PCM編解碼仿真系統(tǒng)

1、通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告序 言本課程設(shè)計(jì)試圖通過親自完成均勻量化和非均勻量化的編碼、譯碼的整體設(shè)計(jì)，加深對(duì)PCM編碼的原理的理解，提高系統(tǒng)編程、系統(tǒng)測(cè)試以及系統(tǒng)分析的能力。近十年來,隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展,已將濾波器和PCM(pulse code modulation)編碼器集成在同一芯片上,這使PCM在光纖通信,數(shù)字微波通信,衛(wèi)星通信等數(shù)字通信領(lǐng)域中獲得了更廣泛的應(yīng)用。然而在某些需要PCM編碼器的實(shí)際應(yīng)用中,如數(shù)字交換機(jī)中的信號(hào)音的產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn),單靠PCM編解碼芯片來完成整個(gè)編解碼功能,在電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上都顯得繁瑣和笨拙,相反如果運(yùn)用軟件方法來實(shí)現(xiàn)PCM編解碼芯片的部分功能并與PCM編解碼芯

2、片相結(jié)合來共同完成整個(gè)電路設(shè)計(jì)上的編解碼,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,靈活方便,往往可以達(dá)到事半功倍的結(jié)果。另外,在國(guó)際流行的科技應(yīng)用軟件中,Matlab具有廣泛的影響,在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中,這一軟件的應(yīng)用占據(jù)重要的地位。PCM線路的特點(diǎn)：1、PCM線路可以提供很高的帶寬，滿足用戶的大數(shù)據(jù)量的傳輸：2、支持從2M開始的各種速率，最高可達(dá)155M的速率：3、通過SDH設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，線路協(xié)議簡(jiǎn)單對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、A律PCM編碼，經(jīng)過傳輸后，接收端進(jìn)行PCM譯碼，根據(jù)模擬信號(hào)數(shù)字化的原理，基于Simulink設(shè)計(jì)出PCM編解碼過程。并能顯示出PCM編解碼的波形，與基帶信號(hào)的波形。第 1 章 功能指標(biāo)與原

3、理1.1功能指標(biāo)要求1、設(shè)輸入信號(hào)x（t）=Asin2t,對(duì)x(t)信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、A律PCM編碼，進(jìn)過傳輸后，接收端進(jìn)行PCM譯碼2、根據(jù)模擬信號(hào)數(shù)字化的原理，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3、畫出PCM編碼、譯碼波形與基帶信號(hào)波形1.2 PCM基本原理脈沖編碼調(diào)制（PCM）簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制，它是一種用二進(jìn)制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號(hào)的抽樣值，從而實(shí)現(xiàn)通信的方式。因?yàn)榇朔N通信方式抗干擾能力強(qiáng)，因此在光釬通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中均獲得了極為廣泛的運(yùn)用1。PCM信號(hào)的形成是模擬信號(hào)經(jīng)過“抽樣、量化、編碼”三個(gè)步驟實(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

4、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)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2。1.2.1 抽樣抽樣，即是對(duì)模擬的信號(hào)所進(jìn)行的周期性的掃描，將在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變?yōu)樵跁r(shí)間上離散的信號(hào)1。這個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣以后還應(yīng)要包含原有信號(hào)當(dāng)中所有信息，也就是說能夠無失真的恢復(fù)原有模擬信號(hào)。抽樣定理可確定其抽樣速率下限。于一個(gè)頻帶限制在(0，fh )內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t)，若以1/2 fh的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行抽樣，以此能完全恢復(fù)有原信號(hào)依靠這些個(gè)抽樣值。也就是說，要是一個(gè)連續(xù)信號(hào)f(t)的頻譜當(dāng)中其最高的頻率不大于fh，在抽樣的頻率fs2fh時(shí)候，

5、原有連續(xù)的所有信息也就包含于抽樣后的信號(hào)1。這就是抽樣定理。1.2.2 量化從數(shù)學(xué)上來看，量化是將一個(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5。像圖 3.1所展現(xiàn)出來的量化器Q傳輸出來M個(gè)量化的值yk，k=1，2，3，M。yk常被稱作量化電平或者是重建電平。在量化器所要輸進(jìn)去的信號(hào)的幅度值x落在xk和xk+1當(dāng)中的時(shí)候，量化器就傳送輸出的電平是yk。此量化過程就可寫成表達(dá)式為： Y=Q(x)=QXk<x<Xk+1=Yk,k=1,2,3,M一般來講k=xk+1-xk稱作量化間隔，在此xk被稱作判決閾值或者是分層電平。量化器X 模擬信號(hào)Y 量化后信號(hào) 圖1-1 量化器量

