PCM系统设计

1中北大学2013届毕业论文说明书摘要本论文研究的主要内容是通信综合实验——模拟信号数字化的PCM技术。PCM即脉冲编码调制，属于很基本的通信技术之一。它包括模拟信号数字化、信道传输、数字信号还原为模拟信号三个过程。其中模拟信号数字化又由采样、量化、编码三部分组成。由于PCM系统的诸多优点，使得该项技术被广泛应用到各种技术之中。随着科学技术的发展，PCM系统渐渐不能满足人们生产生活的需要，于是出现了DPCM（差分编码调制）、DM增量调制等新的技术。关键词：PCM系统；模拟信号数字化；TP30672ABSTRACTWhatthispaperresearchesismainlyaboutthePCM。PCM,pulsecodemodulation，isoneofthemostbasiccommunicationtechnologies.ItadoptsthesamplingsofPulsesignal,whichincludesthreeprocesses：figuringimitationsignals,transmittingchannels,andchangingfiguresignalsintoimitationones,tochangetheimitationsignals.Amongthesethreeprocesses,figuringimitationsignalismadeupofthreeparts：sampling,quantifying,andcoding.OwingtosomanyadvantagesofPCMsystem,itiswidelyusedindifferentkindsoffields.Withthedevelopmentofsciencetechnology,littlebylittle,thesystemofPCMcannotmeetpeople’sneedsinlifeandproductionanymore,sonewtechnologiescomeintouse,forexample,DPCM,DM,etc.KEYWORDS:PCMsystem，Simulatedsignaldigitization，TP3067XXXX学院本科毕业（设计）论文2中北大学2013届毕业论文说明书1第一章绪论1.1脉冲编码调制系统PCM(PulseCodeModulation)是广泛采用的语音编码方案，它包括了对语音信号波形的压扩处理和对经A/D变换后的语音自然二进制数码的变换。PCM把模拟信号变换为数字信号后再进行传输，其最大的特点是:把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式进行传输。在现代通信系统中，以脉冲编码调制(PCM)为代表的编码调制技术被广泛地应用于模拟信号的数字传输中。传统的脉冲编码调制系统的设计是按照其原理用硬件将一个个模块实现，如抽样，量化及编码等，这样做比较精确，但过于烦琐，且耗费时间。SystemView是一个完整的动态系统设计、仿真和分析的可视化环境，使用户能够用形象直观的图符表示各功能模块，为图符定义参数，利用数百种功能块和大量的滤波器进行设计。SystemView包括基本库和专业库。利用基本库可进行一般的系统设计和仿真，如滤波器的设计。专业库则特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。井且支持多系统同时执行和创建子系统，允许插入使用高级语言编写的用户代码库。这些特点无疑为设计各种通信系统带来了方便.利用SystemView可直接对通信系统进行设计、模拟以及进行优化，得到一个较为理想的设计结果。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据。通过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。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基本库和专业库。在波形分析窗口可以直观的反映出各个输出点的波形性质，有助于学生的对比记忆1.2国内、外技术发展及现状1937年，提出这一概念为数字通信奠定了基础。60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的大部分芯中北大学2013届毕业论文说明书2线的传输容量扩大24～48倍。70年代中、末期，各国相继把脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。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。现在，PCM设备技术成熟，具有组网灵活，容量大，配置方便，接入种类丰富，网络管理功能完善，性能稳定，传输精准等优势。在煤矿下，因井下的通信条件较差，信息难以及时传达到地面，这是pcm设备派上了用场；而电力通信系统具有丰富的E1链路，使用E1PCM复用设备，即解决生产控制信息的传送问题和办公信息的联网，又可以节约大量的话费、上网费等办公开支；对于多点传输，集中式综合型PCM设备，把PCM设备“压缩”成一块整卡，再插到综合机架上，不仅功能不缺，反而更好的体现出了网管的功能，真正实现，小成本，放空间，简网管的一体化设备。1.3课题设计内容数字通信由于具有抗干扰能力强、可靠性好、易保密和廉价格等许多优点，已成为现代通信的主要发展趋势之一。