#脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真1設(shè)計(jì)目的加深對(duì)所學(xué)的通信原理知識(shí)理解，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)素質(zhì)；掌握通信電路的設(shè)計(jì)方法，能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的通信電路系統(tǒng)；掌握通信系統(tǒng)安裝的基本知識(shí)和技能，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)通信電路系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)試和檢測(cè)的能力；通過(guò)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)掌握通信中常用的信號(hào)處理方法，能夠分析簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的性能。2設(shè)計(jì)要求畫(huà)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，利用SystemView的模塊畫(huà)出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行仿真，觀察仿真波形。3設(shè)計(jì)原理SystemView仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)多層次的通信系統(tǒng)仿真。脈沖編碼調(diào)制(PCM)是現(xiàn)代語(yǔ)音通信中數(shù)字化的重要編碼方式。利用SystemView實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制(PCM)仿真,可以為硬件電路實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。通過(guò)仿真展示了PCM編碼實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路及具體過(guò)程，并加以進(jìn)行分析。PCM即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。PCM的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和"律方式，我國(guó)采用了A律方式，由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用13折線(xiàn)法編碼,采用非均勻量化PCM編碼示意圖見(jiàn)圖1。

圖3.1PCM原理框圖下面將介紹PCM編碼中抽樣、量化及編碼的原理：抽樣所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性?huà)呙瑁褧r(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。量化從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖2所示，量化器Q輸出L個(gè)量化值y，k=l,2,3,…,kL。y常稱(chēng)為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度x落在X與X之間

kkk+1時(shí)，量化器輸出電平為y。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為:ky=Qy=Q(x)=Q{xk<X<Xk+1k=1,2,3,,L這里x這里x稱(chēng)為分層電平或判決閾值。k通?！?X-X稱(chēng)為量化間隔。kk+1kX模擬入量化器X模擬入量化器y量化值圖3.2模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點(diǎn)是：無(wú)論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當(dāng)信號(hào)m(t)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿(mǎn)足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見(jiàn)，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔Av也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度(實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是卩壓縮律和A壓縮律。美國(guó)采用卩壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用A壓縮律，因此,PCM編碼方式采用的也是A壓縮律。所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律:Ax1y=,0<X<—1+InAA1+InAx1y=,<X<11+InAA

A律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線(xiàn)，A值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實(shí)際中，往往都采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線(xiàn)(A=87.6)的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電64圖3.3A律函數(shù)13折線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來(lái)進(jìn)行編碼的。圖3示出了這種壓擴(kuò)特性。表1列出了13折線(xiàn)時(shí)的x值與計(jì)算x值的比較。表3.113折線(xiàn)時(shí)的x值與計(jì)算x值的比較y0182838485868781x01128160.6130.6115.417.7913.9311.981按折線(xiàn)分段時(shí)的x0112816413211814121段落12345678斜率161684211214表1中第二行的x值是根據(jù)A=87.6時(shí)計(jì)算得到的，第三行的x值是13折線(xiàn)分段時(shí)的值?？梢?jiàn)，13折線(xiàn)各段落的分界點(diǎn)與A=87.6曲線(xiàn)十分逼近，同時(shí)x按2的幕次分割有利于數(shù)字化。編碼所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過(guò)程稱(chēng)為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類(lèi)：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類(lèi)。編碼器的種類(lèi)大體上可以歸結(jié)為三類(lèi):逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無(wú)論采用幾位碼,一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線(xiàn)的量化來(lái)加以說(shuō)明。

段落序號(hào)段落碼8111段落序號(hào)段落碼81117110610151004011301020011000表3.2段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼15111114111013110112110011101110101091001810007011160110501014010030011200101000100000表3.3段內(nèi)碼在13折線(xiàn)法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按8段折線(xiàn)（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示輸入信號(hào)的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來(lái)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27=128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見(jiàn)表3。PCM編譯碼器的實(shí)現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時(shí)將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實(shí)現(xiàn)。3.1、信號(hào)源子系統(tǒng)的組成由三個(gè)幅度相同、頻率不同的正弦信號(hào)（圖符7、8、9）合成，如圖4圖3.4信號(hào)源子系統(tǒng)的組成3.2、PCM編碼器模塊PCM編碼器模塊主要由信號(hào)源（圖符7）、低通濾波器（圖符15）、瞬時(shí)壓縮器（圖符16）、A/D轉(zhuǎn)換器（圖符8）、并/串轉(zhuǎn)換器（圖符10）、輸出端子構(gòu)成（圖符9）,實(shí)現(xiàn)模型如下圖5所示：TOC\o"1-5"\h\zIIIIIIII:::［間::::IIIIIIt—JIII!r!:SE!a->|B|->H3|-i——>D->Enrr：iiiiiI|iIiiiii"iiiii圖3.5PCM編碼器模塊信源信號(hào)經(jīng)過(guò)PCM編碼器低通濾波器（圖符15）完成信號(hào)頻帶過(guò)濾，由于PCM量化采用非均勻量化，還要使用瞬時(shí)壓縮器實(shí)現(xiàn)A律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，

