PCM译码器和解码器系统设计

南华大学电气工程学院《通信原理课程设计》任务书设计题目：PCM编码器系统的设计专业：电子信息工程学生姓名:段超学号:20124470323起迄日期:2015年12月20日—2016年1月20日指导教师:李圣系主任：陈忠泽《通信原理课程设计》任务书1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：（1）技术要求Matlab语言编程设计PCM编码器系统的各个功能模块，并分析该系统的性能。（2）工作要求：①查阅参考文献，利用通信原理基本理论，分析系统工作原理，设计系统方框图；②掌握计算机辅助设计方法，利用Matlab/Simulink、Systemview、Multisim、MaxPlusIII、QuartusII等软件进行仿真设计，具备独立设计能力；③熟悉通信系统的调试和测量方法；④掌握电子电路安装调试技术，选择合适的元器件搭接实际电路，掌握电路的测试和故障排除方法，提高分析问题和解决问题的能力。⑤不能直接从网上或其他资料下载拷贝，一旦发现雷同35%以上，则相关雷同设计的成绩都为不及格。⑥按时完成设计报告；提交的电子稿必须在附录中含有全套仿真源文件、或设计原图（电子稿是以“学生学号姓名”为命名的压缩文件）；并提交纸质设计报告书。⑦随机抽查，并进行最后答辩。2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：用Matlab等编程语言实现时，写出详细的注释，并画出各种信号的时域频域波形。设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字3500~5000字。仿真设计类要求有仿真流程图、调试时的电脑屏幕截图；实物设计类要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。摘要本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。即学习通过利用计算机建立通信系统模型的基本方法和基本技能，学习会利用仿真的手段对通信系统的基本理论和基本算法进行验证。学习现有流行的通信系统仿真软件的基本使用方法，利用Matlab软件解决通信中存在的问题。关键词：脉冲编码调制（PCM）均匀与非均匀量化MATLAB仿真AbstractCombinedwiththesampling,quantization,codingtheoryofPCM,usingMATLABsoftwareprogrammingandgraphics,thecompletionofthepulsecodemodulation(PCM)modelingandsimulationanalysissystem.Thebasicmethodistoestablishthemodelofcommunicationsystemoflearningthroughtheuseofcomputerandbasicskills,learningbymeansofsimulationofcommunicationsystemofbasictheoryandbasicalgorithmareverified.Thebasicmethodofusingcommunicationsystemsimulationsoftwaretolearnoftheexisting,tosolvecommunicationproblemsusingMatlabsoftware.Keywords:pulsecodemodulation(PCM)withuniformandnon-uniformquantizationinMATLABsimulation目录1知识背景...........................................21.1PCM原理及仿真...........................................21.2脉冲编码调制.............................................21.3PCM编码原理.............................................32M文件仿真.........................................102.1原信号采样程序..........................................102.2原信号编码程序...........................................113SIMULINK..........................................153.1原始模拟信号电路图及仿真图..............................153.2PCM编码器电路设计.......................................163.3PCM解码器电路设计.......................................164心得体会...........................................225参考文献...........................................2211背景知识1.1PCM原理及仿真脉冲编码调制就是把一个时间，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后在信道中传输。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化，编码的过程。1.1.1脉冲编码调制脉冲编码调制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,下图为PCM系统的原理框图：转换DA/)(tm)(tms)(tmsq干扰)(tmsq)(tm图1PCM系统原理框图图中，输入的模拟信号m(t)经抽样、量化、编码后变成了数字信号(PCM信号)，经信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤抽样保持量化编码信道译码低通滤波2出模拟基带信号m(t)。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器)；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号的变换。1.1.2PCM编码原理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由抽样定理确定的。在一个频带限制在（0，fh）内的时间连续信号)(tm，如果以1/2fh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fh，当抽样频率fS≥2fh时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。抽样定理在实际应用中应注意在抽样前后模拟信号进行滤波，把高于二分之一抽样频率的频率滤掉。这是抽样中必不可少的步骤。)()()(ttmtmTs)11(2)量化设模拟信号的抽样值为)(skTm，其中sT是抽样周期，k是整数。此抽样值仍然是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。若我们仅用N个二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则N个二进制码元只能代表NM2个不同的抽样值。因此，必须将抽样值的范围划分为M个区间每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，它们称为量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样的方法称为量化。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。模拟入yx量化器量化值3均匀量化：用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。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v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。这里的压缩是用一个非线性电路将输入电压x变换成输出电压y：)(xfy（1-2）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，所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：AXAAxy10,ln1)31(11,ln1ln1XAAAxy)41(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，在实用中，选择6.87A它决定压缩程度.。4由于A律实现复杂，常使用13折线法编码,压扩特性图如下图所示：图2A律函数13折线压扩特性图图中横坐标x在1~0区间中分为不均匀的8段。1~2/1间的线段；2/1~4/1间的线段称为第7段；4/1~8/1间的线段称为第6段；依此类推，直到128/1~0间线段称为第1段。图中纵坐标y则均匀地划分做8段。将与这8段相应的坐标点（x，y）相连，就得到了一条折线。由图可见，除第一段和第二段外，其他各段折线的斜率都各不相同。在表1-1中列出了这些斜率。表1-1各段折线斜率折线段号12345678斜率161684211/21/4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。5表1-213折线时的x值与计算x值的比较y0818283848586871A律的x值012816.6016.3014.15179.7193.3198.111按13折线法分段时的x012816413211618141211折线段落号12345678折线斜率161684212141表1-2中第二行的x值是根据上式)22(),12(时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A律曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。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。在A律13折线PCM编码中，由于正，负各有8段，每段内有16个量化级，共计822561682个量化级，6因此所需编码位数N=8.8位码的安排如下：极性码1C段落码432CCC段内码8765CCCC极性码1C表示样值的极性。规定正极性为“1”，负极性为“0”；段落码432CCC表示样值所处的段落。3位段落码的8种可能状态对应8个不同的段落，如表2-1所列。段内码8765CCCC的16种可能状态对应各段内的16个量化级，见表1-4.编码器将根据样值的幅度所在的段落和量化级，编出相应的幅度码。表1-3段落码表1-4段内码量化级序号段落序号段落码量化级序号段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105