PCM模块设计(毕业设计)

XXXX学院毕业设计（论文）PCM模块设计
学生：XXX
学号：XXXXXX
专业：通信工程
班级：XXXX
指导教师：XX
XXXX学院电子与信息工程系
XXXX
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；TP3067
ABSTRACT
What this paper researches is mainly about the PCM。

PCM, pulse code modulation，is one of the most basic communication technologies. It adopts the samplings of Pulse signal, which includes three processes：figuring imitation signals, transmitting channels, and changing figure signals into imitation ones, to change the imitation signals. Among these three processes, figuring imitation signal is made up of three parts：sampling, quantifying, and coding. Owing to so many advantages of PCM system, it is widely used in different kinds of fields. With the development of science technology, little by little, the system of PCM can not meet people’s needs in life and production any more, so new technologies come into use, for example, DPCM, DM, etc.
KEY WORDS:PCM system，Simulated signal digitization，TP3067
目录
摘要 (I)
第一章绪论 (1)
1.1课题设计内容 (1)
1.2 本课题研究的目的和意义 (1)
1.3论文研究的内容安排 (1)
第二章 PCM基本原理 (3)
2.1 PCM基本工作原理 (3)
2.1.1 抽样 (4)
2.1.2 量化 (4)
2.1.3编码 (11)
2.2 PCM系统的优缺点 (18)
第三章 PCM系统硬件电路设计 (19)
3.1 总体设计思想 (19)
3.2 各模块的设计方法和具体实现 (25)
3.2.1 PCM系统的编译码模块 (25)
3.2.2 信号发生模块 (31)
第四章 PCM系统不足和改进 (36)
4.1 PCM系统存在的不足 (36)
4.2 PCM系统的改进 (36)
4.2.1 自适应脉冲编码调制 (36)
4.2.2 DPCM的原理 (37)
4.2.3 增量调制（△M）系统的简介 (39)
第五章毕业设计总结 (40)
参考文献 (42)
附录 (44)
第一章绪论
1.1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。

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。

1.2 本课题研究的目的和意义
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。

1.3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。

第二章 PCM基本原理
2.1 PCM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
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， 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[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：
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;
;
信号功率为：S
0=E[m2(t)]=dx
x
f
x b
a
)
(
2
（2-3）
信噪比S
0/N
q
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。

二、非均匀量化
为了克服均匀量化的缺点，实际中，往往采用非均匀量化。

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：
（1）当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以获得较高的平均信号量化噪声功率比;
（2）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。

非均匀量化又有分为两种类型，A律和律。

A律PCM用于欧洲和我国，律PCM用于北美和日本。

压缩律的压缩特性为
（2-4）
其中，压缩系数
归一化的压缩器输出电压
归一化的压缩器输入电压
压缩系数愈大，则压缩效果愈明显，，相当于无压缩。

早期采用，国际现在的标准是。

图2.4 律对数压缩特性
实际中，压缩律通常采用15折线来近似，15折线法如图所示，图中先把轴的[0,1]区间分为8个均匀段。

图2.5 15折线示意图
轴对应于轴的分界点的坐标可用下式确定：
（2-5）
图中的各线段的斜率如表中的第四行所示，各线段的斜率都相差2倍，图中只画出了第一象限的压缩特性，第三象限的压缩特性的形状与第一象限的压缩特性的形状相同，且它们以原点为奇对称，所以负方向也有八段直线，总共有16个线段，但由于正向第一段和负向第一段的斜率相同，所以这两段实际上为一条直线，因此，正、负双向的折线总共由15条直线段构成，这就是15折线的由来。

在15折线中，原点两侧的一段折线的斜率为
而在13折线中，原点两侧的一段折线的斜率为16,由此可见，15折线律中小信号的量化信噪比比13折线A律大近一倍，但对于大信号来说，律不如A律。

表2.1：15折线参数表
A压缩律的压缩特性为
（2-6）
其中，A压缩系数
归一化的压缩器输出电压
归一化的压缩器输入电压
下图给出A为某一取值的归一化压缩特性。

