PCM編碼器設(shè)計(jì)說明

1、龜J通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：PCM編譯碼器設(shè)計(jì)專業(yè)班級：13電信科技2班姓 名： zmd學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 彭文娟【摘要】脈沖編碼調(diào)制PCM是將模擬信號(hào)變換成二進(jìn)制信號(hào)的最基本和最常用的編碼 方式，它不僅用于通信領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、遙控遙測、數(shù)字儀表、廣播 電視等許多領(lǐng)域。利用MATLAB!成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，仿真實(shí)現(xiàn)一個(gè) PCM編碼與解碼系統(tǒng)。編碼器實(shí)現(xiàn)輸入模擬話音信號(hào)完成PCMJ術(shù)的三個(gè)過程：采樣、量化與編碼，解碼器實(shí)現(xiàn)還原原信號(hào)過程。然后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分 析該系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞： MATLAB Simulink仿真平臺(tái)，PCMg譯碼器目錄1概述 11.1課程設(shè)

2、計(jì)的目的 11.2課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 11.3課程設(shè)計(jì)的要求 12設(shè)計(jì)原理 22.1 硬件框圖 22.2脈沖編碼調(diào)制 PCM 22.2.1 抽樣 32.2.2 量化 32.2.3 編碼 53 基于Matlab軟件仿真 63.1模擬話音輸入系統(tǒng)框圖 63.1.1 部分模塊介紹 6部分參數(shù)設(shè)置圖 73.1.3 仿真結(jié)果示意圖 133.2數(shù)字信號(hào)話音輸入系統(tǒng)框圖 143.2.1 數(shù)字信號(hào)參數(shù)： 14仿真結(jié)果： 154性能分析 165結(jié)束語 161概述1.1課程設(shè)計(jì)的目的脈沖編碼調(diào)制PCM是模/數(shù)變換中最基本和最常用的編碼方式，結(jié)合老師所教 學(xué)的通信原理教程課程，培養(yǎng)我們的實(shí)際動(dòng)手能力。通過這次通信原理課

3、程 設(shè)計(jì)，對PCM編碼和譯碼的原理及其性能有更深的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步的了解MATLAB 軟件的使用，也鍛煉了我們在實(shí)際問題的解決中會(huì)更加的細(xì)心。利用MATLAB!成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，對該設(shè)計(jì)中涉及的編碼器和譯碼器中使用到的 模塊進(jìn)行調(diào)試、仿真和分析。1.2課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容仿真實(shí)現(xiàn)PCMS碼器和譯碼器。利用 MATLAB!成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)PCMS碼和譯碼系統(tǒng)。要使編碼器實(shí)現(xiàn)輸入模擬話音信號(hào)完成PCM技術(shù)的三個(gè)過程：采樣、量化與編碼，解碼器實(shí)現(xiàn)還原原信號(hào)過程。然后根據(jù)運(yùn) 行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。1.3課程設(shè)計(jì)的要求1、學(xué)會(huì)并運(yùn)用MATLAB!成軟件下的S

4、imulink仿真平臺(tái)，構(gòu)建硬件原理框圖, 掌握PCM的編碼和譯碼的原理；2、掌握PCM®碼的三個(gè)基本過程：抽樣、量化、編碼。將輸入的模擬語音信 號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字通信系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸。并觀察輸出波形；3、掌握解碼還原原信號(hào)過程，觀察輸出波形；3 、根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。2設(shè)計(jì)原理2.1硬件框圖圖2-1 PCM系統(tǒng)原理框圖2.2脈沖編碼調(diào)制PCM脈沖編碼調(diào)制PCM主要包括抽樣、量化與編碼 3個(gè)過程。抽樣是把連續(xù)時(shí)間 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)；量化是把離散時(shí)間連續(xù)幅度的 抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間離散幅度的數(shù)字信號(hào)；編碼是用二進(jìn)制代碼來表示量化 后的抽樣

5、信號(hào)fIF !« r'i.JT2；ryr4T打&77BT川Iw n nti 阻冊一圖2.2.2模擬信號(hào)數(shù)字化過程抽樣模擬信號(hào)通常是在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)。在一系列離散點(diǎn)上，對這種信號(hào)抽取 值稱為抽樣。理論上，抽樣過程可以看做周期性單位沖激脈沖和此模擬信號(hào)相乘。抽樣定理：若一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)S(t)的最高頻率小于fH，則以時(shí)間間隔為 T " 2 f h的周期性沖激脈沖對其抽樣時(shí)，s(t)將被這些抽樣值所完全確定。 恢復(fù)原信號(hào)的條件是fs 2fH,即抽樣頻率fs應(yīng)不小于2fH。這一最低抽樣頻 率2fH稱為奈奎斯特抽樣速率。與此相應(yīng)的最小抽樣時(shí)間間隔稱為奈奎斯特抽 樣間

