通信原理課程設(shè)計(jì)基于Systemview的PCM時(shí)分復(fù)用多路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、通信原理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院: 信息學(xué)院 班 級: 通信0902 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)老師： 濟(jì) 南 大 學(xué)2011年12月30日 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程設(shè)計(jì)題目：基于systemview的pcm時(shí)分復(fù)用多路系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求：（1）基于systemview軟件實(shí)現(xiàn)；（2）實(shí)現(xiàn)單路話音信號的抽樣、壓縮、均勻量化與編碼得到pcm信號；（3）實(shí)現(xiàn)多路pcm信號的時(shí)分復(fù)用；（4）實(shí)現(xiàn)接收端的分接與譯碼；（5）考慮實(shí)現(xiàn)位同步電路；（6）觀察輸出信號的眼圖，得出誤碼率-信噪比曲線；（7）分別選擇不同特性信道時(shí)考察誤碼率-信噪比曲線。第1章 緒論1.1 研究背景 systemview是一種

2、電子仿真工具。它是一個(gè)信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，是一個(gè)強(qiáng)有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理，濾波器設(shè)計(jì)，直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)，仿真要求。此外systemview具有良好的交互界面，簡單易學(xué)，通過分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個(gè)可視的仿真過程。本文主要闡述了如何利用systemview設(shè)計(jì)pcm時(shí)分復(fù)用多路系統(tǒng)。通過仿真設(shè)計(jì)電路，分析電路仿真結(jié)果，為最終硬件實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。此外該軟件支持外部數(shù)據(jù)的輸入和輸出，支持用戶自己編寫代碼(c/c)，兼容matlab軟件。同時(shí)，提供了與硬件設(shè)計(jì)工具的接口，給使用者提供了很大的便利。1.2 pc

3、m 簡介 pcm 脈沖編碼調(diào)制是pulse code modulation的縮寫，是數(shù)字通信的編碼方式之一。模擬信號數(shù)字化必須經(jīng)過三個(gè)過程，即抽樣、量化和編碼，pcm編碼的主要過程是將話音、圖像等模擬信號每隔一定時(shí)間根據(jù)抽樣定理進(jìn)行抽樣,使其離散化,同時(shí)將抽樣值按四舍五入取整量化,同時(shí)將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來表示抽樣脈沖的幅值，以實(shí)現(xiàn)由模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換。 1. 抽樣(samping)抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號變成時(shí)間上離散的信號，抽樣必須遵循奈奎斯特抽樣定理。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣

4、定理確定的。例如，話音信號帶寬被限制在0.33.4khz內(nèi)，用8khz的抽樣頻率，就可獲得能取代原來連續(xù)話音信號的抽樣信號。對一個(gè)正弦信號進(jìn)行抽樣獲得的抽樣信號是一個(gè)脈沖幅度調(diào)制（pam）信號，再對抽樣信號進(jìn)行檢波和平滑濾波，即可還原出原來的模擬信號。2. 量化（quantizing）抽樣信號雖然是時(shí)間軸上離散的信號，但仍然是模擬信號，其樣值在一定的取值范圍內(nèi)，可有無限多個(gè)值。顯然，對無限個(gè)樣值一一給出數(shù)字碼組來對應(yīng)是不可能的。為了實(shí)現(xiàn)以數(shù)字碼表示樣值，必須采用“四舍五入”的方法把樣值分級“取整”，使一定取值范圍內(nèi)的樣值由無限多個(gè)值變?yōu)橛邢迋€(gè)值。這一過程稱為量化。量化后的抽樣信號與量化前的抽樣

