通信原理課程設(shè)計PCMsystemview仿真

1、通信原理課程設(shè)計題 目： 脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計與仿真 院 （系）： 電氣與信息工程學(xué)院 班 級： 電信04-6班 姓 名： 朱明錄 學(xué) 號： 0402020608 指導(dǎo)教師： 趙金憲 教師職稱： 教授 摘要 : 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。關(guān)鍵詞: PCM 編譯碼 1、引言 隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用?；谛盘?/p>

2、的用于通信系統(tǒng)的動態(tài)仿真軟件SystemView具有強(qiáng)大的功能，可以滿足從底層到高層不同層次的設(shè)計、分析使用，并且提供了嵌入式的模塊分析方法，形成多層系統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計更加簡潔明了，便于完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計。 SystemView具有良好的交互界面，通過分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個可視的仿真過程，不僅在工程上得到應(yīng)用，在教學(xué)領(lǐng)域也得到認(rèn)可，尤其在信號分析、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。其可以實現(xiàn)復(fù)雜的模擬、數(shù)字及數(shù)?；旌想娐芳案鞣N速率系統(tǒng)，并提供了內(nèi)容豐富的基本庫和專業(yè)庫。 本文主要闡述了如何利用SystemView實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制（PCM）。系統(tǒng)的實現(xiàn)通過模塊分層實現(xiàn)，模塊主要由PCM編碼模塊、PC

3、M譯碼模塊、及邏輯時鐘控制信號構(gòu)成。通過仿真設(shè)計電路，分析電路仿真結(jié)果，為最終硬件實現(xiàn)提供理論依據(jù)。2、系統(tǒng)介紹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1。話音輸入低通濾波瞬時壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時擴(kuò)張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖1 PCM原理框圖下面將

4、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2所示，量化器Q輸出L個量化值，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，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2 模擬信號的量化模擬信號

5、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)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也小；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

6、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，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的

7、。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3示出了這種壓擴(kuò)特性。圖3 13折線表1列出了13折線時的值與計算值的比較。表 10101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根據(jù)時計算得到的，第三行的值是13折線分段時的值?？梢姡?3折線各段落的分界點與曲線十分逼近，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

8、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2 段落碼 表3 段內(nèi)碼段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010020013001120010100

9、01000100000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2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表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、CD

10、22357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)。2.1、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，如下圖4所示: 圖42.2、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所示: 圖5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/

11、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。2.2.1 PCM編碼器組件功能實現(xiàn) （1）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 300Hz3400Hz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。 （2）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6, 圖7），明

12、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6壓縮前 圖7壓縮后（3）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。 （4）數(shù)據(jù)選擇器：圖符10為帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器，與74151功能相同，在這里完成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的并/串轉(zhuǎn)換，圖符11、12、13為

13、選擇控制端，在這里控制輪流輸出并行數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)選擇器還可以實現(xiàn)碼速轉(zhuǎn)換功能。2.3、 PCM譯碼器模塊 PCM譯碼器是實現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。 PCM譯碼器模塊主要由ADC出來的PCM數(shù)據(jù)輸出端、D/A轉(zhuǎn)換器、瞬時擴(kuò)張器、低通濾波器構(gòu)成。實現(xiàn)模型如下圖8所示： 圖82.3.1 PCM譯碼器組件功能實現(xiàn)（1）D/A轉(zhuǎn)換器(圖符1)：用來實現(xiàn)與A/D轉(zhuǎn)換相反的過程，實現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達(dá)到譯碼最基本的要求，也就是最起碼要有步驟。（1）瞬時擴(kuò)張器（圖符8）：實現(xiàn)與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用A律瞬時擴(kuò)張器。 （2）低通濾波器（圖符3）：由于采樣脈沖不

14、可能是理想沖激函數(shù)會引入孔徑失真，量化時也會帶來量化噪聲，及信號再生時引入的定時抖動失真，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。3、系統(tǒng)仿真模型如下圖9： 圖9系統(tǒng)模型子系統(tǒng)（圖符12）如下圖10： 圖10 子系統(tǒng)以上圖9、圖10各方塊的有關(guān)參數(shù)如表4： 表4符號名稱參數(shù)設(shè)置12子系統(tǒng)7SinusoidAmp = 1 v ， Freq = 1e+3 Hz ， Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine8SinusoidAmp = 1 v，F(xiàn)req = 1.5e+3 Hz， Pha

15、se = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine9SinusoidAmp = 1 v，F(xiàn)req = 500 Hz， Phase = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine10AdderInputs from 7 8 9，Outputs to 1111Meta OutInput from10 Output to 3 203 4 5 14 19Analysis13Logic: ADCTwos Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v， Tr

16、ue Output = 1 v，F(xiàn)alse Output = 0 v，No. Bits = 8 ，Min Input = -2.5 v，Max Input = 2.5 v，Rise Time = 0 sec，Analog = t21 Output 0， Clock = t1 Output 00Logic: DACTwos Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 No. Bits = 8 ，Min Output = -2.5 v，Max Output = 2.5 v， D-0 = t13 Output 0，D-1 = t13 Output

17、 1，D-2 = t13 Output 2， D-3 = t13 Output 3，D-4 = t13 Output 42 20Operator:Linear Sys Butterworth Lowpass IIR3 Poles， Fc = 1.8e+3 Hz，Quant Bits = NoneInit Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled1 18Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 10e+3 HzPulseW = 20.e-6 sec，Offset = 0 v，Phase = 0 deg21Comm: DeCompandA

18、-Law，Max Input = 2.56Comm: CompanderA-Law，Max Input = 2.516Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 30e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg17Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 20e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg15Logic: Mux-D-8Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500.e-3 vTru

19、e Output = 1 v，F(xiàn)alse Output = 04、仿真波形如下：（1）信號源的波形（2）信號源經(jīng)壓縮后的波形（3）PCM編碼的波形（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）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)字化的傳輸過程。5、參考文獻(xiàn)1 吳偉陵,續(xù)大我,龐沁華通信原理北京郵電大學(xué)出版社，20052 青松，程岱松，武建華數(shù)字通信系統(tǒng)的SystemView仿真與分析北京航空航天大學(xué)出版社，20013 曹志剛，錢亞生. 現(xiàn)代通信原理清華大學(xué)出版社，19924 苗長云等主編. 現(xiàn)代通信原理及應(yīng)用電子工業(yè)出版社，20055 羅衛(wèi)兵/孫樺/張捷SystemView動態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計西安電子科技大學(xué)出版社，20016、設(shè)計過程中需解決的問題(1)首先，必須根據(jù)實際情況合理的