基于systemView的PCM通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計

本科畢業(yè)設(shè)計第13頁共16頁PAGE1引言在通信原理的學習過程中，一直都致力于通信理論及原理的學習，而晦澀的理論知識給學習通信原理帶來了不便，再加上現(xiàn)有的硬件條件又不能滿足每一個通信系統(tǒng)的具體設(shè)計，所以很有必要通過另外的有效的途徑來解決這一難題。借助于SystemView軟件，可以形象、直觀、方便地進行通信系統(tǒng)仿真設(shè)計與仿真分析。引入SystemView仿真實現(xiàn)PCM通信系統(tǒng)，將帶來直觀、形象的感受。加深對通信系統(tǒng)的理解。通過運用SystemView可以構(gòu)造各種復雜的數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)以及各種速率的通信系統(tǒng)。SystemView主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。利用SystemView軟件，仿真通信系統(tǒng)，可以進一步加深了對通信原理的更好的更深層次的理解。SystemView具有良好的交互的界面，通過打開其分析窗口和示波器模擬等方法，它能給用戶提供了一個可視化具體的的仿真過程，其可以實現(xiàn)復雜的模擬、數(shù)字及數(shù)模混合電路及各種速率系統(tǒng)，并提供了內(nèi)容豐富的基本庫圖示和專業(yè)庫圖示。SystemView是基于Windows環(huán)境下運行的用來進行通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊去描述程序，不需要與復雜的程序語言打交道，也不用寫一句代碼就可以完成各種通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，快速地、有效的建立和修改系統(tǒng)、進行訪問與參數(shù)的調(diào)整，方便地加入注釋。用戶在進行通信系統(tǒng)的設(shè)計時，僅僅只需要從Systemview配置的圖示庫中調(diào)出有關(guān)圖示并進行所要求的參數(shù)設(shè)置，完成圖示間的各項連線，然后運行仿真操作，SystemView最終以時域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析的詳細結(jié)果。每個模塊對用戶而言都是非常透明的，Systemview的各個模塊在運行時是事件是如何驅(qū)動，時間是如何采樣，如何執(zhí)行等細節(jié)性問題，用戶可以不去關(guān)心，用戶只須知道各個模塊的輸入、輸出以及模塊的具體功能，而不需要考慮模塊內(nèi)部是怎么實現(xiàn)的如何運行的，于是留給用戶的事情就是如何利用這些模塊來建立所需要的模型以完成自己的仿真設(shè)計任務(wù)；正是由于具有這些獨特的特點，所以SystemView被廣泛的應(yīng)用在通信的設(shè)計與仿真中，通過相應(yīng)的設(shè)計與仿真將展示PCM通信系統(tǒng)實現(xiàn)的設(shè)計思路及具體過程，并對仿真結(jié)果加以進行分析?；赟ystemview的PCM通信系統(tǒng)的仿真模型，不但能夠反映PCM通信系統(tǒng)的動態(tài)運行的工作過程，其可視化界面也具有很好的演示效果和形象的結(jié)果展示，這樣為通信系統(tǒng)的設(shè)計和研究提供強有力的工具，也為學習通信系統(tǒng)理論提供了一條非常好的途徑。雖然理論與實際還會有很大的偏差，所以在設(shè)計時還需要考慮各種線性或非線性的干擾和各種噪聲等因素的影響。2PCM通信系統(tǒng)PCM通信系統(tǒng)包括對信號的抽樣、PCM編碼（包括量化、非均勻量化編碼）、調(diào)制、通道編碼以及通過傳輸后在接收端進行的信道譯碼、解調(diào)、譯碼。PCM，中文名稱為脈碼調(diào)制,60年代它就開始應(yīng)用在市內(nèi)電話網(wǎng)來擴充信道的容量，它的應(yīng)用使已有音頻電纜的大部分芯線的信道傳輸容量擴大了二十四至四十八倍。它由A.里弗斯在1937年時提出的，它為數(shù)字通信奠定了堅實的基礎(chǔ)，到70年代的中、末期，世界各個國家相繼把脈碼調(diào)制成功地應(yīng)用于衛(wèi)星通信、同軸電纜通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統(tǒng)。到80年代初，脈碼調(diào)制已用于大容量干線傳輸和市話中繼傳輸以及數(shù)字程控交換機，并在用戶話機中采用此種技術(shù)。PCM通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點有：傳輸性能比較穩(wěn)定、遠距離信號再生中繼時噪聲不會出現(xiàn)累積、抗干擾性能力強，而且還可以使用保密編碼、糾錯編碼和壓縮編碼等來提高系統(tǒng)的可靠性、保密性、有效性等。2.1PCM的時分復用相對于模擬通信來說，要實現(xiàn)數(shù)字通信必須要有同步技術(shù)或稱為定時，它包括時鐘同步(也稱位同步)和幀同步，這是數(shù)字通信系統(tǒng)的一個重要特征。PCM的時分復用包括幀同步和位同步兩個模塊實現(xiàn)。位同步是為了達到收、發(fā)端頻率同頻、同相，在設(shè)計傳輸碼型時，一般要考慮傳輸?shù)拇a型中應(yīng)含有發(fā)送端的時鐘頻率成分。這樣，接收端從接收到的經(jīng)過復用的碼元信號中提取出發(fā)端時鐘頻率來進而得到同頻、同相的收端時鐘，就可以做到位同步；位同步是最基本的同步，是實現(xiàn)幀同步的前提，位同步的基本含義是收、發(fā)兩端的時鐘頻率必須同頻、同相，這樣接收端才能正確接收和判決發(fā)送端送來的每一個碼元。幀同步是為了保證收、發(fā)對應(yīng)的話路在時間上保持一致，這樣接收端就能正確接收發(fā)送端送來的每一個話路信號，當然這必須是在位同步的前提下實現(xiàn)。為了建立收、發(fā)系統(tǒng)的幀同步，需要在每一幀(或幾幀)中的固定位置插入具有特定碼型的幀同步碼。這樣，只要收端能正確識別出這些幀同步碼，就能正確辨別出每一幀的首尾，從而能正確區(qū)分出發(fā)端送來的各路信號。時分復用是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的。