PCM通信系统的仿真与实现

1、课 程 设 计 报 告课程名称： 专业综合课程设计 学生： 学 号： 专业班级： 通信1001 指导教师： 毛小燕 完成时间： 2013年6月14日 评阅意见： 评阅教师 日期 报告成绩： 摘要本课题是PCM通信系统的仿真与实现，根据原理框图设计出了电路图，实现了对PCM编译码电路的设计，采用SystemView 软件对其进行仿真，得到了所需要的仿真结果，并到达了预期的仿真效果，得出了相关波形。SystemView 仿真软件可以实现多层次的通信系统仿真。脉冲编码调制PCM是现代语音通信中数字化的重要编码方式。利用SystemView 实现脉冲编码调制(PCM)仿真，可以为硬件电路实现提供理论依

2、据。本次课程设计将通过仿真展示PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。关键词: PCM ； 通信系统； SystemView Abstract This topic is PCM communication system simulation and implementation, according to the principle diagram to design the circuit diagram, implementation of PCM encoding decoding circuit design, use SystemView software carrie

3、s on the simulation, the need of the simulation results, and achieved the desired effect of the simulation, the relevant waveform is obtained. SystemView simulation software can realize the multi-level communication system simulation. Pulse code modulation (PCM) is a modern important encoding digita

4、l voice communication. Use SystemView realize simulation of pulse code modulation (PCM) can provide theoretical basis for the hardware circuit implementation. This course design will show through the simulation design ideas and specific process of PCM encoding implementation, and analysis.Keywords:

5、PCM ；communication system；SystemView 目录第一章 绪论11.1 课程设计任务与目的11.1.1 任务：11.1.2 目的：11.1.3 课程设计要求11.2 设计方案1第二章 理论基础22.1 PCM系统结构22.2 PCM调制原理32.2.1 抽样32.2.2 量化32.2.3 编码5第三章 硬件设计73.1晶振-分频器1783.3 帧同步信号产生器83.4 PCM编译码器9第四章 软件设计104.1 SystemView的简介10仿真电路模块114.2.1 信号源子系统114.2.2 编码器模块114.2.3 译码器模块134.3 仿真结果14结论16参

6、考文献17致谢18附录 PCM编码器的电路图19学习文档 仅供参考第一章 绪论1.1 课程设计任务与目的1.1.1 任务：PCM是现代语言通信中数字化的重要编码方式。利用 SystemView实现PCM仿真，并对结果进行分析。1.1.2 目的：1稳固加深对通信的基本知识分析及PCM语音通信系统的理解提高综合运用通信知识的能力； (2) 培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研电子技术相关的问题的能力；3通过实际制作安装电子线路，学习单元电路以及整机电路的调试与分析方法；4掌握相关电子线路工程技术标准以及常规电子元器件的性能技术指标；5了解电气图国家标准以及电气制图国家标准，并利用电子CAD正

7、确绘制电路图；6培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念；7培养工程实际能力、创新能力和综合设计能力。1.1.3 课程设计要求 (1) 画出通信系统的原理框图 ，说明系统中主要组成系统的功能。2根据选用的软件编好用于系统仿真的测试文件。3进行硬件实验。4独立完成课程设计报告，严禁报告内容雷同。5电路图中的图形符号必须符合国家或国际标准。6所有电路图的制作应采用电子CAD正确绘制。1.2 设计方案 第一种方案采用的是MATLAB的Simulink对PCM通信系统进行仿真 Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。Matlab的编程功能

8、简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。用户可以在Matlab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)

9、是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。另外，Matlab的图形界面功能GUIGraphical User Interface能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用。 第二种方案是使用System View对PCM通信系统进行仿真 随着电脑技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用已越来越广泛，信号级系统仿真软件SystemView的出现标志着仿真技术在通信领域的应用到达了一个新的水平。 SystemView

10、可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库MetaSystem。 SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。信号源和接收端图标允许在SystemView内部生成和分析信号，并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。本次课程设计采用的是第二种设计方案利用SystemView对PCM通信系统的仿真第二章 理论基础2.1 PCM系

11、统结构 PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化的功能，是把模拟信号数字化传输的基本方法之一。PCM的实现主要包括三个步骤：抽样、量化和编码。这三个步骤分别完成时间上离散、幅度上离散以及量化信号的二进制表示，把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号，然后在信道中进行传输。接收机将收到的数字信号经再生、译码、平滑后恢复出原始的模拟信号。 2.2 PCM调制原理2.2.1 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

12、由抽样定理确定的。 2.2.2 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1.2.2-1所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电化器输入信号幅度落在与平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为： 2.1模拟入量化器量化值这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。图2.2 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

13、化信噪比就难以到达给定的要求。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

14、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： 2.2 2.3A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。表1列出了13折线时的值与计算值

15、的比较。表1中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。表 10101按折线分段时的01段落12345678斜率161684212.2.3 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。当然，这里的编码和译码与过失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，假设按编码的速度来分，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

16、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。假设用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27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。 表2 段落码 表3 段内码段落序号

17、段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：MC14550、CD22357等。单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细节，仿真时将PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。本实验系统选择MC145503芯片作为PCM编译码器，它把编译码器Codec和滤波器(Filter)集成在一个芯片上，功能比较强，它既可以进

18、行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，到底使用它的什么功能可由用户通过一些控制来选择。MC145503可以组成模拟用户线与程控交换设备间的接口，包含有话音A律编解码器。自调零逻辑。话音输入放大器、RC滤波器、开关电容低通滤波器、话音推挽功放等功能单元。MC145003具有完整的话音到PCM和PCM到话音的A律压扩编解码功能。它的编码和解码工作既可同时进行，也可异步进行。第三章 硬件设计由PCM编译码原理框图可知，输入端经过一个晶振和一个分频器1得出的信号在经过一个分频器2，然

