模擬調(diào)制系統(tǒng)中FM的調(diào)制與解調(diào)

1、通信原理課程設(shè)計1.緒論1.1 模擬通信系統(tǒng)概述隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對傳遞消息的要求越來越高，通信，則承載著這個重要的任務(wù)。通信中要進(jìn)行消息的傳遞，必須有發(fā)送者和接收者，發(fā)送者和接收者可以是人也可以是各種通信終端設(shè)備。換言之，通信可以在人與人之間，也可以在人與機(jī)器活機(jī)器與機(jī)器之間進(jìn)行。必須有三大部分：一是發(fā)送端；二是接收端；三是收發(fā)兩端之間的信道。通信系統(tǒng)主要分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)通常由模擬信息源，調(diào)制器，信道，解調(diào)器與收信者組成。模型如下：圖1-1 模擬通信系統(tǒng)模型圖模擬通信在信道中傳輸?shù)男盘栴l譜比較窄，因此可通過多路復(fù)用使信道的利用率提高，但它的缺點是: 1)傳

2、輸?shù)男盘柺沁B續(xù)的，疊加噪聲干擾后不易消除，即抗干擾能力較差; 2)不易保密通信; 3)設(shè)備不易大規(guī)模集成; 4)不適應(yīng)飛速發(fā)展的計算機(jī)通信的要求1.2 模擬信號調(diào)制解調(diào)模擬通信系統(tǒng)中，調(diào)制與解調(diào)是通信系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，它使信號發(fā)生本質(zhì)性的變化。本文主要對線性調(diào)制（AM,DSB,SSB）與非線性調(diào)制(FM,NBFM)的信號產(chǎn)生（調(diào)制）與接受（解調(diào)）的基本原理，方法技術(shù)加以討論，并通過System View仿真驗證常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM），雙邊帶調(diào)幅（DSB），單邊帶調(diào)幅（SSB），頻率調(diào)制（FM），窄帶頻率調(diào)制（NBFM）。通過此軟件觀察信號的調(diào)制與解調(diào)過程，并對輸出波形進(jìn)行分析。模擬調(diào)制和解調(diào)是

3、實現(xiàn)是實現(xiàn)模擬通信系統(tǒng)的重要組成部分。調(diào)制是將原始電信號變換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?；解調(diào)是在接收端將信道中傳輸?shù)男盘栠€原成原始的電信號；經(jīng)過調(diào)制后的信號成為已調(diào)信號;發(fā)送端調(diào)制前和接收端解調(diào)后的信號成為基帶信號。因此，原始電信號又稱為基帶信號，而已調(diào)信號又稱為頻帶信號。 模擬信號的調(diào)制與解調(diào)是通信原理課程的經(jīng)典內(nèi)容，也是模擬通信時代的核心技術(shù)。雖然當(dāng)代技術(shù)已發(fā)展為數(shù)字通信新時代，但模擬信號的調(diào)制與解調(diào)理論仍然是通信技術(shù)中的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。1.3仿真軟件簡介1.3.1 System View軟件介紹1)System View是美國ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析

4、的可視化軟件工具。它界面友好，使用方便。2)System View是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真，是一個強(qiáng)有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具盒，能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設(shè)計、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計，仿真要求。它可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各種線性、非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。3)System View以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個嵌入式的分析引擎。使用System View你只需要關(guān)心項目的設(shè)計思想和過程，而不必花費(fèi)大量的時間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。用戶只需要使用鼠標(biāo)器點擊圖標(biāo)即可

5、完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計和測試，而不必學(xué)習(xí)復(fù)雜的計算機(jī)程序編制，也不必?fù)?dān)心程序中是否存在編程錯誤。1.3.2 System View仿真系統(tǒng)的特點1)能仿真大量的應(yīng)用系統(tǒng)2)快速方便的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計與仿真3)在報告中方便地加入System View的結(jié)論4)提供基于組織結(jié)構(gòu)圖方式的設(shè)計5)多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)6)完備的濾波器和線性系統(tǒng)設(shè)計7)先進(jìn)的信號分析和數(shù)據(jù)塊處理8)可擴(kuò)展性9)完善的自我診斷功能。System View是一個用于電路與通信系統(tǒng)設(shè)計、仿真的動態(tài)分析工具,它實現(xiàn)了功能的軟件化,避開了復(fù)雜的硬件搭建,在不具備先進(jìn)儀器的條件下同樣也能完成復(fù)雜的通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真.本文利用Syste

