PCM系統(tǒng)的性能分析

1、題 目 PCM 系 統(tǒng) 的 性 能 分 析 所在學(xué)院 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級 通 信 工 程 專 業(yè) 指導(dǎo)教師 完成地點(diǎn) 物理與電信工程學(xué)院 實(shí)驗(yàn)室 畢業(yè)論文設(shè)計(jì)任務(wù)書 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 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轉(zhuǎn)換作數(shù)字信號。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，

2、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3篇。六、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)的進(jìn)度安排： 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

3、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) 系(教研室)主任簽名 批準(zhǔn)日期 接受論文 (設(shè)計(jì))任務(wù)開始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名 PCM系統(tǒng)的仿真與分析 摘要 脈沖編碼調(diào)制(PCM)是將模擬語音信號變換成數(shù)字信號的一種方式。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

4、和頻譜圖。根據(jù)仿真結(jié)果分析找出了相對最優(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；脈沖編碼調(diào)制（PCM）Analysis of the PCM system performance Abstract：Pulse Code Modulation (PCM) is a way of changing the analog voice signal into a digital signal . The PCM system was designed in the Simulink simulation environment, includin

5、g PCM coding and decoding module, digital modem module. The PCM codec module constructed in three segments inner code was to be introduced.For the digital modem, A subsystem including BPSK, channel and filter was built.Finally,the BER and spectrum of the three coding system was derived.Optimal syste

6、m configuration was to be found based on the simulation results, it provides a theoretical basis for the practical application.Key words：MATLAB;Simulink simulation platform;Pulse Code Modulation (PCM)目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc1465 引言 PAGEREF _Toc1465 1 HYPERLINK l _Toc15869 1 研究方案 PAGEREF _Toc

7、15869 3 HYPERLINK l _Toc10616 1.1 研究目標(biāo) PAGEREF _Toc10616 3 HYPERLINK l _Toc19677 1.2 方案選擇 PAGEREF _Toc19677 3 HYPERLINK l _Toc2334 1.2.1 基于FPGA的PCM系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc2334 3 HYPERLINK l _Toc6460 1.2.2 基于Simulink的PCM系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc6460 4 HYPERLINK l _Toc12723 1.2.3軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)PCM系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc12723 4 HY

8、PERLINK l _Toc1928 1.3方案比較 PAGEREF _Toc1928 5 HYPERLINK l _Toc31567 1.4軟件介紹 PAGEREF _Toc31567 6 HYPERLINK l _Toc1874 1.4.1 MATLAB簡介 PAGEREF _Toc1874 6 HYPERLINK l _Toc6065 1.4.2 Simulink介紹 PAGEREF _Toc6065 6 HYPERLINK l _Toc18956 2 PCM基本原理 PAGEREF _Toc18956 8 HYPERLINK l _Toc18055 2.1 抽樣 PAGEREF _To

9、c18055 8 HYPERLINK l _Toc7331 2.2 量化 PAGEREF _Toc7331 9 HYPERLINK l _Toc25881 2.3 編碼 PAGEREF _Toc25881 10 HYPERLINK l _Toc25352 2.4 譯碼 PAGEREF _Toc25352 12 HYPERLINK l _Toc31800 3 PCM系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc31800 13 HYPERLINK l _Toc27877 3.1 總體設(shè)計(jì)思想 PAGEREF _Toc27877 13 HYPERLINK l _Toc18068 3.2 各模塊的設(shè)計(jì)和仿真 P

10、AGEREF _Toc18068 13 HYPERLINK l _Toc21777 3.2.1 PCM編碼模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc21777 13 HYPERLINK l _Toc15089 3.2.2 PCM解碼模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15089 14 HYPERLINK l _Toc27002 3.2.3 PCM系統(tǒng)總體模塊 PAGEREF _Toc27002 15 HYPERLINK l _Toc16593 3.3 格雷碼編譯碼設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc16593 18 HYPERLINK l _Toc18343 3.3.1 格雷碼的程序?qū)崿F(xiàn) PAGEREF _T