這樣，當抽樣脈沖占據(jù)較短時間時，在抽樣脈沖之間就留出了時間空隙，利用這種空隙便可以傳輸其他信號的抽樣值。因此，這就有可能沿一條通道同時傳送若干個基帶信號。時分復用技術(shù)，它可以在同一個通道上傳輸多路信號。定義是將不同的信號相互交織在不同的時間段內(nèi)，沿著同一個信號傳輸；在接收端再運用相對應(yīng)的某種方法，將各個時間段內(nèi)的信號提取出來還原成原始信號的通信技術(shù)。這種技術(shù)的抽樣定理使連續(xù)(模擬)的基帶信號有可能被在時間上離散出現(xiàn)的抽樣脈沖值所代替。時分復用是無論幀或時隙都是互不重疊的情況下，把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙，然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個發(fā)信端在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向收信設(shè)備發(fā)送信號，如果能夠達到位同步和幀同步。收信端可以分別在各時隙中接收到各發(fā)信端發(fā)送的信號而不會受到其他信息的干擾。同時，發(fā)信端發(fā)向多個收信端的信號都按一定的順序安排。在彼此約定好的時間間隙來傳輸信息，各收信端只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分出來.。2.2PCM的E1標準E1標準就是利用時分復用技術(shù)將許多路的PCM信號裝成時分復用幀后，再送往信道上一幀接一幀地傳輸。E1標準在南美、中國、歐洲國家使用。E1標準規(guī)定每125μs為一個時間片，每個時間片分為32個通道或時隙），每個時隙的容量為8bit。通道0只用于同步，通道16僅僅用于信道信令，其他30個通道用于傳輸30路PCM語音數(shù)據(jù)。E1的數(shù)據(jù)率表示為：(32×8bit)/125μs=2.048Mb/s如果對E1進一步復用，還可構(gòu)成E2到E5等高層次群。E5可承載7680個話路，數(shù)據(jù)傳輸速率可達到約為565Mb/s。此速率是相當快的了。2.3PCM的特點PCM可以面向向用戶提供多種多樣的業(yè)務(wù)，不僅可以提供從2M到155M速率的數(shù)字數(shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)，還可以提供遠程教學、圖像傳送、話音等其他業(yè)務(wù)。它尤其適用于對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，需要更高帶寬的用戶使用。

PCM線路的特點有：1，PCM線路可以提供很高的帶寬，滿足用戶的大數(shù)據(jù)量的傳輸。2，通過SDH設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，線路協(xié)議十分簡單,3，支持從2M開始的各種速率,最高可達155M的速率。4，界面非常豐富便于用戶連接內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)。5，可以承載更多的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。6，線路使用費用相對便宜，能夠提供較大的帶寬。2.4PCM的仿真實現(xiàn)軟件Systemview是一種通信領(lǐng)域的可視化軟件工具，由美國ELANIX公司推出。Systemview是基于windows環(huán)境下運行的用于系統(tǒng)仿真分析的軟件，它使用的是功能模塊來描述程序。用戶通過利用Systemview，可以構(gòu)造各種復雜的系統(tǒng)，比如：模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)等，因此，Systemview非常適合于應(yīng)用各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。2.4.1SystemView的特點SystemView的庫資源相當?shù)呢S富，這些庫里的器件都特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和方案論證，尤其適合于無繩電話、衛(wèi)星通訊、尋呼機、無線電話、調(diào)制解調(diào)器等通信系統(tǒng)；它不僅包括各種圖示的基本庫及專業(yè)庫，基本庫中包括多種多樣的信號源、加法器、接收器、各種函數(shù)運算器、乘法器、積分器、微分器等；專業(yè)庫有通訊、邏輯、射頻/模擬、數(shù)字信號處理等；并可進行各種系統(tǒng)頻域和時域的具體分析、譜分析，及對各種邏輯電路、射頻/模擬電路（包括RLC電路、混合器、放大器、運放電路等）進行理論分析和失真分析。SystemView還能自動執(zhí)行系統(tǒng)的連接檢查，詳細具體的給出連接錯誤的信息或尚懸空的待連接端的信息，及時通知用戶連接出錯并通過顯示指出相對應(yīng)的出錯的圖示。這個特點對用戶進行系統(tǒng)的診斷是十分有效的。SystemView的另一重要特點是它可以從不同方式、以各種不同角度，按所需的要求設(shè)計多種多樣的濾波器，并可自動完成濾波器各指標比如根軌跡圖、幅頻特性（伯特圖）、傳遞函數(shù)等之間轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)設(shè)計和仿真分析方面，SystemView還提供了一個相對真實而靈活的波形窗口了提供給用戶來檢查和分析系統(tǒng)的各個過程的具體的時域或頻域的波形。在觀察窗口內(nèi)，可以通過鼠標方便地控制內(nèi)部數(shù)據(jù)的圖形滾動、縮小、放大等處理。另外，觀察窗口中還帶有一個功能強大的“接收計算器”，它可以很好的完成對仿真運行結(jié)果的各種譜分析、運算、濾波。2.4.2SystemView的應(yīng)用領(lǐng)域SystemView是一個用于現(xiàn)代工程與科學系統(tǒng)設(shè)計及仿真的動態(tài)系統(tǒng)分析平臺。從濾波器設(shè)計、信號處理、完整通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，直到一般的系統(tǒng)數(shù)學模型建立等各個領(lǐng)域，SystemView在友好而且功能齊全的窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個精密的嵌入式分析工具。