pcm译码器和解码器系统设计 通信原理课程设计

南华大学电气工程学院通信原理课程设计任务书设计题目PCM编码器系统的设计专业电子信息工程学生姓名段超学号20124470323起迄日期2015年12月20日2016年1月20日指导教师李圣系主任陈忠泽通信原理课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）（1）技术要求MATLAB语言编程设计PCM编码器系统的各个功能模块，并分析该系统的性能。（2）工作要求查阅参考文献，利用通信原理基本理论，分析系统工作原理，设计系统方框图；掌握计算机辅助设计方法，利用MATLAB/SIMULINK、SYSTEMVIEW、MULTISIM、MAXPLUSIII、QUARTUSII等软件进行仿真设计，具备独立设计能力；熟悉通信系统的调试和测量方法；掌握电子电路安装调试技术，选择合适的元器件搭接实际电路，掌握电路的测试和故障排除方法，提高分析问题和解决问题的能力。不能直接从网上或其他资料下载拷贝，一旦发现雷同35以上，则相关雷同设计的成绩都为不及格。按时完成设计报告；提交的电子稿必须在附录中含有全套仿真源文件、或设计原图（电子稿是以“学生学号姓名”为命名的压缩文件）；并提交纸质设计报告书。随机抽查，并进行最后答辩。2对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求用MATLAB等编程语言实现时，写出详细的注释，并画出各种信号的时域频域波形。设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字35005000字。仿真设计类要求有仿真流程图、调试时的电脑屏幕截图；实物设计类要求图纸布局合理，符合工程要求，使用PROTEL软件绘出原理图（SCH）和印制电路板PCB,器件的选择要有计算依据。摘要本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。即学习通过利用计算机建立通信系统模型的基本方法和基本技能，学习会利用仿真的手段对通信系统的基本理论和基本算法进行验证。学习现有流行的通信系统仿真软件的基本使用方法，利用MATLAB软件解决通信中存在的问题。关键词脉冲编码调制（PCM）均匀与非均匀量化MATLAB仿真ABSTRACTCOMBINEDWITHTHESAMPLING,QUANTIZATION,CODINGTHEORYOFPCM,USINGMATLABSOFTWAREPROGRAMMINGANDGRAPHICS,THECOMPLETIONOFTHEPULSECODEMODULATIONPCMMODELINGANDSIMULATIONANALYSISSYSTEMTHEBASICMETHODISTOESTABLISHTHEMODELOFCOMMUNICATIONSYSTEMOFLEARNINGTHROUGHTHEUSEOFCOMPUTERANDBASICSKILLS,LEARNINGBYMEANSOFSIMULATIONOFCOMMUNICATIONSYSTEMOFBASICTHEORYANDBASICALGORITHMAREVERIFIEDTHEBASICMETHODOFUSINGCOMMUNICATIONSYSTEMSIMULATIONSOFTWARETOLEARNOFTHEEXISTING,TOSOLVECOMMUNICATIONPROBLEMSUSINGMATLABSOFTWAREKEYWORDSPULSECODEMODULATIONPCMWITHUNIFORMANDNONUNIFORMQUANTIZATIONINMATLABSIMULATION目录1知识背景211PCM原理及仿真212脉冲编码调制213PCM编码原理32M文件仿真1021原信号采样程序1022原信号编码程序113SIMULINK1531原始模拟信号电路图及仿真图1532PCM编码器电路设计1633PCM解码器电路设计164心得体会225参考文献2211背景知识11PCM原理及仿真脉冲编码调制就是把一个时间，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后在信道中传输。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化，编码的过程。111脉冲编码调制脉冲编码调制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,下图为PCM系统的原理框图转换DA/干扰TMTMSTSQTMSQTM图1PCM系统原理框图图中，输入的模拟信号MT经抽样、量化、编码后变成了数字信号PCM信号，经信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤抽样保持量化编码信道译码低通滤波2出模拟基带信号MT。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器D/A变换器。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号的变换。112PCM编码原理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。在一个频带限制在（0，FH）内的时间连续信号，如果以1/2FH的TM时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号F（T）的频谱中最高频率不超过FH，当抽样频率FS2FH时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。