pcm_編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　PCM 編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用</p><p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　脈沖編碼調(diào)制（pulse code modulation，PCM）是概念上最簡(jiǎn)單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)。運(yùn)用Matlab軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)PCM編解碼芯片的部分功能，從而完成整個(gè)電路設(shè)計(jì)上的編解碼，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，靈活方便

2、。本文介紹用Matlab的Simulink來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)PCM編解碼器的方法和過(guò)程，采用Matlab通信仿真軟件對(duì)應(yīng)用于無(wú)線信道中的數(shù)字通信方式和主要通信過(guò)程的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真。主要通信過(guò)程為采樣、量化、編碼、調(diào)制解調(diào)等，為建立實(shí)際通信系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)仿真。 </p><p>　　二、關(guān)鍵字：PCM、編譯碼、動(dòng)態(tài)仿真</p><p><b>　　三、引言</b>

3、</p><p>　　隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。基于信號(hào)的用于通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真軟件 simulink 具有強(qiáng)大的功能，可以滿足從底層到高層不同層次的設(shè)計(jì)、分析使用，形成多層系統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔明了，便于完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 simulink 具有良好的交互界面，通過(guò)分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個(gè)可視 的仿真過(guò)程，不僅在工程上得到應(yīng)用，在教學(xué)領(lǐng)域也得到認(rèn)可，尤其在信號(hào)分

4、析、通信系 統(tǒng)等領(lǐng)域。其可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬、數(shù)字及數(shù)?；旌想娐芳案鞣N速率系統(tǒng)。本文主要闡述了如何利用 simulink 實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制（PCM）。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通過(guò)模塊分層實(shí)現(xiàn)，模塊主要由 PCM 編碼模塊、PCM 譯碼模塊、及邏輯時(shí)鐘控制信號(hào)構(gòu)成。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)電路，分析電路仿真結(jié)果，為最終硬件實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。 </p><p><b>　　四、系統(tǒng)介紹</b></p><

5、;p><b>　　1、PCM 簡(jiǎn)介 </b></p><p>　　現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調(diào)制（Pulse Code Modulation） 體制。 PCM 最初并非傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)用的，而是使交換機(jī)之間有一條中繼線不是只傳送一條電話信號(hào)。隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展,話路濾波器和 PCM 編碼器已可集成在同一芯片上,這使 PCM 在光纖通信,數(shù)字微波通信,衛(wèi)星通信 等數(shù)字通信領(lǐng)域

6、中獲得了更廣泛的應(yīng)用。然而在某些需要PCM編碼器的實(shí)際應(yīng)用中,如數(shù)字交換機(jī)中的信號(hào)音的產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn),單靠 PCM 編解碼芯片來(lái)完成整個(gè)編解碼功能 ,在電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上都顯得煩瑣和笨拙 ,相反如果運(yùn)用軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PCM編解碼芯片的部分功能并與PCM 編解碼芯片相結(jié)合來(lái)共同完成整個(gè)電路設(shè)計(jì)上的編解碼,不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,靈活方便,而且往往可以達(dá)到事半功倍的結(jié)果。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中以 PCM 為代表的編碼調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸。PCM

7、 的主要優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)；失真??；傳輸特性穩(wěn)定,尤其是遠(yuǎn)距離信號(hào)再生中繼時(shí)噪聲不累積，而且可以采用壓縮編碼、 糾錯(cuò)編碼和保密編碼等來(lái)提高系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM 還可以在一個(gè)信道上將多路信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用傳輸。所以,在</p><p>　　2、脈沖編碼調(diào)制 （PCM）原理</p><p>　　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

8、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μ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 折線法編碼,采用非均勻量化PCM 編碼示意圖如下圖示。</p><p>　　PCM信號(hào) </p><p&

9、gt;　　模擬信號(hào) 輸出 </p><p><b>　　輸入</b></p><p>　　沖激脈沖

10、 干擾 </p><p>　　模擬信號(hào)輸出 </p><p><b>　　PCM信號(hào)輸入</b></p><p>　　3、PCM中抽樣、量化、編碼原理</p><p><b>　　3.1、抽樣</b></p>

11、<p>　　所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(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。</p><p><b>　　3.2、量化</b></p><p>　　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