SystemView具有與外部檔的界面，可直接獲得并處理輸入/輸出數(shù)據(jù)。提供了與編程語言VC++或仿真工具Matlab的界面，可以很方便的調(diào)用其函數(shù)。還具備與硬件設(shè)計的界面：與Xilinx公司的軟件CoreGenerator配套，可以將SystemView系統(tǒng)中的部分器件生成下載FPGA芯片所需的數(shù)據(jù)檔；另外，SystemView還有與DSP芯片設(shè)計的界面，可以將其DSP庫中的部分器件生成DSP芯片編程的C語言源代碼。2.4.3SystemView進行通信仿真的優(yōu)點1，用戶不需要為通信系統(tǒng)的各個模塊進行詳細的建模。SystemView把一些最常需要用到的功能模塊進行了完整的封裝，比如：一些基本的通道模型、編譯碼模型、常用的濾波器以及基本的調(diào)制和解調(diào)模型等。用戶在運用SystemView進行設(shè)計通信系統(tǒng)時，只需要根據(jù)自己的需要對參數(shù)進行某項設(shè)定就行。2，SystemView采用的基于組織構(gòu)圖的設(shè)計方式，用戶只需利用圖符和子系統(tǒng)對象的沒有限制的封層結(jié)構(gòu)功能就可以很方便的快捷的建立復雜的通信系統(tǒng)。3，可以對具有多種數(shù)據(jù)采樣率輸入的系統(tǒng)進行合并在一起。這樣能夠滿足通信系統(tǒng)中高頻和低頻部分的設(shè)計。4，擴展性能強。SystemView允許工程設(shè)計人員插入自己用其他語言編寫的用戶代碼模塊。比提供與其他軟件工具的界面。5，包含強有力的DSP和FPGA模塊。可對復雜系統(tǒng)進行建模。3PCM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計3.1PCM通信系統(tǒng)設(shè)計原理本設(shè)計采用的設(shè)計思路是：兩路信號分別經(jīng)過各自進行PCM編碼（抽樣、量化、編碼），由于PCM編碼輸出是并行信號，所以必須經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換變成串行信號然后通過復用，經(jīng)過調(diào)制，進入加有高斯噪聲的通道，通過解調(diào)、分路，由于分路出的信號是串行的，D/A輸入是并行數(shù)據(jù)，所以必須通過串并變換電路，然后譯碼、D/A之后經(jīng)過低通濾波器后，輸出原始各自的信號。設(shè)計原理圖如下圖3.1-1所示：模擬信源1抽樣調(diào)制復用量化并/串轉(zhuǎn)換編碼模擬信源1抽樣調(diào)制復用量化并/串轉(zhuǎn)換編碼模擬信源2抽樣并/串轉(zhuǎn)換量化編碼模擬信源2抽樣并/串轉(zhuǎn)換量化編碼噪聲信道噪聲信道模擬輸出1低通分路解碼D/A串/并轉(zhuǎn)換模擬輸出1低通分路解碼D/A串/并轉(zhuǎn)換解調(diào)解調(diào)模擬輸出2低通D/A解碼串/并轉(zhuǎn)換模擬輸出2低通D/A解碼串/并轉(zhuǎn)換3.1-1PCM通信系統(tǒng)的原理模型3.2PCM通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計PCM通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計是運用SystemView軟件，根據(jù)PCM通信系統(tǒng)的原理模型，以及相關(guān)知識進行設(shè)計的。具體設(shè)計圖如下圖3.2—13.2—1基于Systemview的PCM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計兩路信號分別經(jīng)過各自的低通濾波器然后進入編碼子系統(tǒng)進行PCM編碼和數(shù)字復接，形成三合一波形后經(jīng)過加有高斯噪聲的信道后，分別經(jīng)過幀同步子系統(tǒng)和位同步子系統(tǒng)，進行時分復用的時隙分配。經(jīng)過單穩(wěn)多諧振蕩器和串并變換器等一系列的處理，最后分出兩路時隙供兩路信號傳輸，完成數(shù)字分接。然后經(jīng)過串并變換和鎖存器進入各自的譯碼模塊，經(jīng)過數(shù)模變換、解擴和低通濾波器完成信號的恢復。3.3仿真設(shè)計圖符介紹表一仿真設(shè)計圖符圖符名稱參數(shù)功能正弦波 1．幅度2.頻率3.相位 產(chǎn)生一個正弦波。脈沖串 1.幅度2.頻率3.脈沖寬度4.偏置5.相位產(chǎn)生具有設(shè)定幅度和頻率的周期性脈沖，脈寬由設(shè)置決定。有方波選項。高斯噪聲1.標準差火功率譜密度2.均值產(chǎn)生具有高斯分布的隨機信號用戶自定義信號1.輸出端口數(shù)2.輸出端口表達式P（n）=自定義函數(shù)表達式，其中n為輸出路數(shù)階躍函數(shù)1.幅度2.起始時間3.幅度偏置產(chǎn)生一個階躍信號。注意:當偏置輸入等于幅度的負數(shù)時將產(chǎn)生單脈沖或沖擊信號。增益 1.單位選擇2.增益 對輸入信號進行放大邏輯非 1.門限2.true值3.false值 對輸入信號做邏輯非運算延遲1.延遲類型2.延遲時間 選擇內(nèi)插與非內(nèi)插延遲類型邏輯異或1.門限2.true值3.false值 對輸入信號做邏輯異或運算邏輯與 1.門限2.true值3.false值對輸入信號做邏輯與運算邏輯非1.門限2.true值3.false值 對輸入信號做邏輯非運算全波整流1.零點z y（t）=︱x（t）-z︱提取1.門限當控制信號大于門限時，從輸入信號中提取樣本。分析無基本信號接收器壓縮器1.壓縮類型2.最大輸入值用于限制輸入模擬信號的動態(tài)范圍。擴展器1.壓縮類型2.最大輸入值用于還原由壓縮器壓縮過的模擬信號的動態(tài)范圍。分頻器1.除數(shù)2.門限3.真假值輸出電平對輸入的正弦波或方波進行N倍分頻，N為整數(shù)，輸出分頻后的方波加法器1．寄存器的大小N2.分數(shù)的大小F3.指數(shù)大小4.輸出類型將輸入的一個或多個值求和，并給出適當?shù)臉酥九c1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值兩個或兩個以上的邏輯信號與操作。與非1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值。