脈沖編碼調(diào)制PCM系統(tǒng)設(shè)計與仿真

1、脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計與仿真摘要: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)和計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用?；谛盘柕挠糜谕?信系統(tǒng)的動態(tài)仿真軟件SystemView具有強大的功能，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

2、，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、PCM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

3、。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 二進制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種 建議方式，分別為A律和u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。下面將介紹PCM編碼中抽樣、量化及編碼的原理：抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，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。量化從數(shù)學(xué)上來看，量化就

4、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yk，k=1，2, 3,，L。yk常稱為重建 電平或量化電平。當量化器輸入信號幅度X落在X與X之間時，量化器輸出電平為y。kk+1k這個量化過程可以表達為：y = Q(x) = Qx x工小牡yk,k = 1,2,3,L ,L這里xk稱為分層電平或判決閾值。通常氣=xk+1 - xk稱為量化間隔。圖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，當信號m(t)較小時，則信號量化 噪聲功率比也就很小，這

5、樣，對于弱信號時的量化信噪比就難以達到給定的要求。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 化間隔偵也??；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 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

6、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R壓縮律和A壓縮律。 美國采用H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:A律壓擴特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴特性亦不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是 相當復(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）的壓擴特性。到的PCM編碼正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。圖3示出了這種壓擴特性。圖3 13折線表1列出了 13折線時的x值與計

7、算打直的比較。0101按折線分段時的X01段落12345678斜率16168421表1中第二行的X值是根據(jù)A = 87.6時計算得到的，第三行的打直是13折線分段時的值。 可見，13折線各段落的分界點與A = 87.6曲線十分逼近，同時x按2的幕次分割有利于數(shù)字 化。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

8、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3段內(nèi)碼段落序號段落碼8111表3段內(nèi)碼段落序號段落碼8111711061015100量化級段內(nèi)碼1511111411101311011211001110111010109100181000在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位 折疊二進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

9、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27=128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、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1

10、5）、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。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

11、波器。為實現(xiàn)信號在300Hz-3400Hz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 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D6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，通常認為語音的頻帶在 300Hz-3400Hz，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

12、/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

13、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， 從而達到譯碼最基本的要求，也就是最起碼要有步驟。（1）瞬時擴張器（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，擴張也 必須采用A律瞬時擴張器。（2）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，需要對再生信號進行幅度及相 位的補償，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：符號

14、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， Freq = 1.5e+3 Hz， Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t4 ， Output 1 = Cosine9SinusoidAmp = 1 v， Freq = 500 Hz， Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t4 ， Output 1 = Cosine10AdderInputs from 7 8

15、 9， Outputs to 1111Meta OutInput from10 Output to 3 203 4 5 14 19Analysis13Logic: ADCTwo,s Complement， Gate Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v， True Output = 1 v False 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:

16、DACTwo,s 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 1 D-2 = t13 Output 2, D-3 = t13 Output 3 D-4 = t13 Output 42 20Operator:LinearSys ButterworthLowpass IIR3 Poles, Fc = 1.8e+3 Hz, Quant Bits = NoneInit C

17、ndtn = Transient, DSP Mode Disabled118Source: PulseTrainAmp = 1 v, Freq = 10e+3 HzPulseW = 20.e-6 sec, Offset = 0 v, Phase = 0 deg21Comm: DeCompandA-Law,Max Input = 2.56Comm: CompanderA-Law,Max Input = 2.516Source: PulseTrainAmp = 1 v, Freq = 30e+3 Hz, PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v, Phase = 0 deg1

18、7Source: PulseAmp = 1 v, Freq = 20e+3 Hz, PulseW = 20.e-6 secTrainOffset = 0 v， Phase = 0 deg15Logic: Mux-D-8Gate Delay = 0 sec， Threshold = 500.e-3 vTrue Output = 1 v， False Output = 04、仿真波形如下：信號源的波形信號源經(jīng)壓縮后的波形PCM編碼的波形PCM譯碼時經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴張后的輸出波形譯碼后恢復(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、參考文獻吳偉陵，續(xù)大我，龐沁華.通信原理.北京郵電大學(xué)出版社，2005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，20曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理.清華大學(xué)出版社，1992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，2005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，206、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