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通信原理PCM
1设计原理
1.1PCM系统基本原理
PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。
PCM调制的实现主要包括三个步骤完成：
抽样、量化、编码。
分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。
为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种方式，分别为A律和μ律方式，此处采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码,采用非均匀量化。
PCM通信系统示意图
图1.1时分复用PCM通信系统框图
1.2抽样、量化、编码
下面介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理：
（1）抽样
所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。
它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。
（2）量化
从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。
模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
由于均匀量化存在的主要缺点是：
无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。
因此，当信号
较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。
通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。
为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。
对于信号取值小的区间，其量化间隔
也小；反之，量化间隔就大。
它与均匀量化相比，有两个突出的优点。
首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。
因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。
非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。
通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。
广泛采用的两种对数压缩律是
压缩律和A压缩律。
美国采用
压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。
所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：
A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。
实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。
这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。
图1.2示出了这种压扩特性。
图1.213折线特性
（3）编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。
当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。
在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：
低速编码和高速编码。
通信中一般都采用第二类。
编码器的种类大体上可以归结为三类：
逐次比较型、折叠级联型、混合型。
在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。
下面结合13折线的量化来加以说明。
段落序号
段落码
量化级
段内码
8
111
15
1111
14
1110
7
110
13
1101
12
1100
6
101
11
1011
10
1010
5
100
9
1001
8
1000
4
011
7
0111
6
0110
3
010
5
0101
4
0100
2
001
3
0011
2
0010
1
000
1
0001
0
0000
表1.3编码表
在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。
若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。
具体的做法是：
用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。
其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
这样处理的结果，8个段落被划分成27＝128个量化级。
段落码和8个段落之间的关系如表所示；段内码与16个量化级之间的关系如表所示。
2PCM系统设计
2.1总电路设计图
图2.1总电路图
2.2单元电路设计
（1）编译码单元电路
脉冲编码调制（PCM）技术在数字通信系统中应用广泛，本设计中信道视为理想信道，故采用PCM。
脉冲编码调制通常包括从模拟信号抽样，量化，变换为二进制符号等过程。
在量化之前，通常用保持电路对抽样值做短暂保存，以便电路有时间对其进行量化。
当然，为了电路的简化和便于实验室调试，本设计采用目前数字通信系统专用大规模集成电路中应用广泛的一种集成芯片——PCM编解码器。
并采用Intel公司生产的2911A和2912芯片连接成编解码电路。
2911A和2912芯片连接成编码器时的电路如图2.2所示。
2911A和2912连接成解码器时的电路如图2.3所示。
图2.22911A和2912芯片连接成编码器时的PCM编码电路