兩個或兩個以上的邏輯信號與非操作D觸發(fā)器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值帶置位、清零輸入上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器。74748位鎖存器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值8位鎖存器，無三態(tài)輸出。74573RS鎖存器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值標準的RS鎖存器通用8位移位寄存器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值帶時鐘、清零輸入，串入并出8位移位寄存器4位計數(shù)器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4位同步可預置計數(shù)器。帶進位。741618位數(shù)據(jù)擇器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器74151模數(shù)轉(zhuǎn)換器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4.模擬最大最小值。5.量化位數(shù)自定義位數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。編碼控制端在上升沿時采樣輸出。模擬比較器1.輸出延時2.輸出真假值差分模擬比較器。帯同相反相輸出。單穩(wěn)多諧振蕩器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4.保持時間帶清零的上沿或下沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振器。帯同相反相輸出。74123數(shù)模轉(zhuǎn)換器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4.模擬最大最小值。5.量化位數(shù)自定義位數(shù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器3.4仿真設(shè)計圖符參數(shù)設(shè)置表二仿真設(shè)計圖符參數(shù)設(shè)置符號名稱參數(shù)設(shè)置143sinusoidAmp=1VFrequency=3e+3Phase=0deg144GaussiannoiseStdDeviation=1vMean=0291292DelayDelay=154e-6229227ButterworthLowpassIIROperator:LinearSysButterworthLowpassIIR3PolesFc=3e+3HzQuantBits=NoneInitCndtn=TransientDSPModeDisabled237GaussNoiseStdDev=1e-3vMean=0v244編碼子系統(tǒng)Auto-Linked236AdderNonParametricInputsfrom237270inm244Outputsto80inm28690129215inm287287位同步子系統(tǒng)Auto-Linked98CustomSource:No.ofAssignedOutputs=2Algebrap(0)=0p(1)=1107CustomSource:No.ofAssignedOutputs=2Algebrap(0)=0p(1)=197FF-D-1Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secSet*=t98Output1Data=t91Output0Clock=t103Output0Clear*=t98Output1Output0=Qt99t106106Shft-8inLogic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secInputA=t97Output0InputB=t107Output1Clock=t103Output0MR*=t107Output1Output0=Q-0Output1=Q-1127OneShotGateDelay=0Threshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vPulseWidth=15e-6secRiseTime=0secFallTime=0secInputA*=t128OutputInputB=t106Output7Clear*=t128Output1Output0=Qt131Output1=Q*120Latch-8TLogic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secDataD-0=t90Output7DataD-1=t90Output6DataD-2=t90Output5DataD-3=t90Output4DataD-4=t90Output3DataD-5=t90Output2DataD-6=t90Output1DataD-7=t90Output0L-Enable=t106Output7Output0=Q-0t222Output1=Q-1t222Output2=Q-2t222Output3=Q-3t222Output4=Q-4t222Output5=Q-5t222Output6=Q-6t222Output7=Q-7t2224信號源模塊以及編碼模塊的設(shè)計4.1信號源模塊的設(shè)計PCM的信號源模塊主要由信號源發(fā)生器、低通濾波器、延時器組成實現(xiàn)模型見圖：4.1-14.1-1信號源模塊本設(shè)計采用的是兩路信號的時分復用系統(tǒng)。信號源為兩路信號，一路是頻率為3000HZ的正弦信號。另一路為高斯信號。信號經(jīng)過低通濾波器后，通過延時得到編碼模塊的輸入信號。PCM的信號源模塊組件功能實現(xiàn):1,信號發(fā)生器：產(chǎn)生穩(wěn)定的信號輸入。2,，低通濾波器：為實現(xiàn)信號的語音特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過渡，采用低通濾波器，而沒有設(shè)計帶通濾波器。