PCM编译码器设计方案及应用.docx
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PCM编译码器设计方案及应用
PCM编译码器设计及应用的设计
摘要：
在科学技术高速发展的今天，通信原理技术已广泛运用于制造业、农业、交通、航空航天等众多部门，极大的提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动环境，丰富和提高了人民的生活水平。
在今天的社会生活中，自动化装置已经无所不在，为人类文明进步做出了重要的贡献。
通信原理系统的课程设计是检验我们学过知识扎实程度的好机会，也让我们的知识体系更加系统，更加完善。
在不断学习新知识的基础上得到了动手能力的训练，启发创新思维及独立解决实际问题的能力，提高设计、装配、调试能力。
关键词：
PCM；编译码器；simulink。
抽样；量化；脉冲
引言
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，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。
simulink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，在教案领域也得到认可，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。
本文主要阐述了如何利用simulink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。
1、系统介绍
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。
根据CCITT的建议，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,采用非均匀量化PCM编码示意图见图1。
图1-1PCM原理框图
2、PCM编码中抽样、量化及编码的原理
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：
这里称为分层电平或判决阈值。
通常称为量化间隔。
图1-2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：
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1-3示出了这种压扩特性。
图1-313折线
表1-1列出了13折线时的值与计算值的比较。
表1-1
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
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。
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。
表1-2段落码表1-3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
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1-3。
3、基于simulink的PCM编码和解码的仿真
图1-4SimulinkPCM编码和解码组成的框图
3.1仿真框图中各部分的简介
1.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,在雷达系统中这样的信号称为线性调频信号,并用专用词汇Chrip表示。
2.模拟低通滤波器
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。
另外可以在采样之前加一保护性的低通滤波器,滤去高于Ωs/2的一些无用的高频分量,以及其他的一些杂散信号,因此在采样前加入一低通滤波器。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.编码器
编码器是将量化后信号编成适合信道传输的信号。
8.解码器
将从信道接受到信息进行解码
9.A率解压
对解码后的信号量化值进行扩展,得到重建信号。
10.零阶保持
零阶保持完成将重建信号转换为连续信号。
11.浮点示波器
将产生的信号波形显示出来。
在本实验中将原信号波形与恢复后的信号波形同时显示在同一滤波器中,这样可以直观的比较信号的恢复程度。
3.2各部分参数设置
图1-5ChirpSignal的参数设置
图1-6PulseGenerator的参数设置
3.3示波器的显示波形
图1-7Scope的显示波形（编码后输出波形）
图1-8FloatingScope显示波形（仿真结果）
4.误差产生原因分析
由于实际取样脉冲不可能是理想的冲激函数而引入的孔径失真。
由于无穷内插公式和许多高频
分量而混入了插入噪声。
以及因解码端再生取样脉冲时而导致的定时抖动失真等。
表现在恢复的图
像成阶梯形,而不圆滑。
结束语
这次为时两周的课程设计过程中，让我感觉紧张而忙碌，不过我感觉还是收获了很多，我去图书馆查阅资料，去网上搜索相关材料，请教老师、同学，并且把教科书也好好的温习了一遍，同时通过这次课程设计我们更好地巩固和加深对了PCM脉冲编码调制原理的进一步理解。
在本次设计中，使我印象最深的是要要用simulink对系统建模和仿真，必须要有耐心，要有坚持的毅力。
在整个建模和仿真过程中，花费时间最多的是了解各个模块的功能及其工作特点。
在这次的课程设计中感受到了一定的收获，巩固了这学期所学知识，对simulink有了进一步的了解。
学会了如何查找资料，养成了独立思考和解决问题的能力。
参考文献
[1]《通信原理》,樊昌信等编著.国防工业出版社，
[2]《通信原理实验与课程设计》,达新宇.北京邮电大学出版社
[3]《通信原理》黄载禄殷蔚华编著科学出版社
[4]《通信原理简明教程》，南利平，清华大学出版社
[5]《数字通信》（第四版）［美］johnG.Proakis著
[6]《通信原理—基于MATLAB的计算机仿真》，郭文彬等北京邮电大学出版社
[7]《通系统原理》，冯玉珉，清华大学出版社
[8]《通信原理学习指导与题解》，王福昌，西安电子科技大学
[9]《现代通信基础与技术》张辉等主编西安电子科技大学出版社
[10]《通信原理学习指导》，张辉，西安电子科技大学
[11]《现代通信原理》宋祖顺电子工业出版社
[12]《Simulink通信仿真开发手册》，孙屹，国防工业出版社
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