5、信號相比較，當(dāng)然有所失真，且不再是模擬信號。這種量化失真在接收端還原模擬信號時(shí)表現(xiàn)為噪聲，并稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決于把樣值分級“取整”的方式，分的級數(shù)越多，即量化級差或間隔越小，量化噪聲也越小。小信號量化技術(shù)要多，大信號量化級數(shù)要少，從而保持信噪比恒定。3. 編碼（coding）量化后的抽樣信號在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個(gè)可取的樣值，且信號正、負(fù)幅度分布的對稱性使正、負(fù)樣值的個(gè)數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級對稱分布。若將有限個(gè)量化樣值的絕對值從小到大依次排列，并對應(yīng)地依次賦予一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字代碼（例如，賦予樣值0的十進(jìn)制數(shù)字代碼為0），在碼前以“”、“”號為前綴，來區(qū)分樣值的正、負(fù)，則量化后

6、的抽樣信號就轉(zhuǎn)化為按抽樣時(shí)序排列的一串十進(jìn)制數(shù)字碼流，即十進(jìn)制數(shù)字信號。簡單高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)是二進(jìn)制碼系統(tǒng)，因此，應(yīng)將十進(jìn)制數(shù)字代碼變換成二進(jìn)制編碼。根據(jù)十進(jìn)制數(shù)字代碼的總個(gè)數(shù)，可以確定所需二進(jìn)制編碼的位數(shù)，即字長。這種把量化的抽樣信號變換成給定字長的二進(jìn)制碼流的過程稱為編碼。話音pcm的抽樣頻率為8khz，每個(gè)量化樣值對應(yīng)一個(gè)8位二進(jìn)制碼，故話音數(shù)字編碼信號的速率為8bits8khz64kb/s。量化噪聲隨量化級數(shù)的增多和級差的縮小而減小。量化級數(shù)增多即樣值個(gè)數(shù)增多，就要求更長的二進(jìn)制編碼。因此，量化噪聲隨二進(jìn)制編碼的位數(shù)增多而減小，即隨數(shù)字編碼信號的速率提高而減小。自然界中的聲音非常復(fù)雜，波

7、形極其復(fù)雜，通常我們采用的是脈沖代碼調(diào)制編碼，即pcm編碼。pcm通過抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼2。1.3 system view軟件簡介 system view 是一個(gè)用于現(xiàn)代工程與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的動態(tài)系統(tǒng)分析平臺。從濾波器設(shè)計(jì)、信號處理、完整通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，直到一般的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立等各個(gè)領(lǐng)域，system view 在友好而且功能齊全的窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個(gè)精密的嵌入式分析工具。system view是美國elanix公司推出的，基于windows環(huán)境下運(yùn)行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(token)描述程序。利用sys

8、tem view，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需從system view配置的圖標(biāo)庫中調(diào)出有關(guān)圖標(biāo)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成圖標(biāo)間的連線，然后運(yùn)行仿真操作，最終以時(shí)域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。 1.3.1 system view軟件中重要元件簡介 第2章 pcm編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理pcm即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能。pcm的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。為改善小信號量化性能，采用壓擴(kuò)

9、非均勻量化，有兩種建議方式，分別為a律和律方式，我國采用了a律方式，由于a律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化pcm編碼示意圖見圖1。話音輸入低通濾波瞬時(shí)壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時(shí)擴(kuò)張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖3.1 pcm原理框圖下面將簡單介紹pcm編碼中抽樣、量化及編碼的原理：(a) 抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號變成時(shí)間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。(b) 量化從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)

10、離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖2所示，量化器q輸出l個(gè)量化值，k=1，2，3，l。常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號幅度落在與之間時(shí)，量化器輸出電平為。這個(gè)量化過程可以表達(dá)為：模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。圖3.2 模擬信號的量化模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點(diǎn)是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當(dāng)信號較小時(shí)，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍，可見，均勻量化時(shí)的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了

11、克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和a壓縮律

12、。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用a壓縮律，因此，pcm編碼方式采用的也是a壓縮律。所謂a壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0a律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，a值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實(shí)際中，往往都采用近似于a律函數(shù)規(guī)律的13折線（a=87.6）的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電圖3.3 a律函數(shù)13折線路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的pcm編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。圖3示出了這種壓擴(kuò)特性。表1列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。表3.1 13折線時(shí)的值與計(jì)算

