn)單用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖符即可創(chuàng)建DSP 濾波器、 連續(xù)線性系統(tǒng)， 并輸入輸出基于真實(shí)系統(tǒng)模型的仿真數(shù)據(jù)。不用寫一行代碼即可建立用戶的子系統(tǒng)庫(kù)（MetaSystem）。PCM編譯

25、碼器的實(shí)現(xiàn)可以借鑒單片如MC1455 0 的PCM編碼器集成芯片。單芯片工作時(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)，它把編譯碼器（Codec）和濾波器（Filter ）集成在一個(gè)芯片上，這樣它的功能比較強(qiáng)，不僅可以進(jìn)行A 律變換，也可以進(jìn)行u 律變換； 它的數(shù)據(jù)既可用固定速率傳送，也可用變速率傳送；它既可以傳輸信令幀也可以選擇它傳送無信令幀，并且還可以控制它處于低功耗備用狀態(tài)，到底使用它的什么功能可由用戶通過一些控制來選擇。MC145503可以組成模擬用戶線與程控交換設(shè)備間的接口，包含有話音A 律編解碼器、自調(diào)零邏輯、話音輸入放大器、RC濾波器、開關(guān)電容低通濾波器、話音推挽功放等功能單元。由 PCM

26、 編譯碼原理框圖可知，輸入端經(jīng)過一個(gè)晶振和一個(gè)分頻器1 得出的信號(hào)在經(jīng)過一個(gè)分頻器 2，然后進(jìn)行信號(hào)抽樣后輸出，此后，幀同步信號(hào)進(jìn)入幀同步產(chǎn)生器然后進(jìn)入復(fù)接器，正弦信號(hào)源分別進(jìn)入兩個(gè)PCM 編碼器進(jìn)行編譯得到源基帶信號(hào) 7 。 PCM 編譯碼框圖如圖1.3 所示：圖 1.3 PCM 編譯碼電路圖1.3 方案比較目前 FPGA 的品種很多， 有 XILINX 的 XC 系列、 TI 公司的 TPC 系列、 ALTERA 公司的 FIEX 系列等，這三者有重疊， 也有互補(bǔ)。 但在編程中， 需設(shè)計(jì) HDL 源代碼， 可以使 VHDL 語言或 Verilog語言，在大學(xué)期間，我們接觸最多的是C 語言，

27、所以利用FPGA 分析時(shí)會(huì)面臨最大的編程問題。利用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)的可行性較好，成本低，但在實(shí)驗(yàn)過程中的精度不高，而且在利用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要給單片機(jī)下載很正確的程序，相比較利用軟件搭建來說，太過麻煩而且最后的結(jié)果比較不時(shí)很直觀。Simulink 用其可以建立動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，以直觀的方式建模比較，分層次的表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)，不受軟件本身的影響。而且 Simulink 的示波器可以動(dòng)畫和圖像顯示數(shù)據(jù)，運(yùn)行中可調(diào)整模型參數(shù)進(jìn)行 What-if 分析，能夠在仿真運(yùn)算進(jìn)行時(shí)監(jiān)視動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果。這種交互式的特征可以幫助我們快速的評(píng)估不同的算法，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。基于上述三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)及自己在大

28、學(xué)過程中對(duì)各種軟件的熟悉程度，我最終選擇了第二種方案，利用Simulink 來做。1.4 軟件介紹1.4.1 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是一種具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能的解釋性執(zhí)行語言。由于它使用簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便，特別是世界上有成千上萬不同領(lǐng)域的科研工作者在自己的科研過程中不停的擴(kuò)充MATLAB的功能， 使它成為了巨大的知識(shí)寶庫(kù)。目前的 MATLAB版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面，它可以像VB 等語言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶接口，同時(shí)因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫(kù)（工具箱），計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外，MATLAB和其他高級(jí)語言也具有良好的接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語言

29、的混合編程，進(jìn)一步拓寬了MATLAB的應(yīng)用潛力。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用FORTRAN，C 等語言完成相同的事情簡(jiǎn)便的多，并且Mathworks也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì) C+ 、 FORTRAN 、 C、 JAVA 的支持。不僅可以直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載使用。MATLAB 有著強(qiáng)大的功能且應(yīng)用范圍非常廣

30、， 可以用來進(jìn)行多種工作， 具體如下： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程等。MATLAB被稱為第四代計(jì)算機(jī)語言，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。 MATLAB 的最突出的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。 MATLAB 用更直觀的、符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN 語言的冗長(zhǎng)代碼。 MATLAB 給用戶帶來的是最直觀、最簡(jiǎn)潔的程序開發(fā)環(huán)境 7 。1.4.2 Simulink 介紹Simulink 工具是 MATLAB軟件提供的可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的軟件包，M

31、atlab 重點(diǎn)運(yùn)用在控制設(shè)計(jì)、工程的計(jì)算、金融建模分析和設(shè)計(jì)、檢測(cè)信號(hào)、處理圖像、信號(hào)通訊和處理等方面。而 simulink 提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真和綜合分析的集成環(huán)境。 在該環(huán)境中， 無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，它讓用戶把精力從語言編程轉(zhuǎn)向仿真模型的構(gòu)造，為用戶省去了很多重復(fù)的代碼編寫工作。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用與控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink 。Simuli

32、nk 的功能和特點(diǎn)如下：Simulink 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink 提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI ），這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和

33、基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理等系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。Simulink 的特點(diǎn)：? 豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)。? 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。? 以設(shè)計(jì)

34、功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。? 通過 Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。? 圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為。? 使用 Embedded MATLAB模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法 。? 使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal ， Accelerator ， Rapid Accelerator)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C 代碼的形式來運(yùn)行模型。來? 交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖。? 可訪問 MATLAB 從而對(duì)結(jié)果進(jìn)

