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PCM通信系统设计
摘要
随着现代通信技术的发展，语音信号的数字化处理在现代通信技术中得应用越来越广泛，本文简单的介绍了使用时分复用和PCM的A律编码调制的方法传输2路话音信号的过程。
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。
最后介绍简单PCM通信系统的制作。
关键词：
PCM、A律13折线、时分复用、SystemView仿真
1PCM基本原理
1.1PCM的基本概念
PCM调制就是把一个时间连续、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后在信道中传输。
脉码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程。
抽样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。
量化是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。
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。
编码是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。
然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。
由此可见，数字程控调度机脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式。
1.2PCM原理框图
PCM在通信系统中完成将语音信号数字化功能，它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。
PCM的编码原理比较直观和简单，如图1.1所示为PCM系统的原理框图：
图1.1PCM系统的原理框图
从上图可以看出，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），经信道传输到达接收端，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（A/D变换器）；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器（D/A变换器）。
前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号的变换。
1.3PCM量化
量化是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。
一个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。
可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。
为了克服均匀量化的缺点，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；对于信号取值大的区间，其量化间隔也大。
它的优点是：
第一，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，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；第二，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。
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
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。
如图1.2所示为13折线法的特性图。
图1.213折线法的特性图
1.4PCM编码
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。
编码与译码需要用到编码器和译码器。
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。
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128个量化级。
段落码和8个段落之间的关系和段内码与16个量化级之间的关系如表1.1所示。
表1.1段落码和8个段落之间的关系和段内码与16个量化级之间的关系
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：
TP3067A、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。
2PCM通信系统的仿真设计
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
2.2模块电路设计
