脈沖編碼調(diào)制PCM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

脈沖編碼調(diào)制PCM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真摘要:SystemView仿真軟件能夠?qū)崿F(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，能夠?yàn)橛布娐穼?shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。經(jīng)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。關(guān)鍵詞:PCM編譯碼1、引言隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用?；谛盘?hào)的用于通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真軟件SystemView具有強(qiáng)大的功能，能夠滿足從底層到高層不同層次的設(shè)計(jì)、分析使用，而且提供了嵌入式的模塊分析方法，形成多層系統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔明了，便于完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。SystemView具有良好的交互界面，經(jīng)過(guò)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(guò)程，不但在工程上得到應(yīng)用，在教學(xué)領(lǐng)域也得到認(rèn)可，特別在信號(hào)分析、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。其能夠?qū)崿F(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(kù)和專業(yè)庫(kù)。本文主要闡述了如何利用SystemView實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制（PCM）。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)模塊分層實(shí)現(xiàn)，模塊主要由PCM編碼模塊、PCM譯碼模塊、及邏輯時(shí)鐘控制信號(hào)構(gòu)成。經(jīng)過(guò)仿真設(shè)計(jì)電路，分析電路仿真結(jié)果，為最終硬件實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。2、系統(tǒng)介紹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，為改進(jìn)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μ律方式，中國(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,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)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話音輸出圖1PCM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)程能夠表示為：模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。一般稱為量化間隔。模擬入量化器量化值圖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。一般，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，其量化間隔也?。环粗?，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能夠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，即改進(jìn)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)際方法一般是將抽樣值經(jīng)過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。一般使用的壓縮器中，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，中國(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：未壓縮（1）未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）0圖313折線表1列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。表10101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。編碼器的種類大致上能夠歸結(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2段落碼 表3段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000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27＝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)能夠借鑒單片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)。2.1、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，如下圖4所示:圖42.2、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/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5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)，必須經(jīng)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)，最后經(jīng)過(guò)圖符（9）輸出PCM編碼信號(hào)。2.2（1）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300Hz－3400Hz的語(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。（2）瞬時(shí)壓縮器：瞬時(shí)壓縮器（圖符16）使用了中國(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，這樣能夠使用較少位數(shù)的量化滿足語(yǔ)音傳輸?shù)男枰?。圖6壓縮前圖7壓縮后（3）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，一般認(rèn)為語(yǔ)音的頻帶在300Hz－3400Hz，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。（4）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)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)選擇器還能夠?qū)崿F(xiàn)碼速轉(zhuǎn)換功能。2.3、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82.3.1PCM譯碼器組件功能實(shí)現(xiàn)（1）D/A轉(zhuǎn)換器(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。（1）瞬時(shí)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。（2）低通濾波器（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。3、系統(tǒng)仿真模型如下圖9：圖9系統(tǒng)模型子系統(tǒng)（圖符12）如下圖10：圖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4符號(hào)名稱參數(shù)設(shè)置12子系統(tǒng)7SinusoidAmp=1v，F(xiàn)req=1e+3Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine8SinusoidAmp=1v，F(xiàn)req=1.5e+3Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine9SinusoidAmp=1v，F(xiàn)req=500Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine10AdderInputsfrom789，Outputsto1111MetaOutInputfrom10Outputto3203451419Analysis13Logic:ADCTwo'sComplement，GateDelay=0sec，Threshold=500e-3v，TrueOutput=1v，F(xiàn)alseOutput=0v，No.Bits=8，MinInput=-2.5v，MaxInput=2.5v，RiseTime=0sec，Analog=t21Output0，Clock=t1Output00Logic:DACTwo'sComplement，GateDelay=0sec，Threshold=500e-3No.Bits=8，MinOutput=-2.5v，MaxOutput=2.5v，D-0=t13Output0，D-1=t13Output1，D-2=t13Output2，D-3=t13Output3，D-4=t13Output4220Operator:LinearSysButterworthLowpassIIR3Poles，F(xiàn)c=1.8e+3Hz，QuantBits=NoneInitCndtn=Transient，DSPModeDisabled118Source:PulseTrainAmp=1v，F(xiàn)req=10e+3HzPulseW=20.e-6sec，Offset=0v，Phase=0deg21Comm:DeCompandA-Law，MaxInput=±2.56Comm:CompanderA-Law，MaxInput=±2.516Source:PulseTrainAmp=1v，F(xiàn)req=30e+3Hz，PulseW=20.e-6secOffset=0v，Phase=0deg17Source:PulseTrainAmp=1v，F(xiàn)req=20e+3Hz，PulseW=20.e-6secOffset=0v，Phase=0deg15Logic:Mux-D-8GateDelay=0sec，Threshold=500.e-3vTrueOutput=1v，F(xiàn)alseOutput=04、仿真波形如下：（1）信號(hào)源的波形（2）信號(hào)源經(jīng)壓縮后的波形（3）PCM編碼的波形（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（5）譯碼后恢復(fù)源信號(hào)的輸出波形由以上數(shù)據(jù)波形能夠看出在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。5、參考文獻(xiàn)[1]吳偉陵,續(xù)大我,龐沁華．通信原理．北京郵電大學(xué)出版社，[2]青松，程岱松，武建華．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)的SystemView仿真與分析．北京航空航天大學(xué)出版社，[3]\o"搜索'曹志剛，錢亞生編著'編寫(xiě)的更多圖書(shū)"曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理．\o"搜索'清華大學(xué)出版社'出版的更多圖書(shū)"清華大學(xué)出版社，1992[4]苗長(zhǎng)云等主編.現(xiàn)代通信原理及應(yīng)用．電子工業(yè)出版社，[5]羅衛(wèi)兵/孫樺/張捷．SystemView動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)．西安電子科技大學(xué)出版社，6、設(shè)計(jì)過(guò)程中需