6、化后的抽樣信號(hào)于量化前的抽樣信號(hào)相比較，當(dāng)然有所失真，且不再是模擬信號(hào)。這種失真在接收端還原模擬信號(hào)是變現(xiàn)為噪聲，并稱之為量化噪聲9。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。在現(xiàn)實(shí)中，一般愛采用非均勻量化。非均勻量化的量化間隔是依據(jù)信號(hào)的不同的區(qū)間來定的。信號(hào)取值大的區(qū)間，它的量化間隔v大；在信號(hào)的取值小的區(qū)間，它的量化間隔v小5。將它和均勻量化作比較，它有倆主要好處。首先，在信號(hào)具非均勻的分布概率密度（現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常如此）時(shí)當(dāng)在輸入量化器的時(shí)候，能夠取得比更加高地的平均信號(hào)的量化噪聲的功率比在非均勻

7、量化器輸出端上；第二是，量化噪聲功率的它均方根值大體上和信號(hào)的抽樣值成比例在非均勻量化的時(shí)候。所以說大信號(hào)和小信號(hào)在量化噪聲影響下大體是一樣的，也就是改良小信號(hào)的時(shí)候其量化的信噪比。在實(shí)際中，非均勻的量化的辦法通常是將獲得的抽樣值經(jīng)過壓縮然后再均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多數(shù)是采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛被采用的兩種對(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壓縮律5。1.2.3編碼所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼1。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)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

8、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(jié)為三類：逐次比較型、折疊級(jí)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、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。表 1-1 段落碼段落序號(hào)段落碼81117110610151004011301020011000表1-2 段內(nèi)碼量化級(jí)段內(nèi)碼量化級(jí)段內(nèi)碼15111170111141110601101311015010112110040100111011300111010102001091001100018100000000在13折線法中，無

9、論輸入信號(hào)正還是負(fù)，都依8段折線（8個(gè)段落）來編碼。要是輸入信號(hào)抽樣量化值由8位折疊二進(jìn)制碼表示，在此間量化值極性就要用第一位表示，抽樣量化值其絕對(duì)的大小就要用其余七位（第2至8位）來表示。詳細(xì)的做法是：用第2到第4位表示段落碼，八個(gè)段落的起點(diǎn)電平由它的八種可能狀態(tài)來分別表示。其它四位表示段內(nèi)碼，每一個(gè)段落它的16個(gè)均勻的劃分地量化級(jí)由它的16種可能狀態(tài)來分別的代表。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表？所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表？。第2章 整體設(shè)計(jì)2.1 整體框圖 圖2-1 PCM原理方框圖2.2 PCM編碼器2.2.1 PCM編碼器原

10、理圖圖2-2PCM編碼原理方框圖2.2.2 PCM編碼器電路設(shè)計(jì)圖2-3 PCM編碼模型的仿真結(jié)果測(cè)試結(jié)果如圖，其中以Saturation作為限幅器，將輸入信號(hào)幅度值限制在PCM編碼的定義范圍內(nèi)，以A-Law Compressor作為壓縮器，Relay模塊的門限值設(shè)置為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位極性碼。樣值取值絕對(duì)值后，用增益模塊將樣值 放大到0-127，然后用間隔為1的Quantizer進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位。部分參數(shù)模塊設(shè)計(jì)： 圖2-4設(shè)置幅度為上幅度為1，下幅度為-1 圖2-5 設(shè)置取樣時(shí)間0.001取絕對(duì)值 圖2-6 設(shè)置

11、門限值0取極性碼， 圖2-7 增益放大到0-127即當(dāng)門限值為0時(shí)去除極性碼 圖2-8 設(shè)置間隔為1，即每間隔1時(shí)取整 圖2-9設(shè)置7位二進(jìn)制碼進(jìn)行編碼，即將量化后的信號(hào)編成7位碼 2.2.3 PCM編碼的子系統(tǒng)圖2-10 PCM編碼的子系統(tǒng)圖2-11封裝的PCM編碼子系統(tǒng)2.3 PCM解碼器圖2-12 PCM譯碼原理方框圖2.3.1 PCM解碼器電路設(shè)計(jì)圖2-13 PCM譯碼模型的仿真結(jié)果其中PCM編碼子系統(tǒng)是前面編碼器封裝之后的，PCM譯碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位極性碼和7位數(shù)據(jù)，然后將7位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，在進(jìn)行歸一化，擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出譯碼值。部分參數(shù)模塊設(shè)計(jì)： 圖2