A/D轉(zhuǎn)換器（圖符8）完成米樣及量化，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是并行數(shù)據(jù)，必須通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器（圖符10）完成并/串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，最后通過(guò)圖符（9）輸出PCM編碼信號(hào)。3.3、PCM編碼器組件功能實(shí)現(xiàn)（a）低通濾波器：為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的語(yǔ)音頻率特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過(guò)渡，采用了低通濾波器，而沒(méi)有設(shè)計(jì)帶通濾波器。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)在300Hz—3400Hz的語(yǔ)音頻帶內(nèi)，在這里采用了一個(gè)階數(shù)為3階的切比雪夫?yàn)V波器，其具有在通帶內(nèi)等波紋、阻帶內(nèi)單調(diào)的特性。（b）瞬時(shí)壓縮器：瞬時(shí)壓縮器（圖符16）使用了我國(guó)現(xiàn)采用A律壓縮，注意在譯碼時(shí)擴(kuò)張器也應(yīng)采用A律解壓。對(duì)比壓縮前后時(shí)域信號(hào)（見(jiàn)圖6,圖7），明顯看到對(duì)數(shù)壓縮時(shí)小信號(hào)明顯放大，而大信號(hào)被壓縮，從而提高了小信號(hào)的信噪比,這樣可以使用較少位數(shù)的量化滿(mǎn)足語(yǔ)音傳輸?shù)男枰?。圖3.6壓縮前Sink3TimeinSecondsmpnlKE<空w4:Sink19Sink-1001.e-32.e-3：3.e-301.e-32.e-3：3.e-3TimeinSeconds圖3.7壓縮后圖3.6壓縮前Sink3TimeinSecondsmpnlKE<空w4:Sink19Sink-1001.e-32.e-3：3.e-301.e-32.e-3：3.e-3TimeinSeconds圖3.7壓縮后SystemMem（c）A/D轉(zhuǎn)換器：完成經(jīng)過(guò)瞬時(shí)壓縮后信號(hào)時(shí)間及幅度的離散，通常認(rèn)為語(yǔ)音的頻帶在300Hz—3400Hz,根據(jù)低通采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率兩倍以上，在這里A/D的采樣頻率為8Hz即可滿(mǎn)足，均勻量化電平數(shù)為256級(jí)量化,編碼用8bit表示，其中第一位為極性表示，這樣產(chǎn)生了64kbit/s的語(yǔ)音壓縮編碼。數(shù)據(jù)選擇器：圖符10為帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器，與74151功能相同，在這里完成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的并/串轉(zhuǎn)換，圖符11、12、13為選擇控制端，在這里控制輪流輸出并行數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器還可以實(shí)現(xiàn)碼速轉(zhuǎn)換功厶匕能。3.4、PCM譯碼器模塊PCM譯碼器是實(shí)現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。PCM譯碼器模塊主要由ADC出來(lái)的PCM數(shù)據(jù)輸出端、D/A轉(zhuǎn)換器、瞬時(shí)擴(kuò)張器、低通濾波器構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)模型如下圖8所示:圖3.8PCM譯碼器3.4.1PCM譯碼器組件功能實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器(圖符1)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)與A/D轉(zhuǎn)換相反的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達(dá)到譯碼最基本的要求，也就是最起碼要有步驟。擴(kuò)張器(圖符8)：實(shí)現(xiàn)與瞬時(shí)壓縮器相反的功能，由于采用A律壓縮，擴(kuò)張也必須采用A律瞬時(shí)擴(kuò)張器。濾波器(圖符3)：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會(huì)引入孔徑失真，量化時(shí)也會(huì)帶來(lái)量化噪聲，及信號(hào)再生時(shí)引入的定時(shí)抖動(dòng)失真，需要對(duì)再生信號(hào)進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償，同時(shí)濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。系統(tǒng)仿真模型如下圖9：1111II1111TOC\o"1-5"\h\zIIIIIIIiiiiIIIIIIIiiiiiiiiiinniiiiiiiiiiiipj—LQHLiiiiiIIIIII■Illiii__iiLi_iii_7ii"iI■""iITIi"iiiiiiiiiiiiiiiiiiifinnHIlrI11,11l^^￡lI1,1,1IIIIIIIIIIiiiiiLqiiiliiiiiiiiSi\B\BrBi\B\\\\JrI■；TiffTFIli；yu?i1fi葉簡(jiǎn)iiiii~~iiii圖3.9系統(tǒng)模型子系統(tǒng)（圖符12）如下圖10：圖3.10子系統(tǒng)以上圖9、圖10各方塊的有關(guān)參數(shù)如表4：表3.4有關(guān)參數(shù)符號(hào)名稱(chēng)參數(shù)設(shè)置12子系統(tǒng)7SinusoidAmp=1v，F(xiàn)req=1e+3Hz，Phase=0deg.Output0=Sinet4，Output1=Cosine8SinusoidAmp=1v.Freq=1.5e+3Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine9SinusoidAmp=1v，F(xiàn)req=500Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine10AdderInputsfrom789，Outputsto11