图2.32911A和2912连接成解码器时的PCM解码电路
晶振、分频器1、分频器2及抽样信号（时隙同步信号）产生器构成一个定时器，为两个PCM编译码器提供2.048MHz的时钟信号和8KHz的时隙同步信号。
在实际通信系统中，译码器的时钟信号（即位同步信号）及时隙同步信号（即帧同步信号）应从接收到的数据流中提取，此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步信号直接送给译码器。
由于时钟频率为2.048MHz，抽样信号频率为8KHz，故PCM-A及PCM-B的码速率都是2.048MB，一帧中有32个时隙，其中1个时隙为PCM编码数据，另外31个时隙都是空时隙。
PCM信号码速率也是2.048MB，一帧中的32个时隙中有29个是空时隙，第0时隙为帧同步码（×1110010）时隙，第2时隙为信号A的时隙，第1（或第5、或第7———由开关K8控制）时隙为信号B的时隙。
由于两个PCM编译码器用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接（即不需要进行码速调整）。
又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对PCM-A和PCM-B进行线或。
本模块中用或门74LS32对PCM-A、PCM-B及帧同步信号进行复接。
在译码之前，不需要对PCM进行分接处理，译码器的时隙同步信号实际上起到了对信号分路的作用。
（2）帧同步电路
在数字通信时，一般总是以一定数目的码元组成一个个的“字”或“句”，即组成一个个的“群”进行传输的。
因此，群同步信号的频率很容易由位同步信号经分频而得出。
但是，每个群的开头和末尾时刻却无法由分频器的输出决定。
群同步的任务就是在位同步信息的基础上，识别出数字信息群（“字”或“句”）的起止时刻，或者说给出每个群的“开头”和“末尾”时刻。
群同步有时也称为帧同步。
为了实现群同步，可以在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记，这些特殊的码字应该在信息码元序列中不会出现，或者是偶然可能出现，但不会重复出现，此时只要将这个特殊码字连发几次，收端就能识别出来，接收端根据这些特殊码字的位置就可以实现群同步。
帧同步码产生电路由一个74LS151八选一数据选择器和一个与门组成。
图2.4帧同步电路
（3）抽样信号产生电路
抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。
语音信号带宽被限制在0.3—3.4KHZ内，用8kHZ的抽样频率，就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。
抽样信号产生电路由两个74LS123双可重触发单稳态触发器、一个74LS164八位移位寄存器组成，如图2.5所示：
图2.5抽样信号产生电路
（4）定时器单元电路
晶振、分频器1、分频器2、分频器3以及抽样信号产生器共同构成了一个定时器，如图2.6所示，为两个PCM编译码器提供2.048MHZ的时钟信号和8KHZ的时隙同步信号。
图2.6定时器电路
（5）复接与分接
数字复接实质上就是对多路数字信号进行时分复用，让不同的支路信号占用不同的时隙时间，在接收端再根据时间上的不同将信号分开，这一步骤叫分接，它是复接的逆过程。
本模块复接我是采用的74LS32芯片来实现的。
3系统仿真
3.1SystemView仿真软件
SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块（Token）去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。
SystemView仿真软件可以实现多层次的通信系统仿真。
脉冲编码调制（PCM）是现代语音通信中数字化的重要编码方式。
利用SystemView实现脉冲编码调制（PCM）仿真，可以为硬件电路实现提供理论依据。
通过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。
利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。
用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。
SystemView具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一个可视的仿真过程，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，尤其在信号分析、通信系统等领域。
其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，并提供了内容丰富的基本库和专业库。
本利用SystemView实现脉冲编码调制（PCM）。
系统的实现通过模块分层实现，模块主要由PCM编码模块、PCM译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。
通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。
3.2系统调试与仿真
（1）PCM编码器模块
主要由信源输入端子、低通滤波器、瞬时压缩器、A/D转换器、并/串转换器、输出端子组成。
实际模型见图3.1所示：
图3.1编码器模块模型
PCM编码器组件功能实现：
低通滤波器：
为实现信号在300Hz－3400Hz的语音频带内，在这里采用了一个阶数为3阶的切比雪夫滤波器。
瞬时压缩器：
使用了我国现采用A律压缩，注意在译码时扩张器也应采用A律解压。
A/D转换器：
完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散，通常认为语音的频带在300Hz－3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍以上，在这里A/D的采样频率为8KHz可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。
