通原课程设计--PCM编码报告.docxVIP

目录摘要11 PCM编码原理21.1 PCM系统结构21.2 PCM调制原理21.2.1 抽样21.2.2 量化21.2.3 编码51.3 复接与解复接71.3.1 时分复用概述71.3.2 时分复用原理框图81.3.3 解复用原理框图92 仿真软件System View介绍103 TP3067简介123.1 TP3067内部结构图123.2 TP3067引脚图123.3 TP3067引脚功能介绍133.4 TP3067功能说明144 电路图185 仿真图及仿真结果195.1 仿真图195.1.1 信号源195.1.2 编码部分205.1.3 译码部分215.2 仿真结果225.2.1 初始信号225.2.2 输入信号225.2.3 A律压缩信号225.2.4 PCM码信号235.2.5 A律解压信号235.2.6 输出信号236 实物制作247 心得体会258 参考文献26武汉理工大学通信原理课程设计说明书摘要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。关键词: PCM 脉冲编码 通信系统 SystemView 1 PCM编码原理1.1 PCM系统结构PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化的功能，是把模拟信号数字化传输的基本方法之一。PCM的实现主要包括三个步骤：抽样、量化和编码。这三个步骤分别完成时间上离散、幅度上离散以及量化信号的二进制表示，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，然后在信道中进行传输。接收机将收到的数字信号经再生、译码、平滑后恢复出原始的模拟信号。其过程表示如图1.1。图1.1 PCM通信过程原理1.2 PCM调制原理1.2.1 抽样所谓抽样，就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。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。1.2.2 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图1.2.2-1所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电化器输入信号幅度落在与平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为： 这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。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。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，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；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）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；其次，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。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。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）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，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。图1.2.2-2示出了这种压扩特性。图1.2.2-2 13A律的量化特性曲线表1列出了13折线时的值与计算值的比较。表 10101按折线分段时的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。1.2.3 编码所谓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。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。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。下面结合13折线的量化来加以说明。表2 段落码 表3 段内码段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000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27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。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。本实验系统选择TP3067芯片作为PCM编译码器，它把编译码器（Codec）和滤波器(Filter)集成在一个芯片上，功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，到底使用它的什么功能可由用户通过一些控制来选择。TP3067可以组成模拟用户线与程控交换设备间的接口，包含有话音A律编解码器。自调零逻辑。话音输入放大器、RC滤波器、开关电容低通滤波器、话音推挽功放等功能单元。TP3067具有完整的话音到PCM和PCM到话音的A律压扩编解码功能。它的编码和解码工作既可同时进行，也可异步进行。1.3 复接与解复接1.3.1 时分复用概述 时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠。时分多路复用适用于数字信号的传输。