抽样定理在实际应用中应注意在抽样前后模拟信号进行滤波，把高于二分之一抽样频率的频率滤掉。这是抽样中必不可少的步骤。TMTTS12量化设模拟信号的抽样值为，其中是抽样周期，K是整数。此抽样值仍然SKS是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。若我们仅用N个二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则N个二进制码元只能代表个不NM2同的抽样值。因此，必须将抽样值的范围划分为M个区间每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，它们称为量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样的方法称为量化。模拟入YX量化器量化值3模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。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V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。这里的压缩是用一个非线性电路将输入电压X变换成输出电压Y（1FY2）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，所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律AXXY10,LN131,L44式中X为压缩器归一化输入电压；Y为压缩器归一化输出电压；A为常数，在实用中，选择它决定压缩程度。687A由于A律实现复杂，常使用13折线法编码,压扩特性图如下图所示图2A律函数13折线压扩特性图图中横坐标X在区间中分为不均匀的8段。间的线段；间1012/2/14的线段称为第7段；间的线段称为第6段；依此类推，直到4/8间线段称为第1段。图中纵坐标Y则均匀地划分做8段。将与这8段128/0相应的坐标点（X，Y）相连，就得到了一条折线。由图可见，除第一段和第二段外，其他各段折线的斜率都各不相同。在表11中列出了这些斜率。表11各段折线斜率折线段号12345678斜率161684211/21/4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。5表1213折线时的值与计算值的比较XY0812834856871A律的X值0601791391按13折线法分段时的X012864321681421折线段落号12345678折线斜率16168421241表12中第二行的X值是根据上式时计算得到的，第三行的X值,1是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A律曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。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6化来加以说明。在A律13折线PCM编码中，由于正，负各有8段，每段内有16个量化级，共计个量化级，8256182因此所需编码位数N88位码的安排如下极性码1C段落码432段内码8765C极性码表示样值的极性。规定正极性为“1”，负极性为“0”；1段落码表示样值所处的段落。3位段落码的8种可能状态对应8个不同432C的段落，如表21所列。段内码的16种可能状态对应各段内的16个量化级，见表14编码器8765将根据样值的幅度所在的段落和量化级，编出相应的幅度码。表13段落码表14段内码量化级序号段落序号段落码量化级序号段内码15111181111411101311017110121100111011610110101091001510081000701114011601107501013010401003001120012001010001100000000为了确定样值的幅度所在的段落和量化级，必须知道每个段落的起始电平和各段内的量化间隔。在A律13折线中，由于各段的长度不等，因此各段内的量化间隔也是不同的。第一段，第二段最短，只有归一化值的1/128，再将它等分16级，每个量化及间隔为204816式中表示最小的量化间隔，称为一个量化单位，它仅有输入信号归一化值的1/128第八段最长，它的每个量化及间隔为643211即包含64个最小量化间隔。若以为单位，则各段的起始电平和各段内的量II化间隔，如表15所列。IV表15段落起始电平和段内量化间隔段落序号81I段落码432C段落范围（量化单位）段落起始电平（量化单位）段内量化间隔（量化单位）811120481024647110155123261016256168510025618128840114644301133222001261611000101以上是非均匀量化的情况。若以为量化间隔进行均匀量化，则13正极性的8个段落所包含的均匀量化级数分别为16，16，32，64，128，256，512，1024，共计个量化级数或量化电平，需要进行11位（线性）编码。而非均12048匀量化只有128个量化电平，只要编7位（非线性）码。由此可见，在保证小信号量化间隔相同的条件下，非均匀量化的编码位数少，所需传输系统带宽减小。