PCM通信系统的仿真与实现.docx
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PCM通信系统的仿真与实现
课程设计报告
课程名称：
专业综合课程设计
学生姓名：
学号：
专业班级：
通信1001
指导教师：
毛小燕
完成时间：
2013年6月14日
评阅意见：
评阅教师日期
报告成绩：
摘要
本课题是PCM通信系统的仿真与实现，根据原理框图设计出了电路图，实现了对PCM编译码电路的设计，采用SystemView软件对其进行仿真，得到了所需要的仿真结果，并达到了预期的仿真效果，得出了相关波形。
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。
本次课程设计将通过仿真展示PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。
关键词:
PCM；通信系统；SystemView
Abstract
ThistopicisPCMcommunicationsystemsimulationandimplementation,accordingtotheprinciplediagramtodesignthecircuitdiagram,implementationofPCMencodingdecodingcircuitdesign,useSystemViewsoftwarecarriesonthesimulation,theneedofthesimulationresults,andachievedthedesiredeffectofthesimulation,therelevantwaveformisobtained.
SystemViewsimulationsoftwarecanrealizethemulti-levelcommunicationsystemsimulation.Pulsecodemodulation（PCM）isamodernimportantencodingdigitalvoicecommunication.UseSystemViewrealizesimulationofpulsecodemodulation（PCM）canprovidetheoreticalbasisforthehardwarecircuitimplementation.ThiscoursedesignwillshowthroughthesimulationdesignideasandspecificprocessofPCMencodingimplementation,andanalysis.
Keywords:
PCM；communicationsystem；SystemView
目录
第一章绪论1
1.1课程设计任务与目的1
1.1.1任务：
1
1.1.2目的：
1
1.1.3课程设计要求1
1.2设计方案1
第二章理论基础2
2.1PCM系统结构2
2.2PCM调制原理3
2.2.1抽样3
2.2.2量化3
2.2.3编码5
第三章硬件设计7
3.1晶振-分频器17
3.2分频器28
3.3帧同步信号产生器8
3.4PCM编译码器9
第四章软件设计10
4.1SystemView的简介10
4.2仿真电路模块11
4.2.1信号源子系统11
4.2.2编码器模块11
4.2.3译码器模块13
4.3仿真结果14
结论16
参考文献17
致谢18
附录PCM编码器的电路图19
第一章绪论
1.1课程设计任务与目的
1.1.1任务：
PCM是现代语言通信中数字化的重要编码方式。
利用SystemView实现PCM仿真，并对结果进行分析。
1.1.2目的：
（1）巩固加深对通信的基本知识分析及PCM语音通信系统的理解提高综合运用通信知识的能力；
（2）培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研电子技术相关的问题的能力；
（3）通过实际制作安装电子线路，学习单元电路以及整机电路的调试与分析方法；
（4）掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标；
（5）了解电气图国家标准以及电气制图国家标准，并利用电子CAD正确绘制电路图；
（6）培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念；
（7）培养工程实际能力、创新能力和综合设计能力。
1.1.3课程设计要求
（1）画出通信系统的原理框图，说明系统中主要组成系统的功能。
（2）根据选用的软件编好用于系统仿真的测试文件。
（3）进行硬件实验。
（4）独立完成课程设计报告，严禁报告内容雷同。
（5）电路图中的图形符号必须符合国家或国际标准。
（6）所有电路图的制作应采用电子CAD正确绘制。
1.2设计方案
第一种方案采用的是MATLAB的Simulink对PCM通信系统进行仿真
Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。
Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。
应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。
Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。
Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。
用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
用于实现通信仿真的通信工具包（Communicationtoolbox,也叫Commlib,通信工具箱）是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。
另外，Matlab的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。
因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用。
第二种方案是使用SystemView对PCM通信系统进行仿真
随着计算机技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用已越来越广泛，信号级系统仿真软件SystemView的出现标志着仿真技术在通信领域的应用达到了一个新的水平。
SystemView可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。
