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1、师大学计算机与信息工程学院通信软件课程设计报告设计题目PCM系统的量化分析指导教师俞宗佐职称讲师姓名申哲学号日期2012年6月30日PCM 系统的量化分析计算机与信息工程学院 2009级通信工程 申哲指导教师 俞宗佐讲师摘要 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PCM；均匀量化；非均匀量化The quantitative analysis of PCM systemComputer and Information Engineering College Commu
2、nications Engineering.ShenZhe 7Directed by YuZongZuo lecturerAbstract This paper, from the uniform 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 qu
3、antification and influence of system of uniform quantitative role.Keywords PCM; Even quantitative; Non-uniform quantitative1、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
4、，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，并提供了容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
5、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、访问与调整参数，方便地加入注释。2.2System 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(Communica ti on)、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
6、方案论证，尤其适合于无线、无绳、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、RLC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一一如幅频特性(伯特图)、 传递函数、根轨迹图等之间的转换。在系统设计和仿真分析方面，Syst
7、em 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，可以通过鼠标方便地控制部数据的图形 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Mat lab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 Genera tor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，Sys temView还有与DSP
8、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 实验目的：1.1熟悉和掌握systemview仿真软件；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 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
9、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 PCM系统非均匀量化原理框图PCM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4小信号输入波形图图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
10、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y，k=1，2，3,，L。ky常称为重建电平或量化电平，当量化器输入信号幅度x落在x与x之间时，kkk+1量化器的输出电平为 y 。此时，这个量化过程就可以表达为：ky = Q
11、(x) = Q x x x = y , k = 1,2,3, L , Lkk + 1k这里x称为分层电平或判决阈值。通常 =x -x称为量化间隔。下图为模拟kkk +1k信号的量化图：y量化值x1量化器 模拟入 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为 串行数据，通过数据选择器还可以实现码速转换功能，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
12、：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Av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。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卩压缩律和A压缩律。美用卩压缩律，我国和欧洲各国均采
13、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 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 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
14、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：图12 小信号均匀量化后还原波形图13 大信号均匀量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
15、将信号采用13线A律瞬时扩。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：1-1-1E* IlJI!MII I IBBUIHhIfc -強=eF s-JX W H W Th 中 3 zr H： “I -H 丘 叫* 皿瓷 咖斶;F丄D 止E |.丹打ritrnmum”“I+卓.*M .KM图14小信号非均匀量化后还原波形图 15 大信号非均匀量化后还原波形5 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 量化所还原出来的信号与输入信号并无很大的区别，只是稍稍有点延迟。5.2 小信号情况下均匀量化与非均匀量化的比较PCM 系统
