課程設(shè)計(jì)---pcm編譯碼器設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科生學(xué)年論文（設(shè)計(jì)）

2、 </p><p>　　PCM編譯碼器設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 電氣信息工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　2012年5月20日</p><p><

3、b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄2</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p>　　一 課程設(shè)計(jì)的要求4</p><p>　　二．課程設(shè)計(jì)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)知識(shí)4</p><p><b>

4、;　　1.系統(tǒng)介紹4</b></p><p>　　2.PCM 編碼中抽樣、量化及編碼的原理4</p><p><b>　　2.1 抽樣4</b></p><p><b>　　2.2 量化5</b></p><p><b>　　2.3 編碼6</b><

5、/p><p>　　三．課程設(shè)計(jì)的分析7</p><p>　　四 課程報(bào)告硬件設(shè)計(jì)7</p><p><b>　　1各元件說(shuō)明8</b></p><p><b>　　2 參數(shù)設(shè)置9</b></p><p>　　3 示波器輸出波形12</p><p>

6、;　　五．應(yīng)用的舉例闡明12</p><p>　　六．課程設(shè)計(jì)總結(jié)13</p><p>　　七． 參考文獻(xiàn)14</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　MATLAB是美國(guó)Math Works公司開發(fā)的一套面向理論分析研究和工程設(shè)計(jì)處理的系統(tǒng)仿真軟件，Simulink是MATLAB提供的實(shí)現(xiàn)

7、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的科技發(fā)展的主流中，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?；谛盘?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)便于完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這個(gè)課程設(shè)計(jì)中，我們利用simulink來(lái)對(duì)PCM便譯碼器進(jìn)行設(shè)計(jì)。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)電路對(duì)PC

8、M便譯碼器設(shè)計(jì)過(guò)程，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>　　一 課程設(shè)計(jì)的要求</b></p><p>　　以MATLAB的Simulink為軟件平臺(tái)，充分利用其提供的通信工具箱和信號(hào)處理工具箱中的模塊，充分發(fā)揮了SIMULINK功能強(qiáng)大，建模簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整的特點(diǎn)，對(duì)脈沖編碼調(diào)制PCM系統(tǒng)進(jìn)行了模型構(gòu)建。 </p>

9、;<p>　　（1）用simulink對(duì)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)一個(gè)PCM便譯碼器。 </p><p>　　（2）輸入模擬話音信號(hào)觀察其輸出波形。 </p><p>　　（3）再輸入數(shù)字信號(hào)觀察其譯碼波形。 </p><p>　?。?）對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真演示以及結(jié)果分析。 </p><p>　　（5）對(duì)應(yīng)用舉例闡明。</p>

10、<p>　　二．課程設(shè)計(jì)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)知識(shí)</p><p><b>　　1.系統(tǒng)介紹 </b></p><p>　　數(shù)字通信系統(tǒng)己成為當(dāng)今通信的發(fā)展方向，然而自然界的許多信息通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換后，絕大部分是模擬量，脈沖編碼調(diào)制PCM是把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)制方式，PCM即脈沖編碼調(diào)制，定義是對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣和量化時(shí)，將所得的量化值序列進(jìn)行編碼，變換為數(shù)字

11、信號(hào)的調(diào)制過(guò)程。在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。PCM是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化的一種方法。是語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化，語(yǔ)音信號(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PCM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。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。</p><p>　　2

12、.PCM 編碼中抽樣、量化及編碼的原理</p><p><b>　　2.1 抽樣 </b></p><p>　　把連續(xù)信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間軸上離散的信號(hào)的過(guò)程稱為抽樣，抽樣必須遵循奈奎斯特抽樣定理，離散信號(hào)才可以完全代替連續(xù)信號(hào)。低通連續(xù)信號(hào)抽樣定理內(nèi)容：一個(gè)頻帶限制在 赫內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào) ,若以 的間隔對(duì)它進(jìn)行等間隔抽樣，則將被所得到的抽樣值完全確定。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣變成