6、隔。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)m(t)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小。這樣，對于弱信號(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，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。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，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是u壓縮律和A壓縮律。A律具有如下特性：In A1 In Ax 1 y rm

7、 X由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，常使用13折線法編碼。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 2-3示出了這種壓擴(kuò)特性。7/X5/X4/K2/Kl/KIIIIIIIIIIIII/I2K1/X 1/4t/161/32圖2-3 13折線曲線下表是13折線法和A=87.6時(shí)的A律壓縮法的比較 表2-1i876543210y 1 i/801/82/83/84/85/86/87/81A律x值01/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.98113折線法x 1/2i01/1281/641/

8、321/161/81/41/21折線段號(hào)12345678折線斜率161684211/21/4223編碼編碼是用二進(jìn)制代碼來表示量化后的抽樣信號(hào)，編碼的逆過程稱為譯碼。理論上，任何一種從量化電平值到二進(jìn)制碼組的一一映射都可以作為一種編碼。有不同的編碼方法可以將量化電壓編碼。 常用的編碼有兩種，即自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼。由于折疊二進(jìn)制碼可以大大簡化編碼電路和編碼過程，且誤碼對于小電壓的影響較小，對小信號(hào)有利；另外，語音信號(hào)小電壓的出現(xiàn)概率較 大，所以采用折疊碼有利于減小語音信號(hào)的平均量化噪聲。在13折線法中，采用的折疊碼有8位,分別為：第一位Ci:表示量化值的極性正負(fù)第二四位（°2&

9、#176;5）:表示段落碼，共計(jì)3位?？梢员硎?種斜率的段落;最后4位（°5 °8 ）為段內(nèi)碼，可以表示每一段落內(nèi)的16種量化電平。段 內(nèi)代表的16個(gè)量化電平是均勻劃分的。所以，最后7位碼總共能表示2A7=128種量化值。表2-2和表2-3給出了段落碼和段內(nèi)碼的編碼規(guī)則段落序號(hào)段落碼°2°3°481117 n11061015100401130102 n0011000表2-2段落碼的編碼規(guī)則量化間隔段內(nèi)碼°5°6°7°815111114111013110112110011101110101091001810

10、007011160110501014010030011200101000100000表2-3段內(nèi)碼的編碼規(guī)則在上述編碼中，雖然段內(nèi)碼是按量化間隔均勻編碼的，但是因?yàn)楦鱾€(gè)段落的 斜率不等，長度不等，故不同段落的量化間隔是不一樣的。其中第 1段和第2 段最短，斜率最大，其橫坐標(biāo)x的歸一化動(dòng)態(tài)范圍只有1/128 ;再將其等分為16 小段后，每一小段的動(dòng)態(tài)范圍只有(1/128)*(1/16)=1/2048 。這就是最小量化間 隔。第8段最長，其橫坐標(biāo)x的動(dòng)態(tài)范圍為1/2 ;將其16等分后，每段長度為 1/32。假若采用均勻量化而仍希望對于小電壓保持有同樣的動(dòng)態(tài)范圍1/2048，則需要用11位的碼組才行

11、。現(xiàn)在采用非均勻量化，只需要7位就夠了。3 基于Matlab軟件仿真部分模塊介紹1信源(Chirp):把消息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備；2. 模擬低通濾波器(Analog FilterDesign)：低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過，但高于截止頻率的信號(hào)不能通過的電子濾波裝置；3. 矩形脈沖序列(Pulse Generator):用來發(fā)生信號(hào)的系統(tǒng)。由于產(chǎn)生和傳輸 單位沖激函數(shù)難以實(shí)現(xiàn)，因此采用矩形脈沖抽樣。4. 相乘器(Product): 一種完成兩個(gè)互不相關(guān)的模擬信號(hào)相乘作用的電子器件。通過相乘器使語音信號(hào)與矩形脈沖序列相乘，從而獲得時(shí)域離散信號(hào)，這個(gè)過程就是信號(hào)抽樣。5. A律壓縮器(A-

12、Law Compressor):用以減少數(shù)字信號(hào)的冗余度，提高數(shù)字信 號(hào)的有效性。由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，常使用13折線法編碼近似表示A壓縮 律。6. 量化器(Quantizer):將抽樣值的范圍劃分為 M個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間用一個(gè) 電平去表示。這樣，共有M個(gè)離散電平，稱為量化電平，用這 M個(gè)量化電平表示 連續(xù)抽樣值的方法稱為量化。7. 編碼器(Uniform Encoder):將量化后的信號(hào)編成適合于信道傳輸?shù)男盘?hào)。8. 環(huán)滯比較器(Relay):將高低電平固定，使其波形波動(dòng)不要過大，影響最 后輸出的波形。9. 譯碼器(Uniform Decoder):將從信道傳輸出來的信號(hào)進(jìn)行解碼；10. A

