实验4-PCM编解码实验

1、 PCM编码解码器实验 共32页 第32页实验4 PCM编解码实验1.1实验目的加深理解和巩固理论课上所学的有关 PCM编码和解码的基本概念、基本理论和基本方法，锻炼分析问题和解决问题的能力。1.2实验内容利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个 PCM编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形;加上各种噪声源,或含有噪声的信道，最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。2 实验原理-脉冲编码调制2.1 PCM简介现在的数字传输系统都是采用脉码调制（Pulse Code Modulation） 体制。PCM最初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不

2、是只传送一条电话信号。PCM有两个标准即E1和T1。我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。 PCM：相变存储器(Phase-change memory,PCM)是由IBM公司的研究机构所开发的一种新型存储芯片,将有望来替代如今的闪存Flash和硬盘驱动器HDD。PCM在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉

3、冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。 PCM可以向用户提供多种业务，既可以提供从2M到155M速率的数字数据专线业务，也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。特别适用于对数据传输速率要求较高，需要更高带宽的用户使用。 PCM线路的特点：PCM线路可以提供很高的带宽，满足用户的大数据量的传输。 支持从 2M开始的各种速率,最高可达155M的速率。 通过SDH设备进行网络传输，线路协议简单。 2.2 PCM原理   所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。下面将用一个PCM系统的原理框图简要介绍。原理框图如图2-1

4、所示。抽 样 保 持量化器编码器信道译码器低通滤波器模拟信号输入PCM信号输出干扰PCM信号输入模拟信号输出冲激脉冲图2-1 PCM原理方框图在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。这个抽样值仍是模拟量。在它量化之前，通常由保持电路（holding circuit）将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后在编码器中进行二进制编码。这样，每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。图中的译码器的原理和编码过程相反。其中，量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D变换

5、器)； 译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。 抽样是对模拟信号进行周期性的扫描， 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息， 即能无失真地恢复出原模拟信号， 抽样速率的下限由抽样定理确定。 量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。 编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。图1是PCM单路抽样、量化、 编码波形图。 律与A律压缩特性律： （美、日）A律： （我国、欧洲） 式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、为压缩系数。 数字压扩技术：一种通过大

6、量的数字电路形成若干段折线， 并用这些折线来近似A律或律压扩特性，从而达到压扩目的方法。即对数压扩特性的折线近似法。折线压扩特性：既不同于均匀量化的直线，又不同于对数压扩特性的光滑曲线。总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的， 但它既有非均匀量化(不同折线有不同斜率)， 又有均匀量化(在同一折线的小范围内)。 两种常用数字压扩技术：（1）A律13折线压扩13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性；（2） 律15折线压扩15折线近似逼近=255的律压扩特性。采用折线压扩的特点：基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路的实现实际中A律常采用13折线近似如图2-2所示图2-2 A律13折线

7、其具体分法如下:先将X轴的区间0，1一分为二，其中点为1/2,取区间1/2,1作为第八段;区间0,1/2再一分为二，其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段;区间0,1/4再一分为二，其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段;区间0,1/8一分为二，中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段;区间0,1/16一分为二，中点为1/32,取区间1/32,1/16作为第四段; 区间0,1/32一分为二，中点为1/64,取区间1/64,1/32作为第三段;区间0,1/64一分为二，中点为1/128,区间1/128,1/64作为第二段;区间0,1/128作为第一段。然后将Y轴的0,1区

8、间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分别与X轴对应。编码的码字和码型:二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，并易于再生，因此PCM中一般采用二进制码。对于Q个量化电平，可以用k位二进制码来表示，称其中每一种组合为一个码字。在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量要求。而对于干线远程的全网通信，一般要经过多次转接， 要有较高的质量要求，目前国际上多采用8位编码PCM设备。码型指的是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列