如今通信中的许多业务，其信源信号如语音、图像等都是模拟的，利用数字通信系统传输模拟信号时，首先要将模拟信号数字化。模拟信号数字化的方法有很多，目前采用最多的是信号波形的模-数变换方法，即波形编码。根据系统的工作原理，利用SystemView的模块画出系统的结构图并进行仿真，观察仿真波形。为了在学习了语音信号数字化的相关课程后，能够对所学过的知识有更深的理解，论文从软件仿真及硬件设计两个方面出发设计了PCM综合实验系统，作为PCM系统的实验平台。论文对PCM理论进行了较为全面的介绍，包括PCM技术的发展状况，PCM系统的抽样、量化、编码理论，系统的抗噪声性能及其优缺点等；其次论文较为详细地讨论了PCM系统的硬件实现方案，包括系统总体设计思想及模/数转换、时钟等模块的设计方法和具体实现电路；最后简单讨论了PCM系统存在的不足后，主要介绍了差分脉冲编码调制DPCM和增量调制（△M）系统的原理和仿真作为论文的扩展部分。1.4本课题研究的目的和意义中北大学2013届毕业论文说明书3本课题研究的是PCM系统的设计。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了理论依据。1.5论文研究的内容安排本课题研究的主要内容包括以下有四个部分。第一个部分是PCM系统的工作原理以及其抗噪声分析。PCM系统包括A/D转换、信道传输、D/A转换三个模块。A/D转换模块由采样、量化、编码三个过程组成，把连续的模拟信号转化为用二进制代表的数字信号；信道传输模块是传输信号的载体，传输过程中不可避免的产生噪声误差，对系统信号的接受有一定的影响；D/A转换模块由译码、低通、放大三个过程组成，把二进制数字信号还原成连续的模拟信号。通过分析模拟信号在PCM系统中的传输来深入了解模拟信号数字化的原理。并且通过传输过程中的噪声分析来设计系统，尽量减小误差。第二部分是PCM系统硬件电路设计。包括系统总体设计思想及模/数转换、时钟等模块的设计方法和具体实现电路。第三部分是分析PCM系统过程的不足之处，并且简单介绍PCM系统的改进系统DPCM系统和DM系统。并对其各测量点的输出波形进行分析。第四部分是毕业设计总结，主要是讲我在毕业设计过程中的一些心得体会。中北大学2013届毕业论文说明书4话音输出话音输入解码量化滤波低通解调(接收)(发送)抽样信道再生PCM信号编码发送放大第二章PCM基本原理2.1PCM基本工作原理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。PCM的原理如图2.1所示：图2.1PCM系统方框图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U律。A律PCM用于欧洲和我国，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[4]。PCM系统可以简化为两个部分，A/D转换和D/A转换。A/D转换包括对模拟信号的取样、量化、编码过程，输出为PCM码；D/A转换包括对PCM码的译码、低通、放大作用，输出为还原的模拟信号。其过程如图2.2所示：中北大学2013届毕业论文说明书5图2.2A/D转换和D/A转换2.1.1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。抽样的过程如图2.3所示：图2.3抽样过程的简化图抽样的抽样速率下限是由抽样定理确定的。抽样包括两种情况：低通型连续信号的抽样、带通型连续信号抽样。一、低通型连续信号的抽样定理一个频带限制在赫内的时间连续信号m(t),若以的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。二、带通型连续信号的抽样定理一个频带限制在(,)赫内的带通型时间连续信号m(t),其带宽为,当以(n是小于的最大整数)的抽样频率对m(t)进行抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。2.1.2量化所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。模拟信号进行平顶抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的。当这些连续变化的抽样值通过噪声信道传输时，接收端不能准确地估值所发送的抽样。如果发送端用预先规定的有限个电平来表模拟信号模拟信号A-D控制编码量化取样PCM码D-A控制放大低通PCM码译码中北大学2013届毕业论文说明书6示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能准确地估值所发送的抽样。因此，有可能消除随机噪声的影响。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。一、均匀量化即把输入信号的取值域按等距离分割的量化。均匀量化的量化信噪比分析：设输入信号的最小值和最大值分别为和表示，量化电平数为,则均匀量化时的量化间隔为（2-1）量化器输出为式中--第i个量化区间的终点，可写成--第i个量化区间的量化电平，可表示为在均匀量化时，量化噪声功率可由下式给出（2-2）式中E--求统计平均;;中北大学2013届毕业论文说明书7信号功率为：S0=E[m2(t)]=dxxfxba)(2（2-3）信噪比S0/Nq用来量度均匀量化器的量化性能。若已知随机变量的概率密度函数，便可计算出该比值。均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