2.2.1信源电路
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，第一路是由两个正弦信号经过叠加形成的信号1，第二路是一个正弦信号，即信号2。
两路语音信号分别经过截止频率均为3KHz的巴特沃斯低通滤波器后，通过延时得到编码模块的输入信号。
系统模型如图2.2所示。
图2.2语音信号发生器
PCM的信号源模块组件功能实现:
信号发生器：
产生稳定的信号输入。
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。
采用巴特沃斯低通滤波器，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。
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。
2.2.2PCM编码模块
PCM编码模块主要完成对信号的压缩、量化及输出等的功能，主要由信号源（图符277）、A律压缩器（图符275）、A/D转换器（图符273）、并/串转换器（图符255）组成，系统模型如图2.3所示。
图2.3PCM编码模块
经过低通滤波器完成信号频带过滤的信源信号通过PCM编码器，由于PCM量化采用非均匀量化，所以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273）完成抽样、量化及编码，由于A/D转换器的输出是8路并行数据，必须通过8位数据选择器（图符255）完成并/串转换，将8位的并行数据转换成成串行数据流，最后通过图符（268）输出PCM编码信号。
由于在本次设计中需要同时传输两路语音信号，所以用到两个PCM编码模块，其结构是完全相同的。
2.2.3时分复用模块
时分复用模块是实现两路话音信号传输的关键，它由晶振（图符245）、分频器（图符246、248、249）、帧同步信号产生器（图符250）、8路数据选择器（图符247）和3路数据选择器（图符260）等组成，系统模型如图2.4所示。
图2.4时分复用模块
从PCM编码系统输出的两路PCM信号需要复合才能实现两路信号的同时传输，此外还要在两路PCM信号前加入帧同步信号，帧同步信号由图符250产生，同步码为1110010，这三路数字信号分别经过八位数据选择器（图符247、图符255、图符256）变成串行信号，由四分频、八分频和十六分频来控制，然后将这三路数字信号送入8位数据选择器（图符260）中，由3路数据选择器波形控制（图符261、图符262、图符263、图符264）把这三个数字信号放在一个PCM合路信号的不同时隙上以实现信号的时分复用传输。
3路数据选择器波形控制是用两个D触发器组成的，参数使用默认值。
图符251、图符257、图符258、图符265，为自定义函数信号发生器，在此的作用均为为8路数据选择器和D触发器输入的使能信号。
分频器后面有的加有一个非门，这是根据具体电路特点而加上的，使得八选一电路会按由低到高的顺序在输入端的数据输出，即时分复用信号。
2.2.4位同步信号及帧同步信号
在接收端，为了能使接收到的信号能够准确的提取和还原，需要提取接收信号的同步信号，同步信号包括位同步信号和帧同步信号，而且位同步信号是帧同步信号的前提。
位同步信号和帧同步信号的系统模型如图2.5和图2.6所示。
图2.5位同步系统
图2.6帧同步系统
2.2.5解时分复用模块
位同步信号和帧同步信号提取后还需要进行一系列延时和同步等才能作为接收端提取时分复用信号中两路PCM信号的提取信号。
在本次设计中用到的解时分复用模块如图2.7所示，其中，图符286为帧同步系统，图符287为位同步系统，图符91、99、101、103为单稳态多谐振荡器，图符97为D触发器。
图2.7解时分复用模块系统图
由位同步系统和帧同步系统提取的位同步信号和帧同步信号分别经过延时器，对同步信号做进行延时处理，延时后的帧同步信号和位同步信号经过D触发器，将其相位调整到一致的状态，即同相，以便后续对两路PCM信号的提取。
经同相处理后的帧同步信号经过单稳态多谐振荡器将帧同步的一个码元宽度扩展为八个码元宽度，再将其和位同步信号相与，得到第一路时隙信号（由图符94输出），在第一路时隙信号和经8位移位寄存器（图符106）输出的移位后的帧同步信号的作用下，从复接后的PCM信号中分接出第一路语音信号；对于第二路时隙信号的提取，首先要将帧同步信号移位16个码元周期，再经过与第一路同步信号同样的操作，才得到第二路时隙信号（由图符131输出），在第二路时隙信号和经8位移位寄存器（图符108）输出的移位后的帧同步信号的作用下，从复接后的PCM信号中分接出第二路语音信号。
至此两路PCM信号全部成功提取。
2.2.6PCM译码模块
PCM译码模块的过程与编码模块的过程正好相反，在此将不再赘述，仅给出系统图，如图2.8所示。
图2.8PCM译码系统
2.3系统总电路图
综合上述各个模块，得到两路PCM时分复用的系统图如图2.9所示。
图2.9两路PCM时分复用的系统图
2.4仿真波形图
第一路语音信号：
第一路还原信号：
第一路PCM信号：
第二路语音信号：
第二路还原信号：
第二路PCM信号：
3实物制作及调试