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，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。4）译码9PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。其中各模块功能如下D/A转换器用来实现与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，也就是最起码的步骤。瞬时扩张器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。低通滤波器由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。2MATLAB文件仿真21原信号采样程序如下CLEART01000101该参数用于画原信号图形FSIN3PI90TCOS3PI37T原函数,由T的取值可得F有201个值SUBPLOT3,1,1MATLAB矩阵区域设置PLOTT,F画出采原函数序列图TITLE原信号XLABEL时间TST1/500抽样周期，500是抽样频率，可以调整抽样频率GS01T01FGSIN2PI60GSCOS2PI25GS对信号进行以T周期抽样SUBPLOT3,1,2STEMGS,FG画图TITLE采样信号XLABEL时间TS；10图3原信号采样图22原信号编码程序如下CLOSEALL建立原信号T0002取时间间隔为001T01T01时域间隔DT为间隔从0到10画图11XTSIN3PI90TCOS3PI37TXT方程采样时间连续信号变为时间离散模拟信号FS800抽样FS2FC，每秒钟内的抽样点数目将等于或大于2FC个SDT1/FS频域采样间隔0002T101SDT01以SDT为间隔从01到01画图STSIN2PI60T1COS2PI25T1离散的抽样函数FIGURE1SUBPLOT3,1,1PLOTT1,STTITLE原始信号画出原始的信号图,以好对比GRIDON画背景SUBPLOT3,1,2STEMT1,ST,这里画出来的是抽样后的离散图TITLE抽样信号GRIDON画背景量化过程NLENGTHST取ST的长度为NMMAXSTAST/M2048A1极性码A2A3A4（段落码）A5A6A7A8（段内电平码）CODEZEROS10,8产生108的零矩阵极性码A1FORI1NIF循环语句IFAI0CODEI,11代表正值ELSECODEI,10代表负值END12IFABSAI0CODEI,30CODEI,40STEP1START0ELSEIF16ABSAICODEI,30CODEI,41STEP1START16ELSEIF32ABSAICODEI,31CODEI,40STEP2START32ELSEIF64ABSAICODEI,31CODEI,41STEP4START64ELSEIF128ABSAICODEI,30CODEI,40STEP8START128ELSEIF256ABSAICODEI,30CODEI,41STEP16START256ELSEIF512ABSAICODEI,31CODEI,40STEP32START512ELSEIF1024ABSAICODEI,31CODEI,41STEP64START1024ENDBFLOORABSAISTART/STEP段内码编码FLOOR取整四舍五入TDEC2BINB,448DEC2BIN定义将B变为4位2进制码，48改变格式CODEI,58T14输出段内码ENDCODERESHAPECODE,1,8NRESHAPE代表从新塑形CODESUBPLOT3,1,3STEMCODE,AXIS16401这里我们先取前面八个点编码输出,输出时候有64个点TITLE编码信号GRIDON13图4原信号采样编码图143SIMULINK仿真31原始模拟信号电路图及仿真图图5原始模拟信号电路图15图6正弦波参数设置图图7仿真波形图1632PCM编码器电路设计图813折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如上图所示。其中以SATURATION作为限幅器，将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内，以ALAWCOMPRESSOR作压缩器，RELAY模块的门限值设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位极性码。样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0127，然后用间隔为1的QUANTIZER进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。可以将上图中CONSTANT和DISPLAY（不含）之间的模块封装一个PCM编码子系统备用。其中各模块的具体参数设置如下17图9CONSTANT参数设置图图10SATURATION参数设置图18图11ABS参数设置图图12ALAWCOMPRESSOR参数设置图19图13GAIN参数设置图图14QUANTIZER参数设置图20图15INTEGERTOBITCONVERTER参数设置图将该系统进行封装21图16封装之后的PCM编码子系统图17封装之后的PCM编码子系统图标33PCM解码器电路设计22图1813折线近似的PCM解码器测试模型和仿真结测试模型和仿真结果如上图所示，其中PCM编码子系统是编码器封装之后的。PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和7位数据，然后将7位数据转换位