由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率,因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号单独占用,在规定的时间内,多个数字信号都可按要求传输到达,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。假设每个输入的数据比特率是9. 6kbit / s ,线路的最大比特率为76. 8 kbit / s ,则可传输8 路信号。数字复接实质上就是对多路数字信号进行时分复用，让不同的支路信号占用不同的时隙时间，在接收端再根据时间上的不同将信号分开，这一步骤叫分接，它是复接的逆过程。复接方式有三种：按位复接、按字复接、按帧复接。每路每次只插入1个符号的方式称为按位复接。对于二进制码序列，按位复接即按比特复接。这种方法是以1比特码为单位，对每个复接支路的信号每次只复接1位码，按位复接的最大优点是对复接缓冲存储器的容量要求小、简单易行、容易实现。1.3.2 时分复用原理框图1.3.3 解复用原理框图2 仿真软件System View介绍SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。System View能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。System View的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标如幅频特性（伯特图）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。在系统设计和仿真分析方面，System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。System View还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，System View还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。3 TP3067简介3.1 TP3067内部结构图3.2 TP3067引脚图3.3 TP3067引脚功能介绍VPO+：接收功率放大器的非倒相输出。GNDA：模拟地，所有信号均以该引脚为参考点。VPO-：接收功率放大器的倒相输出。VPI：接收功率放大器的倒相输入。VFRO：接收滤波器的模拟输出。VCC：正电源引脚，VCC=+5V5%。FSR：接收帧同步脉冲，它启动BCLKR，于是PCM数据移入DR，FSR为8KHZ脉冲序列。DR：接收数据帧输入，PCM数据随着FSR前沿移入DR。BCLKR/CLKSESL：在FSR前沿把输入移入DR时的位时钟，其频率可以从64KHz至2.048MHz。另一方面它也可能是一个逻辑输入，以此为在同步模式中的主时钟选择频率1.536 MHz、1.544 MHz或2.048MHz，BCLKR用在发送和接收两个方向。MCLKR/PDN： 接收主时钟，其频率可以为1.536 MHz、1.544 MHz或2.048MHz。它允许与MCLKX异步，但为了取得最佳性能应当与MCLKX同步，当MCLKR连续在低电位时，CLKX被选用为所有内部定时，当MCLKR连续工作在高电位时，器件就处于掉电模式。MCLKX： 发送主时钟，其频率可以是1.536 MHz、1.544 MHz或2.048MHz，它允许与MCLKR异步，同步工作能实现最佳性能。BCLKX：把PCM数据从DX移出的位时钟，其频率可以从64KHz至2.048MHz,但必须与MCLKX同步。DX：由FSX启动的三态PCM数据输出。FSX：发送帧同步脉冲输入，它启动BCLKX并使DX上PCM数据移出到DX上。 ：开漏输出。在编码器时隙内为低脉冲。ANLB： 模拟环路控制输入，在正常工作时必须置为逻辑“0”，当拉到逻辑“1”时，发送滤波器和发送前置放大器输出的连接线被断开，而改为和接收功率放大器的VPO+输出连接。GSX：发送输入放大器的模拟输出，用来在外部调节增益。VFXI+：发送输入放大器的非倒相输入。VFXI-：发送输入放大器的倒相输入。VBB：负电源引脚，VBB=5V5%。3.4 TP3067功能说明上电当开始上电瞬间，加压复位电路启动COMBO并使它处于掉电状态，所有非主要电路失效，而DX、VFRO、VPO-、VPO+均处于高阻状态。为了使器件上电，一个逻辑低电平或时钟脉冲必须作用在MCLKR/PDN引脚上，并且FSX和FSR脉冲必须存在。于是有两种掉电控制模式可以利用。在第一种中MCLKR/PDN引脚电位被拉高。在另一种模式中使FSX和FSR二者的输入均连续保持低电平，在最后一个FSX或FSR脉冲后相隔2ms左右，器件将进入掉电状态，一旦第一个FSX和FSR脉冲出现，上电就会发生。三态数据输出将停留在高阻抗状态中，一直到第二个FSX脉冲出现。同步工作在同步工作中，对于发送和接收两个方向应当用相同的主时钟和位时钟，在这一模式中，MCLKX上必须有时钟信号在起作用，而MCLKR/PDN引脚则起了掉电控制作用。MCLKR/PDN上的低电平使器件上电，而高电平则使器件掉电。这两种情况中，不论发送或接收方向，MCLKX都作为主时钟输入，位时钟也必须作用在MCLKX，对于频率为1.536 MHz、1.544 MHz或2.048MHz的主时钟，BCLKR/CLKSEL可用来选择合适的内部分频器，在1.544 MHz工作状态下，本器件可自动补偿每帧内的第193个时钟脉冲。当BCLKR/CLKSEL引脚上的电平固定时，BCLKX将被选为发送和接收方向兼用的位时钟。表4-4说明可选用的工作频率，其值视BCLKR/CLKSEL的状态而定。在同步模式中，位时钟BCLKX可以从64KHz变至2.048MHz，但必须与MCLKX同步。每一个FSX脉冲标志着编码周期的开始，而在BCLKX的正沿上，从前一个编码周期来的PCM数据从已启动的DX输出中移出。在8个时钟周期后，三态DX输出恢复到高阻抗状态。