脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、2007級(jí)學(xué)生數(shù)字通信原理課程設(shè)計(jì) 數(shù)字通信原理與技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告書課題名稱脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真姓 名 胡靜學(xué) 號(hào)0712402-38院 系物理與電信工程系專 業(yè)通信工程指導(dǎo)教師曾專武2010年 1 月15日一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：設(shè)計(jì)任務(wù)：本課程設(shè)計(jì)利用SystemView設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)，運(yùn)用脈沖編碼調(diào)制原理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，將其仿真并觀察仿真波形。設(shè)計(jì)要求： 1、繪制系統(tǒng)框圖及仿真程序流程圖各一份2、敘述整個(gè)系統(tǒng)的工作原理3、詳細(xì)記錄實(shí)施中所遇到的問(wèn)題及問(wèn)題產(chǎn)生的原因并制定解決方案 指導(dǎo)教師簽名：_ 2010年01月15日 二、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師簽名：_ 2010年01

2、月15日 三、成績(jī) 驗(yàn)收蓋章 ：_ 2010年01月15日 脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真0712402-38 胡靜（湖南城市學(xué)院物理與電信工程系通信工程專業(yè),益陽(yáng),413000）1 設(shè)計(jì)目的加深對(duì)所學(xué)的通信原理知識(shí)理解，培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)；掌握通信電路的設(shè)計(jì)方法，能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的通信電路系統(tǒng)；掌握通信系統(tǒng)安裝的基本知識(shí)和技能，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)通信電路系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)試和檢測(cè)的能力；通過(guò)專業(yè)課程設(shè)計(jì)掌握通信中常用的信號(hào)處理方法，能夠分析簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的性能。2 設(shè)計(jì)要求 畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，利用SystemView的模塊畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行仿真，觀察仿真波形。3 設(shè)計(jì)原理System

3、View 仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)多層次的通信系統(tǒng)仿真。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是現(xiàn)代語(yǔ)音通信中數(shù)字化的重要編碼方式。利用SystemView 實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制(PCM)仿真，可以為硬件電路實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。通過(guò)仿真展示了PCM編碼實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路及具體過(guò)程，并加以進(jìn)行分析。PCM即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。PCM的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。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，常使用 13 折線法編碼,

4、采用非均勻量化PCM編碼示意圖見(jiàn)圖1。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原理框圖下面將介紹PCM編碼中抽樣、量化及編碼的原理：(a) 抽樣所謂抽樣，就是對(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)原模擬信號(hào)。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(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2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。當(dāng)量化器輸入信

5、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：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(hào)的量化模擬信號(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，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(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)，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)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

6、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

7、特性的壓縮律：未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0A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)，又便于用數(shù)字電圖3.3 A律函數(shù)13折線路實(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示出了這種壓擴(kuò)特性。表1列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。表3.1 13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較0101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值

8、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。(c) 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。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：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(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 表3.3 段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼81

9、11151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000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

10、級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見(jiàn)表3。PCM編譯碼器的實(shí)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(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時(shí)將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實(shí)現(xiàn)。3.1、信號(hào)源子系統(tǒng)的組成由三個(gè)幅度相同、頻率不同的正弦信號(hào)（圖符7、8、9）合成，如圖4 圖3.4 信號(hào)源子系統(tǒng)的組成3.2、PCM編碼器模塊 PCM編碼器模塊主要由信號(hào)源（圖符7）、低通濾波器（圖符15）、瞬時(shí)壓縮器（圖符16）、A/D轉(zhuǎn)換器（圖符8）、并/

11、串轉(zhuǎn)換器（圖符10）、輸出端子構(gòu)成（圖符9），實(shí)現(xiàn)模型如下圖5所示: 圖3.5 PCM編碼器模塊信源信號(hào)經(jīng)過(guò) PCM 編碼器低通濾波器（圖符15）完成信號(hào)頻帶過(guò)濾，由于PCM量化采用非均勻量化，還要使用瞬時(shí)壓縮器實(shí)現(xiàn)A律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，A/D轉(zhuǎn)換器（圖符8）完成采樣及量化，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是并行數(shù)據(jù)，必須通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器（圖符10）完成并/串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，最后通過(guò)圖符（9）輸出PCM編碼信號(hào)。3.3、PCM編碼器組件功能實(shí)現(xiàn) (a)低通濾波器：為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的語(yǔ)音頻率特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過(guò)渡，采用了低通濾波器，而沒(méi)有設(shè)計(jì)帶通濾波器。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)在 300Hz3400Hz的

12、語(yǔ)音頻帶內(nèi)，在這里采用了一個(gè)階數(shù)為3階的切比雪夫?yàn)V波器，其具有在通帶內(nèi)等波紋、阻帶內(nèi)單調(diào)的特性。(b)瞬時(shí)壓縮器：瞬時(shí)壓縮器（圖符16）使用了我國(guó)現(xiàn)采用A律壓縮，注意在譯碼時(shí)擴(kuò)張器也應(yīng)采用A律解壓。對(duì)比壓縮前后時(shí)域信號(hào)（見(jiàn)圖6, 圖7），明顯看到對(duì)數(shù)壓縮時(shí)小信號(hào)明顯放大，而大信號(hào)被壓縮，從而提高了小信號(hào)的信噪比，這樣可以使用較少位數(shù)的量化滿足語(yǔ)音傳輸?shù)男枰?圖3.6 壓縮前 圖3.7 壓縮后 (c) A/D轉(zhuǎn)換器：完成經(jīng)過(guò)瞬時(shí)壓縮后信號(hào)時(shí)間及幅度的離散，通常認(rèn)為語(yǔ)音的頻帶在300Hz3400Hz，根據(jù)低通采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率兩倍以上，在這里A/D的采樣頻率為8Hz即可滿足，均

