PCM模擬信號(hào)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 學(xué)號(hào)：2011012442 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：PCM模擬信號(hào)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模- 1 - PCM模擬信號(hào)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模摘 要PCM系統(tǒng)包括模擬信號(hào)的數(shù)字化、信道傳輸和數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)等三個(gè)模塊，其中模擬信號(hào)的數(shù)字化把連續(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)，它包括抽樣、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(guò)程中可能會(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(guò)程組成，它把數(shù)字信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)的模擬信號(hào)。關(guān)鍵字：pcm；13折線法；Simulink 目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求- 1 -2 方案確定- 1 -3 PCM系統(tǒng)仿真電路設(shè)計(jì)- 1

2、-3.1 設(shè)計(jì)思路- 1 -3.1 .1抽樣- 2 -3.1.2 量化- 2 -3.1.3 編碼- 5 -3.1.4 時(shí)分多路復(fù)用- 7 -3.2 各模塊的設(shè)計(jì)和仿真圖形分析- 8 -3.2.1 PCM編碼模塊設(shè)計(jì)- 8 -3.2 .2PCM解碼模塊設(shè)計(jì)- 11 -3.3 PCM系統(tǒng)總體模塊- 11 -4 總結(jié)- 12 -4.1本系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施- 13 -4.2心得體會(huì)- 13 -參考文獻(xiàn)- 13 - 13 - 參考文獻(xiàn)1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容是利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)PCM通信系統(tǒng)。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)

3、還原模擬信號(hào)三部分，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(guò)波形來(lái)分析該系統(tǒng)的性能。2 方案確定脈沖編碼調(diào)制（PCM）簡(jiǎn)稱(chēng)脈碼調(diào)制，它是一種用二進(jìn)制數(shù)字代碼來(lái)代替連續(xù)信號(hào)的抽樣值，從而實(shí)現(xiàn)通信的方式。由于這種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。PCM信號(hào)的形成是模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)“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

4、使用 13 折線法編碼。3 PCM系統(tǒng)仿真電路設(shè)計(jì)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(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)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3.1 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)

5、首先設(shè)計(jì)了1路PCM信號(hào)， 由前面的原理介紹我們可以知道PCM系統(tǒng)包括模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)模塊、信道傳輸模塊、數(shù)字信號(hào)還原模擬信號(hào)模塊等三個(gè)模塊。其中模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)模塊把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為用二進(jìn)制代表的數(shù)字信號(hào)，它由抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟組，它把數(shù)字信號(hào)恢復(fù)稱(chēng)連續(xù)的模擬信號(hào)。其原理方框圖如圖3.1所示：話音輸入低通濾波瞬時(shí)壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時(shí)擴(kuò)張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖3.1 PCM原理框圖3.1 .1抽樣所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模

6、擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。在一個(gè)頻帶限制在（0，f h）內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)f（t），如果以1/2 f h的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號(hào)?；蛘哒f(shuō)，如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)f（t）的頻譜中最高頻率不超過(guò)f h，當(dāng)抽樣頻率f S2 f h時(shí)，抽樣后的信號(hào)就包含原連續(xù)的全部信息。這就是抽樣定理。3.1.2 量化從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)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 3.1所示量化器Q輸出L個(gè)量化值，k=1，2，3，L。常稱(chēng)為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度落在與之間時(shí)，量化器輸出電平為。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為： 這里稱(chēng)為

7、分層電平或判決閾值。通常稱(chēng)為量化間隔。量化器 圖3.2模擬信號(hào)的量化 量化后的抽樣信號(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(chēng)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(wú)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(jiàn)，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)，均勻量化時(shí)的信號(hào)

8、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)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）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；其次，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。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)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

9、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。所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律： ； A律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴(kuò)特性亦不同，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。實(shí)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(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(lái)進(jìn)行編碼的。圖3.2示出了這種壓擴(kuò)特性表3.3列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。圖3.3 A律函數(shù)13折線表3.1 13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較0101按折

10、線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表3.1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?jiàn)，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。3.1.3 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(guò)程稱(chēng)為譯碼。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。量化后的抽樣信號(hào)在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個(gè)可取的樣值，且信號(hào)正、負(fù)幅度分布的對(duì)稱(chēng)性使正、負(fù)樣值的個(gè)數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級(jí)對(duì)稱(chēng)分布。若將有限個(gè)量化樣值的絕對(duì)值從小到大依次排列，并對(duì)應(yīng)的依次賦予一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字代碼，在碼前以“+”、“”號(hào)為前