A律压缩特性是以原点奇对称的，为了简便，图中只给出了正半轴部分。

图2.6 A律对数压缩特性
实际中，A压缩律通常采用13折线来近似，13折线法如图所示，图中先把轴的[0,1]区间分为8个不均匀段。

图2.7 13折线示意图
其具体分法如下：
将区间[0，1]一分为二，其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段;
将剩下的区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段;
将剩下的区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段;
将剩下的区间[0,1/8]再一分为二，其中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段;
将剩下的区间[0,1/16]再一分为二，其中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段;
将剩下的区间[0,1/32]再一分为二，其中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段;
将剩下的区间[0,1/64]再一分为二，其中点为1/128,取区间[1/128,1/64]作为第二段;
最后剩下的区间[0,1/128]作为第一段。

然后将轴的[0,1]区间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为[0,1/8],(1/8,2/8],(2/8,3/8],(3/8,4/8],(4/8,5/8],(5/8,6/8],(6/8,7/8],(7/8,1]。

分别与轴的八段一一对应。

采用上述的方法就可以作出由八段直线构成的一条折线，该折线和A压缩律近似，图7-4-3中的八段线段的斜率分别为：
表2.2 13折线各段落的斜率
从表中可以看出，除一、二段外，其他各段折线的斜率都不相同。

图中只画出了第一象限的压缩特性，第三象限的压缩特性的形状与第一象限的压缩特性的形状相同，且它们以原点为奇对称，所以负方向也有八段直线，总共有16个线段。

但由于正向一、二两段和负向一、二两段的斜率相同，所以这四段实际上为一条直线，因此，正、负双向的折线总共由13条直线段构成，这就是13折线的由来。

2.1.3编码
所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。

抽样、量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。

最简单的编码方式是二进制编码。

具体说来，就是用n比特二进制码来表示已经量化了的样值，每个二进制数对应一个量化值，然后把它们排列，就可以得到由二值脉冲组成的数字信息流。

常用的二进制码有自然二进制码、折叠二进制码和格雷码。

线性编码的码组中码位的权值是固定的，它不随输入信号的变化而变化。

线性编码的实现方法有级联逐次比较型编码和逐次反馈型编码两种。

级联逐次比较型编码：级联逐次比较型编码的编码误差范围是,量化值取的是每个量化间隔内的端点值，由量化理论可知这时量化噪声要比取中间值时的大。

但此时编码电路实现方便，并且这种较大的量化误差可在译码时得到补偿，使PCM系统中总的量化噪声平均功率达到最小。

级联逐次比较型电路编码精度高、速度快，但电路复杂，各个编码电路的标准电压都不同，要求使用的比较器较多。

逐次反馈型编码：目前实用较多的是采用数字电路方式的反馈型编码器电路，整个编码器由抽样保持电路、极性判决、全波整流器、本地译码器和或门组成。

逐次反馈型编码器的编码过程是将已编码字反馈到本地译码器，每到一个比较脉冲编出1位码，码字以串行方式输出。

从编码速度来看，要比级联型编码器慢，但电路简单，精度高，适用于中速编码。

衡量编码器的优劣主要由三个指标衡量：编码精度、编码速度和编码电路复
杂程度。

在实际电路中，编码器的精度与本地译码网络开关质量、电阻精度等因素有关。

比较器的灵敏度主要由运放的增益决定，运放的增益越高，比较器的灵敏度也越高。

2.1脉冲编码调制(PCM)系统的抗噪声性能
PCM系统的原理方框图如图所示，图中，输入的模拟信号经抽样、量化、编码后变换成数字信号，经信道传送到接收端的译码器，由译码器还原出抽样值，再经低通滤波器滤出模拟信号。

其中，量化与编码的组合通常称为A/D变换器;而译码与低通滤波的组合称为D/A变换。

图2.8 PCM系统的原理方框图
PCM系统的噪声主要有两种：量化噪声和加性噪声。

PCM系统的低通滤波器的输出信号为
（2-7）其中m(t)接收端输出的信号成分;
由量化引起的输出噪声成分;
由信道加性噪声引起的输出噪声成分。

在接收端输出信号的总信噪比为
（2-8）
其中量化噪声的平均功率;
信道加性噪声的平均功率;
量化噪声和信道加性噪声相互独立，所以我们先分别讨论它们单独作用时系
统的性能，然后再分析系统总的抗噪声性能。