随着FSR脉冲的来临，依赖BCLKX（或在运行中的BCLKR）负沿上的DR输入，PCM数据被锁定，FSX和FSR必须与MCLKX或MCLKR同步。异步工作在异步工作状态中，发送和接收时钟必须独立设置，MCLK和MCLR必须为2.048MHZ，只要把静态逻辑电平加到MCLKx/PDN引脚上，就能实现这一点。FSX启动每个编码周期而且必须与MCLKX和BCLKX保持同步。FSR启动每一个译码周期而且必须与BCLKR同步。BCLKR必须为时钟信号。列于表4-4中的逻辑电平对于异步模式是不成立的。BCLKX和BCLKR工作频率可从64KHz变到2.048MHz。短帧同步工作COMBO既可以用短帧，也可以用长帧同步脉冲，在加电开始时，器件采用短帧模式。在这种模式中，FSX和FSR这两个帧同步脉冲的长度均为一个位时钟周期。在BCLKX的下降边沿，当FSX为高时，BCLKX的下一个上升边沿可启动输出符号位的三态输出DX的缓冲器，紧随其后的7个上升边沿以时钟送出剩余的7个位，而下一个下降边沿则阻止DX输出。在BCLKR的下降边沿，当FSR为高时（BCLKX在同步模式），其下一个的下降边沿将锁住符号位，紧随其后的7个下降边沿锁住剩余的7个保留位。长帧同步工作为了应用长帧模式，FSX和FSR这两个帧同步脉冲的长度等于或大于位时钟周期的三倍。在64KHz工作状态中，帧同步脉冲至少要在160ns内保持低电位。随着FSX或BCLKX的上升沿（无论哪一个先到）来到，DX三态输出缓冲器启动，于是被时钟移出的第一比特为符号位，以后到来的BCLKX的7个上升沿以时钟移出剩余的7位码。随着第8个上升沿或FSX变低（无论哪一个后发生），DX输出由BCLKX的下降沿来阻塞，在以后8个BCLKR的下降沿，接收帧同步脉冲FSR上升沿将锁住DR的PCM数据。发送部件发送部件的输入端为一个运算放大器，并配有两个调整增益的外接电阻。在低噪声和宽频带的条件下，整个音频通带内的增益可达20dB以上。该运算放大器驱动一个增益为1的滤波器（由RC有源前置滤波器组成），后面跟随一个时钟频率为256KHz的8阶开关电容带通滤波器。该滤波器的输出直接驱动编码器的抽样保持电路。在制造中配入一个精密电压基准，以便提供额定峰值为2.5V的输入过载（tmax）。FSX帧同步脉冲控制滤波器输出的抽样，然后逐次逼近的编码周期就开始，8位码装入缓冲器内，并在下一个FSX脉冲下通过DX移出，整个编码时延近似地等于165ns加上125ns（由于编码时延），其和为290 ns。接收部件接收部件包括一个扩展DAC（数模转换器），而它又驱动一个时钟频率为256KHz的5阶开关电容低通滤波器。译码器是依照A律（TP3067）设计的，而5阶低通滤波器校正8KHZ抽样保持电路所引起的sinx/x衰减。在滤波器后跟随一个其输出在VFRO上的2阶RC低通后置滤波器。接收部件的增益为1，但利用功率放大器可加大增益。当FSR出现时，在后续的8个BCLKR（BCLKX）的下降边沿，DR输入端上的数据将被时钟控制。在译码器的终端，译码循环就开始了。接收功率放大器两个倒相模式的功率放大器用来直接驱动一个匹配的线路接口电路。本编译码器既可以进行A律变换，也可以进行律变换，它的数据既可以固定速率传送，也可以变速率传送，它既可以传输信令帧，也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态。在实验中我们选择它进行A律变换，以2.048Mbit来传送信息，信令帧为无信令帧，它的发送时序和接收时序直接受FSX和FSR控制。编译码器一般都有一个PDN降功耗控制端，PDN=1时，编译码能正常工作，PDN=0，编译码器处于低功耗状态，这时编译码器其他功能都不起作用，我们在设计时，可以实现对编译码器的降功耗控制，这时，用户摘机，编译码器工作，用户挂机，编译码器低功耗。4 电路图5 仿真图及仿真结果5.1 仿真图5.1.1 信号源由高斯信号产生也可由三个幅值相同，频率不同的正弦波相加得到5.1.2 编码部分组件功能：（1）低通滤波器：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在 300Hz3400Hz的语音频带内，在这里采用了一个阶数为3阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波纹、阻带内单调的特性。（2）瞬时压缩器：瞬时压缩器（图符16）使用了我国现采用A律压缩，注意在译码时扩张器也应采用A律解压。对比压缩前后时域信号（见图6, 图7），明显看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的量化满足语音传输的需要。（3）A/D 转换器：完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散，通常认为语音的频带在300Hz3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍以上，在这里A/D的采样频率为8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。 （4）数据选择器：图符10为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换，图符11、12、13为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据。通过数据选择器还可以实现码速转换功能。5.1.3 译码部分组件功能：（1）D/A转换器(图符1)：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。（2）瞬时扩张器（图符8）：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A 律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。 （3）低通滤波器（图符3）：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径