基于systemview的PCM时分复用系统的设计与制作.docx

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基于systemview的PCM时分复用系统的设计与制作

基于systemview的PCM时分复用系统的设计与制作

前言

在通信原理的学习过程中，借助于SystemView软件，可以形象、直观、方便地进行通信系统仿真设计与仿真分析。

引入SystemView仿真实现PCM通信系统，将带来直观、形象的感受。

加深对通信系统的理解。

SystemView主要用于电路与通信系统的设计和仿真。

具有良好的交互的界面，通过打开其分析窗口和示波器模拟等方法，为用户提供了一个可视化具体的的仿真过程，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图示和专业库图示。

可以快速、有效的建立和修改系统、进行访问与参数的调整，方便地加入注释。

用户在进行通信系统的设计时，仅仅只需要从Systemview配置的图示库中调出有关图示并进行所要求的参数设置，完成图示间的各项连线，然后运行仿真操作，SystemView最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析的详细结果。

SystemView被广泛的应用在通信的设计与仿真中，通过相应的设计与仿真将展示PCM通信系统实现的设计思路及具体过程，并对仿真结果加以进行分析。

1PCM通信系统

PCM通信系统包括对信号的抽样、PCM编码（包括量化、非均匀量化编码）、调制、通道编码以及通过传输后在接收端进行的信道译码、解调、译码。

PCM，中文名称为脉码调制,60年代它就开始应用在市内电话网来扩充信道的容量，它的应用使已有音频电缆的大部分芯线的信道传输容量扩大了二十四至四十八倍。

它由A.里弗斯在1937年时提出的，它为数字通信奠定了坚实的基础，到70年代的中、末期，世界各个国家相继把脉码调制成功地应用于卫星通信、同轴电缆通信和光纤通信等中、大容量传输系统。

到80年代初，脉码调制已用于大容量干线传输和市话中继传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用此种技术。

PCM通信系统的主要优点有：

传输性能比较稳定、远距离信号再生中继时噪声不会出现累积、抗干扰性能力强，而且还可以使用保密编码、纠错编码和压缩编码等来提高系统的可靠性、保密性、有效性等。

1.1PCM的时分复用

相对于模拟通信来说，要实现数字通信必须要有同步技术或称为定时，它包括时钟同步（也称位同步）和帧同步，这是数字通信系统的一个重要特征。

PCM的时分复用包括帧同步和位同步两个模块实现。

位同步是为了达到收、发端频率同频、同相，在设计传输码型时，一般要考虑传输的码型中应含有发送端的时钟频率成分。

这样，接收端从接收到的经过复用的码元信号中提取出发端时钟频率来进而得到同频、同相的收端时钟，就可以做到位同步；位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提，位同步的基本含义是收、发两端的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。

帧同步是为了保证收、发对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。

为了建立收、发系统的帧同步，需要在每一帧（或几帧）中的固定位置插入具有特定码型的帧同步码。

这样，只要收端能正确识别出这些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而能正确区分出发端送来的各路信号。

时分复用是建立在抽样定理基础上的。

这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。

因此，这就有可能沿一条通道同时传送若干个基带信号。

时分复用技术，它可以在同一个通道上传输多路信号。

定义是将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信号传输；在接收端再运用相对应的某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术。

这种技术的抽样定理使连续（模拟）的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。

时分复用是无论帧或时隙都是互不重叠的情况下，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使各个发信端在每帧内只能按指定的时隙向收信设备发送信号，如果能够达到位同步和帧同步。