13、一種脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號(hào)。 </p><p><b>　　2.2 量化 </b></p><p>　　量化是把幅度連續(xù)變化的模擬量變成用有限位二進(jìn)制數(shù)字表示的數(shù)字量的過(guò)程。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1-2所示，量化器Q輸出L個(gè)量化值y(k)，k=1，2，3，…，L。y(k)常稱為重建電平或量化電平

14、。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y(k)。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為：。</p><p>　　這里xk稱為分層電平或判決閾值。通常 稱為量化間隔。如下圖：</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

15、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?？梢?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；非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一種是北美和日本采用的μ律壓擴(kuò)，一種是歐洲和我國(guó)采用的A律壓擴(kuò)。 在PCM-30/32通信設(shè)備中，采用A律13折線的分段方法，如圖1-2 Y軸均勻分為8段，每段均勻分為16份，每份表示一個(gè)量化級(jí)，則Y軸一共有16×8＝128個(gè)量化級(jí)。X軸采用非均勻

16、劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)非均勻量化的目的，劃分規(guī)律 是每次按二分之一來(lái)進(jìn)行分段。由于分成128個(gè)量化級(jí)，故有7位二進(jìn)制碼（27＝128），又因?yàn)閅軸有正值和負(fù)值之分，需加一位極性碼，故共有8位二進(jìn)制碼。 </p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　這樣，他基本保持了連續(xù)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)中所用的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性實(shí)現(xiàn)的。

17、 </p><p><b>　　2.3 編碼</b></p><p>　　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)程稱為譯碼。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。在實(shí)際的PCM設(shè)備中，量化和編碼是一起進(jìn)行的。通信中采用高速編碼方式。在 PCM-30/32通信設(shè)備中通常采用逐次反饋型的編碼器。編碼器的種類大體上可以歸

18、結(jié)為三類：逐次比較型、折疊 級(jí)聯(lián)型、混合型。逐次比較型編碼，一般均按極性碼、段落碼、 段內(nèi)碼的順序排列。</p><p><b>　　三．課程設(shè)計(jì)的分析</b></p><p>　　在對(duì)PCM編譯碼器設(shè)計(jì)的過(guò)程中首先了解PCM的工作原理以下為原理框圖 </p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)中，涉及到對(duì)模擬話音信號(hào)設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入模擬話音信號(hào)時(shí)觀察其輸

19、出波形，輸入數(shù)字信號(hào)時(shí)，觀察其譯碼波形。在整個(gè)過(guò)程中設(shè)計(jì)圖如下圖 </p><p>　　綜上，把以上的理論及圖形應(yīng)用到Simulink中，大體找到相應(yīng)的模塊嵌入模板中進(jìn)行整理，在輸入過(guò)程中分別輸入語(yǔ)音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，同時(shí)設(shè)置不同的參數(shù)，在輸出端即可觀察其相應(yīng)的波形。 </p><p>　　四 課程報(bào)告硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　以MATLAB為工具平臺(tái)，根據(jù)PCM

20、系統(tǒng)的組成原理，在Simulink中找到相應(yīng)的模塊選擇合適的模塊，設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，建立通信系統(tǒng)的仿真模型入下圖</p><p><b>　　1各元件說(shuō)明 </b></p><p>　?、判旁矗骸靶旁础笔切畔⒌陌l(fā)布者，即上載者。而在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)信源的資格并無(wú)特殊限制，任何一個(gè)上網(wǎng)者都可以成為信源。在通信系統(tǒng)中假定我們僅用來(lái)傳送語(yǔ)音信號(hào),因語(yǔ)音信號(hào)的頻帶范圍為300H

21、z23400Hz ,為了更好的體現(xiàn)人的語(yǔ)音的頻率的變化以及觀察所采用的系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)恢復(fù)程度,我們采用了Chrip 函數(shù)。Chrip 函數(shù)是其頻率時(shí)間線性增長(zhǎng)的函數(shù),并用專用詞匯Chrip 表示。 </p><p>　?、颇M低通濾波器：低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波裝置。按照采樣定理的要求選擇采樣頻率,即Ωs ≥2Ωc ,但考慮到信號(hào)的頻譜不是銳止的