12、-14設(shè)置門限值-1，門限值為-1時(shí)取出 圖2-15設(shè)置7位碼，當(dāng)編碼后的信號(hào)出極性碼 出來時(shí)為取出低七位碼 圖2-16 設(shè)置兩個(gè)輸入口讓低7位與極性碼相乘 圖2-17將信號(hào)歸一化,還原原來的信號(hào) 2.3.2 PCM解碼器的子系統(tǒng)圖2-18 PCM譯碼器子系統(tǒng)圖2-19封裝的PCM譯碼子系統(tǒng)2.4 PCM編解碼系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)圖2-20 PCM編解碼器的測(cè)試模型及仿真結(jié)果其中的PCM編碼和議案子系統(tǒng)已經(jīng)封裝好，經(jīng)過編碼和解碼之后，通過低通濾波器，在示波器Scope上得出輸出波形，示波器上顯示 原信號(hào)是為了與輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。在編碼器之后通過Display顯示PCM數(shù)字信號(hào)，還有經(jīng)過To Fram

13、e的幀信號(hào)形成和buffer的緩沖后通過示波器。 圖2-21 原波形與解碼波形 圖2-22編碼波形部分參數(shù)模塊的設(shè)置： 圖2-23設(shè)置正弦波幅度為1，相角為0， 圖2-24 設(shè)置濾波器級(jí)數(shù)為8、邊緣頻率 頻率為100rad/s 為250pirad/s，去除諧波 圖2-25 緩沖器輸出信道設(shè)置為1 圖2-26 設(shè)置時(shí)間軸范為0-0.1圍、接 口數(shù)為2 圖2-27 設(shè)置時(shí)間軸范圍為0.005 ，接口數(shù)為2圖2-28 系統(tǒng)總的參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)置仿真時(shí)間步間插入的輸出點(diǎn)數(shù)為200第3章 故障分析與總結(jié)3.1 故障分析3.1.1 編碼器故障分析 編碼器編碼得出的應(yīng)該是一位極性碼加上低7位碼所組成的，而一開始

14、的顯示只有一位，不知道怎么樣將顯示器設(shè)置成八位的圖3-1 初設(shè)置顯示器后來經(jīng)過查找該器件的HELP得知，將此圖標(biāo)向下拉，即可看到得出的編碼圖3-2 設(shè)置好的顯示器3.12 解碼器故障分析 譯碼器的工作需要編碼器的參加，編碼器的輸出編碼給譯碼器進(jìn)行解碼，而前面的編碼器要接入到譯碼的過程中就需要接口，而一開始封裝不能接入圖3-3 譯碼器封裝后來想到應(yīng)該有輸入和輸出口，所以重新封裝，此封裝能夠接入到電路中圖3-4 譯碼器子系統(tǒng)封裝3.1.3 PCM編解碼器的故障分析 PCM編解碼器的前面有了一個(gè)編碼器，在后面的譯碼器中不應(yīng)該再出現(xiàn)一個(gè)編碼器本次試驗(yàn)中，當(dāng)連好所有的模塊后，電路卻不能運(yùn)行，經(jīng)過錯(cuò)誤的提示，發(fā)現(xiàn)是譯碼器那邊出了問題，但是總找不出哪里出了問題，后來經(jīng)同學(xué)指出不能有兩個(gè)編碼器，去掉編碼器之后能夠正常運(yùn)行3.2 功能分析此實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了PCM在理想情況下（即無干擾的情況）的編碼和解碼，此實(shí)驗(yàn)還可以實(shí)現(xiàn)在有干擾的情況下的PCM的編解碼。參考文獻(xiàn)1樊昌信 曹麗娜 通信原理M. 北京 國(guó)防工業(yè)出版社出版出版 2012年（P274-282）體會(huì)與建議又是一周的課程設(shè)計(jì)過去了，這一周的課程設(shè)計(jì)過去之后又離畢業(yè)更近一點(diǎn)了。通過這周的課程設(shè)計(jì)，我們能夠更好的了解通信原理這門課程。這周的課程設(shè)計(jì)，我也檢驗(yàn)了自己的獨(dú)立能力，現(xiàn)在也能夠獨(dú)立的自己完成任務(wù)了，不再要依