3.1实物制作原理
3.1.1PCM编译码电路
由于时间有限加上元件很难买到，本次我们实物制作时只做了一路PCM系统。
主要包括定时电路、编译码电路、语音前置放大及功率放大。
定时电路及编译码电路原理图如图3.1所示。
图3.1PCM编码调制电路原理图
PCM电路中的编译码器IC7（TP3067）所需的主时钟脉冲2.048MHz和帧定时信号脉冲8KHz，均由定时部分提供。
定时电路由时钟振荡器、整形、分频、计数和分配器等电路组成。
1时钟晶体振荡器
由电原理图可知，时钟晶体振荡器由4096KHZ晶体和IC1（74LS04）六非门中的IC1B、IC1A构成环形振荡器。
振荡器的输出频率为4096KHZ。
2整形电路
整形电路由IC1（74LS04）中的IC1C构成，时钟晶体振荡器输出的4096KHZ的信号，经IC1C放大、限幅后输出规则的方波信号。
3分频器
分频器由IC2（74LS74）双D触发器，IC3、IC5（74LS161）二级4位二进制计数器、IC4（74LS20四输入与非门）、和IC6（74LS138）三八译码/分配器构成。
由时钟晶体振荡器输出并经整形后的4096KHZ定时脉冲源，首先经IC2A双D触发器进行二分频，输出2048KHZ的位定时脉冲信号。
分两路输出：
1．送到PCM编/解码集成电路IC7（TP3067）的（9、10与11、12脚）作位定时钟脉冲。
2．送到IC3、（74LS161）4位二进制计数器的（2脚）。
作计数器的时钟脉冲。
2048KHZ的定时脉冲首先经IC3（74LS161）计数，相当于分频，经由内部电路处理后，分别由Q0、Q1、Q2和Q3输出128KHZ的脉冲。
分别送到IC4、IC5和IC6，最后，再经由IC1（74LS04）六非门中的IC1D、IC1E整形后输出两路频率为8KHZ的脉冲信号（本机仅用两路），即帧同步定时脉冲。
其中，一路直接加到IC7（TP3067）的14脚，作发送部分的帧同步定时脉冲；另一路则加到IC7（TP3067）的7脚作接收部分的帧同步定时脉冲。
为了简化设计，本次设计的编译码部分公用一个定时源，以确保发收时隙的同步。
在实际的PCM数字电话设备中，必须有一个同步系统来保证发收同步的。
3.1.2语音前置放大及功放电路
本次设计采用集成运放LM324来做前置放大，采用LM386来做功放。
其电路较为简单，在此不予详述。
具体电路原理图如图3.2和3.3所示。
图3.2前置放大电路
图3.3功放电路
3.2实物图及实物调试结果
在各组员的团结协作下，我们终于做成了实物。
实物图如图3.4所示。
图3.4实物图
经过调试，从编码输入端加一个正弦信号，在译码输出端能够收到相应的信号，无明显失真。
功放电路也能正常工作。
但语音前置放大部分没有正常工作，估计是麦克风输入端连接有点小问题。
总的来说，这次实物制作还是比较成功的。
实物检测图如图3.5和3.6所示。
图3.5编码输入
图3.6译码输出
4心得体会
本次通信原理课程设计让我对通信原理等科目和原理知识有了更深入的了解，与此同时，我也真切的发现，仅仅懂得一堆理论，只会纸上谈兵是相当不够的，我还需要多多的进行实物的的制作或者是通过仿真软件进行独立的设计与仿真，才能发现很多平时学习中忽略的知识点。
课程设计是对一个学期学习成果的的一次大的考核，同时又面向社会，面向工作，面向实际工程，在培养学生从事电子设计工作正确思想方法的同时，又培养学生勇于探索，敢于创新、实事求等正确的科技观念。
刚开始拿到这个题目时我们就感觉有点难以下手。
做一个PCM通信系统并不是那么容易的事。
上课的时候大概了解了一下PCM有关知识，但对具体电路的组成还是不够深入了解的。
于是我们便开始查找资料，学习理论知识。
期间也去请教了我们的通信原理实验老师，并得到他的悉心指导。
在次我要向我们实验老师表示由衷的感谢。
经过不懈努力我们终于确定了一套仿真方案和一套实物制作方案。
仿真要用到systemview软件，但我们之前都没用过。
只好一点一点的啃，不会的就查资料。
经过我们几天几夜的努力，基本把仿真做出来了。
实物的制作也稍显麻烦，虽然只是做一路PCM，但电路也还是蛮复杂。
在我们组几个人的努力下，终于将其焊好。
拿到实验室调试的时候还是遇到了一点问题，但经过检查之后，除了语音输入部分，其他部分都能正常工作，总的说来还是比较成功的。
这次课程设计也让我再一次学到了团队合作的重要性。
在我们四个人的共同努力下，终于完成了这次设计任务。
总之，这次课程设计让我学到了很多课本上学不到的东西，同时也增长了见识，受益匪浅。
在今后的学习和生活中我也将发扬不怕苦不怕累的精神，积极学习，争取更大的进步。
参考文献
[1]通信原理.樊昌信,曹丽娜等.北京:
国防工业出版社.2007.08
[2]叶淦华.通信原理教程.第一版.北京:
中国电力出版社,2005
[3]程佩青.数字信号处理教程.第三版.北京:
清华大学出版社,2007
[4]现代通信原理及应用.苗云长.北京:
电子工业出版社.2005.01
[5]江国强.SystemView动态系统分析.第二版.北京:
电子工业出版社,2007
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