13、律擴(kuò)展器(A-Law Expander):將解碼后的信號(hào)量化值進(jìn)行擴(kuò)展。11. 零階保持器(Zero-Order Hold):還原原信號(hào)，轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號(hào)。部分參數(shù)設(shè)置圖Chirp模塊:性 Source Block Parameters： Chirp Signalchirp 【皿(link)Output a linear chirp signal (sine ivaTre uhose frequency varies linearly vilh time)-Initial frequency (H不)：Frequency at tax get(Hz):Interpret vector rarar

14、teters as 1 -DApplyFunction Blok P-srmeters: Analog FiIter DesignlAualcf Flit ex砂(link)Design on£ q£ sw&ral tandatd analog frlterj innpl或merrt ed ixt at e- sp ace f om-ParajnetersDesign rneihad; Chebyshev IFilt er tyi>e! LowpassFilter order:5PaEsband edge retjuency (rad/e):40C0Passb

15、and npp Le in dB:0. 1OKCancelHelpApplyPulse Gen erator模塊:亠* Souruc& BI oft P 目耳 metpns: PiuHe GecnatoirProduct 模塊:A-Law Compressor 模塊:Function Block Pa ra meters: A-Law Corn pressorA-Law CoTupressor (mask) (link)Cojnpress the :Input signal using A-latur compressionThis block puocesses each elsne

16、nt independently.Par ajuet t r sA value:OK CancBl. Et? IpApplyQuan tizer 模塊:Un iform En coder 模塊：unction Block Parameler5： Uniform EncoderUnifoiii Encoder (mast) (Link)ITnifarinlir quantile and encode the input in.t specified riu>ber of tits» The input is saturated at positive and negative P

17、eak valvie. Output datartype ls either 8, 1$, q匚 32-bitorunsigned lirtegefj based on ihe leasi number cir bits needed.,Faramet ers Peak:Uni form Decoder 模塊:7 Function Bfock Parameters： Uniform De匚oderUniform Decoder (mask (linkjUrti'f ormly decode the input with posit ive arid tiejative Peat val

18、ue* Saturate or wrap the input in overflav. The output datatype is double or single.ParajnetersPeak:CancelHelpI ApplyRelay模塊:Function Block Parameters RelayRola,yOutput the specified 1 on7 or 1 off1 value by comparing the input to the specified threSholds. The on/off state of the relay is not affect

19、ed by input between the upper and lower limits.MainSignal AttributesSwit ch on point:Swit ch off point:epsOutput uirhen on:Output when off:-1Input processing：: Elements as channels (sample based)匡 Enable zero-crossing detectionSample +iwia (T for inhexited);OKCancelHelpApplyThis block processes each

20、 element independent Ly.OKCancelApp LyA-Law Expander 模塊:Function Block Parameters： A'Law ExpanderA-Law Esp and er Cmask) (lirik)Expand thm signal usin inTerse ALau compression.Zero-Order Hold 模塊:仿真結(jié)果示意圖編碼結(jié)果:SJ Scope*回 l £3r日& |G3菇陌 Time- offset 0譯碼結(jié)果:3.2數(shù)字信號(hào)話音輸入系統(tǒng)框圖2.數(shù)字信號(hào)參數(shù):*占 Source Bl

21、ock Parameters： Signal Generator3igrial GeneratorOutput various vave farms: Y = Amp Waveform (Freq, t)Paraiket eraPr equertcjr:OKCaric elHelpApply322仿真結(jié)果:編碼結(jié)果：譯碼結(jié)果:廣Floating Scope匸回 11、1 I ®致u叵E3耳壓1日F乓10203040SO6CiTime olfset 04性能分析通過仿真軟件構(gòu)建的框圖中的示波器可直觀觀察到，模擬信號(hào)的PCM編碼和數(shù)字信號(hào)的PCM編碼、譯碼的波形光滑，與理想狀態(tài)相比較，基本無誤差。而觀 察到的模擬話音信號(hào)的PCM譯碼波形圖，可看出經(jīng)PCMS譯碼后的模擬信號(hào)與原 信號(hào)存在較小誤差，波形不夠光滑，波峰出現(xiàn)少許平緩。產(chǎn)生誤差的原因：由于無窮內(nèi)插公式和許多高頻分量而混入了輸入噪聲，導(dǎo) 致輸出波形不夠光滑，出現(xiàn)少許平緩。5結(jié)束語這次通信原理的課程設(shè)計(jì)歷時(shí)很長，在這個(gè)過程中，讓我感到忙碌與緊張。不過讓我收獲良多，首先讓我更清楚的了解到脈沖編碼調(diào)制 PCM編碼器與譯碼