（1）量化噪声对系统的影响
假设发送端采用理想冲激抽样，则抽样器输出为
（2-9）
则量化信号可表示为
（2-10）
其中由量化引起的误差。

量化误差的功率谱密度为
（2-11）
这里我们假设输入信号在区间具有均匀分布的概率密度，对其进行均匀量化，其量化级数为，则有，量化噪声的功率为
（2-12）
量化间隔。

所以量化误差的功率谱密度为
（2-13）
因此，低通滤波器输出的量化噪声成分的功率谱密度为
（2-14）
H（w）低通滤波器的传输特性，假设其是带宽为的理想低通滤波器，即
（2-15）
则有
（2-16）
因此，低通滤波器输出的量化噪声功率为
(2-17) 采用同样的方法，可求得接收端低通滤波器输入端的信号功率谱密度为
（2-18）
则低通滤波器输出信号的功率谱密度为
（2-19）
所以低通滤波器输出的信号功率为
通常情况下有>>1，所以有
(2-20)
根据式(2-19)和式(2-20)可以得到PCM系统输出端的量化信号与量化噪声的平均功率比为
(2-21)
对于二进制编码，设其编码位数为，则式(2-21)又可写为
(2-22)
由上式可见，PCM系统输出端量化信号与量化噪声的平均功率比将仅仅依赖于每个编码码组的位数，且随按指数增加。

众所周知，对于一个带限为
赫兹的信号，按抽样定理，要求每秒最少传输个抽样值。

经位编码后，则每秒要传送个二进制脉冲。

因此，系统的总带宽B至少应等于赫兹，即应为，所以式(2-22)又可写成
这说明，PCM系统输出的信号量化噪声功率比还和系统带宽B成指数关系。

（2）加性噪声对系统的影响：
由于信道中始终存在加性噪声，因而会影响接收端判决器的判决结果，即可能会将二进制的"0"错判为"1",或把二进制的"1"错判为"0"。

由于PCM系统中每一码组都代表着一定的抽样量化值，所以只要其中有一位或多位码元发生误码，则译码输出值的大小将会与原抽样值不同。

其差值就是加性噪声所造成的失真，并以噪声的形式反映到输出，我们用信号噪声功率比来衡量它。

在加性噪声为高斯噪声的情况下，每一码组中出现的误码都是彼此独立的，我们通过图7-6-1来计算由于误一码而造成的噪声功率。

图2.9 一个自然编码组
对于N位自然二进制码组来说，从低位到高位加权值应该是。

设量化级之间的间隔为，则对应第位码的抽样值为。

如果第位发生错码，则其误差是。

可以看出，最高位发生误码
造成的误差最大，是;最低位误码时误差最小，只有。

因为已假设每一码元发生错误的概率相同，并把每一码组中只有一码元发生错误引起的误差电压设为，所以一个码组由于误码在译码器输出端造成的平均误差功率为
由于错误码元之间的平均间隔为个码元，而一个码组又有N个码元，
所以错误码组之间的平均间隔为个码组，其平均间隔时间为
由于假定发送端采用理想抽样，因此，接收译码器输出端由误码造成的误差功率谱密度，根据式( )同样的方法可以得到
因此在理想低通滤波器输出端，由误码引起的噪声功率谱密度为
即
所以噪声功率为
(2-23)
由式(2-20)及式(2-23),得到仅考虑信道加性噪声时PCM系统的输出信噪比为
(2-23)
从上式可以看出，由于误码引起的信噪比与误码率成反比。

（3）PCM系统接收端输出信号的总信噪比
由式(2-21)、式(2-22)和式(2-23)，可求得PCM系统输出端总的信号噪声功率比为
(2-24)
在接收端输入大信噪比的情况下，误码率将极小，于是，式(2-24)近似为
(2-24)
这与式(2-22)中只考虑量化噪声情况下的系统输出信噪比是相同的。

