PCM编码器设计报告

1课程设计任务书学院信息科学与工程专业电子信息工程学生姓名哈哈学号00000003设计题目PCM脉冲编码器设计内容及要求：利用MATLAB/Simulink进行编程和仿真，仿真的内容可以是关于信源、信源编码、模拟调制、数字调制、多元调制、差错控制、多址技术、信道仿真及具体通信电路的动态仿真实现。也可以用MATLAB编程对通信的某一具体环节进行仿真。指导教师（签字）：年月日学院院长（签字）：年月日1摘要PCM是脉冲编码调制的简称，是现代语音通信中数字化的重要编码方式。本课程设计利用MATLAB集成环境，对信号进行PCM编码调制，建立13折线A律PCM编码器模型，进一步绘制出对信号进行脉冲编码调制时域波形图，根据运行结果和波形分析PCM编码调制，加强对这部分内容的理解并了解如何运用于语音传输，光纤传输等领域在课程设计中，系统开发平台为Windows2000，使用工具软件为MATLAB7.1。在该平台运行程序完成了对脉冲编码调制以及对结果的观察。通过该课程设计，达到了对信号进行PCM编码的目的。，关键词:PCM；语音通信；A律；MATLAB2目录1、引言...................................................12、系统介绍...............................................13、PCM编码中抽样、量化及编码的原理........................23.1、抽样...........................................23.2、量化...........................................23.3、编码...........................................53.4、设计与仿真.....................................64、心得体会...............................................65、参考文献...............................................71PCM编码器设计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。基于数字处理，通信系统的用于通信系统的动态仿真软件matlab具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、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。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μ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1-1。图1-1PCM原理框图低通滤波瞬时压缩抽样量化编码低通滤波瞬时扩张解调解码信道再生话音输入话音输出23、PCM编码中抽样、量化及编码的原理3.1、抽样所谓抽样，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。3.2、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ky，k=1，2，3，…，L。ky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kx与1kx之间时，量化器输出电平为ky。这个量化过程可以表达为：1(),1,2,3,,kkkyQxQxxxykL。这里kx称为分层电平或判决阈值。通常kkkxx1称为量化间隔。图1-2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()mt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。因模拟入yx量化器量化值3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压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：AXAAxy10,ln111,ln1ln1XAAAxyA律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，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。4图1-3为13折线特性表1-1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。表1-1y0818283848586871x012816.6016.3014.15179.7193.3198.111按折线分段时的x012816413211618141211段落12345678斜率161684212141未压缩（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）1618141211y187868584838281032164112815表1中第二行的x值是根据6.87A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6.87A曲线十分逼近，同时x按2的幂次分割有利于数字化。3.3、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。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27＝128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表1-2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表1-3。表1-2段落码表1-3段内码段落序号段落码量化级段内码811115111114111071101311011211006101111011101010651009100181000401170111601103010501014010020013001120010100010001000003.4、设计与仿真下图为simulink搭建的PCM编码器框图：图1-4所示测试模型和仿真结果如图所示，其中以Saturation作为限幅器，，将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内，Relay模块的门限设置为0，其输出既可作为PCM编码出去的最高位——极性码。阳值取绝对值后，以Look-UpTable模块进行13折线压缩，并用增益模块将样值范围放大到0~127，然后用间距为1的Quantizer进行四舍五入的取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。4、心得体会本次课程设计在刚开始的过程中无从下手，手忙脚乱，时间又紧，最终决定用软件仿真来实现PCM的编码过程。通过这次设计，掌握了PCM编码的工作7原理及PCM系统的工作过程，学会了使用matlab（通信系统的动态仿真软件），并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了动手能力和学业技能。总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。5、参考文献[1]吴伟陵,续大我,庞沁华．通信原理．北京邮电大学出版社，2005.[2]达新宇.通信原理实验与课程设计.北京邮电大学出版社，2005.[3]曹志刚，钱亚生.现代通信原理．清华大学出版社，1992.[4]苗长云等主编.现代通信原理及应用．电子工业出版社，2005