PCM_编译码器设计及应用课程设计.doc

PCM 编译码器设计及应用一、摘要 脉冲编码调制（pulse code modulation，PCM）是概念上最简单、理论上最完善的编码系统，是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统。运用Matlab软件仿真来实现PCM编解码芯片的部分功能，从而完成整个电路设计上的编解码，设计简单，灵活方便。本文介绍用Matlab的Simulink来仿真实现PCM编解码器的方法和过程，采用Matlab通信仿真软件对应用于无线信道中的数字通信方式和主要通信过程的实际情况进行计算机模拟仿真。主要通信过程为采样、量化、编码、调制解调等，为建立实际通信系统提供了实验仿真。 二、关键字：PCM、编译码、动态仿真三、引言 随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。基于信号的用于通信系统的动态仿真软件 simulink 具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，形成多层系统，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。 simulink 具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一个可视 的仿真过程，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，尤其在信号分析、通信系 统等领域。其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统。本文主要阐述了如何利用 simulink 实现脉冲编码调制（PCM）。系统的实现通过模块分层实现，模块主要由 PCM 编码模块、PCM 译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。 四、系统介绍1、PCM 简介 现在的数字传输系统都是采用脉码调制（Pulse Code Modulation） 体制。 PCM 最初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。随着大规模集成电路的飞速发展,话路滤波器和 PCM 编码器已可集成在同一芯片上,这使 PCM 在光纤通信,数字微波通信,卫星通信 等数字通信领域中获得了更广泛的应用。然而在某些需要PCM编码器的实际应用中,如数字交换机中的信号音的产生和实现,单靠 PCM 编解码芯片来完成整个编解码功能 ,在电路设计和实现上都显得烦琐和笨拙 ,相反如果运用软件方法来实现PCM编解码芯片的部分功能并与PCM 编解码芯片相结合来共同完成整个电路设计上的编解码,不仅设计简单,灵活方便,而且往往可以达到事半功倍的结果。在现代通信系统中以 PCM 为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输。PCM 的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定,尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、 纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM 还可以在一个信道上将多路信号进行时分复用传输。所以,在未来的很长一段时间内,PCM 在通信系统中都会起着很大的作用。2、脉冲编码调制 （PCM）原理 PCM 即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM 的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据 CCITT 的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为 A 律和律方式，我国采用了 A 律方式，由于 A 律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化PCM 编码示意图如下图示。 PCM信号 模拟信号 输出编码器 低通滤波抽样保持量化器编码器 输入 信道 冲激脉冲 干扰 译码器低通滤波 模拟信号输出 PCM信号输入3、PCM中抽样、量化、编码原理 3.1、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。3.2、量化 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。如图下图所示，量化器 Q 输出 L 个量化值 yk ，k=1，2，3，L。 yk 常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度 x 落在 x k 与 x k +1 之间时，量化器输出电平为 yk 。 这个量化过程可以表达为： y = Q( x) = Q x k x x k +1 =yk, （k = 1, 2，3，.，L ）这里 x k 称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。 量化器 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 m (t ) 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v 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。下图示出了这中压扩特性。 表1列出了 13 折线时的 x 值与计算 x 值的比较。表1中第二行的 x 值是根据 A = 87.6 时计算得到的，第三行的 x 值是 13 折线分段时的值。 可见，折线各段落的分界点与 A = 87.6 曲线十分逼近，同时 x 按 2 的幂次分割有利于数字化。3.3、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。 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 2 7128 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编译码器集成芯片，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。五、基于 simulink 的 PCM 编码和解码的仿真5.1 PCM编译码器设计系统结构5.2 部分元件参数设置图1、信源2，零阶保持3、抽样信号5.3仿真输入输出波形1、原信号波形2、抽样信号波形3、抽样后的波形4、编码后的波形5、译码后的波形六、误差分析 误差产生原因：（1）由于实际取样脉冲不可能是理想的冲激函数而引入的 孔径失真;（2） 由于无穷内插公式和许多高频 8 分量而混入了插入噪声;（3） （3）因解码端再生取样脉冲时而导致的定时抖动失真等。误差的表现：恢复的图像成阶梯形,而不圆滑。七、心得体会 这次时长一周的通信原理的课程设计在紧张忙碌中度过，由于自己本身的课本理论知识学习方面的不足导致了这次课程设计的一个很不好的开端，刚开始就是很迷茫不知道该干什么，但是通过一两天的对课本知识的复习巩固，以及对matlab软件的熟练操作，通过上网和到图书馆借阅一些资料，终于艰难的完成了我的课程设计的作业。本文中介绍了现代语音通信中常用的模拟信号数字化及数字信号模拟化PCM编译码的实现过程。通过仿真软件MATLAB的强大仿真功能，形象的实现了模数转换的全过程。它的出现解决了模数转换的实现问题。通过这次课程设计，我掌握了PCM编码的工作原理和PCM