11、oc18343 18 HYPERLINK l _Toc11141 3.3.2 格雷碼的仿真設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc11141 19 HYPERLINK l _Toc31229 3.4 折疊碼編譯碼設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc31229 22 HYPERLINK l _Toc14029 3.4.1 折疊碼的程序?qū)崿F(xiàn) PAGEREF _Toc14029 22 HYPERLINK l _Toc1127 3.4.2 折疊碼的仿真設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc1127 23 HYPERLINK l _Toc22890 3.5 性能分析 PAGEREF _Toc22890 25 HYPERLINK

12、 l _Toc795 4 結(jié)束語 PAGEREF _Toc795 27 HYPERLINK l _Toc9553 致謝 PAGEREF _Toc9553 28 HYPERLINK l _Toc21635 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc21635 29 HYPERLINK l _Toc27231 附錄A 英文文獻(xiàn) PAGEREF _Toc27231 30 HYPERLINK l _Toc14268 附錄B 格雷碼系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14268 39 HYPERLINK l _Toc21104 附錄C 折疊二進(jìn)制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 PAGEREF _Toc21104 40引言當(dāng)今

13、社會，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)字信號因其易于存儲和傳輸，并且沒有累積失真等數(shù)字的高品質(zhì)而被廣泛應(yīng)用。在語音信號的領(lǐng)域中，數(shù)字化的語音傳輸和存儲，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)高于模擬語音信號。但是，數(shù)字化的語音信號也有它的的缺點(diǎn)，就是數(shù)字語音信號的帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬語音信號的帶寬， 因此要求傳輸數(shù)字語音信號的信道更大才能夠傳輸數(shù)字語音信號，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

14、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2448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)字信號對光源進(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)字信號是稱為PCM即脈沖編碼調(diào)制，它對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的?，F(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈沖編碼調(diào)制（pulse code modulat

15、ion）體制，這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基地信號，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。PCM有T1和E1兩種標(biāo)準(zhǔn)（表現(xiàn)形式）。中國采用的是歐洲的標(biāo)準(zhǔn)E1。E1的速率是2.048Mbit/s，而T1的速率是1.544Mbit/s。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)。 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討論會發(fā)布和推出。

16、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)： 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）。 在錄音時(shí)采用多級或者串聯(lián)抽選的數(shù)字濾波器（減低采樣頻率），在重放時(shí)采用多級的內(nèi) 插的數(shù)字濾波器（提高采樣頻率），為了控制小信號在

17、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)勢建立了PCM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)展趨勢之一。可靠性好、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)出的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，既“模擬信號數(shù)字化”。模擬信號數(shù)字化有三個(gè)基本步驟。第一步為“抽樣”，就是對連續(xù)的模擬信號進(jìn)行離散化，通常是以相等的時(shí)間間隔來抽取模擬信號的樣值。第二步是“量化”，將模擬信號樣值變換到最接近的

18、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信號用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來表示，最終完成模擬信號的數(shù)字化。數(shù)字信號送入數(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)字信號變?yōu)槟M信號，即“數(shù)字信號還原模擬信號”，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，它操作簡單方便、調(diào)試

19、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)包括模擬信號的數(shù)字化、調(diào)制解調(diào)和數(shù)字信號還原為模擬信號三個(gè)模塊，其中，模擬信號的數(shù)字化是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為用二進(jìn)制代表的數(shù)字信號，分為抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟；信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?，在傳輸過程中會引入噪聲而影響信號的質(zhì)量；數(shù)字信號還原模擬信號解碼、低通等過程組成，它把數(shù)字信號恢復(fù)成連續(xù)的模擬信號。 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

20、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)過程中對自己的督促及幫助。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轉(zhuǎn)換作數(shù)字信號的調(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)境對比三種不同段內(nèi)碼

21、的PCM系統(tǒng)的頻譜特點(diǎn)與誤碼率情況； 對仿真結(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（ FieldProgrammable Gate Array）：既現(xiàn)場可編程門陣列，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)，F(xiàn)PGA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

22、的缺點(diǎn)。經(jīng)實(shí)踐表明，F(xiàn)PGA可以有效地運(yùn)用于PCM高碼速率場合。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（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ASI

