PCM编解码仿真系统

序言本课程设计试图通过亲自完成均匀量化和非均匀量化的编码、译码的整体设计，加深对PCM编码的原理的理解，提高系统编程、系统测试以及系统分析的能力。近十年来,随着大规模集成电路的飞速发展,已将滤波器和PCM(pulsecodemodulation)编码器集成在同一芯片上,这使PCM在光纤通信,数字微波通信,卫星通信等数字通信领域中获得了更广泛的应用。然而在某些需要PCM编码器的实际应用中,如数字交换机中的信号音的产生和实现,单靠PCM编解码芯片来完成整个编解码功能,在电路设计和实现上都显得繁琐和笨拙,相反如果运用软件方法来实现PCM编解码芯片的部分功能并与PCM编解码芯片相结合来共同完成整个电路设计上的编解码,设计简单,灵活方便,往往可以达到事半功倍的结果。另外,在国际流行的科技应用软件中,Matlab具有广泛的影响,在数字信号处理领域中,这一软件的应用占据重要的地位。PCM线路的特点：1、PCM线路可以提供很高的带宽，满足用户的大数据量的传输：2、支持从2M开始的各种速率，最高可达155M的速率：3、通过SDH设备进行网络传输，线路协议简单对输入的信号进行抽样、量化、A律PCM编码，经过传输后，接收端进行PCM译码，根据模拟信号数字化的原理，基于Simulink设计出PCM编解码过程。并能显示出PCM编解码的波形，与基带信号的波形。第1章功能指标与原理1.1功能指标要求1、设输入信号x（t）=Asin2πt,对x(t)信号进行抽样、量化、A律PCM编码，进过传输后，接收端进行PCM译码2、根据模拟信号数字化的原理，确定系统设计方案3、画出PCM编码、译码波形与基带信号波形1.2PCM基本原理脉冲编码调制（PCM）简称脉码调制，它是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。因为此种通信方式抗干扰能力强，因此在光钎通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的运用[1]。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。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[2]。1.2.1抽样抽样，即是对模拟的信号所进行的周期性的扫描，将在时间上连续的信号变为在时间上离散的信号[1]。这个模拟信号经过抽样以后还应要包含原有信号当中所有信息，也就是说能够无失真的恢复原有模拟信号。抽样定理可确定其抽样速率下限。于一个频带限制在(0，fh)内的时间连续信号f(t)，若以1/2fh的时间间隔对它进行抽样，以此能完全恢复有原信号依靠这些个抽样值。也就是说，要是一个连续信号f(t)的频谱当中其最高的频率不大于fh，在抽样的频率fs≥2fh时候，原有连续的所有信息也就包含于抽样后的信号[1]。这就是抽样定理。1.2.2量化从数学上来看，量化是将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[5]。像图3.1所展现出来的量化器Q传输出来M个量化的值yk，k=1，2，3，…，M。yk常被称作量化电平或者是重建电平。在量化器所要输进去的信号的幅度值x落在xk和xk+1当中的时候，量化器就传送输出的电平是yk。此量化过程就可写成表达式为：Y=Q(x)=Q{XkxXk+1}=Yk,k=1,2,3,…,M一般来讲△k=xk+1-xk称作量化间隔，在此xk被称作判决阈值或者是分层电平。图1-1量化器量化后的抽样信号于量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种失真在接收端还原模拟信号是变现为噪声，并称之为量化噪声[9]。量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化极差或间隔越小，量化噪声也越小。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。在现实中，一般爱采用非均匀量化。非均匀量化的量化间隔是依据信号的不同的区间来定的。信号取值大的区间，它的量化间隔△v大；在信号的取值小的区间，它的量化间隔△v小[5]。将它和均匀量化作比较，它有俩主要好处。首先，在信号具非均匀的分布概率密度（现实中经常如此）时当在输入量化器的时候，能够取得比更加高地的平均信号的量化噪声的功率比在非均匀量化器输出端上；第二是，量化噪声功率的它均方根值大体上和信号的抽样值成比例在非均匀量化的时候。所以说大信号和小信号在量化噪声影响下大体是一样的，也就是改良小信号的时候其量化的信噪比。在实际中，非均匀的量化的办法通常是将获得的抽样值经过压缩然后再均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数是采用对数式压缩。广泛被采用的两种对数压缩量化器X模拟信号Y量化后信号律是μ压缩律和A压缩律。美国μ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[5]。1.2.3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[1]。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。表1-1段落码段落序号段落码81117110610151004011301020011000表1-2段内码量化级段内码量化级段内码15111170111141110601101311015010112110040100111011300111010102001091001100018100000000在13折线法中，无论输入信号正还是负，都依8段折线（8个段落）来编码。