6、m View軟件設(shè)計模擬調(diào)制和解調(diào)電路,通過分析其輸入輸出。1.3.3 Multisim簡介Multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設(shè)計的 EDA 工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個人桌面電子設(shè)計工具， Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。Multisim計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機(jī)仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。1.3.4Multisim軟件特點(1)直觀的圖形界面：整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試

7、儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫：Multisim大大擴(kuò)充了EWB的元器件庫， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。(3)豐富的測試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜

8、分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺同時調(diào)用。(4)完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點一零點分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計要求。(5)強(qiáng)大的仿真能力：Multisim 既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF) 電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果

9、可隨時儲存和打印。2.設(shè)計題目2.1模擬調(diào)制系統(tǒng)中FM的調(diào)制與解調(diào)要求：實現(xiàn)系統(tǒng)級和電路級的仿真結(jié)果并同時給出過程分析和說明，并按照學(xué)校要求撰寫課程設(shè)計說明書，提交電子版和紙質(zhì)的說明書及源程序代碼或文件。 備注：此題為傳統(tǒng)的廣播，電視通信系統(tǒng)中主要通信技術(shù)的原理的驗證及仿真，除了進(jìn)行MATLAB或SystemView環(huán)境下的系統(tǒng)仿真，還要進(jìn)行Multsim、Pspice環(huán)境下的電路級仿真。得分與仿真的數(shù)量的質(zhì)量成正比。2.2 PCM編譯碼。PCM編譯碼原理和基帶信號的形成過程要求：實現(xiàn)系統(tǒng)級和電路級的仿真結(jié)果并同時給出過程分析和說明，并按照學(xué)校要求撰寫課程設(shè)計說明書，提交電子版和紙質(zhì)的說明書及

10、源程序代碼或文件。備注：此為傳統(tǒng)PSTN電話網(wǎng)中語音模擬信號數(shù)字化后的基帶數(shù)字信號格式，比較編譯碼前后信號的差異，并和增量調(diào)制信號做比較。3.頻率調(diào)制系統(tǒng)部分3.1 角度調(diào)制基本概念角度調(diào)制與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號頻譜不再是原調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。角度調(diào)制可分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）,即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號變化的調(diào)制方式。如果載波的頻率變化量與調(diào)制信號電壓成正比，則稱為調(diào)頻（FM）；如果載波的相位變化量與調(diào)制信號電壓成正比，則稱為調(diào)相（PM）。由于載波頻率的變化和相位的變化都

11、表現(xiàn)為載波總相角的變化，因此將調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為調(diào)角。本節(jié)將介紹頻率調(diào)制（FM）。3.2 頻率調(diào)制（FM）3.2.1 FM的調(diào)制與解調(diào)原理1)調(diào)制原理:角度調(diào)制是用調(diào)制信號去控制載波信號角度（頻率或相位）變化的一種信號變換方式，信號經(jīng)過角度調(diào)制后，頻率結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。也就是說，比如在調(diào)頻信號中，載波信號的頻率隨著基帶調(diào)制信號的幅度變化而變化。調(diào)制信號幅度變大時，載波信號的頻率也變大（或變?。?，調(diào)制信號幅度變小時，載波信號的頻率也變小（或變大）；在角度調(diào)制中，載波的幅度保持不變。在模擬調(diào)制中，一個連續(xù)波有三個參數(shù)可以用來攜帶信息而構(gòu)成已調(diào)信號。當(dāng)幅度和相位保持不變時，改變載波的頻率使之隨未調(diào)信號的

