PCM編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1、PCM編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用的設(shè)計(jì)PCM編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用的設(shè)計(jì)摘要：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，通信原理技術(shù)已廣泛運(yùn)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空航天等眾多部門，極大的提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們的勞動(dòng)環(huán)境，豐富和提高了人民的生活水平。在今天的社會(huì)生活中，自動(dòng)化裝置已經(jīng)無所不在，為人類文明進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。通信原理系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)是檢驗(yàn)我們學(xué)過知識(shí)扎實(shí)程度的好機(jī)會(huì)，也讓我們的知識(shí)體系更加系統(tǒng)，更加完善。 在不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)的基礎(chǔ)上得到了動(dòng)手能力的訓(xùn)練，啟發(fā)創(chuàng)新思維及獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力，提高設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試能力。關(guān)鍵詞 ：PCM；編譯碼器；simulink;抽樣；量化；脈沖引言 隨著電子技術(shù)和

2、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)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡潔明了，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

3、信號(hào)構(gòu)成。通過仿真設(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)。1、系統(tǒng)介紹PCM即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語音信號(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編碼示意圖見圖1。話音輸入低通濾波瞬時(shí)壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時(shí)擴(kuò)張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖1-1 PCM原理框圖2、PCM編碼中抽樣、量化及

4、編碼的原理2.1抽樣所謂抽樣，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)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說能無失真的恢復(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。2.2 量化從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(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，k=1，2，3，L。常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度落在與之間時(shí)，量化器輸出電平為。這個(gè)量化過程可以表達(dá)為： 模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。圖1-2 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

5、勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點(diǎn)是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當(dāng)信號(hào)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，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

6、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)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用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：未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0A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

7、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)特性來進(jìn)行編碼的。圖1-3示出了這種壓擴(kuò)特性。圖1-3 13折線表1-1列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。表 1-10101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值是13折線分段時(shí)的值?？梢?，13折線各段落的分界點(diǎn)與曲線十分逼近，同時(shí)按2的冪次分割有利于數(shù)字化。2.3 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

8、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折線的量化來加以說明。表1-2 段落碼 表1-3 段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010020013001120010100

9、01000100000在13折線法中，無論輸入信號(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27128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)系見表1-3。3、基于simulink的PCM編碼和解碼的仿真 圖1-4 Simulin

10、k PCM編碼和解碼組成的框圖3.1仿真框圖中各部分的簡介1.信源 在通信系統(tǒng)中假定我們僅用來傳送語音信號(hào),因語音信號(hào)的頻帶范圍為300Hz23400Hz ,為了更好的體現(xiàn)人的語音的頻率的變化以及觀察所采用的系統(tǒng)對(duì)語音頻帶范圍內(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)間線性增長的函數(shù),在雷達(dá)系統(tǒng)中這樣的信號(hào)稱為線性調(diào)頻信號(hào),并用專用詞匯Chrip 表示。2.模擬低通濾波器 按照采樣定理的要求選擇采樣頻率,即s 2c ,但考慮到信號(hào)的頻譜不是銳止的,最高截止頻率以上還有較小的高頻分量,為此可選s = (324) c 。另外可以在采樣之前加一保護(hù)性的低通濾波器,濾去高

11、于s/ 2 的一些無用的高頻分量,以及其他的一些雜散信號(hào),因此在采樣前加入一低通濾波器。3.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 = 125s 用占空比為50 %的矩形脈沖序列。4.相乘器 通過相乘器使語音信號(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)的抽樣過程。5.A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近似地表示A 律曲線。6.均勻量化和編碼 根據(jù)語音信號(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

12、器,量化間隔為125s。7.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)。8.解碼器將從信道接受到信息進(jìn)行解碼9. A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)。10. 零階保持 零階保持完成將重建信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號(hào)。11. 浮點(diǎn)示波器 將產(chǎn)生的信號(hào)波形顯示出來。在本實(shí)驗(yàn)中將原信號(hào)波形與恢復(fù)后的信號(hào)波形同時(shí)顯示在同一濾波器中,這樣可以直觀的比較信號(hào)的恢復(fù)程度。3.2各部分參數(shù)設(shè)置 圖1-5 Chirp Signal的參數(shù)設(shè)置 圖1-6 Pulse Generator的參數(shù)設(shè)置3.3 示波器的顯示波形 圖1-7 Scope的顯示波形（編碼后輸出波形） 圖1-8 Floating Sc

13、ope顯示波形（仿真結(jié)果）4.誤差產(chǎn)生原因分析 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;由于無窮內(nèi)插公式和許多高頻分量而混入了插入噪聲;以及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。表現(xiàn)在恢復(fù)的圖像成階梯形,而不圓滑。結(jié)束語 這次為時(shí)兩周的課程設(shè)計(jì)過程中，讓我感覺緊張而忙碌，不過我感覺還是收獲了很多，我去圖書館查閱資料，去網(wǎng)上搜索相關(guān)材料，請(qǐng)教老師、同學(xué)，并且把教科書也好好的溫習(xí)了一遍，同時(shí)通過這次課程設(shè)計(jì)我們更好地鞏固和加深對(duì)了PCM脈沖編碼調(diào)制原理的進(jìn)一步理解。 在本次設(shè)計(jì)中，使我印象最深的是要要用simulink對(duì)系統(tǒng)建模和仿真，必須要有耐心，要有堅(jiān)持的毅力。在整個(gè)建模和仿真過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是了解各個(gè)模塊的功能及其工作特點(diǎn)。在這次的課程設(shè)計(jì)中感受到了一定的收獲，鞏固了這學(xué)期所學(xué)知識(shí)，對(duì)simulink有了進(jìn)一步的了解。學(xué)會(huì)了如何查找資料，養(yǎng)成了獨(dú)立思考和解決問題的能力 。參考文獻(xiàn)1通信原理,樊昌信等編著.國防工業(yè)出版社，2通信原理實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì),達(dá)新宇.北京郵電大學(xué)出版社3通信原理 黃載祿 殷蔚華 編著 科學(xué)出版社4通信原理簡明教程，南