采用巴特沃茲低通濾波器，因其具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性，且隨頻率的增加單調(diào)減少。3，延時器：信號源發(fā)生器在剛開始產(chǎn)生波形時，有一個過渡的過程。加入其使穩(wěn)定的波形輸入PCM編碼模塊。4.2編碼模塊的設(shè)計4.2.1PCM編碼原理脈沖編碼調(diào)制(pulsecodemodulation，PCM)是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)。它是在概念上最簡單、在理論上最完善的編碼系統(tǒng)。與此同時也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM的編碼原理理解起來也很直觀和簡單，下圖為PCM系統(tǒng)的原理框圖：信道編碼量化抽樣m（t）信道編碼量化抽樣低通濾波解碼m（t）低通濾波解碼4.2.1-1PCM編碼原理圖中，輸入的模擬信號m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號(PCM信號)，經(jīng)信道傳輸?shù)浇邮斩?，由譯碼器恢復出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號m(t)。通常，將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器或者是A/D轉(zhuǎn)換器；而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器或者是D/A轉(zhuǎn)換器。模/數(shù)變換器或者是A/D轉(zhuǎn)換器完成由模擬信號到數(shù)字信號的變換，數(shù)/模變換器或者是D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字信號到模擬信號的變換。PCM在通信系統(tǒng)中主要用來完成將語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的功能，它的實現(xiàn)主要包括以下三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。它們分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進制表示。根據(jù)CCITT的建議，為了改善小信號的量化性能，我國采用壓擴和非均勻量化，CCITT有兩種建議方式，分別為A律和μ律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用13折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼。抽樣，就是對模擬信號進行周期性的連續(xù)的掃描，把在時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。但是該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當包含原信號中所有的信息，也就是說要實現(xiàn)無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理來確定的。量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，也就是說用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表達。僅僅從數(shù)學上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。均勻量化：用這種方法量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機會并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。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，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，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；其次，非均勻量化時，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，即改善了小信號時的量化信噪比。實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。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壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，本設(shè)計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和解碼與差錯控制編碼和解碼是完全不同的，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、折疊級聯(lián)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。在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，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)來分別代表8個段落的起點電平。其他四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成27＝128個量化級。4.3編碼模塊的仿真設(shè)計PCM的編碼器模塊組建功能實現(xiàn)：瞬時壓縮器：使用我國先采用的A律壓縮，注意在譯碼時也應(yīng)采用A律解壓。提高小信號的信噪比。A/D轉(zhuǎn)換器：完成經(jīng)過瞬時壓縮后信號時間及幅度的離散。數(shù)據(jù)選擇器：完成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計如圖4.3—14.3-1編碼模塊的設(shè)計兩路信號進入PCM的編碼器模塊，由于PCM量化采用非均勻量化，還要使用瞬時壓縮器實現(xiàn)A率壓縮后再進行均勻量化，A/D轉(zhuǎn)換器完成采樣及量化，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是并行數(shù)據(jù)，必須通過數(shù)據(jù)選擇器完成并串轉(zhuǎn)換換成串行數(shù)據(jù)。