12、大小而改變，這就是調(diào)頻的概念。角度調(diào)制的一般原理:其中:為已調(diào)信號的瞬時相位（rad）為已調(diào)信號的瞬時相位偏移（rad）為已調(diào)信號的瞬時角頻率（rad/s）為已調(diào)信號的瞬時角頻率偏移（rad/s）頻率調(diào)制（FM）即已調(diào)信號的瞬時角頻率偏移隨原始基帶信號線性變化，亦即： ，其中為調(diào)頻靈敏度或有 其中，A 是載波的振幅，是角度調(diào)制信號的瞬時相位，而是瞬時相位偏移;為信號的瞬時頻率，而稱為瞬時頻率偏移，即相對于的瞬時頻率偏移。其框圖如下圖所示：圖 3-1頻率調(diào)制系統(tǒng)框圖2)解調(diào)原理:頻率調(diào)制的非相干解調(diào)（鑒頻法）鑒頻器的作用是輸出一個與輸入信號頻率成線性關(guān)系的信號，包括斜率鑒頻器、鎖相環(huán)鑒頻器、頻率

13、負(fù)反饋解調(diào)器等類型，理想鑒頻器可以等效成帶微分器的包絡(luò)檢波器。 圖3-2 頻率調(diào)制鑒頻法原理圖r過微分器：解調(diào)輸出：其中：為鑒頻器靈敏度鑒頻器的缺點是對信道噪聲以及其他因素引起的已調(diào)信號幅度畸變有反應(yīng)，故常在鑒頻器前加限幅器和帶通濾波器。在小信噪比情況下，由于鑒頻器的非線性解調(diào)作用，F(xiàn)M信號的解調(diào)存在門限效應(yīng)。FM解調(diào)器就是所謂的積分鑒頻器或積分檢波器。如下圖所示， 圖3-3 FM解調(diào)器原理圖輸入的調(diào)頻信號被連接到乘法器的一個輸入端。經(jīng)過一個耦合電容與一個LC并聯(lián)諧振回路組成的移相電路產(chǎn)生正交信號，作為乘法器的另一個輸入。電容及諧振回路的相移可以用簡單的延遲電路來產(chǎn)生。該延遲電路可以產(chǎn)生相當(dāng)于

14、載波信號四分之一周期的延遲。4. 仿真模型4.1 系統(tǒng)級仿真本模型是將一個聲音文件（.WAV）表示的信號通過FM調(diào)制，再經(jīng)過一個具有高斯噪聲的信道傳輸，然后用延遲積分鑒頻器將聲音解調(diào)出來。4.1.1仿真電路原理圖圖4-1 設(shè)計模型圖4.1.2模塊說明及參數(shù)設(shè)置：(1) 模塊0：Source Library說明：該模塊是一個信號源，通過外部文件輸入一個.wav的音頻信號，然后被系統(tǒng)重新采樣3倍后輸出。 WAV 1ch：Windows XP 電話撥入聲.wav16-bit WAV 1channel 16位的1聲道wav文件Audio Rate=22050Hz 音頻22050HzAudio Play

15、er=Off 關(guān)閉播放器Pad=3 samples 每節(jié)拍3倍采樣頻率Pad with last valueStart sample=1 Token=0(2) 模塊5：Operator Library說明：該模塊是一個巴特沃思低通濾波器，截止頻率為5000Hz，將輸入的波形濾掉高頻部分后輸出。 Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 3 PloesFc=5000Hz 截止頻率為 5000HzQuant bits=none Init cndtn=TransientDsp mode disabled 數(shù)字調(diào)制Toke5(3) 模塊1：Function Library說

16、明：該模塊是一個FM調(diào)制器，將輸入的信號進(jìn)行頻率調(diào)制，從而獲得10倍的增益輸出。Freq modAmp=1v 振幅為1vFreq=5000Hz 頻率為5000HzPhase=0 degMod Gain=10 Hz/v 調(diào)制增益為 10Hz/V Output 0=quadrature(sin) t6 Output 1=In-Phase(Cos)Token1(4) 模塊7：Gauss Noise說明：該模塊是一個加噪模塊，給信道中加入高斯噪聲，模擬實際生活中的信號傳輸。Std Dev=0.001v 標(biāo)準(zhǔn)差為0.001v Mean=0v 均值是0vToken 1(5) 模塊9：Multiplier