11MetaOutInputfrom10Outputto3203451419Analysis13Logic:ADCTwo'sComplement,GateDelay=0sec,Threshold=500e-3v,TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,No.Bits=8,MinInput=-2.5v,MaxInput=2.5v,RiseTime=0sec,Analog=t21Output0,Clock=t1Output00Logic:DACTwo'sComplement,GateDelay=0sec,Threshold=500e-3No.Bits=8,MinOutput=-2.5v,MaxOutput=2.5v,D-0=t13Output0,D-1=t13Output1,D-2=t13Output2,D-3=t13Output3,D-4=t13Output4220Operator:LinearSysButterworthLowpassIIR3Poles,Fc=1.8e+3Hz,QuantBits=NoneInitCndtn=Transient,DSPModeDisabled118Source:PulseTrainAmp=1v,Freq=10e+3HzPulseW=20.e-6sec,Offset=0v,Phase=0deg21Comm:DeCompandA-Law,MaxInput=±2.56Comm:CompanderA-Law,MaxInput=±2.516Source:PulseTrainAmp=1v,Freq=30e+3Hz,PulseW=20.e-6secOffset=0v,Phase=0deg17Source:PulseTrainAmp=1v,Freq=20e+3Hz,PulseW=20.e-6secOffset=0v,Phase=0deg15Logic:Mux-D-8GateDelay=0sec,Threshold=500.e-3vTrueOutput=1v,FalseOutput=0

3.5、仿真波形3.5.1信號(hào)源的波形Sink3■llprn-aE<TimeinSecondsS>/stemMeni3.5、仿真波形3.5.1信號(hào)源的波形Sink3■llprn-aE<TimeinSecondsS>/stemMeni3.5.2信號(hào)源經(jīng)壓縮后的波形w4:Sink19■]□XTimeinSeconds3.5.3PCM編碼的波形5ink145ink14alpmalpmQE<600.e-3-4）：i0.e-3-200.e-3-0-0l.e-32.e-33.e-3TimeinSecondsSvstemyew3.5.4PCM譯碼時(shí)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴(kuò)張后的輸出波形Sink4l.e-32.e-33.e-3■llp3fci-dE=tl.e-32.e-33.e-3l.e-32.e-33.e-3■llp3fci-dE=tl.e-32.e-33.e-3TimeinSecondsSystemMew3.5.5譯碼后恢復(fù)源信號(hào)的輸出波形旦w2:Sink5SinkS1.e-32.e-33.e-3lllp3.t:o.E<System'■Jew由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過(guò)程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復(fù)，傳輸?shù)倪^(guò)程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的傳輸過(guò)程。4設(shè)計(jì)過(guò)程中需解決的問(wèn)題首先，必須根據(jù)實(shí)際情況合理的設(shè)計(jì)采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，由于在剛開(kāi)始的時(shí)候，沒(méi)有合理設(shè)置采樣頻率的參數(shù)，出現(xiàn)了在譯碼時(shí)恢復(fù)波形的失真，最后根據(jù)采樣頻率fs大于等于2田條件,通過(guò)不斷調(diào)試，最終可以合理地恢復(fù)源信號(hào)波形。但由于在信道傳輸過(guò)程中由于各種原因而引起譯碼波形有一定的延時(shí)現(xiàn)象。其次，在調(diào)試帶使能