23、C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。 可以說，F(xiàn)PGA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F(xiàn)PGA，不同的編程

24、數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA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FPGA/CPLD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FPGA/CPLD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Quartus II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所示的上排是Qu

25、artus 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)流程相對照的標(biāo)準(zhǔn)的EDA。開發(fā)流程其設(shè)計(jì)流程圖如圖1.1所示：圖形或HDL編輯Analysis synthesis（分析與綜合）Filter（適配器）Assembler（編程文件匯編）編程器設(shè)計(jì)輸入綜合或編輯仿真適配器件下載時(shí)序分析器圖 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

26、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，無需大量書寫程序，只需要通過簡單直觀的鼠標(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)?；旌想娐芳案鞣N速率系統(tǒng)，并提供了內(nèi)容豐富的基本庫和專業(yè)庫。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)主要包括模擬信號的數(shù)字化、信道傳輸和數(shù)字信號還原模擬信號三部分，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和輸出信號的波形，加上含有噪聲的信道，最后

27、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：信源抽樣量化信道編碼PCM編碼性能分析信道譯碼解調(diào)信道調(diào)制噪聲圖1.2 PCM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，而信號級系統(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)，并在對話框內(nèi)快速訪問和調(diào)整參數(shù)，修改實(shí)時(shí)顯示。只

28、需簡單用鼠標(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（MetaSystem）。PCM編譯碼器的實(shí)現(xiàn)可以借鑒單片如MC14550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

29、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得出的信號在經(jīng)過一個(gè)分頻器2，然后進(jìn)行信號抽樣后輸出，此后，幀同步信號進(jìn)入幀同步產(chǎn)生器然后進(jìn)入復(fù)接器，正弦信號源分別進(jìn)入兩個(gè)PCM編碼器進(jìn)行編譯得到源基帶信號。PCM編譯碼框圖如圖1.3所示：SL7S3SL5S24690KHz晶振SL3S1SL02048KHz CLKS1S2S3S4SRASRBSLB 抽樣信號產(chǎn)生信號 分頻器1分頻器2 幀同步信號產(chǎn)生器 STASRASRB正弦信號源BPCM編碼

30、器BPCM編碼器A正弦信號源A復(fù)接器 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，所以利用FPGA分析時(shí)會面臨最大的編程問題。利用單片機(jī)進(jìn)行測試時(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

31、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估不同的算法，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化?；谏鲜鋈N方案的優(yōu)缺點(diǎn)及自己在大學(xué)過程中對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MAT

32、LAB的功能，使它成為了巨大的知識寶庫。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（工具箱），計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外，MATLAB和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語言的混合編程，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

33、件。在新的版本中也加入了對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)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(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，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)就是簡潔。MATL

34、AB用更直觀的、符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。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，Matlab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)、檢測信號、處理圖像、信號通訊和處理等方面。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。Simulin

35、k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。 Simulink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，Simu

36、link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)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、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)境和可定制模塊庫對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。 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

37、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)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(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。 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)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對復(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、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 。 使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal，

38、Accelerator，Rapid Accelerator)來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。 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從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定義信號參數(shù)，定制建模環(huán)境和測試數(shù)據(jù)。2 PCM基本原理脈沖編碼調(diào)制（PCM）簡稱脈碼調(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信號的形成是將模擬信號經(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、及量化信號的二進(jìn)制表示。根

39、據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，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，我國和歐洲各國均采用了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。PCM系統(tǒng)原理方框圖如圖2.1所示。在編碼器（圖2.1（a）中由沖激脈沖對模擬信號抽樣，得到在抽樣時(shí)刻上的信號抽樣值。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)量化后的信號抽樣值。圖2.1（b）中譯碼器的原理和編

40、碼過程相反。抽樣保持量化器編碼器譯碼器低通濾波器模擬信號輸入PCM信號輸入PCM信號輸出模擬信號輸出沖擊脈沖（a）編碼器（b）譯碼器圖2.1 PCM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的瞬時(shí)值。圖2.2是一個(gè)抽樣概念的示意圖，假設(shè)某個(gè)模擬信號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