17、說明：該模塊是一個乘法器，將輸入的信號相乘后輸出。Non ParametircInputs from 6 and 8 輸入信號為 模塊6到8的輸出Outputs to 10 輸出到模塊10 Token 9(6) 模塊8：Operator Library說明：該模塊是一個延遲模塊，根據(jù)積分鑒頻器的原理，給輸入信號一個250ms的延遲，然后輸出DelayInterpolatingDelay=250e-6 sec 250ms的延遲Output 0= delay t9 輸出0 Output 1= delay-dt 輸出1Token 8(7) 模塊2：Sink Library說明：該模塊是一個音頻信號輸

18、出模塊，積分鑒頻器最后解調(diào)出來的信號通過一個巴特沃思濾波器濾波后輸出到該模塊，最后以音頻文件的形式輸出。Received voiceWav 1ch:VoiceOut.wav8-bit Wav 1 channel 8位的1聲道wav波形Audio rate=(set at run time)Audio player=on 打開播放器Input from t4 output port 0 t4端口輸入，0口輸出Token 24.1.3仿真結(jié)果分析圖4-2 X(t)處的時域波形圖圖 4-3 X(t)處的頻域波形圖圖 4-4 Xc(t)的時域波形圖圖 4-5 Xc(t) 的頻域波形圖 4-6 N(t)

19、的時域波形圖圖 4-7 Xc(t)+N(t)的時域波形圖圖 4-8解調(diào)后未濾波波形圖圖 4-9 X(t)的時域波形圖圖 4-10 X(t)的頻域波形圖通過對仿真圖形分析可以得出，這次仿真中，輸入與輸出有輕微失真，其原因可以概括為兩點：（1）所選波形文件頻率與參數(shù)設(shè)置匹配沒有理論上理想，導(dǎo)致解調(diào)輪廓出現(xiàn)少量失真；（2）該波形文件受高斯白噪聲的影響太大，以致解調(diào)輸出波形出現(xiàn)輕微失真。4.2 FM調(diào)制與解調(diào)4.2.1FM的調(diào)制直接調(diào)頻電路的振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低,而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路, 調(diào)頻范圍又太窄。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決這個矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖4-11 所示。圖4-11鎖相環(huán)鑒頻原理

20、框4.2.2FM的解調(diào)用鎖相環(huán)可實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào), 其原理框圖如圖4-12 所示。為了實現(xiàn)不失真的解調(diào), 要求鎖相環(huán)的捕捉帶必須大于調(diào)頻波的最大頻偏, 環(huán)路帶寬必須大于調(diào)頻波中輸入信號的頻譜寬度。 圖4-12鎖相環(huán)鑒頻原理框圖4.3 仿真結(jié)果及分析4.3.1調(diào)頻仿真根據(jù)圖4-1建立的調(diào)頻仿真電路如圖4-13所示。圖中,設(shè)置壓控振蕩器V1 在控制電壓為0 時, 輸出頻率為0; 控制電壓為5V 時, 輸出頻率為50kHz。這樣, 實際上就選定了壓控振蕩器的中心頻率為25kHz, 為此設(shè)定直流電壓V3 為2. 5V。調(diào)制電壓V4 通過電阻R5 接到V CO 的輸入端, R5 實際上是作為調(diào)制信號源

21、V4 的內(nèi)阻, 這樣可以保證加到VCO 輸入端的電壓是低通濾波器的輸出電壓和調(diào)制電壓之和, 從而滿足了原理圖的要求。本電路中, 相加功能也可以通過一個加法器來完成, 但電路要變得相對復(fù)雜一些。圖4-13鎖相環(huán)調(diào)頻的仿真電路VCO 輸出波形和輸入調(diào)制電壓V4 的關(guān)系如圖4-14所示。由圖可見, 輸出信號頻率隨著輸入信號的變化而變化, 從而實現(xiàn)了調(diào)頻功能。圖4-14鎖相環(huán)調(diào)頻實驗波形4.3.2鑒頻仿真圖4-15相應(yīng)鎖相鑒頻電路的仿真電路。圖中的壓控振蕩器的設(shè)置與鎖相環(huán)調(diào)頻電路相同。為了進(jìn)一步改善低通濾波器的輸出波形, 在R1、C1 的輸出端, 又串接了一級低通濾波電路(R4、C2 ) 。圖4-15

