课程设计PCM编译码器设计.docx

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课程设计PCM编译码器设计

本科生学年论文（设计）

PCM编译码器设计

学院电气信息工程学院

专业电子信息工程

2012年5月20日

目录

目录2

摘要3

一课程设计的要求4

二．课程设计应用的理论基础知识4

1.系统介绍4

2.PCM编码中抽样、量化及编码的原理4

2.1抽样4

2.2量化5

2.3编码6

三．课程设计的分析7

四课程报告硬件设计7

1各元件说明8

2参数设置9

3示波器输出波形12

五．应用的举例阐明12

六．课程设计总结13

七．参考文献14

摘要

MATLAB是美国MathWorks公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件，Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的科技发展的主流中，随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。

基于信号的用于通信系统的动态仿真软件simulink具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，形成多层系统便于完成复杂系统的设计。

在这个课程设计中，我们利用simulink来对PCM便译码器进行设计。

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。

通过仿真设计电路对PCM便译码器设计过程，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。

课程设计的要求

以MATLAB的Simulink为软件平台，充分利用其提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，充分发挥了SIMULINK功能强大，建模简单，参数易于调整的特点，对脉冲编码调制PCM系统进行了模型构建。

（1）用simulink对系统建模设计一个PCM便译码器。

（2）输入模拟话音信号观察其输出波形。

（3）再输入数字信号观察其译码波形。

（4）对系统设计进行仿真演示以及结果分析。

（5）对应用举例阐明。

．课程设计应用的理论基础知识

1.系统介绍

数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制PCM是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，PCM即脉冲编码调制，定义是对信号进行抽样和量化时，将所得的量化值序列进行编码，变换为数字信号的调制过程。

在通信系统中完成将语音信号数字化功能。

PCM是实现语音信号数字化的一种方法。

是语音信号的数字化，语音信号是连续变化的模拟信号，实现PCM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，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码。

2.PCM编码中抽样、量化及编码的原理

2.1抽样

把连续信号变为时间轴上离散的信号的过程称为抽样，抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。

低通连续信号抽样定理内容：

一个频带限制在赫内的时间连续信号,若以的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。

语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。

2.2量化

量化是把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程。

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所示，量化器Q输出L个量化值y（k），k=1，2，3，…，L。

y（k）常称为重建电平或量化电平。

当量化器输入信号幅度x落在x（k）与x（k+）1之间时，量化器输出电平为y（k）。

这个量化过程可以表达为：

。

这里xk称为分层电平或判决阈值。

通常

称为量化间隔。

如下图：

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m（t）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。

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；非均匀量化的实现方法有两种：

一种是北美和日本采用的μ律压扩，一种是欧洲和我国采用的A律压扩。

在PCM-30/32通信设备中，采用A律13折线的分段方法，如图1-2Y轴均匀分为8段，每段均匀分为16份，每份表示一个量化级，则Y轴一共有16×8＝128个量化级。

X轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。

由于分成128个量化级，故有7位二进制码（27＝128），又因为Y轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有8位二进制码。

图1-2

这样，他基本保持了连续特性曲线的优点，又便于用数字电路实现。

本设计中所用的PCM编码正是采用这种压扩特性实现的。

2.3编码

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。

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。

在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。

通信中采用高速编码方式。

在PCM-30/32通信设备中通常采用逐次反馈型的编码器。

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。

逐次比较型编码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。

．课程设计的分析

在对PCM编译码器设计的过程中首先了解PCM的工作原理以下为原理框图

在本次课程设计中，涉及到对模拟话音信号设计，当输入模拟话音信号时观察其输出波形，输入数字信号时，观察其译码波形。

在整个过程中设计图如下图

综上，把以上的理论及图形应用到Simulink中，大体找到相应的模块嵌入模板中进行整理，在输入过程中分别输入语音信号和数字信号，同时设置不同的参数，在输出端即可观察其相应的波形。

课程报告硬件设计

以MATLAB为工具平台，根据PCM系统的组成原理，在Simulink中找到相应的模块选择合适的模块，设置适当的参数，建立通信系统的仿真模型入下图

1各元件说明

信源：

“信源”是信息的发布者，即上载者。

而在计算机网络中，对信源的资格并无特殊限制，任何一个上网者都可以成为信源。

在通信系统中假定我们仅用来传送语音信号,因语音信号的频带范围为300Hz23400Hz,为了更好的体现人的语音的频率的变化以及观察所采用的系统对语音频带范围内的信号恢复程度,我们采用了Chrip函数。

Chrip函数是其频率时间线性增长的函数,并用专用词汇Chrip表示。

模拟低通滤波器：

低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

按照采样定理的要求选择采样频率,即Ωs≥2Ωc,但考虑到信号的频谱不是锐止的,最高截止频率以上还有较小的高频分量,为此可选Ωs=（324）Ωc。

因此在采样前加入一低通滤波器。

矩形脉冲序列：

由于产生和传输单位冲激函数难以实现,因此实际中通常采用矩形脉冲抽样,根据CCITT标准,留一定的防卫带则采样频率fs=8000Hz,T=1/8000=125μs用占空比为50%的矩形脉冲序列。

相乘器：

通过相乘器使语音信号与矩形脉冲相乘从而获得时域离散信号,此即信号的抽样过程。

A率压缩：

由于实现困难,因此工程上通常用十三折曲线来近似地表示A律曲线。

均匀量化和编码：

根据语音信号的统计结果:

在信号动态范围≥40dB的情况下信噪比不应低于26dB。

因此用8位量化器,量化间隔为125μs。

编码器：

编码器是将量化后信号编成适合信道传输的信号。

解码器：

将从信道接受到信息进行解码

A率解压：

对解码后的信号量化值进行扩展,得到重建信号。

零阶保持：

零阶保持完成将重建信号转换为连续信号。

示波器：

显示被测量的瞬时值轨迹变化情况的仪器。

2参数设置

3示波器输出波形

．应用的举例阐明

1）可以做音频电话。

电话音频拨号和脉冲拨号,音频拨号是每个键有一固定的音频频率,你按下一个键,在电话线上发出的是这个键的音频频率信号.脉冲拨号是发出的脉冲数信号.现在的电话一般是采用音频拨号。

2）光电脉冲编码器在数控机床上用作位置检测装置，将检测信号反馈给数控系统。

其反馈给数控系统有两种方式：

一是适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲；二是适应有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲。

．课程设计总结

本次课程设计在刚开始的过程中不太懂，查阅里一些书籍，有了初步的了解，最终决定用软件仿真来实现PCM的编码过程。

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matlab，并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，加强了动手能力和学业技能。

总体来说，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，在同学的帮着下很多问题迎刃而解。

在让我体会到了设计电路的艰辛的同时更让我感觉到只有自己动脑去思考才会有更好的认知。

此次设计培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。

理论联系实际，我对PCM便译码器有了更深的理解。

．参考文献

[1]现代通信原理与技术,张浑，曹丽娜编著.西安电子科技大学出版社，2011年

[2]MATLAB电子仿真与应用教程（第三版），王华等编著，国防工业出版社，2010年