41、現(xiàn)時(shí)刻輸入信號f(t)的瞬時(shí)值，因此，y(t)就是對f(t)抽樣后的信號或稱樣值信號。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，在取樣以前，應(yīng)經(jīng)過一個(gè)上限為W的低通濾波器，以便m(t)中無所包含的高于W的那些諧波成分。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： （2.1） 量化

42、器這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。圖2.1 模擬信號的量化 量化后的抽樣信號于量化前的抽樣信號相比較，當(dāng)然不再是模擬信號，且有所失真。這種失真在接收端還原模擬信號是表現(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“取整”的方式，分的級數(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)信號較小時(shí)，則信號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取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見，對于弱信號時(shí)，均勻量化時(shí)的信

43、號動(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)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值大的區(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抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時(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)壓縮律是壓縮律和A

44、壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用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式（2.2）和式（2.3）特性的壓縮律： （2.2） （2.3）A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)的值與計(jì)算值的比較。圖2.2 A律函數(shù)13折線表2.1 13折線時(shí)

45、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 將量化后的信號變換成代碼的過程稱為編碼，其相反的過程稱為譯碼。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。量化后的抽樣信號在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個(gè)可取的樣值，且信號正、負(fù)幅度分布的對稱性使正、負(fù)樣值的個(gè)數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級對稱分布。若將有限個(gè)量化樣值的絕對值從小到大依次排列，并對應(yīng)的依次賦予一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字代

46、碼，在碼前以“+”、“”號為前綴，來區(qū)分樣值的正負(fù)，則量化后的抽樣信號就轉(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。把量化的抽樣信號變換成給定字長的二進(jìn)制碼流的過程為編碼。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和。通信中一般都采用高速編碼。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：折疊級聯(lián)型、逐次比較型、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。在13折線法中，無論輸入信號是正是負(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)制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表

47、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大小。具體的劃分為：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。其于四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果將8個(gè)段落被劃分為了128個(gè)量化級。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2.2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級之間的關(guān)系見表2.3。表2.2段落碼段落序號段落碼81117110610151004011301020011000表2.3 二進(jìn)制碼型電平序號自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼格雷碼012345670 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1

48、 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10 1 1 10 1 1 00 1 0 10 1 0 00 0 1 10 0 1 00 0 0 10 0 0 00 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 0891011121314151 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01

49、0 1 11 0 0 11 0 0 0理論上來來說，任何一個(gè)可逆的二進(jìn)制碼組均可用于PCM。目前最常見的二進(jìn)制碼組有三類，分別為：二進(jìn)制自然碼（NBC）、格雷二進(jìn)制碼（RBC）和折疊二進(jìn)制碼組（FBC）。表2.3列出了這三種碼的編碼規(guī)律。由表2.3可見，如果把16個(gè)量化級分成兩部分：07的8個(gè)量化級對應(yīng)于負(fù)極性樣值，815的8個(gè)量化級對應(yīng)于正極性樣值。自然二進(jìn)制碼就是一般的十進(jìn)制正整數(shù)的二進(jìn)制表示。格雷碼的特點(diǎn)是任何相鄰電平的碼組，只有一位碼發(fā)生變化。在折疊碼中，左邊第一位表示正負(fù)號（信號極性），第一位用1表示正，用0表示負(fù)。第二位開始至最后一位表示信號幅度，絕對值相同的折疊碼，其碼組除第一位

50、外都相同；相對于零電平則呈對稱折疊關(guān)系，因此這種碼組形象地稱為折疊碼。在信道傳輸中有誤碼時(shí)，各種碼組在解碼時(shí)產(chǎn)生的后果是不同的。如果第一位碼發(fā)生變化，自然碼解碼后，引起的幅度誤差是信號最大幅度的一半，這樣會使恢復(fù)出的模擬電話信號出現(xiàn)明顯的誤碼噪聲，在小信號時(shí)這種噪聲尤為突出。而折疊碼在傳輸中出現(xiàn)誤碼時(shí)，對大信號的影響較大，對小信號的影響要小得多。比如誤碼發(fā)生在大信號，如1101誤碼為0101，對于自然碼誤差為8個(gè)量化級（13與5），對于折疊碼為11個(gè)量化級（13與2）。對于小信號，把1000誤碼為0000，對于自然碼誤差為8個(gè)量化級（8與0），對于折疊碼誤差僅有1個(gè)量化級（8與7）。由于語音信

