PCM编码解码器1.docx

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PCM编码解码器1

PCM编码、解码实验

一、实验目的

1．熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉PCM编码与解码原理，构建PCM编码与解码电路图.

2.对模拟信号进行采样、量化、编码（PCM）,将编码后的信号输入信道再进行PCM解码，还原出原信号.建立仿真模型,分析仿真波形.

二、实验原理

  所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。

下面将用一个PCM系统的原理框图简要介绍。

图1PCM原理方框图

在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。

这个抽样值仍是模拟量。

在它量化之前，通常由保持电路（holdingcircuit）将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。

在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。

图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后在编码器中进行二进制编码。

这样，每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。

图中的译码器的原理和编码过程相反。

其中，量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器）；译码与低通滤波的组合称为数/模变换器（D/A变换器）。

抽样是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号，抽样速率的下限由抽样定理确定。

量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。

编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。

实际上量化是在编码过程中同时完成的。

图1是PCM单路抽样、量化、编码波形图。

μ律与A律压缩特性

μ律：

（美、日）

A律：

（我国、欧洲）

式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、μ为压缩系数。

数字压扩技术：

一种通过大量的数字电路形成若干段折线，并用这些折线来近似A律或μ律压扩特性，从而达到压扩目的方法。

即对数压扩特性的折线近似法。

折线压扩特性：

既不同于均匀量化的直线，又不同于对数压扩特性的光滑曲线。

总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的，但它既有非均匀量化（不同折线有不同斜率），又有均匀量化（在同一折线的小范围内）。

两种常用数字压扩技术：

（1）A律13折线压扩——13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性；

（2）μ律15折线压扩——15折线近似逼近μ=255的μ律压扩特性。

采用折线压扩的特点：

基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路的实现。

实际中A律常采用13折线近似

图2A律13折线

其具体分法如下:

先将X轴的区间[0，1]一分为二，其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段;

区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段;

区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段;

区间[0,1/8]一分为二，中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段;

区间[0,1/16]一分为二，中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段;

区间[0,1/32]一分为二，中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段;

区间[0,1/64]一分为二，中点为1/128,区间[1/128,1/64]作为第二段;　　

区间[0,1/128]作为第一段。

然后将Y轴的[0,1]区间均匀地分成八段，从第一段到第八段

分别为[0,1/8],（1/8,2/8],（2/8,3/8],（3/8,4/8],（4/8,5/8],（5/8,6/8],

（6/8,7/8],（7/8,1]。

分别与X轴对应。

编码的码字和码型:

二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，并易于再生，因此PCM中一般采用二进制码。

对于Q个量化电平，可以用k位二进制码来表示，称其中每一种组合为一个码字。

在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量要求。

而对于干线远程的全网通信，一般要经过多次转接，要有较高的质量要求，目前国际上多采用8位编码PCM设备。

码型指的是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。

在PCM中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码（又称格雷码）。

码位的安排:

目前国际上普遍采用8位非线性编码。

例如PCM30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4096个量化单位（最小的量化间隔称为一个量化单位），在4096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。

用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如下：

极性码

段落码

段内码

M1

M2M3M4

M5M6M7M8

其中，第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。

从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码M1不同外，其余几位码是完全一样的。

因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。

这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。

这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位码（M2，…,M8）就能表示出来。

三、实验内容：

1、熟悉simulink的工作环境；

1）建立正弦仿真电路图（见图3）

2）观察并记录正弦信号源、示波器的仿真波形

2、构建PCM编码器电路模型、分析仿真波形；

1）构建PCM编码器电路模型（见图5）

2）设置测试参数

3）观察、记录、分析仿真波形

3、构建PCM解码器电路模型、分析仿真波形；

1）构建PCM解码器电路模型（见图6）

2）设置测试参数

3）观察、记录、分析仿真波形

4、无干扰信号的PCM编码与解码电路模型构建、分析仿真波形。

1）构建PCM解码器电路模型（见图7）

2）设置测试参数

3）观察、记录、分析仿真波形

四、实验步骤：

1、simulink的工作环境熟悉

建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图3

系统中所需的模块：

正弦波模块，示波器模块。

图3正弦仿真电路图

正弦波参数如下：

图4正弦波参数设置

记录系统内的示波器显示的波形。

2、构建PCM编码器电路模型、分析仿真波形；

图513折线近似的PCM编码器测试模型

测试模型如图5所示。

其中以Saturation作为限幅器，将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内，以A-LawCompressor作压缩器，Relay模块的门限值设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位——极性码。

样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127，然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。

可以将上图中Constant和Display（不含）之间的模块封装一个PCM编码子系统备用。

具体的参数设置如下：

1.A-LawCompressor:

2.Abs:

3.Relay:

4.Gain:

5.Quantizer:

6.IntegertoBitConverter:

7.Display:

8.Mux:

9.Saturation

封装之后的PCM编码子系统：

图标为：

3、构建PCM解码器电路模型、分析仿真波形；

图613折线近似的PCM解码器测试模型

测试模型如图6所示，其中PCM编码子系统是3.2中编码器封装之后的。

PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和7位数据，然后将7位数据转换位整数值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。

可以将该模型中In1Out1右端和Display左端的部分封装为一个PCM解码子系统备用。

具体的参数设置如下：

1.Demux:

2.Mux1:

3.Relay1:

4.BittoIntegerConverter:

5.Gain1:

6.A-LawExpander:

7.Product:

封装之后的PCM解码子系统：

图标为：

4、无干扰信号的PCM编码与解码

图7PCM编码器和解码器（无噪声）测试模型

测试模型如图7所示，其中PCM编码与解码子系统已经封装好了。

经过编码与解码之后，然后通过低通滤波器，最后在示波器Scope上得出输出波形，示波器上还显示了原信号，以便与输出信号进行比较。

在编码器之后通过Display和Scope1显示出PCM数字信号，注意：

在通过示波器前需经过ToFrame和Buffer，其中ToFrame是用来形成帧信号，Buffer是缓冲器。

具体的参数设置如下：

1.SineWave:

2.Display:

3.ToFrame:

4.Buffer:

5.Scope1:

6.AnalogFilterDesign:

7.Scope:

8.系统总的仿真参数：

五、实验报告要求

1、画出各实验电路的测试模型图，并简要叙述其工作过程。

2、画出各实验电路的仿真波形并分析。

3、总结A律PCM编码8bit编码的方法。

4、心得体会。