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1、内蒙古师范大学计算机与信息工程学院通信软件通信软件课程设计报告课程设计报告实习题目实习题目指导教师指导教师职职 称称学生姓名学生姓名学学 号号日日 期期实习题目实习题目指导教师指导教师职职 称称学生姓名学生姓名学学 号号日日 期期实习题目实习题目指导教师指导教师职职 称称学生姓名学生姓名学学 号号日日 期期设计题目设计题目PCM 系统的量化分析指导教师指导教师俞宗佐职称职称讲师姓姓 名名申哲学学 号号20091103965日日 期期2012年6月30日1PCMPCM 系统的量化分析系统的量化分析计算机与信息工程学院 2009 级通信工程 申哲 20091103965指导教师 俞宗佐 讲师摘要摘
2、要 本文从均匀量化以及非均匀量化不同的角度对 PCM 系统进行设计与仿真，详细的分析了在模拟语音信号与数字语音信号之间的转换中均匀量化对系统的影响以及非均匀量化的作用。关键字关键字 PCM；均匀量化；非均匀量化The quantitative analysis of PCM systemComputer and Information Engineering College Communications Engineering. ShenZhe 200911103657Directed by YuZongZuo lecturerAbstract This paper, from the uni
3、form quantitative and non-uniform quantitative different angles on PCM system design and simulation, detailed analysis of the speech signal and digital simulation in speech signal conversion between even quantification and influence of system of uniform quantitative role.Keywords PCM; Even quantitat
4、ive; Non-uniform quantitative1 1、引言、引言 随着电子技术和计算机技术的发展，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2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
5、丰富的基本库和专业库。 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。2.System View 软件2.1 System view 简介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)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整
6、参数，方便地加入注释。2.2 System view 软件特点SystemView 的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、R
7、LC 电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。System View 能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。System View 的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标如幅频特性（伯特图）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。3在系统设计和仿真分析方面，System View 还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收
8、计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。System View 还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言 VC+或仿真工具 Matlab 的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与 Xilinx 公司的软件 Core Generator 配套，可以将 System View 系统中的部分器件生成下载 FPGA 芯片所需的数据文件；另外，System View 还有与 DSP 芯片设计的接口，可以将其 DSP 库中的部分器件生成 DSP 芯片编程的 C 语言源代码。3 3 实验目的：1.1 熟悉和掌握 systemview 仿真软
9、件；1.2 设计和仿真出在均匀量化以及非均匀量化下的 PCM 系统；1.3 分析和对比在均匀量化与非均匀量化下的输出波形有何区别；1.4 在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计报告，能够正确阐述和分析实验结果。4 4 工作原理工作原理4.1 PCM 系统介绍PCM 即脉冲编码调制，就是把一个时间连续，取值连续的模拟语音信号变换成时间离散，取值离散的数字语音信号后在信道中传输。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。2.2 电路组成模块PCM 系统非均匀量化电路的组成原理框图如图 1 所示：图 1
10、 PCM 系统非均匀量化原理框图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 生话音输入话音输出4PCM 系统均匀量化电路的组成原理框图如图 2 所示：图 2 PCM 系统均匀量化原理框图4.3 PCM 系统的工作原理及过程PCM 系统总电路仿真图如图 3 所示：图 3 PCM 系统总电路图4.3.1 PCM 系统输入信号在本系统输入信号采用的是三个信号经过混频器叠加的信号作为系统的输入信号，为了方便说明问题，采用了大信号与小信号两组信号进行实验，图 4 、图 5 为输入信号的波形。图 4 小信号输入波形图低通滤波低通滤波信道抽 样量 化编 码解 调解 码再 生话音输入
11、话音输出5图 5 大信号输入波形图4.3.2 PCM 系统抽样抽样，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。抽样定理指出，对于一个频带限制在零到 fh 的低通模拟信号抽样时，若最小抽样速率不低于奶奎斯特抽样速率 2fh，则能够无失真的输出原模拟信号。4.3.3 PCM 系统量化从数学上来看，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 6 所示，量化器 Q 输出 L 个量化值，kyk=1，2，3，L。常称为重建电平或
12、量化电平，当量化器输入信号幅度ky落在与之间时，量化器的输出电平为。此时，这个量化过程就可以xkx1kxky表达为： 1( ),1,2,3,kkkyQ xQ xxxykLL这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。下图为模kxkkkxx1拟信号的量化图：图 6 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。均匀量化是指把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。利用A/D 转换器就可实现均匀量化。完成 A/D 转换后利用带使能端的 8 路数据选择器的数据并/串转换，用三个信号为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据模拟入yx 量化器 量化值6为串行数据，通过数据选择器还可以实现
13、码速转换功能，这样就能接收量化波形。图 7、图 8 为大小信号时均匀量化的量化波形图：图 7 小信号的均匀量化波形图图 8 大信号的均匀量化波形图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v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。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
14、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。非均匀量化在大小信号时的量化波形图如图 10、图 11 所示：7图 10 小信号非均匀量化量化波形图 11 大信号非均匀量化量化波形4.3.4 PCM 系统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、
15、混合型。在 A/D 转换器中，将量化信号编码用 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。4.3.5 PCM 系统译码在均匀量化的过程中，将所编码的信号用 D/A 转换器译码出来，出来的信号通过一个 3 阶的巴特沃斯低通滤波器，因为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。采用均匀量化后 PCM 系统还原出来的大小信号为图 12、图 13 所示：8图 12 小信号均匀量化后还原波形图 13 大信号均匀量
16、化后还原波形采用非均匀量化将所编码的信号用 D/A 转换器译码出来，在通过通过巴特沃斯低通滤波器前需要将信号采用 13 线 A 律瞬时扩张。采用非均匀量化后PCM 系统还原出来的大小信号为图 14、图 15 所示：图 14 小信号非均匀量化后还原波形9图 15 大信号非均匀量化后还原波形5 5 均匀量化与非均匀量化分析比较均匀量化与非均匀量化分析比较5.1 大信号情况下均匀量化与非均匀量化的比较PCM 系统在大信号时均匀量化与非均匀量化还原出来的信号同输入信号比较，图 16、图 17 即为比较图：图 16 大信号均匀量化后还原波形与输入信号比较图 17 大信号非均匀量化后还原波形与输入信号比较根据图 16 大信号均匀量化后还原波形与输入信号比较图以及图 17 大信号非均匀量化后还原波形与输入信号比较发现在大信号时，采用均匀量化与非均匀量化所还原