11、綴，來(lái)區(qū)分樣值的正負(fù)，則量化后的抽樣信號(hào)就轉(zhuǎn)化為按抽樣時(shí)序排列的一串十進(jìn)制數(shù)字碼流，即十進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。把量化的抽樣信號(hào)變換成給定字長(zhǎng)的二進(jìn)制碼流的過(guò)程為編碼。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類(lèi)：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類(lèi)。編碼器的種類(lèi)大體上可以歸結(jié)為三類(lèi)：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(wú)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(lái)加以說(shuō)明。表3-2段落碼段落序號(hào)段落碼81117110610151004011301020011000表3-3段內(nèi)碼量化級(jí)段內(nèi)碼量化級(jí)段內(nèi)碼15111170111141

12、110601101311015010112110040100111011300111010102001091001100018100000000在13折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示輸入信號(hào)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(duì)大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來(lái)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級(jí)。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2.2

13、所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見(jiàn)表2.3。話音PCM的抽樣頻率為8KHZ，每個(gè)量化樣值對(duì)應(yīng)一個(gè)8位二進(jìn)制碼，故話音數(shù)字編碼信號(hào)的速率為8bits×8kHz=64kb/s.量化噪聲隨級(jí)數(shù)的增多和極差的縮小而縮小。量化級(jí)數(shù)增多即樣值個(gè)數(shù)增多，就要求更長(zhǎng)的二進(jìn)制編碼。因此，量化噪聲隨二進(jìn)制編碼的位數(shù)增多而減少，即隨數(shù)字編碼信號(hào)的速率提高而減少。自然界中的聲音非常復(fù)雜,波形極其復(fù)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(guò)抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼。3.1.4 時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用（TDM）是按傳輸信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行分割的，它使不同的信

14、號(hào)在不同的時(shí)間內(nèi)傳送，將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔（Slot time，TS，又稱(chēng)為時(shí)隙），每個(gè)時(shí)間片被一路信號(hào)占用。TDM就是通過(guò)在時(shí)間上交叉發(fā)送每一路信號(hào)的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)一條電路傳送多路信號(hào)的。電路上的每一短暫時(shí)刻只有一路信號(hào)存在。因數(shù)字信號(hào)是有限個(gè)離散值，所以TDM技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的數(shù)字通信系統(tǒng)，而模擬通信系統(tǒng)的傳輸一般采用FDM。 如上圖電話通信為例說(shuō)明時(shí)分多路復(fù)用的過(guò)程：發(fā)送端的各路話音信號(hào)經(jīng)低通濾波器將帶寬限制在3400Hz 以內(nèi)，然后加到勻速旋轉(zhuǎn)的電子開(kāi)關(guān) SA1上，依次接通各路信號(hào)，它相當(dāng)于對(duì)各路信號(hào)按一定的時(shí)間間隙進(jìn)行抽樣。SA1旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一個(gè)抽樣周期T

15、，這樣就做到了對(duì)每一路信號(hào)每隔周期T 時(shí)間抽樣一次，此時(shí)間周期稱(chēng)為1幀長(zhǎng)。發(fā)送端電子開(kāi)關(guān) SA1不僅起到抽樣作用，同時(shí)還要起到復(fù)用和合路的作用。合路后的抽樣信號(hào)送到編碼器進(jìn)行量化和編碼，然后，將信號(hào)碼流送往信道。在接收端，將各分路信號(hào)碼進(jìn)行統(tǒng)一譯碼，還原后的信號(hào)由分路開(kāi)關(guān)SA2依次接通各分路，在各分路中經(jīng)低通濾波器將重建的話音信號(hào)送往收端用戶。在上述過(guò)程中，應(yīng)該注意的是，發(fā)、收雙方的電子開(kāi)關(guān)的起始位置和旋轉(zhuǎn)速率都必須一致，否則將會(huì)造成錯(cuò)收，這就是PCM系統(tǒng)中的同步要求。收、發(fā)兩端的數(shù)碼率或時(shí)鐘頻率相同叫位同步或稱(chēng)比特同步，也可通俗的理解為兩電子開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)速率相同；收、發(fā)兩端的起始位置是每隔1幀長(zhǎng)