数据选择器（图符6）：
为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换。
图符6为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换，在选择控制端中控制轮流输出并行数据为串行数据，时钟信号分别提升为128kHz、64kHz、32kHz，通过数据选择器还可以实现码速转换功能。
图符101为乘法器，它在位同步信号控制下输出PCM编码信号，输出的PCM编码信号送给复接器进行复接。
PCM编码器输入、输出信号如图3.2和3.3所示。
图3.2编码器输入信号
图3.3编码器输出信号
（2）PCM译码器模块
PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。
PCM译码器模块主要由PCM数据输入端子、串/并转换器、锁存器、D/A转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。
实现模型见图3.4所示：
图3.4PCM译码器实现模型
PCM译码器模块功能实现：
串/并转换器：
8位移位寄存器实现的串并转换器，SystemView的逻辑库可以提供与74164功能一致的组件，其具有两路与输入，需要输入外部时钟及清零设置，数据输入A为通过子系统输入端子接受的PCM信号，为不影响与操作，另一路输入B为高电平，时钟与位时钟相同，为2048KHZ时钟。
锁存器：
经过串并转换后的串行数字语音信号，每8bit为一个数据帧，必须经过锁存才可以将数据并行送至D/A转换器。
在实际电路中往往使用74373实现锁存功能，SystemView的逻辑库可以提供与74373功能基本一致的8位锁存器，差别是无三态输出方式。
锁存器的使能端的时序控制应该与采样时钟一致，由于系统存在时延，在使能端通过设置初始相位解决后，送至D/A转换器中。
D/A转换器（图符14）:
把数字信号转换为模拟信号。
瞬时扩张器：
实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用A律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。
低通滤波器（图符12）：
由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。
PCM译码器输入、输出信号如图3.5和3.6所示。
图3.5译码器输入信号
图3.6译码器输出信号
（3）帧同步模块
帧同步码模块如下图所示。
通过使用数据选择器图符实现，首先预置数据选择器的输入，为产生10011011的码组，输入端到
到
的状态分别为11011001，然后通过图符64、65、66控制轮流选择输出。
图3.7中图符64、65、66是频率分别为128kHZ、64kHZ、32kHZ，占空比均为的方波。
图3.7帧同步码模块
说明：
预置数据选择器的输入，产生10011011的码组，信号稍有延迟，但不对整个系统影响不大。
（4）时分复用系统
用软件仿真两路语音时分复用通信系统，为保证接受端与发送端同步，需要在复合帧中插入帧同步码，帧同步码可由自己确定，这里使用了00011011的PCM帧同步固定码组，两路语音PCM编码分别用PCMA和PCMB表示，为实现方便，还插入一路空数据填充为四路码组复用，则复用后的信号帧的结构为（帧同步码）+（PCMA）+（PCMB）+（00000000）。
时分复用系统实现见图3.8。
其中图符0、图符80为PCM编码模块；图符34、图符57为PCM译码模块；图符101为帧同步码组生成模块；图符78、图符79为两路高斯信号,图符67、图符68为延迟算子；分接采用同步方式实现，通过使用不同支路复合时的不同时隙选通信号与复合信号进行‘与’操作分接出欲译码的单路PCM编码时隙信号，再通过PCM译码模块进行单路语音复原。
该系统由编码模块，帧同步模块，经过复接后再经过PCM译码模块得到两路信号的输出信号。
实现模块如图3.8所示：
图3.8时分复用系统
PCM时分复用系统两路输入输出信号：
图3.9A路信号编码器输入
图3.10A路信号译码器输出
图3.11B路信号编码器输入
图3.12B路信号译码器输出
分析说明：
由以上数据波形可以看出在PCM编码的过程中，译码输出的波形具有一定的延迟现象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。
4心得体会
本次课程设计在刚开始的过程中无从下手，手忙脚乱，时间又紧，最终决定用软件仿真来实现PCM的通信过程。
通过这次设计，掌握了PCM编码的工作原理及PCM系统的工作过程，学会了使用仿真软件SystemView（通信系统的动态仿真软件），并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了动手能力和学业技能。
总体来说，这次实习我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
经过这段课程设计的日子，从开始的课题分析到编程再到SystemView仿真结果，都给我留下了很深的印象。
可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
通过理论与实际的结合，可以更好的掌握该门学科知识，为后一阶段的进一步学习打下好的基础，同时，通过本次强化训练看出自己运用仿真软件的不熟练，可以及时的调整自己，认真学好怎样使用仿真软件以及掌握该门学科。
参考文献
[1]樊昌信，《通信原理》，北京：
国防工业出版社，2007
[2]曹志刚，《现代通信原理》，北京：
清华大学出版社，2006
[3]苗长云，《现代通信原理及应用》，北京：
电子工业出版社，2005
[4]程岱松，《数字通信系统的SystemView仿真与分析》，北京：
北京航空航天大学出版社，2006
[5]罗卫兵，《SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计》，西安：
西安电子科技大学出版社，2001
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