脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真

1、脉冲编码调制 (PCM)系统设计与仿真脉冲编码调制（PCM）系统设计与仿真摘要 : 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。 通过仿真展示 了 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 编译码1、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 SystemView具有强大的功能， 可以满足从底层到高层不同层次的设计、

2、 分析使 用，并且提供了嵌入式的模块分析方法， 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。SystemView 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，并提供了内容丰富的基本库和专 业库。 本文主要阐述了如何利用 SystemView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

3、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。2、系统介绍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 编码示意图见图 1。话音输出图1 PCM原理框图下面将介绍 PCM 编码中抽样、量化及编码的原 理：(a) 抽样 所谓抽

4、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。(b) 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 2 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 xk与xk1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 xk x xk 1 yk , k 1,2,3, ,L这里 x

5、k称为分层电平或判决阈值。 通常 k xk 1 xk称为量化间隔图2 模拟信号的量化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

6、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

7、律。所谓 A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：Ax1y ,0 X1 ln AA1 ln Ax 1 y , X 11 ln A A7868584未压83823）812）1）y1（8）（7）A 律压扩特性是连续曲线， A 值不同压扩特性11111116842128111326480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 3 示出 了这种压扩特性。图 3

8、13 折线表 1 列出了 13 折线时的 x值与计算 x 值的比 较。表1y0182838485868781x01128160.6130.6115.417.7913.9311.981按折线 分段 时的 x011281641321161814121段落12345678斜率161684211214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， 13 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 (c) 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

9、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81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010

10、02001300112001010001000100000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

11、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。2.1、信号源子系统的组成：由三个幅度相同、频率不同的正弦信号（图符7、8、9）合成，如下图 4 所示:图42.2、PCM 编码器模块PCM 编码器模块主要由信号源（图符 7）、低 通滤波器（图符 15）、瞬时压缩器（图符 16）、 A/D 转换器（图符 8）、并 /串转换器 （图符 10）、 输出端子构成（图符 9），实现模型如下

12、图 5 所 示:图5信源信号经过 PCM 编码器低通滤波器（图符 15）完成信号频带过滤，由于 PCM 量化采用非 均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现 A 律压缩 后再进行均匀量化， A/D 转换器（图符 8）完成 采样及量化，由于 A/D 转换器的输出是并行数 据，必须通过数据选择器（图符 10）完成并 /串 转换成串行数据，最后通过图符（ 9）输出 PCM 编码信号。2.2.1 PCM 编码器组件功能实现（ 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

13、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。图 7 压缩后图 6 压缩前（ 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 300Hz 3400Hz，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

14、 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2.3、 PCM 译码器模块PCM 译码器是实现 PCM 编码的逆系统。 PCM 译码器模块主要由 ADC 出来的 PCM 数据输出 端、D/A 转换器、瞬时扩张器、 低通滤波器构成。 实现模

15、型如下图 8 所示：图82.3.1 PCM 译码器组件功能实现（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。子系统（图符 12）如下图 10：（ 1）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。（ 2）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

16、 的低通滤波器。3、系统仿真模型如下图 9：图 9 系统模型图 10 子系统以上图 9、图 10 各方块的有关参数如表 4：表4符号名称参数设置12子系统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 ， Ph

17、ase = 0 deg ， Output 0 = Sine t4 ， Output 1 = Cosine10AdderInputs from 7 8 9，Outputsto 1111Meta OutInput from10 Output to 3203 4 514 19Analysis13Logic: ADCTwos 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 =

18、 2.5 v ， Rise Time = 0 sec ， Analog = t21 Output 0 ， Clock = t1 Output 00Logic: DACTwos 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 = t13Output 3，D-4 = t13 Output4220Opera

19、tor:LinearSys ButterworthLowpass IIR3 Poles ， Fc = 1.8e+3 Hz， Quant Bits = NoneInit Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled118Source: PulseTrainAmp= 1 v，Freq = 10e+3 HzPulseW = 20.e-6 sec ，Offset = 0 v，Phase = 0 deg21Comm: DeCompand A-La，w Max Input = 2.56Comm: Compander A-Law， Max Input = 2.516Source:

20、PulseTrainAmp = 1 v， Freq = 30e+3 Hz ，PulseW = 20.e-6 sec Offset = 0 v， Phase = 0 deg17Source: PulseTrainAmp= 1 v ，Freq = 20e+3 Hz， PulseW = 20.e-6 secOffset = 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：（1）信号源的波形2）信号源经压缩后的波

21、形3）PCM 编码的波形（ 4）PCM 译码时经过 D/A 转化并用 A 律扩张 后的输出波形5）译码后恢复源信号的输出波形由以上数据波形可以看出在 PCM 编码的过程 中，译码输出的波形具有一定的延迟现象， 其波 形基本上不失真的在接收端得到恢复， 传输的过 程中实现了数字化的传输过程。5、参考文献吴伟陵,续大我 ,庞沁华通信原理北京邮电 大学出版社， 20052 青松，程岱松，武建华数字通信系统的 SystemView真与分析北京航空航天大学出版社， 20013 曹志刚，钱亚生 . 现代通信原理清华大学 出版社， 19924 苗长云等主编 . 现代通信原理及应用电子 工业出版社， 20055 罗卫兵 /孙桦 /张捷 SystemView动态系统分析及通信系 仿真设计西安电子科技大学出版社， 20016、设计过程中需解决的问题(1)首先，必须