在接收端输入小信噪比的情况下，有，则式(2-24）又可近似为
(2-25)
这与式(2-23)中只考虑噪声干扰时系统的输出信噪比是相同的。

由于在基带传输时误码率降到以下是不难的，所以此时通常用式(2-24)来估算PCM系统的性能。

2.2 PCM系统的优缺点
优点：
1. PCM系统是概念上最简单、理论上最完善的编码系统，也是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统。

2. PCM的编码原理比较直观和简单，设计思路比较直观，让人简单明了。

缺点：
1. 为提高编码的质量，必须要增加码长，这样便导致设备比较复杂，成本较高。

2. 编码过程中，每一个码元具有不同的加权值，在自然二进制中最底码的码元误码会造成量化阶的误差，而最高位码元的误码要造成量化阶的倍的误差，所以误码对PCM系统的影响比较严重。

3. PCM系统的数码率较高，限制了它的应用范围。

第三章PCM系统硬件电路设计
3.1 总体设计思想
由前面的原理分析可以清楚的知道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
括低通、采样、量化、编译码、放大等，其中最为重要的是编译码过程，所以在这里我们把重点放在模拟信号编码为数字信号以及数字信号译码为模拟信号的
图3.3所示：
(a) Q>0.707
(b) Q
=0.707
(c) Q <0.707
二阶低通滤波器在2010=C R 时的波特图
从图中可以看出，当Q >0.707 或Q <0.707时，通带边沿处会出现比较大的不平坦现象。

因此，品质因数表明了滤波器通带的状态。

一般要求Q =0.707。

由此可以得到 011
012012
012
011
2)1(31R R R R R Q -=
+
-=
这就是二阶巴特沃兹滤波器电压增益得计算0.707公式。

令Q =0.707，得
011012707.0414.0R R =
通常把最大增益倍所对应的信号频率叫做截止频率，这时滤波器具有3dB 的衰减。

利用滤波器幅频特性的概念，可以得到截止频率0040100/1C R ==ωω，即0040102/1C R f π=。

二阶巴特沃兹高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。

直接采用频域分析方法，并令008
0071R R k += ，)3/(1k Q -=，00200601
C R =ω，则可以
高通滤波器
考虑正弦稳态条件下，ωj s =，得
二阶巴特沃兹高通滤波器在频率响应特性与低通滤波器相似，当Q >0.707或Q <0.707时，通带边沿处会出现不平坦现象。

有关根据品质因数Q 计算电路电阻参数007R 和008R 的方法与二阶低通滤波器的计算相同。

同样，利用滤波器幅频特性的概念，可以得到截止频率002
00601
C R =
=ωω，
即 002
00621C R f π=
对PCM 系统的方框图进行分析，可以清楚地知道模拟信号和数字信号在传输系统之间的转换，在这里我们选择几个关键点，通过观察这些关键点的波形来大致了解下信号在系统的传输过程。

波形如图3.6所示： S201：正弦信号输入：
TP503：PCM 编译码主时钟信号输入：
7脚（FSR ）PPD ：PCM 编译码帧同步信号输入： TP508：PCM 译码正弦波模拟信号输出：
图3.6 各关键点波形图
3.2 各模块的设计方法和具体实现
本电路分成两个模块，PCM系统编译码模块和时钟模块。

下面就两个模块的功能及电路组成进行具体的分析。

3.2.1 PCM系统的编译码模块
PCM系统的编译码模块包括三个部分，发送通道、TP3067编译码器件、接收通道。

发送通道主要是将输入的模拟信号进行放大处理，并选择合适的解调器进行解调；接收通道主要是将接收到的模拟信号惊进行滤波、放大等过程。

在PCM 系统的编译码模块最重要的是TP3067编译码器件。

它完成了对模拟信号的采样、量化、编码以及对数字信号的译码、低通、放大等过程。

TP3067芯片作为PCM编译码器，它把编译码器（Codec）和滤波器(Filter)集成在一个芯片上，功能比较强，它既可以进行A律变换，也可以进行u律变换，它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，到底使用它的什么功能可由用户通过一些控制来选择。

TP3067可以组成模拟用户线与程控交换设备间的接口，包含有话音A律编解码器、自调零逻辑。

话音输入放大器、RC滤波器、开关电容低通滤波器、话音推挽功放等功能单元。

TP3067具有完整的话音到PCM和PCM到话音的A律压扩编解码功能。

它的编码和解码工作既可同时进行，也可异步进行。