13、勻量化電平數(shù)為256級(jí)量化，編碼用8bit表示，其中第一位為極性表示，這樣產(chǎn)生了64kbit/s的語(yǔ)音壓縮編碼。 (d)數(shù)據(jù)選擇器：圖符10為帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器，與74151功能相同，在這里完成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的并/串轉(zhuǎn)換，圖符11、12、13為選擇控制端，在這里控制輪流輸出并行數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器還可以實(shí)現(xiàn)碼速轉(zhuǎn)換功能。3.4、PCM譯碼器模塊 PCM譯碼器是實(shí)現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。 PCM譯碼器模塊主要由ADC出來(lái)的PCM數(shù)據(jù)輸出端、D/A轉(zhuǎn)換器、瞬時(shí)擴(kuò)張器、低通濾波器構(gòu)成。實(shí)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(shí)現(xiàn)(a)D/A轉(zhuǎn)換

14、器(圖符1)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)與A/D轉(zhuǎn)換相反的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達(dá)到譯碼最基本的要求，也就是最起碼要有步驟。(b)擴(kuò)張器（圖符8）：實(shí)現(xiàn)與瞬時(shí)壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用A律瞬時(shí)擴(kuò)張器。 (c)濾波器（圖符3）：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會(huì)引入孔徑失真，量化時(shí)也會(huì)帶來(lái)量化噪聲，及信號(hào)再生時(shí)引入的定時(shí)抖動(dòng)失真，需要對(duì)再生信號(hào)進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償，同時(shí)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。系統(tǒng)仿真模型如下圖9： 圖3.9 系統(tǒng)模型子系統(tǒng)（圖符12）如下圖10： 圖3.10 子系統(tǒng)以上圖9、圖10各方塊的有關(guān)參數(shù)如表4：表3.4 有關(guān)參數(shù)符號(hào)

15、名稱參數(shù)設(shè)置12子系統(tǒng)7SinusoidAmp = 1 v ， Freq = 1e+3 Hz ， Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine8SinusoidAmp = 1 v，F(xiàn)req = 1.5e+3 Hz， Phase = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine9SinusoidAmp = 1 v，F(xiàn)req = 500 Hz， Phase = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine10AdderInputs from 7 8 9，

16、Outputs to 1111Meta OutInput from10 Output to 3 203 4 5 14 19Analysis13Logic: ADCTwos Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v， True Output = 1 v，F(xiàn)alse Output = 0 v，No. Bits = 8 ，Min Input = -2.5 v，Max Input = 2.5 v，Rise Time = 0 sec，Analog = t21 Output 0， Clock = t1 Output 00Logic: DACTwo

17、s Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 No. Bits = 8 ，Min Output = -2.5 v，Max Output = 2.5 v， D-0 = t13 Output 0，D-1 = t13 Output 1，D-2 = t13 Output 2， D-3 = t13 Output 3，D-4 = t13 Output 42 20Operator:Linear Sys Butterworth Lowpass IIR3 Poles， Fc = 1.8e+3 Hz，Quant Bits = NoneInit Cndtn =

18、 Transient，DSP Mode Disabled1 18Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 10e+3 HzPulseW = 20.e-6 sec，Offset = 0 v，Phase = 0 deg21Comm: DeCompandA-Law，Max Input = 2.56Comm: CompanderA-Law，Max Input = 2.516Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 30e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg17Source: P

19、ulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 20e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg15Logic: Mux-D-8Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500.e-3 vTrue Output = 1 v，F(xiàn)alse Output = 03.5、仿真波形3.5.1信號(hào)源的波形3.5.2信號(hào)源經(jīng)壓縮后的波形3.5.3 PCM編碼的波形3.5.4 PCM譯碼時(shí)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴(kuò)張后的輸出波形3.5.5 譯碼后恢復(fù)源信號(hào)的輸出波形由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過(guò)程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復(fù)，傳輸?shù)倪^(guò)程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的傳輸過(guò)程。4 設(shè)計(jì)過(guò)程中需解決的問(wèn)題首先，必須根據(jù)實(shí)際情況合理的設(shè)計(jì)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(kāi)始的時(shí)候,沒(méi)有合理設(shè)置采樣頻率的參數(shù),出現(xiàn)了在譯碼時(shí)恢復(fù)波形的失真,最后根據(jù)采樣頻率fs大于等于2fH條件,通過(guò)不斷調(diào)試,最終可以合理地恢復(fù)源信號(hào)波形。但由于在信道傳輸過(guò)程中由于各種原因而引起譯碼波形有一定的延時(shí)現(xiàn)象。其次，在調(diào)試帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器在實(shí)現(xiàn)PCM編碼輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行