只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入／输出基于真实系统模型的仿真数据。
不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaSystem）。
SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。
信号源和接收端图标允许在SystemView内部生成和分析信号，并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。
本次课程设计采用的是第二种设计方案利用SystemView对PCM通信系统的仿真
第二章理论基础
2.1PCM系统结构
PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化的功能，是把模拟信号数字化传输的基本方法之一。
PCM的实现主要包括三个步骤：
抽样、量化和编码。
这三个步骤分别完成时间上离散、幅度上离散以及量化信号的二进制表示，把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号，然后在信道中进行传输。
接收机将收到的数字信号经再生、译码、平滑后恢复出原始的模拟信号。
2.2PCM调制原理
2.2.1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。
2.2.2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。
如图1.2.2-1所示，量化器Q输出L个量化值
，k=1，2，3，…，L。
常称为重建电平或量化电化器输入信号幅度
落在
与
平。
当量化器输入信号幅度
落在
与
之间时，量化器输出电平为
。
这个量化过程可以表达为：
（2.1）
量化值
这里
称为分层电平或判决阈值。
通常
称为量化间隔。
图2.2模拟信号的量化
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。
实际中，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：
（2.2）
（2.3）
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。
表1列出了13折线时的
值与计算
值的比较。
表1中第二行的
值是根据
时计算得到的，第三行的
值是13折线分段时的值。
可见，13折线各段落的分界点与
曲线十分逼近，同时
按2的幂次分割有利于数字化。
表1
0
1
0
1
按折线
分段时的
0
1
段落
1
2
3
4
5
6
7
8
斜率
16
16
8
4
2
1
2.2.3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。
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2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。
表2段落码表3段内码
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
PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：
MC14550、CD22357等。
单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细节，仿真时将PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。
本实验系统选择MC145503芯片作为PCM编译码器，它把编译码器（Codec）和滤波器（Filter）集成在一个芯片上，功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，到底使用它的什么功能可由用户通过一些控制来选择。
MC145503可以组成模拟用户线与程控交换设备间的接口，包含有话音A律编解码器。
自调零逻辑。
话音输入放大器、RC滤波器、开关电容低通滤波器、话音推挽功放等功能单元。
MC145003具有完整的话音到PCM和PCM到话音的A律压扩编解码功能。
它的编码和解码工作既可同时进行，也可异步进行。
第三章硬件设计
由PCM编译码原理框图可知，输入端经过一个晶振和一个分频器1得出的信号在经过一个分频器2，然后进行信号抽样后输出，此后，帧同步信号进入帧同步产生器然后进入复接器，正弦信号源ＡＢ分别进入两个PCM编码器ＡＢ进行编译得到源基带信号。
PCM编译码原理框图如图3.1所示：
SL7
S3
S2
S1
S1S2S3S42048KHzCLK
SLBSLA（sL2）SLASLB
STA-SSTA
SRBSRAPCM-B
PCM
图3.1PCM编译码原理框图
３.1晶振-分频器1
在实现PCM编码器中使用晶振是为系统提供基本的时钟信号，让其通过一个分频器，对较高频率的时钟信号进行分频操作，从而得到较低的频率信号。
如图3.2所示:
图3.2晶振-分频器电路图
3.2分频器2
将分频器1所得的信号再一次进分频处理，然后进行信号抽样得到抽样信号.如图3.3所示：
图3.3分频器2电路图
3.3帧同步信号产生器
产生帧同步信号进入复接器进行复接产生新的信号，如图3.4所示：
图3.4帧同步信号产生器电路图
3.4PCM编译码器
将经过复接器复接过来的信号和正弦信号源进行编码处理后得到脉冲信号输出。
本实验系统选择MC14550芯片作为PCM编译码器，它把编译码器（Codec）和滤波器（Filter）集成在一个芯片上，功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态。
如图3.5所示：
图3.5PCM编码器电路图
第四章软件设计
4.1SystemView的简介
SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。
SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。
使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。
用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。
在SystemView环境下，可以构造各种复杂的模拟，数字，数模混合系统和各种速率的系统，可用于线性或非线性控制系统的设计和仿真。
SystemView包括基本库和专业库。
基本库包括信号源，接收器，加法器，乘法器，函数库和算子库等。