9、出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。在PCM中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码(又称格雷码)。 码位的安排:目前国际上普遍采用8位非线性编码。例如PCM 30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4 096个量化单位(最小的量化间隔称为一个量化单位)， 在4 096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表2-1所示：表2-1 8位非线性编码的码组结构极性码段落码段内码M1M2M3M4M5M6M7M8其中，第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。从折叠二

10、进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码M1不同外，其余几位码是完全一样的。因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位码(M2，, M8)就能表示出来。 3 模块设计与仿真图形分析3.1 simulink的工作环境熟悉建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图3-1所示系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块，图3-1 正弦仿真电路图正弦波参数如下：图3-2 正弦波参数设置系统内

11、的示波器显示的波形如图：图3-3 单正弦波与平方波的对比结论：两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2,频度是原频度的2倍。3.2 PCM编码器电路设计图3-4 13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图3-4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，以A-Law Compressor作压缩器，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

12、。可以将上图中Constant和Display（不含）之间的模块封装一个PCM编码子系统备用。其中各模块的具体参数设置如下：图3-5 A-Law Compressor图3-6 Abs图3-7 Relay图3-8 Gain图3-9 Quantizer图3-10 Integer to Bit Converter图3-11 Display图3-12 Mux图3-13 Saturation图3-14 封装之后的PCM编码子系统：图3-15封装之后的PCM编码子系统图标3.3 PCM解码器电路设计图3-16 13折线近似的PCM解码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图3-5所示，其中PCM编码子系

13、统是3.2中编码器封装之后的。PCM解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位数据转换位整数值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。可以将该模型中In1 Out1右端和Display左端的部分封装为一个PCM解码子系统备用。其中各模块的具体参数设置如下：图3-17 Demux图3-18 Mux1图3-19 Relay1图3-20 Bit to Integer Converter图3-21 Gain1图3-22 A-Law Expander图3-23 Product封装之后的PCM解码子系统：图3-24 封装之后的PCM解码子系统图3-25 封装之后的PC

14、M解码子系统图标*3.4 无干扰信号的PCM编码与解码（课后自行完成）图3-26 PCM编码器和解码器（无噪声）测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图3-26所示，其中PCM编码与解码子系统已经封装好了。经过编码与解码之后，然后通过低通滤波器，最后在示波器Scope上得出输出波形，示波器上还显示了原信号，以便与输出信号进行比较。在编码器之后通过Display和Scope1显示出PCM数字信号，注意：在通过示波器前需经过To Frame和Buffer，其中To Frame是用来形成帧信号，Buffer是缓冲器。示波器显示结果如下：图3-27 Scope图3-28 Scope1其中各模块的具体参

15、数设置如下：图3-29 Sine Wave图3-30 Display图3-31 To Frame图3-32 Buffer图3-33 Scope1图3-34 Analog Filter Design图3-35 Scope图3-36系统总的仿真参数*3.5 有干扰信号的PCM编码与解码（课后自行完成）图3-37 PCM编码器和解码器（有噪声）测试模型和仿真结果仿真模型如图3-37所示，其中PCM编码和解码子系统内部结构参见3.2，3.3，PCM编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对称信道（BSC）。在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入PCM解码，之后输出解码结果并显示波形。仿真采样率

16、必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍，这里模型中信道速率最高，为71kbps,故仿真步长设置为1/71000s。信道错误比特率为0.05，以观察信道误码对PCM传输的影响。仿真结果见下文。传输信号为100*pi的正弦波，解码输出存在延迟。对于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个PCM编码字串中的位置，位于最高位（极性）时将导致解码值极性错误，这是引起的干扰最大，而位于最低位的误码引起的干扰最轻微。示波器显示结果如下：图3-38 Scope图3-39 Scope1其中各模块的具体参数设置如下：图3-40 Sine Wave图3-41 Zero-Oroder-Holder图3-42 Frame Status Conversion图3-43 Buffer图3-44 Binary Symmetric Channel图3-45 Buffer1图3-46 Scope1图3-47 Reshape图3-48 Scope图3-49 系统总的仿真参数4 实验要求1