要是输入信号抽样量化值由8位折叠二进制码表示，在此间量化值极性就要用第一位表示，抽样量化值其绝对的大小就要用其余七位（第2至8位）来表示。详细的做法是：用第2到第4位表示段落码，八个段落的起点电平由它的八种可能状态来分别表示。其它四位表示段内码，每一个段落它的16个均匀的划分地量化级由它的16种可能状态来分别的代表。这样处理的结果，8个段落被划分成128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表？所示；段内码与16个量化级之间的关系见表？。第2章整体设计2.1整体框图抽样保持量化器编码器低通滤波器信道译码器PCM信号输出PCM信号输入模拟信号输出模拟信号输入冲击脉冲图2-1PCM原理方框图2.2PCM编码器2.2.1PCM编码器原理图抽样保持量化器编码器模拟信号输入冲激脉冲PCM信号输出图2-2PCM编码原理方框图2.2.2PCM编码器电路设计图2-3PCM编码模型的仿真结果测试结果如图，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，以A-LawCompressor作为压缩器，Relay模块的门限值设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位——极性码。样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127，然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。部分参数模块设计：图2-4设置幅度为上幅度为1，下幅度为-1图2-5设置取样时间0.001取绝对值图2-6设置门限值0取极性码，图2-7增益放大到0-127即当门限值为0时去除极性码图2-8设置间隔为1，即每间隔1时取整图2-9设置7位二进制码进行编码，即将量化后的信号编成7位码2.2.3PCM编码的子系统图2-10PCM编码的子系统图2-11封装的PCM编码子系统2.3PCM解码器译码器低通滤波器PCM信号输入模拟信号输出图2-12PCM译码原理方框图2.3.1PCM解码器电路设计图2-13PCM译码模型的仿真结果其中PCM编码子系统是前面编码器封装之后的，PCM译码器中首先分离并行数据中的最高位极性码和7位数据，然后将7位数据转换为整数值，在进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出译码值。部分参数模块设计：图2-14设置门限值-1，门限值为-1时取出图2-15设置7位码，当编码后的信号出极性码出来时为取出低七位码图2-16设置两个输入口让低7位与极性码相乘图2-17将信号归一化,还原原来的信号2.3.2PCM解码器的子系统图2-18PCM译码器子系统图2-19封装的PCM译码子系统2.4PCM编解码系统的仿真设计图2-20PCM编解码器的测试模型及仿真结果其中的PCM编码和议案子系统已经封装好，经过编码和解码之后，通过低通滤波器，在示波器Scope上得出输出波形，示波器上显示原信号是为了与输出信号进行对比。在编码器之后通过Display显示PCM数字信号，还有经过ToFrame的帧信号形成和buffer的缓冲后通过示波器。图2-21原波形与解码波形图2-22编码波形部分参数模块的设置：图2-23设置正弦波幅度为1，相角为0，图2-24设置滤波器级数为8、边缘频率频率为100rad/s为250pirad/s，去除谐波图2-25缓冲器输出信道设置为1图2-26设置时间轴范为0-0.1围、接口数为2图2-27设置时间轴范围为0.005，接口数为2图2-28系统总的参数设计，设置仿真时间步间插入的输出点数为200第3章故障分析与总结3.1故障分析3.1.1编码器故障分析编码器编码得出的应该是一位极性码加上低7位码所组成的，而一开始的显示只有一位，不知道怎么样将显示器设置成八位的图3-1初设置显示器后来经过查找该器件的HELP得知，将此图标向下拉，即可看到得出的编码图3-2设置好的显示器3.1．2解码器故障分析译码器的工作需要编码器的参加，编码器的输出编码给译码器进行解码，而前面的编码器要接入到译码的过程中就需要接口，而一开始封装不能接入图3-3译码器封装后来想到应该有输入和输出口，所以重新封装，此封装能够接入到电路中图3-4译码器子系统封装3.1.3PCM编解码器的故障分析PCM编解码器的前面有了一个编码器，在后面的译码器中不应该再出现一个编码器本次试验中，当连好所有的模块后，电路却不能运行，经过错误的提示，发现是译码器那边出了问题，，但是总找不出哪里出了问题，后来经同学指出不能有两个编码器，去掉编码器之后能够正常运行3.2功能分析此实验成功实现了PCM在理想情况下（即无干扰的情况）的编码和解码，此实验还可以实现在有干扰的情况下的PCM的编解码。参考文献[1]樊昌信曹丽娜《通信原理》[M.]北京国防工业出版社出版出版2012年（P274-282）体会与建议又是一周的课程设计过去了，这一周的课程设计过去之后又离毕业更近一点了。通过这周的课程设计，我们能够更好的了解通信原理这门课程。这周的课程设计，我也检验了自己的独立能力，现在也能够独立的自己完成任务了，不再要依赖别人。另外自己的合作能力，独立思考能力也得到了很好的提升。虽然还不是很好，但是我相信随着我们的学习的深入，我终会做到的。在这次的课程设计中，当然不可避免的也会遇到各种各样的问题，有些问题比较容易解决，但有些问题比较难的，甚至一个问题能够困扰我一天的时间，最后实在不行了，只能询问同学的帮助。在同学的帮助下，我才能解决问题，继续做下面的设计。总之，一周的课程设计下来收获还是蛮多的，现在只是希望在以后的生活学习中能够继续加油下去，更好的走自己的路。