收信端可以分别在各时隙中接收到各发信端发送的信号而不会受到其他信息的干扰。

同时，发信端发向多个收信端的信号都按一定的顺序安排。

在彼此约定好的时间间隙来传输信息，各收信端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来.。

1.2PCM的E1标准

E1标准就是利用时分复用技术将许多路的PCM信号装成时分复用帧后，再送往信道上一帧接一帧地传输。

E1标准在南美、中国、欧洲国家使用。

E1标准规定每125μs为一个时间片，每个时间片分为32个通道或时隙），每个时隙的容量为8bit。

通道0只用于同步，通道16仅仅用于信道信令，其他30个通道用于传输30路PCM语音数据。

E1的数据率表示为：

（32×8bit）/125μs=2.048Mb/s如果对E1进一步复用，还可构成E2到E5等高层次群。

E5可承载7680个话路，数据传输速率可达到约为565Mb/s。

此速率是相当快的了。

1.3PCM的特点

PCM可以面向向用户提供多种多样的业务，不仅可以提供从2M到155M速率的数字数据专线业务，还可以提供远程教学、图像传送、话音等其他业务。

它尤其适用于对数据传输速率要求较高，需要更高带宽的用户使用。

PCM线路的特点有：

●PCM线路可以提供很高的带宽，满足用户的大数据量的传输。

●通过SDH设备进行网络传输，线路协议十分简单。

●支持从2M开始的各种速率,最高可达155M的速率。

●界面非常丰富便于用户连接内部的网络。

●可以承载更多的数据传输业务。

●线路使用费用相对便宜，能够提供较大的带宽

1.4PCM的仿真实现软件

Systemview是一种通信领域的可视化软件工具，由美国ELANIX公司推出。

Systemview是基于windows环境下运行的用于系统仿真分析的软件，它使用的是功能模块来描述程序。

用户通过利用Systemview，可以构造各种复杂的系统，比如：

模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统等，因此，Systemview非常适合于应用各种线性或非线性控制系统的设计与仿真。

1.4.1SystemView的特点

SystemView的库资源相当的丰富，这些库里的器件都特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无绳电话、卫星通讯、寻呼机、无线电话、调制解调器等通信系统；它不仅包括各种图示的基本库及专业库，基本库中包括多种多样的信号源、加法器、接收器、各种函数运算器、乘法器、积分器、微分器等；专业库有通讯、逻辑、射频/模拟、数字信号处理等；并可进行各种系统频域和时域的具体分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（包括RLC电路、混合器、放大器、运放电路等）进行理论分析和失真分析。

SystemView还能自动执行系统的连接检查，详细具体的给出连接错误的信息或尚悬空的待连接端的信息，及时通知用户连接出错并通过显示指出相对应的出错的图示。

这个特点对用户进行系统的诊断是十分有效的。

　　SystemView的另一重要特点是它可以从不同方式、以各种不同角度，按所需的要求设计多种多样的滤波器，并可自动完成滤波器各指标比如根轨迹图、幅频特性（伯特图）、传递函数等之间转换。

在系统设计和仿真分析方面，SystemView还提供了一个相对真实而灵活的波形窗口了提供给用户来检查和分析系统的各个过程的具体的时域或频域的波形。

在观察窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形滚动、缩小、放大等处理。

另外，观察窗口中还带有一个功能强大的“接收计算器”，它可以很好的完成对仿真运行结果的各种谱分析、运算、滤波。

1.4.2SystemView的应用领域

SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。

从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。

SystemView具有与外部档的界面，可直接获得并处理输入/输出数据。

提供了与编程语言VC++或仿真工具Matlab的界面，可以很方便的调用其函数。

还具备与硬件设计的界面：

与Xilinx公司的软件CoreGenerator配套，可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据档；另外，SystemView还有与DSP芯片设计的界面，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。

1.4.3SystemView进行通信仿真的优点

★用户不需要为通信系统的各个模块进行详细的建模。

SystemView把一些最常需要用到的功能模块进行了完整的封装，比如：

一些基本的通道模型、编译码模型、常用的滤波器以及基本的调制和解调模型等。

用户在运用SystemView进行设计通信系统时，只需要根据自己的需要对参数进行某项设定就行。

★SystemView采用的基于组织构图的设计方式，用户只需利用图符和子系统对象的没有限制的封层结构功能就可以很方便的快捷的建立复杂的通信系统。

★可以对具有多种数据采样率输入的系统进行合并在一起。

这样能够满足通信系统中高频和低频部分的设计。

★扩展性能强。

SystemView允许工程设计人员插入自己用其他语言编写的用户代码模块。

比提供与其他软件工具的界面。

★包含强有力的DSP和FPGA模块。

可对复杂系统进行建模。

2PCM通信系统仿真设计

2.1PCM通信系统设计原理

本设计采用的设计思路是：

两路信号分别经过各自进行PCM编码（抽样、量化、编码），由于PCM编码输出是并行信号，所以必须经过并串转换变成串行信号然后通过复用，经过调制，进入加有高斯噪声的通道，通过解调、分路，由于分路出的信号是串行的，D/A输入是并行数据，所以必须通过串并变换电路，然后译码、D/A之后经过低通滤波器后，输出原始各自的信号。