12、值的有限數(shù)集合。如圖下圖所示，量化器 Q 輸出 L 個(gè)量化值 yk ，k=1，2，3，…，L。 yk 常稱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 k 與 x k +1 之間時(shí)，量化器輸出電平為 yk 。 這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為：</p><p>　　y = Q( x) = Q {x k < x ≤ x k +1} =yk, （k = 1, 2，3，….，L ）</p>&l

13、t;p>　　這里 x k 稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。 </p><p>　　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

14、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。 </p><p>　　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v 也小；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

15、 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μ壓縮律和 A 壓縮律。 美國(guó)采用μ 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 </p><p>　　A 壓縮律。 所謂 A 壓縮律也就是

16、壓縮器具有如下特性的壓縮律： </p><p>　　A 律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，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（A=87.6）的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(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。下圖示出了這中壓擴(kuò)特性。</p>

17、<p>　　表1列出了 13 折線時(shí)的 x 值與計(jì)算 x 值的比較。</p><p>　　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 折線分段時(shí)的值。 可見(jiàn)，折線各段落的分界點(diǎn)與 A = 87.6 曲線十分逼近，同時(shí) x 按 2 的冪次分割有利于數(shù)字化。</p><p><b>　　3.3、編碼</b></

18、p><p>　　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：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：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

19、 13 折線的量化來(lái)加以說(shuō)明。</p><p>　　在 13 折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按 8 段折線（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

20、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 2 7＝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。</p><p>　　PCM編 譯碼器的實(shí)現(xiàn)可以借鑒單片PCM編譯碼器集成芯片，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

21、模塊分別實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　五、基于 simulink 的 PCM 編碼和解碼的仿真</p><p>　　5.1 PCM編譯碼器設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　5.2 部分元件參數(shù)設(shè)置圖</p><p><b>　　1、信源</b></p><p><b>　　2，零階保持&

22、lt;/b></p><p><b>　　3、抽樣信號(hào)</b></p><p>　　5.3仿真輸入輸出波形</p><p><b>　　1、原信號(hào)波形</b></p><p><b>　　2、抽樣信號(hào)波形</b></p><p><b>

23、　　3、抽樣后的波形</b></p><p><b>　　4、編碼后的波形</b></p><p><b>　　5、譯碼后的波形</b></p><p><b>　　六、誤差分析</b></p><p><b>　　誤差產(chǎn)生原因：</b><

24、;/p><p>　?。?）由于實(shí)際取樣脈沖不可能是理想的沖激函數(shù)而引入的 孔徑失真;</p><p>　　由于無(wú)窮內(nèi)插公式和許多高頻 8 分量而混入了插入噪聲;</p><p>　　（3）因解碼端再生取樣脈沖時(shí)而導(dǎo)致的定時(shí)抖動(dòng)失真等。</p><p>　　誤差的表現(xiàn)：恢復(fù)的圖像成階梯形,而不圓滑。</p><p><

25、b>　　七、心得體會(huì)</b></p><p>　　這次時(shí)長(zhǎng)一周的通信原理的課程設(shè)計(jì)在緊張忙碌中度過(guò)，由于自己本身的課本理論知識(shí)學(xué)習(xí)方面的不足導(dǎo)致了這次課程設(shè)計(jì)的一個(gè)很不好的開(kāi)端，剛開(kāi)始就是很迷茫不知道該干什么，但是通過(guò)一兩天的對(duì)課本知識(shí)的復(fù)習(xí)鞏固，以及對(duì)matlab軟件的熟練操作，通過(guò)上網(wǎng)和到圖書(shū)館借閱一些資料，終于艱難的完成了我的課程設(shè)計(jì)的作業(yè)。本文中介紹了現(xiàn)代語(yǔ)音通信中常用的模擬信號(hào)數(shù)字化及

26、數(shù)字信號(hào)模擬化—PCM編譯碼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)仿真軟件MATLAB的強(qiáng)大仿真功能，形象的實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換的全過(guò)程。它的出現(xiàn)解決了模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了PCM編碼的工作原理和PCM系統(tǒng)的工作過(guò)程，學(xué)會(huì)了使用仿真軟件MATLAB，并學(xué)會(huì)了通過(guò)應(yīng)用軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)以后的工作學(xué)習(xí)都起了一定的作用，加強(qiáng)我的動(dòng)手能力和學(xué)業(yè)技能?？偟膩?lái)說(shuō)這次的課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺，增強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維