51、號中小信號出現(xiàn)的概率大，所以從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看，折疊碼產(chǎn)生的均方誤差功率小。另外，折疊碼編碼電路簡單，其第一位表示極性，可由極性判決電路決定，在編碼位數(shù)相同時(shí)，折疊碼等效于少編一位碼?；谏鲜鲈?，在PCM編碼中使用折疊碼。本文對三種碼型都進(jìn)行了分析，用數(shù)字來對比他們的特點(diǎn)。2.4 譯碼譯碼也就是將8位二進(jìn)制還原為原來的十進(jìn)制的量化電壓，過程剛好與編碼相反。譯碼中數(shù)字壓擴(kuò)用7/12變換電路，量化誤差減少為原來的1/2。其原理如下圖2.3所示：圖2.3 數(shù)字壓擴(kuò)折線解碼器原理框圖 A率13折線譯碼器原理框圖與逐次比較型編碼器中的本地譯碼器基本相同，所不同的是增加了極性控制部分和帶有寄存讀出的7/12

52、位碼變換電路，各部分的作用如下：串/并變換記憶電路：將增加的串行PCM碼變?yōu)椴⑿写a，并記憶下來，與編碼器中譯碼器的記憶作用基本相同。極性控制部分：根據(jù)接收到的極性碼來控制譯碼后的PAM信號的極性，恢復(fù)原信號極性。7/12變換電路：將7位非線性碼轉(zhuǎn)換為12位線性碼，在編碼器的本地譯碼器中采用7/11位碼變換，使得量化誤差有可能大于本段落量化間隔的一半。兩種碼之間的轉(zhuǎn)換原則是兩個(gè)碼組在各自的意義上所代表的權(quán)值必須相等。3 PCM系統(tǒng)仿真 3.1 總體設(shè)計(jì)思想 由前面的原理介紹我們可以知道PCM系統(tǒng)包括模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、數(shù)字信號還原模擬信號模塊等三個(gè)模塊。其中模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)

53、字信號模塊把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為用二進(jìn)制代表的數(shù)字信號，它由抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟組成；用程序?qū)崿F(xiàn)折疊二進(jìn)制和格雷碼的封裝，在simulink下直接調(diào)用封裝模塊；信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?，在傳輸過程中可能會引入噪聲而影響信號的質(zhì)量；數(shù)字信號還原模擬信號解碼、低通、放大等過程組成，它把數(shù)字信號恢復(fù)稱連續(xù)的模擬信號。信源的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始的電信號，比如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可以看成是信源。信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號是指沒有經(jīng)過調(diào)制（進(jìn)行頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點(diǎn)是信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式。信道是指信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含

54、某些設(shè)備。在接收端，接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號來。信宿是將復(fù)原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。 3.2 各模塊的設(shè)計(jì)和仿真3.2.1 PCM編碼模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的編碼模塊，模擬信號是幅度為1，頻率為100*pi的正弦信號。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。利用輸出波形觀察解碼后的模擬信號。具體搭建如圖3.1所示：圖3.1 13折線近似的PCM編碼器測試模型其中各個(gè)模塊功能和參數(shù)設(shè)置如下： Zero-Order Hold ：

55、零階保持器，它的作用是對輸入的一段采樣時(shí)間進(jìn)行保持。參數(shù)設(shè)置中的取樣時(shí)間間隔為信號的取樣時(shí)間間隔0.001s。Saturation：限幅器，它的作用是將輸入信號的幅度限制在一定范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)將輸入信號幅度限制在-1,+1范圍內(nèi)。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)就輸出0。 Abs：絕對值模塊，它的作用是對輸入數(shù)值取絕對值。 A-Law Compressor：A率壓縮器，它的作用是對輸入信號進(jìn)行A率壓縮，本設(shè)計(jì)中A取87.6。 Gain：增益模塊，它