13、值的比較0101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值是13折線分段時(shí)的值。可見，13折線各段落的分界點(diǎn)與曲線十分逼近，同時(shí)按2的冪次分割有利于數(shù)字化。(c) 編碼所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落

14、碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。 表3.2 段落碼 表3.3 段內(nèi)碼段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000在13折線法中，無論輸入信號是正是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它

15、的8種可能狀態(tài)來分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級之間的關(guān)系見表3。pcm編譯碼器的實(shí)現(xiàn)可以借鑒單片pcm編碼器集成芯片，如：tp3067a、cd22357等。單芯片工作時(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時(shí)將pcm編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實(shí)現(xiàn)。3.1、信號源系統(tǒng)的組成由兩個(gè)幅度相同、頻率不同的高斯白噪聲通過低通濾波器后分為兩路信號合成，如圖4 圖3.4 信號源子系統(tǒng)的組成3.2、p

16、cm編碼器模塊 pcm編碼器模塊主要由信號瞬時(shí)壓縮器、量化編碼器實(shí)現(xiàn)模型如下圖5所示: 圖3.5 pcm編碼器模塊信源信號經(jīng)過瞬時(shí)壓縮器實(shí)現(xiàn)a律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，實(shí)現(xiàn)抽樣量3.3、pcm編碼器組件功能實(shí)現(xiàn) 瞬時(shí)壓縮器：瞬時(shí)壓縮器（圖符16）使用了我國現(xiàn)采用a律壓縮，注意在譯碼時(shí)擴(kuò)張器也應(yīng)采用a律解壓。對比壓縮前后時(shí)域信號（見圖6, 圖7），明顯看到對數(shù)壓縮時(shí)小信號明顯放大，而大信號被壓縮，從而提高了小信號的信噪比，這樣可以使用較少位數(shù)的量化滿足語音傳輸?shù)男枰?.4、pcm譯碼器模塊 pcm譯碼器是實(shí)現(xiàn)pcm編碼的逆系統(tǒng)。 pcm譯碼器模塊主要由瞬時(shí)擴(kuò)張器、低通濾波器、移位寄存器、鎖存器構(gòu)

17、成。實(shí)現(xiàn)模型如下圖8所示： 圖3.8 pcm譯碼器3.4.1 pcm譯碼器組件功能實(shí)現(xiàn)(a)擴(kuò)張器：實(shí)現(xiàn)與瞬時(shí)壓縮器相反的功能，由于采用 a 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用a律瞬時(shí)擴(kuò)張器。 (b)低通濾波器（圖符3）：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會引入孔徑失真，量化時(shí)也會帶來量化噪聲，及信號再生時(shí)引入的定時(shí)抖動失真，需要對再生信號進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償，同時(shí)濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。(c)寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成的。一個(gè)觸發(fā)器可以存儲一位二級制代碼，存放n位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個(gè)觸發(fā)器來構(gòu)成。 移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左

18、移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，在這里是進(jìn)行串行到并行的轉(zhuǎn)換。 第四章 設(shè)計(jì)過程中需解決的問題 首先，必須根據(jù)實(shí)際情況合理的設(shè)計(jì)采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，由于在剛開始的時(shí)候,沒有合理設(shè)置采樣頻率的參數(shù),出現(xiàn)了在譯碼時(shí)恢復(fù)波形的失真,最后根據(jù)采樣頻率fs大于等于2fh條件,通過不斷調(diào)試,最終可以合理地恢復(fù)源信號波形。但由于在信道傳輸過程中由于各種原因而引起譯碼波形有一定的延時(shí)現(xiàn)象。 其次，在調(diào)試帶使能端的2路數(shù)據(jù)選擇器在實(shí)現(xiàn)pcm編碼輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，起初由于沒有合理應(yīng)用選擇控制端，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出毫無規(guī)律，即2路數(shù)據(jù)當(dāng)中隨機(jī)地從哪一路輸出，最后通過設(shè)置頻率不同的三路脈沖方波作用于選擇控制端，去控制每一路的數(shù)據(jù)輸出，然后經(jīng)