22、,最高截止頻率以上還有較小的高頻分量,為此可選Ωs = (324) Ωc 。因此在采樣前加入一低通濾波器。 </p><p>　　⑶矩形脈沖序列：由于產(chǎn)生和傳輸單位沖激函數(shù)難以實(shí)現(xiàn),因此實(shí)際中通常采用矩形脈沖抽樣,根據(jù)CCITT 標(biāo)準(zhǔn),留一定的防衛(wèi)帶則采樣頻率f s = 8000Hz , T = 1/8000 = 125μs 用占空比為50 %的矩形脈沖序列。</p><p>　　⑷相乘器

23、：通過(guò)相乘器使語(yǔ)音信號(hào)與矩形脈沖相乘從而獲得時(shí)域離散信號(hào),此即信號(hào)的抽樣過(guò)程。 </p><p>　?、葾率壓縮：由于實(shí)現(xiàn)困難,因此工程上通常用十三折曲線來(lái)近似地表示A 律曲線。 </p><p>　?、示鶆蛄炕途幋a：根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果:在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍≥40dB 的情況下信噪比不應(yīng)低于26dB。因此用8 位量化器,量化間隔為125μs。 </p><p>　

24、　⑺編碼器：編碼器是將量化后信號(hào)編成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。 </p><p>　?、探獯a器：將從信道接受到信息進(jìn)行解碼 </p><p>　?、虯率解壓：對(duì)解碼后的信號(hào)量化值進(jìn)行擴(kuò)展,得到重建信號(hào)。 </p><p>　?、瘟汶A保持：零階保持完成將重建信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號(hào)。 </p><p>　　⑾示波器：顯示被測(cè)量的瞬時(shí)值軌跡變化情況的儀器。&

25、lt;/p><p><b>　　2 參數(shù)設(shè)置 </b></p><p>　　3 示波器輸出波形 </p><p>　　五．應(yīng)用的舉例闡明 </p><p>　　1）可以做音頻電話。電話音頻撥號(hào)和脈沖撥號(hào),音頻撥號(hào)是每個(gè)鍵有一固定的音頻頻率,你按下一個(gè)鍵,在電話線上發(fā)出的是這個(gè)鍵的音頻頻率信號(hào).脈沖撥號(hào)是發(fā)出的脈沖數(shù)信號(hào).現(xiàn)在

26、的電話一般是采用音頻撥號(hào)。 </p><p>　　2）光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上用作位置檢測(cè)裝置，將檢測(cè)信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)。其反饋給數(shù)控系統(tǒng)有兩種方式：一是適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖；二是適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)要求的計(jì)數(shù)器，形成方向控制信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖。</p><p><b>　　六．課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p

27、>　　本次課程設(shè)計(jì)在剛開始的過(guò)程中不太懂，查閱里一些書籍，有了初步的了解，最終決 定用軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)PCM的編碼過(guò)程。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過(guò)程，學(xué)會(huì)了使用matlab，并學(xué)會(huì)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)，加強(qiáng)了動(dòng)手能力和學(xué)業(yè)技能?？傮w來(lái)說(shuō)，在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中，在同學(xué)的幫著下很多問(wèn)題迎刃而解。在讓我體會(huì)到了設(shè)計(jì)電路的艱辛的同時(shí)更讓我感覺(jué)到只有自己動(dòng)腦去思考才

28、會(huì)有更好的認(rèn)知。此次設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。理論聯(lián)系實(shí)際，我對(duì)PCM便譯碼器有了更深的理解。 </p><p><b>　　七． 參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]現(xiàn)代通信原理與技術(shù),張渾，曹麗娜編著.西安電子科技大學(xué)出版社，2011年</p><p>　　[2]MATLAB電子仿真與應(yīng)用教程（第三版），王華等編