56、是對數(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。 Integer 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復(fù)用為一路信號。本設(shè)計(jì)中由于輸入信號由1路極值脈沖和1路數(shù)值脈沖組成，因此

57、此模塊輸入?yún)?shù)設(shè)為2。 To Frame：裝幀器。 Buffer：緩沖器。 Scope：示波器，它的作用是顯示輸出信號波形。運(yùn)行編碼模塊，輸出波形如圖3.2所示：圖3.2 PCM信號波形3.2.2 PCM解碼模塊設(shè)計(jì)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)要觀察經(jīng)過不同信道的波形，由于PCM編碼后的信號不能直接通過信道，在解碼前需要加上調(diào)制解調(diào)模塊，所以解碼模塊用測試模型來代替。圖3.3是1路信號的解碼測試模塊。圖3.3 13折線近似的PCM解碼器測試模型其中各個(gè)模塊的功能和參數(shù)設(shè)置如下： Demux：分離器，它的作用是將復(fù)用的多路信號分離出來。在此解碼模塊中信號應(yīng)分離成一路極性脈沖和7路數(shù)值脈沖，因此輸出參數(shù)設(shè)為8。

58、Mux：復(fù)用器。模塊中輸入脈沖由7路二進(jìn)制數(shù)值脈沖組成，因此輸入?yún)?shù)設(shè)為7。 Relay：繼電模塊，它的作用是確定信號的極性。 Bit to Integer Convertert：位轉(zhuǎn)換器，它的作用是將二進(jìn)制脈沖轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。同編碼模塊中的Integer to Bit Convertert，此模塊參數(shù)也設(shè)為7。 Gain：增益模塊，和編碼模塊相反，此模塊增益參數(shù)設(shè)為1/127。 A-Law Expander：A率擴(kuò)展器，它的作用是對輸入信號進(jìn)行A率擴(kuò)展，此模塊中A 設(shè)為87.6。 Product：相乘器，它的作用是將極性脈沖和正值數(shù)值脈沖相乘以得到有極性的數(shù)值。此模塊的輸入?yún)?shù)設(shè)為2。Ana

59、log Filter Design ：模擬低通濾波器。它的作用是得到回復(fù)原始的模擬信號。此濾波器的最高頻率設(shè)為250*pi，符合條件，可以恢復(fù)原始的模擬信號。在總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于PCM編碼之后的信息序列還不能在信道中傳輸，還要對信號進(jìn)行調(diào)制后才能發(fā)送出去，在本次設(shè)計(jì)中，為了觀察噪音對系統(tǒng)的影響，加入了BPSK調(diào)制解調(diào)，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)為五大部分：信源、抽樣、編碼、調(diào)制解調(diào)、譯碼。信號源：信號源為頻率為100*pi的正弦波圖3.4 信號源抽樣模塊：位了便于觀察，設(shè)置抽樣頻率為0.001s，脈沖寬度為0.5圖3.5 抽樣模塊調(diào)制解調(diào)：圖3.6 調(diào)制解調(diào)模塊3.2.3 PCM系統(tǒng)總體模塊 在編碼解碼中間

60、加入調(diào)制解調(diào)，分別通過高斯，瑞利，萊斯信道，設(shè)置他們的參數(shù)，觀察不同量噪音下的輸出波形變化。自然二進(jìn)制在高斯信道下總體搭建模塊如圖3.7所示：圖3.7 自然二進(jìn)制PCM系統(tǒng)總體模塊首先觀察無噪音影響下的波形輸出，高斯信道設(shè)置參數(shù)，讓誤碼率顯示為0即可。運(yùn)行輸出仿真波形如圖3.8所示：圖3.8 自然二進(jìn)制在高斯信道下波形上圖中一路為原始正弦波形；二路為經(jīng)過編碼譯碼后的波形，仿真為無噪音環(huán)境下的輸出，由波形也可看出，譯碼后的信號無失真，說明系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)可行；三路為采樣波形，采樣寬度設(shè)置為0.5，采樣時(shí)間為0.001；四路是經(jīng)編碼后的波形，編碼時(shí)段內(nèi)碼采用自然二進(jìn)制；五路為未加低通濾波器時(shí)，A率壓擴(kuò)