PCM报告

目录序言.......................................................................................................1第一章PCM编译的原理...........................................................................21.1PCM的基本工作原理...............................................................................................21.1.1模拟信号的抽样.............................................31.1.2抽样信号的量化原理.........................................31.1.2.1均匀量化..................................................41.1.2.2非均匀量化................................................41.2A律压缩律原理...................................................51.3PCM编码规则...................................................61.4A律PCM编码规则...............................................6第二章PCM编解码系统的仿真设计.......................................................92.1功能指标要求....................................................92.2方案选择........................................................92.2.1Simulink.....................................................92.2.2m文件........................................................102.3总体结构框图.................................................112.4PCM编码函数设计流程图.........................................112.5m文件程序......................................................122.6仿真波形及分析.................................................14参考文献...................................................................................................15体会与建议...............................................................................................16序言随着科学技术的不断发展，数字通信在日常生活中到处可见，在数字通信中编解码系统的应用更是很广泛，通常主要还是用在广电行业，作前端应用。编解码器是在同一装置中，由工作于相反传输方向的编码器和解码器构成的组合体。在PCM通信系统中，采用不同编码方式、压扩特性、编码位数会直接影响其传输质量，决定其量化噪声。脉冲编码调制是把模拟信号变成数字信号的一种调制方式，其最大的特征是把连续的输入信号变换为时间域和振幅域上都离散的量，然后再把它变换为二进制代码进行传输。脉冲编码调制的原理是由采样、量化、编码三个步骤构成。其功能是完成模-数转换，实现连续消息数字化[1]。通过学习PCM系统的原理和信号传输的过程来掌握模拟通信和数字通信系统的信息传输的基本原理和分析方法，能够懂得通信系统的基本原理和构成。了解有关通信系统中的技术指标及改善系统性能的一些基本技术措施。为我们全面系统的了解信号传输过程提供理论依据PCM技术是英国人A.里弗斯提出来的，后来的数字移动通信技术则运用的就是PCM技术。室内电话网中PCM技术的使用使音频电缆芯线的传输容量大大提高了。70年代的中后期，PCM技术又成功的应用于各种中、大容量传输系统。随着电子信息产业的迅速发展，通信技术运用的范围越来越广泛，其中，市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机以及用户话机中都采用了PCM技术。80年代初，脉码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。如今脉冲调制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。第一章PCM编译的原理1.1PCM的基本工作原理PCM是实现语音信号数字化的一种方法。一语音信号的数字化语音信号是连续变化的模拟信号，实现语音信号的数字化必须经过抽样、量化和编码三个过程。脉冲调制就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成为时间离散、取值离散的数字信号后在信道中传输。脉码调制就是对模拟信号先抽样，再对采样值幅度量化、编码的过程。由此可见，脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式。话音信号先经防混叠低通滤波器，进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。对于电话，CCITT规定抽样率为8KHz，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s。为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大。在实际中广泛使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和μ律。A律PCM用于欧洲和我国，μ律PCM用于北美和日本。编码过程是将信号抽样编码字与输入电压相结合，把量化后的信号转换为数码完成模拟信号向数字化转换的过程。PCM系统的原理方框图如图1-1和图1-2所示。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。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1-1PCM编码器译码器低通滤波器PCM信号输入模拟信号输出图1-2PCM译码器1.1.1模拟信号的抽样模拟信号通常是在时间上连续的信号。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。例如，话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用8kHz的抽样频率（sf），就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。抽样定理内容：在一个频带限制在（0,hf）内的时间连续信号f（t），如果以小于等于1/(2hf)的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过hf，这种信号必定是个周期性的信号，当抽样频率sf≥2hf时，抽样后的信号就包含原连续信号的全部信息，而不会有信息丢失，当需要时，可以根据这些抽样信号的样本来还原原来的连续信号。1.1.2抽样信号的量化原理模拟信号抽样后变成在时间上的离散信号，但仍然是模拟信号。这个抽样信号必须经过量化才成为数字信号。量化是把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程。即：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。量化后的抽样信号与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。这种量化失真在接收端还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。由于量化在连续抽样值和量化值之间产生误差，称为量化误差(也称量化噪声)。模拟信号的量化可以采用两种方式：均匀量化和非均匀量化。1.1.2.1均匀量化即把输入信号的取值域按等距离分割的量化。均匀量化的主要缺点是，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。量化器的平均输出信号量噪比随量化电平数的增大而提高。在实际应用中，对于给定的量化器，量化电平数和量化间隔都是确定的，所以量化噪声也是确定的。但是，信号的强度可能随时间变化，像话音信号就是这样，当信号小时，信号量噪比也小。所以，这种均匀量化器对于小输入信号很不利。为了克服这个缺点，改善小信号时的信号量噪比，在实际应用中常采用非均匀量化。1.1.2.2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，有两个主要的优点：非均匀量化又有分为两种类型，A律和μ律。A律PCM用于欧洲和我国，μ律PCM用于北美和日本。实际中，μ压缩律通常采用15折线来近似。1.2A律压缩律原理广泛采用的两种对数压缩律是μ压缩律和A压缩律。美国采用μ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：式中，x为压缩器归一化输入电压；y为压缩器归一化输出电压；A为常数，决定压缩程度。A压缩律中的常数A不同，则压缩曲线的形状也不同，它将特别影响小电压时的信号量噪比的大小，在实用中，选择A等于87.6。A律压缩律表示式是一条连续的平滑曲线，用电子线路很难准确的实现。由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码,压扩特性图如下图所示图1-3A律函数13折线压扩特性图AxAAx10,ln111,ln1ln1xAAAxy=图中横坐标x在0~1区间中分为不均匀的8段。2/1~1间的线段称为第8段；4/1~2/1间的线段称为第7段；8/1~4/1间的线段称为第6段；依此类推，直到0~128/1间的线段称为第1段。图中纵坐标y则均匀的划分为8段。将这8段相应的坐标点（x,y）相连，就得到了一条折线。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。1.3PCM编码规则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。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。在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位C1表示量化值的极性正负。后面的7位分为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。其中第2~4位（C2~C4）是段落码，共计3位，可以表示8种斜率的段落；其他4位（C5~C8）为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总