设计原理图如下图2-1所示。

2-1PCM通信系统的原理模型

2.2PCM通信系统的仿真设计

PCM通信系统的仿真设计是运用SystemView软件，根据PCM通信系统的原理模型，以及相关知识进行设计的。

具体设计图如下图2-2所示。

2-2基于Systemview的PCM通信系统仿真设计

两路信号分别经过各自的低通滤波器然后进入编码子系统进行PCM编码和数字复接，形成三合一波形后经过加有高斯噪声的信道后，分别经过帧同步子系统和位同步子系统，进行时分复用的时隙分配。

经过单稳多谐振荡器和串并变换器等一系列的处理，最后分出两路时隙供两路信号传输，完成数字分接。

然后经过串并变换和锁存器进入各自的译码模块，经过数模变换、解扩和低通滤波器完成信号的恢复

2.3仿真设计图符参数设置

表2-1仿真设计图符参数设置

符号

名称

参数设置

143

sinusoid

Amp=1VFrequency=3e+3Phase=0deg

144

Gaussiannoise

StdDeviation=1vMean=0

291292

Delay

Delay=154e-6

229227

ButterworthLowpassIIR

Operator:

LinearSysButterworthLowpassIIR

3PolesFc=3e+3HzQuantBits=None

InitCndtn=TransientDSPModeDisabled

237

GaussNoise

StdDev=1e-3vMean=0v

244

编码子系统

Auto-Linked

236

Adder

NonParametricInputsfrom237270inm244

Outputsto80inm28690129215inm287

287

位同步子系统

Auto-Linked

98

Custom

Source:

No.ofAssignedOutputs=2

Algebrap（0）=0p

（1）=1

107

Custom

Source:

No.ofAssignedOutputs=2

Algebrap（0）=0p

（1）=1

97

FF-D-1

Logic:

GateDelay=0sec

Threshold=500e-3vTrueOutput=1v

FalseOutput=0vRiseTime=0sec

FallTime=0secSet*=t98Output1

Data=t91Output0Clock=t103Output0

Clear*=t98Output1Output0=Qt99t106

106

Shft-8in

Logic:

GateDelay=0secThreshold=500e-3v

TrueOutput=1vFalseOutput=0v

RiseTime=0secFallTime=0sec

InputA=t97Output0InputB=t107Output1

Clock=t103Output0MR*=t107Output1

Output0=Q-0Output1=Q-1

127

OneShot

GateDelay=0Threshold=500e-3vTrueOutput=1v

FalseOutput=0vPulseWidth=15e-6sec

RiseTime=0secFallTime=0secInputA*=t128OutputInputB=t106Output7Clear*=t128Output1Output0=Qt131Output1=Q*

120

Latch-8T

Logic:

GateDelay=0secThreshold=500e-3v

TrueOutput=1vFalseOutput=0v

RiseTime=0secFallTime=0sec

DataD-0=t90Output7DataD-1=t90Output6

DataD-2=t90Output5DataD-3=t90Output4

DataD-4=t90Output3DataD-5=t90Output2

DataD-6=t90Output1DataD-7=t90Output0

L-Enable=t106Output7Output0=Q-0t222

Output1=Q-1t222Output2=Q-2t222

Output3=Q-3t222Output4=Q-4t222

Output5=Q-5t222Output6=Q-6t222

Output7=Q-7t222

3信号源模块以及编码模块的设计

3.1信号源模块的设计

PCM的信号源模块主要由信号源发生器、低通滤波器、延时器组成实现模型见图：

3-1

图3-1信号源模块

本设计采用的是两路信号的时分复用系统。

信号源为两路信号，一路是频率为3000HZ的正弦信号。

另一路为高斯信号。

信号经过低通滤波器后，通过延时得到编码模块的输入信号。

PCM的信号源模块组件功能实现:

1,信号发生器：

产生稳定的信号输入。

2,，低通滤波器：

为实现信号的语音特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用低通滤波器，而没有设计带通滤波器。

采用巴特沃兹低通滤波器，因其具有通带内最大平坦的振幅特性，且随频率的增加单调减少。

3，延时器：

信号源发生器在刚开始产生波形时，有一个过渡的过程。

加入其使稳定的波形输入PCM编码模块。

3.2编码模块的设计

PCM编码原理：

脉冲编码调制（pulsecodemodulation，PCM）是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统。

它是在概念上最简单、在理论上最完善的编码系统。

与此同时也是数据量最大的编码系统。

PCM的编码原理理解起来也很直观和简单，下图为PCM系统的原理框图如图3-2：

图3-2PCM编码原理

图中，输入的模拟信号m（t）经抽样、量化、编码后变成了数字信号（PCM信号），经信道传输到接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟基带信号m（t）。

通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器或者是A/D转换器；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器或者是D/A转换器。

模/数变换器或者是A/D转换器完成由模拟信号到数字信号的变换，数/模变换器或者是D/A转换器完成数字信号到模拟信号的变换。

PCM在通信系统中主要用来完成将语音信号转换为数字信号的功能，它的实现主要包括以下三个步骤完成：

抽样、量化、编码。

它们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。

根据CCITT的建议，为了改善小信号的量化性能，我国采用压扩和非均匀量化，CCITT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,采用非均匀量化PCM编码。

抽样，就是对模拟信号进行周期性的连续的扫描，把在时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

但是该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有的信息，也就是说要实现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来确定的。

量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，也就是说用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表达。

仅仅从数学上来看，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。

一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。

均匀量化：

用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。

为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。

但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。

为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。

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。

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。

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，这里的编码和解码与差错控制编码和解码是完全不同的，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。

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。

其他四位表示段内码，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。

3.3编码模块的仿真设计

PCM的编码器模块组建功能实现：

瞬时压缩器：

使用我国先采用的A律压缩，注意在译码时也应采用A律解压。

提高小信号的信噪比。

A/D转换器：

完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散。

数据选择器：

完成A/D转换后的数据的并串转换。

具体设计如图3—3。

图3-3编码模块的设计

两路信号进入PCM的编码器模块，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现A率压缩后再进行均匀量化，A/D转换器完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器完成并串转换换成串行数据。

用脉冲发生器产生1KHZ的方波信号，经过4、8、16分频后输入数据选择器248的地址输入端，运用巴克码11110010作为数据选择器的数据输入端。

产生帧同步信号。

相同的道理，运用数据选择器257、258分别产生第一路和第二路PCM信号。

然后用第一路和第二路PCM信号加上帧同步信号作为数据选择器263的数据输入端产生三合一波形。

压缩器输出波形如图3-4，3-5所示：

图3-4压缩信号1

图3-5压缩信号2

编码输出信号如图3-6，3-7，3-8所示：

图3-6第一路PCM信号

图3-7第二路PCM信号

图3-8合路信号

3.4编码图符参数设置

表3-1编码图符参数

符号

名称

参数设置

252

Custom

Source:

No.ofAssignedOutputs=2

Algebrap（0）=0p

（1）=1

204205

FF-D-1

Logic:

GateDelay=0sec

Threshold=500e-3vTrueOutput=1v

FalseOutput=0vRiseTime=0sec

FallTime=0secSet*=t98Output1

Data=t91Output0Clock=t103Output0

Clear*=t98Output1Output0=Qt99t106

254

Invert

Logic:

GateDelay=0sec

Threshold=500e-3vTrueOutput=1v

FalseOutput=0vRiseTime=0sec

FallTime=0sec

248

Mux-D-8

Logic:

GateDelay=0secThreshold=500e-3v

TrueOutput=1vFalseOutput=0v

RiseTime=0secFallTime=0sec

S-0=t254Output0S-1=t255Output0

S-2=t256Output0I-0=t251Output0

I-1=t251Output1I-2=t251Output2

I-3=t251Output3I-4=t251Output4

I-5=t251Outpu