专业库包括通信，逻辑，数字信号处理库，射频/模拟，支持高级语言的用户代码库，自动程序生成库，数字视频广播，自适应滤波器库等。
SV的各种专业库特别适合于现代通信系统的设计，仿真和方案论证。
随着通信技术的不断发展，通信系统越来越复杂，设计和仿真难度也随之加大，利用SystemView可以十分方便地完成相应的通信系统设计和仿真。
4.2仿真电路模块
整个电路由信号源子系统、编码器模块和译码器模块构成。
其总体电路如下图4.2.1所示：
图4.2.1仿真总体电路
4.2.1信号源子系统
信号源子系统由三个幅度相同、频率不同的正弦信号（图符7、8、9）构成，用来产生信号，其结构如下图4.2.2所示：
图4.2.2信号源子系统
4.2.2编码器模块
PCM编码器模块主要由低通滤波器（图符15）、瞬时压缩器（图符16）、A/D转换器（图符8）、并/串转换器（图符10）、输出端子构成（图符9），实现模型如下图4.2.3所示:
图4.2.23PCM编码器模块
信源信号经过PCM编码器低通滤波器（图符15）完成信号频带过滤，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现A律压缩后再进行均匀量化，A/D转换器（图符8）完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器（图符10）完成并/串转换成串行数据，最后通过图符9输出PCM编码信号。
组件功能：
（1）低通滤波器：
为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。
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，其具有在通带内等波纹、阻带内单调的特性。
（2）瞬时压缩器：
瞬时压缩器（图符16）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。
对比压缩前后时域信号（见图6,图7），明显看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的量化满足语音传输的需要。
（3）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8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。
（4）数据选择器：
图符10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11、12、13为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据。
通过数据选择器还可以实现码速转换功能。
4.2.3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ADC出来的PCM数据输出端、D/A转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。
实现模型如下图4.2-3所示：
图4.2.4PCM译码器模块
组件功能：
（1）D/A转换器（图符1）：
用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。
（2）瞬时扩张器（图符8）：
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。
（3）低通滤波器（图符3）：
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。
4.3仿真结果
用SystemView软件进行仿真得到下列波形：
1信号源的波形：
2信号源经压缩后的波形:
3PCM编码的波形：
4PCM译码时经过D/A转化并用A律扩张后的输出波形：
5译码后恢复源信号的输出波形：
由以上等波形可以看出：
在PCM编码的过程中，译码输出的波形具有一定的延迟现象，但其波形基本上不失真地在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。
结论
首先，必须根据实际情况合理的设计采样频率和抽样脉冲的参数，以防波形的失真，由于在刚开始的时候,没有合理设置采样频率的参数,出现了在译码时恢复波形的失真,最后根据采样频率fs大于等于2fH条件,通过不断调试,最终可以合理地恢复源信号波形。
但由于在信道传输过程中由于各种原因而引起译码波形有一定的延时现象。
在调试带使能端的8路数据选择器在实现PCM编码输出的并行数据转换为串行数据输出时，起初由于没有合理应用选择控制端，而导致数据输出毫无规律，即八路数据当中随机地从哪一路输出，最后通过设置频率不同的三路脉冲方波作用于选择控制端，去控制每一路的数据输出，然后经过调试完成了PCM编码的正确输出。
在设计滤波器时,首先要看系统信号源输出信号频率到底是处于在哪个频率范围,再根据其他参考参数和系统各项技术要求,决定是要设计哪种类型的滤波器,是低通型还是带通型滤波器。
在为期不长的通信原理课程设计过程中，从选课题查资料，到学软件做仿真，再到检测与调试，我都收获了很多。
不光理论知识得到了强化，实践动手能力也被大大增强了，此外我对课程设计的流程也更熟稔了。
在知识方面，我不仅回顾了这个学期所学的通信原理基础理论知识，在相关的知识方面也得到了拓展与深化。
由于任务还要求对仿真软件进行自学，我们便全身心地投入到软件的探索之中，并终于由开始的一窍不通到现在的初窥门径。
在SystemView之前，我们已经学习过了Protel，Proteus与Matlab，以及数电理论实验所用的EWB等软件，它们在一定的程度上都有相似之处。
通过这段时间的接触，发觉SystemView软件还是比较好用的。
此次课程设计，让我对通信原理等科目有了更深入细致的了解。
同时我也深深发觉到，仅懂得理论、纸上谈兵是远远不够的，我们还需要进行更多的实物制作，或是软件仿真，因为当理论运用到实际中时，往往会出现很多的问题与偏差。
所以这次的实践是非常合时并且有意义的。
参考文献
[1]樊昌信、曹丽娜编著.《通信原理（第六版）》.国防工业出版社，2007
[2]张肃文、陆兆熊编.《高频电子线路（第三版）》.高等教育出版社，1996
[3]《苗长云主编.现代通信原理及应用》.电子工业出版社，2005
[4]罗卫兵、孙桦、张捷著.《SystemView态系统分析及通信系统仿真设计》.西安电子科
技大学出版社，2001
致谢
在本次课程设计选题及进行过程中老师都给予了我悉心指导，虽然在本课程设计中遇到过很多问题，但是老师非常细心的帮我解决问题，开拓视角，在我遇到困难的时候给予，在老师的帮助下和自己经过反复修改下，我的论
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