19、后进行信号抽样后输出，此后，帧同步信号进入帧同步产生器然后进入复接器，正弦信号源分别进入两个PCM编码器进行编译得到源基带信号。 PCM编译码原理框图如图3.1所示：4690KHz 晶 振分频器2分频器1帧同步信号产生器正弦信号 源APCM编码器APCM编码器2正弦信号源B复接器SL5SL3SL0STB抽样信号产生信号SL7 S3 S2 S1 S1S2S3S4 2048KHz CLK SLB SLAsL2 SLA SLB STA-S STA SRB SRA PCM-B PCM图3.1 PCM编译码原理框图在实现PCM编码器中使用晶振是为系统提供基本的时钟信号，让其通过一个分频器，对较高频率的时

20、钟信号进行分频操作，从而得到较低的频率信号。如图3.2所示:将分频器1所得的信号再一次进分频处理，然后进行信号抽样得到抽样信号.如图3.3所示： 图3.3 分频器2电路图3.3 帧同步信号产生器 产生帧同步信号进入复接器进行复接产生新的信号，如图3.4所示：3.4 PCM编译码器 将经过复接器复接过来的信号和正弦信号源进行编码处理后得到脉冲信号输出。本实验系统选择MC14550芯片作为PCM编译码器，它把编译码器Codec和滤波器(Filter)集成在一个芯片上，功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传

21、送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态。如图3.5所示：图3.5 PCM编码器电路图第四章 软件设计4.1 SystemView的简介 SystemView是一个信号级的系统仿真软件， 主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系

22、统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的电脑程序编制，也不必担忧程序中是否存在编程错误。在SystemView环境下，可以构造各种复杂的模拟，数字，数模混合系统和各种速率的系统，可用于线性或非线性控制系统的设计和仿真。SystemView包括基本库和专业库。基本库包括信号源，接收器，加法器，乘法器，函数库和算子库等。专业库包括通信，逻辑，数字信号处理库，射频/模拟，支持高级语言的用户代码库，自动程序生成库，数字视频广播，自适应滤波器库等。SV的各种专业库特别适合于现代通信系统的设计，仿真和方案论证。随着通信技术的不断发展，通信系统越来越复杂，设计和仿真难度也随之加大，利用SystemView可以

23、十分方便地完成相应的通信系统设计和仿真。仿真电路模块整个电路由信号源子系统、编码器模块和译码器模块构成。其总体电路如以下图4.2.1所示： 4.2.1 信号源子系统信号源子系统由三个幅度相同、频率不同的正弦信号图符7、8、9构成，用来产生信号，其结构如以下图4.2.2所示：图4.2.2 信号源子系统4.2.2 编码器模块PCM编码器模块主要由低通滤波器图符15、瞬时压缩器图符16、A/D转换器图符8、并/串转换器图符10、输出端子构成图符9，实现模型如以下图4.2.3所示:信源信号经过 PCM 编码器低通滤波器图符15完成信号频带过滤，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现A律压

24、缩后再进行均匀量化，A/D转换器图符8完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器图符10完成并/串转换成串行数据，最后通过图符9输出PCM编码信号。组件功能：1低通滤波器：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在 300Hz3400Hz的语音频带内，在这里采用了一个阶数为3阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波纹、阻带内单调的特性。2瞬时压缩器：瞬时压缩器图符16使用了我国现采用A律压缩，注意在译码时扩张器也应采用A律解压。比照压缩前后时域信号见图6, 图7，明显看到对数压缩时小信号明显放大，而

25、大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的量化满足语音传输的需要。3A/D 转换器：完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散，通常认为语音的频带在300Hz3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍以上，在这里A/D的采样频率为8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。 4数据选择器：图符10为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并/串转换，图符11、12、13为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据。通过数据选择器还

26、可以实现码速转换功能。4.2.3 译码器模块PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。 PCM译码器模块主要由ADC出来的PCM数据输出端、D/A转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。实现模型如以下图4.2-3所示：组件功能：1D/A转换器(图符1)：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而到达译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。2瞬时扩张器图符8：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A 律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。 3低通滤波器图符3：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及

27、相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。4.3 仿真结果 用SystemView软件进行仿真得到以下波形：1 信号源的波形：2 信号源经压缩后的波形:3 PCM编码的波形：4 PCM译码时经过D/A转化并用A律扩张后的输出波形：5译码后恢复源信号的输出波形：由以上等波形可以看出：在PCM编码的过程中，译码输出的波形具有一定的延迟现象，但其波形基本上不失真地在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。结论 首先，必须根据实际情况合理的设计采样频率和抽样脉冲的参数，以防波形的失真，由于在刚开始的时候,没有合理设置采样频率的参数,出现了在译码时恢复波形的失真,最后根据采样频率fs大于等于2fH条件,通过不断调试,最终可以合理地恢复源信号波形。但由于在信道传输过程中由于各种原因而引起译码波形有一定的延时现象。 在调试带使能端的8路数据选择器在实现PCM编码输出的并行数据转换为串行数据输出时，起初由于没有合理应用选择控制端，而导致数据输出毫无规律，即八路数据当中随机地从哪一路输出，最后通过设置频率不同的三路脉冲方波作用于选择控制端，去控制每一路的数据输出，然后经过调试完成了PCM编码的正确输出。 在设计滤波器时,首先要看系统信号源输出信号频率到底是处于在哪个频率范围,再根据其他参考参数和系统各