基于System-View-的脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真

目录29813摘要 -1-TOC\o"1-3"\h\u29813第1章绪论 -2-144501.1引言 -2-144501.2PCM简介 -2-144501.3SystemView软件的简介 -4-1.3.1SystemView软件中重要元件简介-5-31048第2章PCM编码系统介绍 -7-98082.1信号源子系统的组成-11-202312.2PCM编码器模块-12-30922.2.1PCM编码器组件功能实现-12-294662.3PCM译码器模块-14-5378第3章系统仿真-15-184543.1系统仿真模型 -15-104793.2系统仿真波形 -18-第4章设计过程解决的问题9300-20-11842第5章设计结束后心得体会 -21-31209参考文献 -22-摘要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。本文利用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据。通过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程，并对仿真结果进行分析。关键词:PCM，编译码，SystemView第1章绪论1.1引言随着电子技术和计算机技术的开展，仿真技术得到了广泛的应用。基于信号的用于通信系统的动态仿真软件SystemView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。SystemView具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一个可视的仿真过程，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，尤其在信号分析、通信系统等领域。其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，并提供了内容丰富的根本库和专业库。本文主要阐述了如何利用SystemView实现脉冲编码调制〔PCM〕。系统的实现通过模块分层实现，模块主要由PCM编码模块、PCM译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据[1]。1.2PCM简介PCM脉冲编码调制是PulseCodeModulation的缩写，是数字通信的编码方式之一。模拟信号数字化必须经过三个过程，即抽样、量化和编码，PCM编码的主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样,使其离散化,同时将抽样值按分层单位四舍五人取整量化,同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值，以实现话音数字化。

1.抽样(Samping)抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。例如，话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用8kHz的抽样频率〔fs〕，就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。对一个正弦信号进行抽样获得的抽样信号是一个脉冲幅度调制〔PAM〕信号，如下列图对模拟正弦信号的抽样所示。对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可复原出原来的模拟信号。

2.量化〔quantizing〕抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限多个值。显然，对无限个样值一一给出数字码组来对应是不可能的。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入〞的方法把样值分级“取整〞，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。这一过程称为量化。量化后的抽样信号与量化前的抽样信号相比拟，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种量化失真在接收端复原模拟信号时表现为噪声，并称为量化噪声。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，即量化级差或间隔越小，量化噪声也越小。

3.编码〔Coding〕量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。假设将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码〔例如，赋予样值0的十进制数字代码为0〕，在码前以“＋〞、“－〞号为前缀，来区分样值的正、负，那么量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。

话音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bits×8kHz＝64kb/s。量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码[2]。1.3SystemView软件简介SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，SystemView在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)描述程序。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果[3]。1.3.1SystemView软件中重要元件简介第2章PCM编码系统介绍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2.1.1。话音输入低通滤波瞬时压缩话音输入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出话音输出图2.1.1PCM原理框图下面将介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理：(a)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。(b)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2.1.1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：这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。模拟入模拟入量化器量化值图2.1.2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，当信号较小时，那么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根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：未压缩〔1〕〔2〕〔3〕未压缩〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕〔8〕0图2.1.313折线图2.1.3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2.1.3示出了这种压扩特性。0101按折线分段时的01段落12345678斜率16168421表2.1.1折线时的值与计算值的比拟。表2.1.1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。(c)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：逐次比拟型、折叠级联型、混合型。在逐次比拟型编码方式中，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。段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000表2.1.2段落码表2.1.3段内码在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〕那么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2.1.2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表2.1.3。PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：TP3067A、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[3]。2.1、信号源子系统的组成子系统由三个幅度相同、频率不同的正弦信号合成如图2.1.4所示:2.2、PCM编码器模块PCM编码器模块主要由信号源〔图符7〕、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〕，实现模型如图2.2.1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。2.2.1PCM编码器组件功能实现〔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300Hz－3400Hz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2.2.2,图2.2.3〕，明显看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，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。图2.2.2信号压缩前图2.2.3信号压缩后〔3〕A/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300Hz－3400Hz，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。通过数据选择器还可以实现码速转换功能。2.3、PCM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。实现模型如图2.3.1所示：图2.3.1实现模型2.3.1PCM译码器组件功能实现〔1〕D/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，从而到达译码最根本的要求，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。第3章系统仿真3.1系统仿真模型模型如图3.1.1：图3.1.1系统模型子系统〔图符12〕如图3.1.2：图3.1.2子系统符号名称参数设置12子系统7SinusoidAmp=1v，Freq=1e+3Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine8SinusoidAmp=1v，Freq=1.5e+3Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine9SinusoidAmp=1v，Freq=500Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet4，Output1=Cosine10AdderInputsfrom789，Outputsto1111MetaOutInputfrom10Outputto3203451419Analysis13Logic:ADCTwo'sComplement，GateDelay=0sec，Threshold=500e-3v，TrueOutput=1v，FalseOutput=0v，No.Bits=8，MinInput=-2.5v，MaxInput=2.5v，RiseTime=0sec，Analog=t21Output0，Clock=t1Output00Logic:DACTwo'sComplement，GateDelay=0sec，Threshold=500e-3No.Bits=8，MinOutput=-2.5v，MaxOutput=2.5v，D-0=t13Output0，D-1=t13Output1，D-2=t13Output2，D-3=t13Output3，D-4=t13Output4220Operator:LinearSysButterworthLowpassIIR3Poles，Fc=1.8e+3Hz，QuantBits=NoneInitCndtn=Transient，DSPModeDisabled118Source:PulseTrainAmp=1v，Freq=10e+3HzPulseW=20.e-6sec，Offset=0v，Phase=0deg21Comm:DeCompandA-Law，MaxInput=±2.56Comm:CompanderA-Law，MaxInput=±2.516Source:PulseTrainAmp=1v，Freq=30e+3Hz，PulseW=20.e-6secOffset=0v，Phase=0deg17Source:PulseTrainAmp=1v，Freq=20e+3Hz，PulseW=20.e-6secOffset=0v，Phase=0deg15Logic:Mux-D-8GateDelay=0sec，Threshold=500.e-3vTrueOutput=1v，FalseOutput=0表3.1.1图3.1.1、图3.1.2各方块的有关参数3.2仿真波形〔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数据波形可以看出在PCM编码的过程中，译码输出的波形具有一定的延迟现象，其波形根本上不失真的在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。第四章设计过程中需解决的问题(1)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