用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生1KHZ的方波信號，經(jīng)過4、8、16分頻后輸入數(shù)據(jù)選擇器248的地址輸入端，運用巴克碼11110010作為數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端。產(chǎn)生幀同步信號。相同的道理，運用數(shù)據(jù)選擇器257、258分別產(chǎn)生第一路和第二路PCM信號。然后用第一路和第二路PCM信號加上幀同步信號作為數(shù)據(jù)選擇器263的數(shù)據(jù)輸入端產(chǎn)生三合一波形。壓縮器輸出波形如下圖：4.3-1壓縮信號14.3-2壓縮信號2編碼輸出信號如下圖：4.3-3第一路PCM信號4.3-4第二路PCM信號4.4-5合路信號4.4編碼圖符介紹表三編碼圖符圖符名稱參數(shù)功能壓縮器1.壓縮類型2.最大輸入值用于限制輸入模擬信號的動態(tài)范圍。分頻器1.除數(shù)2.門限3.真假值輸出電平對輸入的正弦波或方波進行N倍分頻，N為整數(shù)，輸出分頻后的方波8位數(shù)據(jù)擇器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器74151分析無基本信號接收器模數(shù)轉(zhuǎn)換器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4.模擬最大最小值。5.量化位數(shù)自定義位數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。編碼控制端在上升沿時采樣輸出。D觸發(fā)器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值帶置位、清零輸入。上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器。7474與1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值兩個或兩個以上的邏輯信號與操作。4.5編碼圖符參數(shù)設(shè)置表四編碼圖符參數(shù)符號名稱參數(shù)設(shè)置252CustomSource:No.ofAssignedOutputs=2Algebrap(0)=0p(1)=1204205FF-D-1Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secSet*=t98Output1Data=t91Output0Clock=t103Output0Clear*=t98Output1Output0=Qt99t106254InvertLogic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0sec248Mux-D-8Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secS-0=t254Output0S-1=t255Output0S-2=t256Output0I-0=t251Output0I-1=t251Output1I-2=t251Output2I-3=t251Output3I-4=t251Output4I-5=t251Output5I-6=t251Output6I-7=t251Output7Enable*=t252Output0Output0=Zt269t263Output1=Z*278CompanderComm:A-LawMaxInput=±1276ADCLogic:Two'sComplementGateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vNo.Bits=8MinInput=-1.28vMaxInput=1.27vRiseTime=0secAnalog=t278Output0Clock=t256Output0Output0=Q-0t257Output1=Q-1t257Output2=Q-2t257Output3=Q-3t257Output4=Q-4t257Output5=Q-5t257Output6=Q-6t257Output7=Q-7t257Output8=Q-8Output9=Q-9Output10=Q-10Output11=Q-11Output12=Q-12Output13=Q-13Output14=Q-14Output15=Q-155時分復用模塊與譯碼模塊5.1時分復用原理時分復用技術(shù)可以在同一個通道上傳輸多路信號。它的定義是在發(fā)送端將不同的信號相互交織在不同的時間段內(nèi)，沿著同一個信號傳輸；而在接收端再用某種方法，將各個時間段內(nèi)的信號提取出來還原成原始信號的通信技術(shù)。抽樣定理使連續(xù)(模擬)的基帶信號有可能被在時間上離散出現(xiàn)的抽樣脈沖值所代替。時分復用是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的。這樣，當抽樣脈沖占據(jù)較短時間時，在抽樣脈沖之間就留出了時間空隙，利用這種空隙便可以傳輸其他信號的抽樣值。因此，這就有可能沿一條通道同時傳送若干個基帶信號。時分復用設(shè)備主要有復接器和分接器組成，其中復接器完成時分復用功能，分接器完成解時分復用功能。時分復用就是將抽樣周期分為若干時隙，各路信號的抽樣值編碼按一定的順序占用某一時隙，用一個通道傳輸多路數(shù)字信號，即一個物理通道分為多個邏輯通道。在現(xiàn)代交換機之間往往采用數(shù)字中繼傳輸方式，將多路信號復接為一個基群，如我國采用的E制：基群傳輸速率為2048Kb/s。原理如下圖：同步定時同步定時定時定時復原分接復接碼速調(diào)整數(shù)字數(shù)字復原分接復接碼速調(diào)整語音合路語音信號信號支路支路復接器分接器5.1-1時分復用系統(tǒng)原理5.2位同步模塊位同步，或稱碼元同步。它是指在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號的發(fā)送設(shè)備按照確定的時間順序，逐個傳輸數(shù)字脈沖序列中的每個碼元。由于在接收端必須有準確的抽樣判決時刻才能正確判決所發(fā)送的碼元，因此，接收端必須提供一個確定抽樣判決時刻的定時脈沖序列。