35、行分析與可視化，定義信號(hào)參數(shù)，定制建模環(huán)境和測(cè)試數(shù)據(jù)。2 PCM 基本原理脈沖編碼調(diào)制（PCM ）簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制，它是用二進(jìn)制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號(hào)的抽樣值來實(shí)現(xiàn)通信的一種方式。由于這種通信方式抗干擾能力強(qiáng)，易于加密等，因此在光釬通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字微波通信中均獲得了極為廣泛的運(yùn)用。PCM 信號(hào)的形成是將模擬信號(hào)經(jīng)過“抽樣、量化、編碼”三個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)的。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議， 為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為 A 律和 律方式，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用了A 律方式，由于A 律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用13 折線法編碼。

36、PCM 系統(tǒng)原理方框圖如圖2.1 所示。在編碼器（圖2.1（ a）中由沖激脈沖對(duì)模擬信號(hào)抽樣，得到在抽樣時(shí)刻上的信號(hào)抽樣值。這個(gè)抽樣值仍是模擬量。在它量化之前，通常用保持電路將其作短暫保存，以便電路有時(shí)間對(duì)其進(jìn)行量化。在實(shí)際電路中，常把抽樣和保持電路作在一起，稱為抽樣保持電路。量化器把模擬抽樣信號(hào)變成離散的數(shù)字量，然后在編碼器中進(jìn)行二進(jìn)制編碼。這樣，每個(gè)二進(jìn)制碼組就代表一個(gè)量化后的信號(hào)抽樣值。圖2.1（ b）中譯碼器的原理和編碼過程相反。（ a）編碼器（ b）譯碼器圖 2.1PCM 原理方框圖2.1 抽樣抽樣就是不斷地以某個(gè)固定的時(shí)間間隔采集模擬信號(hào)的瞬時(shí)值。圖2.2 是一個(gè)抽樣概念的示意圖

37、1，假設(shè)某個(gè)模擬信號(hào)f(t) 通過一個(gè)開關(guān)，則開關(guān)的輸出則與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)的時(shí)候，開關(guān)的輸出就是輸入，即y(t)=f(t) ；若開關(guān)處在斷開位置，輸出y(t) 就為零。可見，如果讓開關(guān)受一個(gè)窄脈沖串（序列）的控制，則脈沖出現(xiàn)時(shí)開關(guān)閉合，則脈沖消失時(shí)開關(guān)斷開，此輸出 y(t) 就是一個(gè)幅值變化的脈沖串（序列），每個(gè)脈沖的幅值就是該脈沖出現(xiàn)時(shí)刻輸入信號(hào)f(t) 的瞬時(shí)值，因此，y(t) 就是對(duì) f(t) 抽樣后的信號(hào)或稱樣值信號(hào)。圖 2.2 抽樣概念示意圖取樣是應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：? 為了保證在接受端能滿意的恢復(fù)出信息，取樣速率必須大于最高頻率的兩倍；? 取樣矩形脈沖要盡量窄，盡可

38、能接近瞬時(shí)取樣過程；? 為了使輸出的信息成為合格的信息限帶信號(hào)， 在取樣以前， 應(yīng)經(jīng)過一個(gè)上限為器，以便 m(t) 中無所包含的高于 W 的那些諧波成分。W 的低通濾波2.2 量化量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖2.1 所示量化器 Q 輸出 L 個(gè)量化值， k=1， 2， 3，L 。常稱為重建電平或量化電平。量化過程可以用式（ 2.1）表達(dá)為：y Q( x) Q xk x xk 1yk, k 1,2,3, . . L. ,（ 2.1）這里稱為分層電平或判決閾值。通常kxk 1 xk 稱為量化間隔。圖 2.1 模擬信號(hào)的量化量化后的抽樣信號(hào)于量化前的抽樣

39、信號(hào)相比較，當(dāng)然不再是模擬信號(hào)，且有所失真。這種失真在接收端還原模擬信號(hào)是表現(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決于把樣值分級(jí)“取整 ”的方式，分的級(jí)數(shù)越多，即量化極差或間隔越小，量化噪聲也越小。模擬信號(hào)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(diǎn)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(dāng)信號(hào)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣的話化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)

40、間來確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值大的區(qū)間，其量化間隔也大；反之，量化間隔就小。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：? 當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；? 非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比10 。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是壓縮律和A 壓縮律。美國(guó)采用壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用A 壓縮律，因此， PCM 編碼方式采用的也是A

41、 壓縮律。所謂 A 壓縮律也就是壓縮器具有如式（2.2）和式（ 2.3）特性的壓縮律12 ：yAx1,0x1ln AA（ 2.2）1ln Ax11y,x）1ln AA（2.3A 律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A 值不同壓擴(kuò)特性自然也就不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。在實(shí)際中，往往采用近似于A 律函數(shù)規(guī)律的13 折線（ A=87.6 ）的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用電路實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中所用到的PCM 編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。圖2.2 示出了這種壓擴(kuò)特性曲線。表2.1 列出了 13 折線時(shí)的x 值與計(jì)算 x 值的比較 9 。圖 2.2 A 律函數(shù) 13 折線表 2.1 13 折線時(shí)的 x 值與計(jì)算 x 值的比較y1234567088888188x1111111060.630.615.47.793.9311281.98按折線1111111分段時(shí)的 x06432168411282段落12345678斜率161684211124表 2.1 中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值是13 折線分段時(shí)的值?？梢?， 13 折線各段落的分界點(diǎn)與曲線十分逼近，同時(shí)按2 的冪次分割有利于數(shù)字化。2.3 編碼將量化