16、（即每旋轉(zhuǎn)一周）核對(duì)一次的，此稱(chēng)幀同步。這樣才一能保證正確區(qū)分收到的哪8位碼是屬于一個(gè)樣值的，又是屬于哪一路的。為了完成上述同步功能，在接收端還需設(shè)有兩種裝置：一是同步碼識(shí)別裝置，識(shí)別接收的 PCM信號(hào)序列中的同步標(biāo)志碼的位置；二是調(diào)整裝置，當(dāng)收、發(fā)兩端同步標(biāo)志碼位置不對(duì)應(yīng)時(shí)，需在收端進(jìn)行調(diào)整使其兩者位置相對(duì)應(yīng)。以上兩種裝置統(tǒng)稱(chēng)為幀同步電路。時(shí)分多路復(fù)用不僅局限于傳輸數(shù)字信號(hào)，也可同時(shí)交叉?zhèn)鬏斈M信號(hào)3.2 各模塊的設(shè)計(jì)和仿真圖形分析按照實(shí)驗(yàn)要求，依次設(shè)計(jì)了編碼器模塊，解碼器模塊，以及總體模塊的鏈接。3.2.1 PCM編碼模塊設(shè)計(jì)13折線近似的PCM編碼器測(cè)試模型如圖3.4所示圖3.4 13折

17、線近似的PCM編碼器測(cè)試模型本設(shè)計(jì)首先設(shè)計(jì)了1路信號(hào)的編碼模塊，模擬信號(hào)是幅度為1，頻率為200*pi的正弦信號(hào)。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理可知抽樣頻率應(yīng)大于等于模擬信號(hào)最高頻率的2倍。本設(shè)計(jì)的抽樣時(shí)間間隔定為0.001s，符合奈奎斯特抽樣定理。其中各個(gè)模塊功能和參數(shù)設(shè)置如下：Zero-Order Hold ：零階保持器，它的作用是對(duì)輸入的一段采樣時(shí)間進(jìn)行保持。參數(shù)設(shè)置中的取樣時(shí)間間隔為信號(hào)的取樣時(shí)間間隔0.001s。Relay：繼電模塊，它的作用是實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同常數(shù)值之間進(jìn)行切換。本設(shè)計(jì)中此模塊的門(mén)限值設(shè)為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位，也就是極性碼，當(dāng)抽樣值為正值時(shí)就輸出1，為負(fù)值時(shí)就

18、輸出0。Saturation：限幅器，它的作用是將輸入信號(hào)的幅度限制在一定范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)將輸入信號(hào)幅度限制在-1,+1范圍內(nèi)。Abs：絕對(duì)值模塊，它的作用是對(duì)輸入數(shù)值取絕對(duì)值。A- Law Compressor：A率壓縮器，它的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A率壓縮，本設(shè)計(jì)中A取87.6。Gain：增益模塊，它的作用是對(duì)數(shù)值的大小增加或減小倍數(shù)。本設(shè)計(jì)中由于輸入信號(hào)幅度限制在-1,+1,因此為了便于編碼將Gain的增益參數(shù)設(shè)為127。Quantizer：量化器，它的作用是就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值。本設(shè)計(jì)中的量化間隔設(shè)為1，可將輸入數(shù)值根據(jù)四舍五入原則量化成相應(yīng)的離散數(shù)值。In

19、teger to Bit Converter：整數(shù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，它的作用是將整數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值。本設(shè)計(jì)中由于量化值最大為127，因此此模塊參數(shù)設(shè)為7，即將十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為7位二進(jìn)制數(shù)值。 Mux：復(fù)用器，它的作用是將多路信號(hào)復(fù)用為一路信號(hào)。本設(shè)計(jì)中由于輸入信號(hào)由1路極值脈沖和1路數(shù)值脈沖組成，因此此模塊輸入?yún)?shù)設(shè)為2。Scope：示波器，它的作用是顯示輸出信號(hào)波形。輸出波形如圖3.5所示：圖3.5 PCM信號(hào)波形將編碼模塊封裝成子系統(tǒng)后如圖3.6所示：圖3.6 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)：圖3.7 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)圖標(biāo)3.2 .2PCM解碼模塊設(shè)計(jì) 圖3.8 pcm解碼器示意圖將解碼模塊封裝成子系統(tǒng)后如圖3.9所示：圖3.9 pcm解碼器示意圖圖3.10封裝之后的PCM解碼子系統(tǒng)圖標(biāo)3.3 PCM系統(tǒng)總體模塊PCM系統(tǒng)總體封裝模塊示意圖圖3.11 PCM系統(tǒng)總體模塊系統(tǒng)總體運(yùn)行的結(jié)果如圖3.12所示：圖3.12