這個定時脈沖序列的重復頻率必須與發(fā)送的數(shù)碼脈沖序列一致，同時在最佳相位時刻（或稱為最佳判決時刻）對接收碼元進行抽樣判決。此時在接收端產(chǎn)生這樣的定時脈沖序列。位同步仿真實現(xiàn)如下圖:5.2-1位同步模塊仿真實現(xiàn)本設(shè)計采用數(shù)字鎖相環(huán)法提取位同步信號。接收碼元的相位通過從基帶信號的過零點提?。ㄋ泶a元的起始時刻），而對數(shù)字信號進行微分就可以獲得過零點的信息，由于數(shù)字信號的過零方向有正有負（即有“0”變到“1”和“1”變到“0”），因此微分再整流，就可以獲得接收碼元所有的過零點的信息，得到接收碼元的相位后，在將它加到相位比較器去進行比較。將接收碼元的寬度分為兩個區(qū)，前半碼元稱為滯后區(qū)，即若位同步脈沖波形落入此區(qū)，表示位同步脈沖的相位滯后于接收碼元的相位，后半碼元稱為超前區(qū)當位同步脈沖位于超前區(qū)時，接收碼元經(jīng)微分整流，并經(jīng)單穩(wěn)多諧振蕩器85電路后產(chǎn)生的波形和分頻器的輸出波形使與門93有輸出，該輸出經(jīng)過單穩(wěn)多諧振蕩器204產(chǎn)生一超前脈沖。若位同步脈沖落入滯后區(qū)，分頻器輸出波形與與門206經(jīng)過單穩(wěn)多諧振蕩器產(chǎn)生一滯后脈沖。這樣，無論位同步脈沖超前或滯后，都會分別送出超前或滯后脈沖加于分頻器的脈沖進行扣除或附加，因而達到相位調(diào)整的目的。PCM的位同步模塊器件功能實現(xiàn)：鑒相器（微分器和整流器）：通過微分和整流獲得接收碼元所有的過零點信息，得到接收碼元的相位。單位多諧振蕩器：根據(jù)信息產(chǎn)生方波。位同步子系統(tǒng)輸出信號如下圖：5.2-1位同步子系統(tǒng)輸出信號5.3幀同步模塊幀同步模塊的功能實現(xiàn)：4位計數(shù)器：進行幀同步檢測信號時，進行相應(yīng)的移位檢測。8位鎖存器：進行數(shù)據(jù)的鎖存，延時。模擬比較器：進行相位的比較，檢測幀同步信號是否同步。單穩(wěn)多諧振蕩器：根據(jù)輸入信息產(chǎn)生相應(yīng)的信號波形。反相器：進行信號的反相、放大、延時。與門：進行兩輸入信號的與運算。仿真實現(xiàn)如下圖:5.3-1幀同步模塊的仿真實現(xiàn)幀同步子系統(tǒng)輸出信號如下5.3-2幀同步子系統(tǒng)輸出信號時分復用模塊輸出的各路時隙信號如下圖：5.3-3第一路信號時隙5.3-4第二路信號時隙5.4PCM的譯碼器模塊PCM的譯碼器模塊的功能實現(xiàn)：鎖存器：經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)字語音信號，每8bit為一個數(shù)據(jù)幀，必須經(jīng)過鎖存才可以將數(shù)據(jù)并行送至D/A轉(zhuǎn)換器。鎖存器的使能端的時序控制應(yīng)該與采樣時鐘一致，由于系統(tǒng)存在時延，在使能端通過設(shè)置初始相位解決后，送至D/A轉(zhuǎn)換器中。瞬時擴張器：實現(xiàn)與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用A律壓縮，擴張也必須采用A律瞬時擴張器。低通濾波器：由于采用脈沖不可能是理想沖擊函數(shù)會引起孔徑失真，量化時也會帶來量化噪聲，及信號再生時引入的定時抖動失真，需要對再生信號進行幅度及相位的補償，同時濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。具體實現(xiàn)見下圖:5.4-1譯碼設(shè)計模塊信號經(jīng)過分接分成兩路信號，經(jīng)過各自的鎖存器，然后通過D/A轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過瞬時擴展器，（此處必須采用與編碼模塊相對應(yīng)的解擴方式），經(jīng)過低通濾波器（此處的低通濾波器為減少信號失真采用與編碼模塊的一樣的濾波器）輸出信號。擴展信號輸出如下圖:5.4-2擴展信號15.4-3擴展信號25.5時分復用模塊及譯碼模塊的圖符介紹表五時分復用模塊及譯碼模塊的圖符介紹圖符名稱參數(shù)功能增益1.單位選擇2.增益對輸入信號進行放大邏輯非1.門限2.true值3.false值對輸入信號做邏輯非運算延遲1.延遲類型2.延遲時間選擇內(nèi)插與非內(nèi)插延遲類型邏輯異或1.門限2.true值3.false值對輸入信號做邏輯異或運算邏輯與1.門限2.true值3.false值對輸入信號做邏輯與運算全波整流1.零點zy（t）=︱x（t）-z︱提取1.門限當控制信號大于門限時，從輸入信號中提取樣本。4位計數(shù)器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4位同步可預置計數(shù)器。帶進位。74161模擬比較器1.輸出延時2.輸出真假值差分模擬比較器。帯同相反相輸出。單穩(wěn)多諧振蕩器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4.保持時間帶清零的上沿或下沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振器。帯同相反相輸出。74123異或1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值兩個或兩個以上的邏輯信號異或操作。RS鎖存器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值標準的RS鎖存器通用加法器1．寄存器的大小N2.分數(shù)的大小F3.指數(shù)大小4.輸出類型T將輸入的一個或多個值求和，并給出適當?shù)臉酥緮?shù)模轉(zhuǎn)換器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值4.模擬最大最小值。5.量化位數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換8位鎖存器1.輸出延時2.輸出真假值3.閾值8位鎖存器，無三態(tài)輸出。74573階躍函數(shù)1.幅度2.起始時間3.幅度偏置產(chǎn)生一個階躍信號。注意:當偏置輸入等于幅度的負數(shù)時將產(chǎn)生單脈沖或沖擊信號?；蚍?.輸出延時2.輸出真假值3.閾值兩個或兩個以上的邏輯信號或非操作?