22、鎖相環(huán)鑒頻的仿真電路由于鎖相環(huán)鑒頻時要求調(diào)制信號要處于低通濾波器的通帶之內(nèi), 因此電阻R1 的阻值要比調(diào)頻電路中的阻值小。本例中, R1= 10k 。仿真波形如圖4-16所示。由圖可見, 該電路實現(xiàn)了鑒頻功能。如果將R4、C2 的輸出作為VCO 的輸入, 則仿真結(jié)果不再正確, 這在實際仿真時需要注意。圖4-16鎖相環(huán)鑒頻頻實驗波形5.脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計與仿真5.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）設(shè)計原理SystemView 仿真軟件可以實現(xiàn)多層次的通信系統(tǒng)仿真。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是現(xiàn)代語音通信中數(shù)字化的重要編碼方式。利用SystemView 實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制(PCM)仿真，可以為硬件電路

23、實現(xiàn)提供理論依據(jù)。通過仿真展示了PCM編碼實現(xiàn)的設(shè)計思路及具體過程，并加以進(jìn)行分析。如圖5-1所示，模擬信號經(jīng)過采樣和量化以后，可以得到一系列輸出，它們共有Q個電平狀態(tài)。當(dāng)Q比較大時，如果直接傳輸Q進(jìn)制的信號，其抗噪性能是會很差的，因此，通常在發(fā)射端通過編碼器把Q進(jìn)制信號變換為位二進(jìn)制數(shù)字信號。而接收端將收到的二進(jìn)制碼元經(jīng)過譯碼器再還原為Q進(jìn)制信號，這種系統(tǒng)就是脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)。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的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性

24、能，采用壓擴(kuò)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5-1。 圖5-1 PCM原理框圖5.1.1 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，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。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，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖5-2所示，量化器Q輸出L個量化值，k=1，2

25、，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，量化器輸出電平為。這個量化過程可以表達(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5-2 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，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時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，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個缺點，實際中，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)

26、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，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，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，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，即改善了小信號時的量化信噪比。實際中，非均勻量化的實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。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

27、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：圖5-3 A律函數(shù)13折線A律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實際中，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，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，本設(shè)計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。圖5-3所示出了這種壓擴(kuò)特性。表5-1列出了13折線時的值與計算值的比較。表5-1 13折線時的值與計算值的比較0101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421表5-1中第二行值是根據(jù)時計算得到的，第三行

28、的值是13折線分段時的值?？梢?3折線各段落的分界點與曲線很逼近，同時按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5-2 段落碼 表5-3 段內(nèi)碼段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼81

29、11151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000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，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。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個均勻劃分的量化

30、級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成27128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表5-2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表5-3。PCM編譯碼器的實現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時只需給出外圍的時序電路即可實現(xiàn)，考慮到實現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實現(xiàn)。5.2 信號源子系統(tǒng)的組成由三個幅度相同、頻率不同的正弦信號（圖符7、8、9）合成，如圖5-4 圖5-4 信號源子系統(tǒng)的組成5.3 PCM編碼器模塊 PCM編碼器模塊主要由信號源（圖符7）、低通濾波器（圖符15）、瞬時壓縮器（圖符16）、A/D轉(zhuǎn)換器（圖

31、符8）、并/串轉(zhuǎn)換器（圖符10）、輸出端子構(gòu)成（圖符9），實現(xiàn)模型如下圖5-5所示: 圖5-5 PCM編碼器模塊信源信號經(jīng)過 PCM 編碼器低通濾波器（圖符15）完成信號頻帶過濾，由于PCM量化采用非均勻量化，還要使用瞬時壓縮器實現(xiàn)A律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，A/D轉(zhuǎn)換器（圖符8）完成采樣及量化，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是并行數(shù)據(jù)，必須通過數(shù)據(jù)選擇器（圖符10）完成并/串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，最后通過圖符（9）輸出PCM編碼信號。5.4 PCM編碼器組件功能實現(xiàn) (a)低通濾波器：為實現(xiàn)信號的語音頻率特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過渡，采用了低通濾波器，而沒有設(shè)計帶通濾波器。為實現(xiàn)信號在 300H

