PCM译码器和解码器系统设计

1、 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、Mul

2、tisim、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

3、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，

4、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 AbstractCombined with the sampling, quantization, coding theory of PCM, using MATLAB software programming and graphics, the completion of the pulse code modulation (PCM) modeling and simulation analysis system.The basic method is to establish the

5、 model of communication system of learning through the use of computer and basic skills, learning by means of simulation of communication system of basic theory and basic algorithm are verified.The basic method of using communication system simulation software to learn of the existing, to solve comm

6、unication problems using Matlab software.Keywords: pulse code modulation (PCM) with uniform and non-uniform quantization in MATLAB simulation 目录1知识背景.2 1.1 PCM原理及仿真.2 1.2脉冲编码调制.2 1.3 PCM编码原理.32 M文件仿真.10 2.1 原信号采样程序.10 2.2原信号编码程序.113 SIMULINK. 15 3.1 原始模拟信号电路图及仿真图.15 3.2 PCM编码器电路设计.16 3.3 PCM解码器电路设计.

7、164 心得体会.225 参考文献.22 1 背景知识1.1 PCM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。 1.1.1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： 抽样保持 信道 编码

8、量化 干扰低通滤波译码 图1 PCM系统原理框图图中，输入的模拟信号m(t)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，再由低通滤波器滤出模拟基带信号m(t)。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。 1.1.2 PCM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

9、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，f h）内的时间连续信号，如果以1/2 f h的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f h，当抽样频率f S2 f h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。 2) 量化模拟入量化器量化值 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

10、抽样值的大小，则N个二进制码元只能代表个不同的抽样值。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

11、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。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： （1-2）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

12、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： 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.。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2 A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；间的线段称为第7段；间的线段称为第6段；依此类推，直到间线段称为第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1-1中列出了这些斜率。 表1-1 各段折线斜率折线段号 1 2

13、3 4 5 6 7 8斜 率 16 16 8 4 2 1 1/2 1/4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。 表1-2 13 折线时的值与计算值的比较01 A律的x值01按13折线法分段时的01折线段落号12345678折线斜率16168421表1-2中第二行的x值是根据上式 时计算得到的，第三行的 x值是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

14、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，因此所需编码位数N=8.8位码的安排如下： 极性码表示样值的极性。规定正极性为“1”，负极性为“0”；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个不同的段落，如表

15、2-1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1-4.编码器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1-3 段落码 表1-4 段内码量化级序号段落序号段落码量化级序号段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000 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。

16、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 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 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化间隔，如表1-5所列。 表1-5 段落起始电平和段内量化间隔段落序号 段落码 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） 8 1 1 1 1024 64 7 1 1 0 512 32 6 1 0 1 256 16 5 1 0 0 128 8 4 0 1 1 64 4 3 0 1 1 32 2 2 0 0 1

17、 16 1 1 0 0 0 0 1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，

18、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PCM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

19、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。 2 MATLAB文件仿真2.1 原信号采样程序如下：clear;t = -0.1:0.001:0.1; %该参数用于画原信号图形f = sin(3*pi*90*t)+cos(3*pi*37*t);%原函数, 由t的取值可得f有201个值subplot(3,1,1) %matlab矩阵区

20、域设置plot(t, f); %画出采原函数序列图title('原信号');xlabel('时间t(s)');T= 1/500; %抽样周期，500是抽样频率，可以调整抽样频率gs = -0.1:T:0.1;fg = sin(2*pi*60*gs)+cos(2*pi*25*gs); %对信号进行以T周期抽样subplot(3,1,2) stem(gs, fg) %画图title('采样信号');xlabel('时间t(s)')； 图3 原信号采样图2.2 原信号编码程序如下：close all; %建立原信号T=0.002; %取

21、时间间隔为0.01t=-0.1:T:0.1; %时域间隔dt为间隔从0到10画图xt=sin(3*pi*90*t)+cos(3*pi*37*t); %xt方程%采样：时间连续信号变为时间离散模拟信号 fs=800; %抽样fs>=2fc，每秒钟内的抽样点数目将等于或大于2fc个sdt=1/fs; %频域采样间隔0.002t1=-0.1:sdt:0.1; %以sdt为间隔从-0.1到0.1画图st=sin(2*pi*60*t1)+cos(2*pi*25*t1); % 离散的抽样函数figure(1); subplot(3,1,1);plot(t1,st);title('原始信号&#

22、39;); %画出原始的信号图,以好对比grid on %画背景subplot(3,1,2);stem(t1,st,'.'); %这里画出来的是抽样后的离散图title('抽样信号');grid on %画背景%量化过程n=length(st); %取st的长度为nM=max(st);A=(st/M)*2048; %a1(极性码) a2a3a4（段落码）a5a6a7a8（段内电平码） code=zeros(10,8); %产生10*8的零矩阵%极性码a1 for i=1:n %if循环语句 if A(i)>=0 code(i,1)=1; %代表正值 els

23、e code(i,1)=0; %代表负值end if abs(A(i)>=0&&abs(A(i)<16 code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=1;start=0;elseif 16<=abs(A(i)&&abs(A(i)<32 code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=1;start=16;elseif 32<=abs(A(i)&&abs(A(i)<64 code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=0;s

24、tep=2;start=32;elseif 64<=abs(A(i)&&abs(A(i)<128 code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=4;start=64;elseif 128<=abs(A(i)&&abs(A(i)<256 code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=8;start=128;elseif 256<=abs(A(i)&&abs(A(i)<512 code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=

25、1;step=16;start=256;elseif 512<=abs(A(i)&&abs(A(i)<1024 code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=32;start=512;elseif 1024<=abs(A(i)&&abs(A(i)<2048 code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=64;start=1024; EndB=floor(abs(A(i)-start)/step); %段内码编码floor取整(四舍五入) t=dec2bin(B,4)-

26、48; %dec2bin定义将B变为4位2进制码，-48改变格式 code(i,5:8)=t(1:4); %输出段内码endcode=reshape(code',1,8*n); %reshape代表从新塑形codesubplot(3,1,3);stem(code,'.');axis(1 64 0 1); %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');grid on 图4 原信号采样编码图 3 Simulink仿真 3.1原始模拟信号电路图及仿真图 图5 原始模拟信号电路图 图6 正弦波参数设置图 图7 仿真波形图3.2

27、PCM编码器电路设计 图8 13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A-Law Compressor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0-127，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： 图9 Constant参数设置图 图10 Saturation参数设置图 图11 Abs 参数设置图 图12 A-Law Compressor参数设置图 图13 Gain参数设置图 图14 Quantizer参数设置图 图15 Integer to Bit Converter参数设置图将该系统进行封装： 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3.3 PCM解码器电路设计图18 13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