；?.輸出延時2.輸出真假值3.閾值兩個或兩個以上的邏輯信號或操作5.6時分復用模塊及譯碼模塊的圖符參數(shù)設(shè)置表六時分復用模塊及譯碼模塊的圖符參數(shù)符號名稱參數(shù)設(shè)置83DerivativeTokenParameters:Operator:Gain=100e-984RectifyTokenParameters:Function:ZeroPoint=0v93ANDTokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0sec204OneShotTokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vPulseWidth=100e-9secRiseTime=0secFallTime=0secInputA*=t213Output0InputB=t93Output0Clear*=t213Output1208InvertTokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0sec87PulseTrainTokenParameters:Source:Amp=1vFreq=5e+6HzPulseW=50e-9secOffset=0vPhase=0deg211ORTokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0sec68Cntr-4TokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secP-Enable*=t70Output1CEP=t70Output1CET=t70Output1Clock=t81Output0MR*=t73Output0InputP-0=NoneInputP-1=NoneInputP-2=NoneInputP-3=NoneOutput0=Q-0Output1=Q-1Output2=Q-2Output3=Q-3t72t74Output4=T-Count44Shft-8inTokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secInputA=t80Output0InputB=t45Output0Clock=t81Output0MR*=t45Output0Output0=Q-0t4750AnaCmpTokenParameters:Logic:GateDelay=0secTrueOutput=1vFalseOutput=0vInput+=t46Output0Input-=t52Output0Output0=Qt53t60Output1=Q*46NonParametricTokenParameters:Adder:Inputsfrom4444474849Outputsto5074NANDTokeLogic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0sec67NANDTokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0sec56LatchSRLogic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0secSet*=t57Output0Reset*=t58Output0=Qt61Output1=Q*t52t5959ORTokenParameters:Logic:GateDelay=0secThreshold=500e-3vTrueOutput=1vFalseOutput=0vRiseTime=0secFallTime=0sec6仿真波形的分析與設(shè)計過程遇到的問題6.1仿真波形的分析SystemView提供分析窗口。可以通過利用分析窗口，詳細查看各個過程或各個處理器的輸出波形。通過各分析窗口得到的信號波形如下:輸入信號1為3000HZ的正弦信號如下圖：6-1輸入信號1輸入信號2為高斯信號如下圖：6-2輸入信號2還原信號1如下圖：6-3還原信號1還原信號2如下圖：6-4還原信號2從時域波形來看，輸入的兩路信號波形和還原的兩路信號波形，基本上保持了信號波形的一致，僅僅存在個別的失真，能實現(xiàn)PCM通信系統(tǒng)的正常通信。雖然有少許的波形失真和延時。這是因為各器件存在非線性特征以及在通道中加入了高斯噪聲。以及各器件不能完全的不失真的輸出信號。SystemView還提供各種不同的信號觀察方式，此處運用SystemView的頻譜分析窗口來從頻域上分析輸入和還原信號的誤差大小,輸入信號1的頻譜如下：6-5輸入信號1的頻譜還原信號1的頻譜如下：6-6還原信號1的頻譜信號2的頻譜6-7信號2的頻譜還原信號2的頻譜如下：6-8還原信號2的頻譜從頻域來分析，輸入信號和還原信號的頻譜幾乎一樣。只是在低頻附近有些頻率丟失，這一部分是由于輸入信號都經(jīng)過了低通濾波器的過濾。再加上PCM通信系統(tǒng)的其他器件的非線性傳輸導致的。這是通信中不可避免的。但都能完成PCM通信系統(tǒng)的正常通信。6.2設(shè)計過程遇到的問題1、運用SystemView仿真，需要分析滿足不同條件下的抽樣情況、驗證奈奎斯特抽樣定理;不同量化電平情況下的信噪比的計算，對PCM調(diào)制系統(tǒng)中的非均勻量化的壓擴技術(shù)和編碼進行仿真與計算。2、必須根據(jù)實際情況合理的設(shè)計采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，采樣頻率fs一定要大于等于2fH條件。由于在通道傳輸過程中，各種因素影響，會引起譯碼波形有一定的延時現(xiàn)象。3、在信號源和解碼模塊設(shè)計濾波器時,要看系統(tǒng)信號源輸出信號的頻率處在哪個頻率范圍,再根據(jù)系統(tǒng)各項技術(shù)和要求以及其他參考參數(shù)要求,決定是要設(shè)計哪種類型的濾波器。而不是憑空去設(shè)計。4、在實現(xiàn)PCM編碼模塊輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出的時候，調(diào)試帶使能端的8位數(shù)據(jù)選擇器時，需要給控制端選擇提供一個合適的時序。不然，將會使數(shù)據(jù)輸出沒有一點規(guī)律。也就是會隨機從八路數(shù)據(jù)中選擇一路作為輸出。本設(shè)計是通過由一路脈沖發(fā)生器經(jīng)過不同的分頻，作用于控制端，去控制數(shù)據(jù)端的每一路