32、z3400Hz的語音頻帶內(nèi)，在這里采用了一個階數(shù)為3階的切比雪夫濾波器，其具有在通帶內(nèi)等波紋、阻帶內(nèi)單調(diào)的特性。(b)瞬時壓縮器：瞬時壓縮器（圖符16）使用了我國現(xiàn)采用A律壓縮，注意在譯碼時擴(kuò)張器也應(yīng)采用A律解壓。對比壓縮前后時域信號（見圖5-6, 圖5-7），明顯看到對數(shù)壓縮時小信號明顯放大，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?圖5-6 壓縮前 圖5-7 壓縮后 (c) A/D轉(zhuǎn)換器：完成經(jīng)過瞬時壓縮后信號時間及幅度的離散，通常認(rèn)為語音的頻帶在300Hz3400Hz，根據(jù)低通采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于信號最高頻率兩倍以上，在這里A/D的采樣

33、頻率為8Hz即可滿足，均勻量化電平數(shù)為256級量化，編碼用8bit表示，其中第一位為極性表示，這樣產(chǎn)生了64kbit/s的語音壓縮編碼。 圖5-9 系統(tǒng)模型子系統(tǒng)（圖符12）如下圖10： 圖5-10 子系統(tǒng)以上圖5-9、圖5-10各方塊的有關(guān)參數(shù)如表5-4：5.5 仿真波形5.5.1信號源的波形5.5.2信號源經(jīng)壓縮后的波形5.5.3 PCM編碼的波形5.5.4 PCM譯碼時經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴(kuò)張后的輸出波形5.5.5 譯碼后恢復(fù)源信號的輸出波形由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復(fù)，傳輸?shù)倪^程中實現(xiàn)了數(shù)字化的傳輸

34、過程。5.6設(shè)計過程中需解決的問題首先，必須根據(jù)實際情況合理的設(shè)計采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，由于在剛開始的時候,沒有合理設(shè)置采樣頻率的參數(shù),出現(xiàn)了在譯碼時恢復(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現(xiàn)象。其次，在調(diào)試帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器在實現(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，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，即八路數(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)過調(diào)

35、試完成了PCM編碼的正確輸出。最后,在設(shè)計濾波器時,首先要看系統(tǒng)信號源輸出信號頻率到底是處于在哪個頻率范圍,再根據(jù)其他參考參數(shù)和系統(tǒng)各項技術(shù)要求,決定是要設(shè)計哪種類型的濾波器,是低通型還是帶通型濾波器。5.7 設(shè)計心得本次課程設(shè)計在剛開始的過程中無從下手，手忙腳亂，時間又緊，最終決定用軟件仿真來實現(xiàn)PCM的編碼過程。通過這次設(shè)計，掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過程，學(xué)會了使用仿真軟件 SystemView（通信系統(tǒng)的動態(tài)仿真軟件），并學(xué)會通過應(yīng)用軟件仿真來實現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的設(shè)計，對以后的學(xué)習(xí)和工作都起到了一定的作用，加強(qiáng)了動手能力和學(xué)業(yè)技能?？傮w來說，這次實習(xí)我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維，增加了實際操作能力。在讓我體會到了設(shè)計電路的艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。6.仿真總結(jié)這次的課程設(shè)計給我很大的收獲，使我對System View操作系統(tǒng)的基本知識有了初步的認(rèn)識，并在實踐中對所學(xué)習(xí)的基本知識和原理方法有了進(jìn)一步的深化，和形象具體的理解。本次課設(shè)我選擇了模擬調(diào)制系統(tǒng)的AM和FM，通過對它們的調(diào)制解調(diào)過程的實踐達(dá)到課設(shè)的目的。首先，我對System View仿真系統(tǒng)進(jìn)行了了解和學(xué)習(xí)，在短時間內(nèi)對其操作有了較為熟練的掌握。通過認(rèn)真老師給的System View