脉冲编码调制

脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真目录一、前言 (2)二，设计目的 (3)三、脉冲编码调制介绍 (3)3.1简介 (3)3.2脉冲编码调制PCM的基本原理 (4)3.3编码 (5)四、设计步骤 (5)4.1系统介绍 (5)4.2PCM编码器组件功能实现 (9)4.3 PCM编码器模块 (10)4.4 PCM译码器模块 (11)4.5、系统仿真模型 (12)4.6仿真波形 (13)五、设计过程中需解决的问题 (14)六、设计心得......................... 错误！未定义书签。

参考文献 (14)脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真摘要: 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。

ABSTRACTSystemView simulation software multi-level communication system simulation. Pulse code modulation (PCM) is a modern digital voice communication important encoding. SystemView achieved using pulse code modulation (PCM) emulation, the hardware circuit can provide a theoretical basis. The simulation shows the PCM code to implement the design concept and the specific process and analyze them.关键词: PCM 编译码一、前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，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。

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。

二，设计目的1、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。

2、学习现有流行的通信系统仿真软件的基本使用方法，如system view，利用这个软件解决通信中存在的问题。

三、脉冲编码调制介绍3.1简介脉冲编码调制(Pulse Code Modulation)是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。

PCM 对信号每秒钟取样8000 次；每次取样为8 个位，总共64 kbps。

取样等级的编码有二种标准。

北美洲及日本使用Mu-Law 标准，而其它大多数国家使用A-Law 标准。

脉冲编码调制主要经过3个过程：抽样、量化和编码。

抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。

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。

3.2脉冲编码调制PCM的基本原理脉冲编码调制就是把一个时间连续，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。

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。

抽样速率采用8Kbit/s。

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。

一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。

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。

然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。

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（即离散的脉冲编码调制工作原理脉冲调幅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，再经编码后转换成二进制码。

对于电话，CCITT规定抽样率为8K Hz，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。

在实际中使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和U律，A律编码主要用于30/32路一次群系统，U律编码主要用于24路一次群系统。

A律PCM用于欧洲和中国，U律PCM用于北美和日本。

3.3编码脉冲编码调制编码原理与规则：PCM数字接口Array是G.703标准，通过75Ω同轴电缆或120Ω双绞线进行非对称或对称传输，传输码型为含有定时关系的HDB3码，接收端通过译码可以恢复定时，实现时钟同步。

Fb为帧同步信号，脉冲编码调制编码C2为时钟信号，速率为2.048Mbps，数据在时钟下降沿有效，E1接口具有PCM帧结构，一个复帧包括16个帧，一个帧为125μs，分为32个时隙，其中偶帧的零时隙传输同步信息码0011011，奇帧的零时隙传输对告码，16时隙传输信令信息，其它各时隙传输数据，每个时隙传输8比特数据。

四、设计步骤4.1系统介绍PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。

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,采用非均匀量化PCM编码示意图见图1。

图1 PCM 原理框图下面将介绍PCM 编码中抽样、量化及编码的原理： (a) 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。

(b) 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2所示，量化器Q 输出L 个量化值k y ，k=1，2，3，…，L 。

k y 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k x 与1+k x 之间时，量化器输出电平为ky 。

这个量化过程可以表达为：{}1(),1,2,3,,k k k y Q x Q x x x y k L +==<≤==这里k x 称为分层电平或判决阈值。

通常kk kx x -=∆+1称为量化间隔。

图2 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。

由于均匀量化存在的主要缺点是：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()m t 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。

为了克服这个缺点，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。

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μ压缩律和A 压缩律。

美国采用μ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。

所谓A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：AX A Ax y 10,ln 1≤<+=11,ln 1ln 1<≤++=X AAAxyA 律压扩特性是连续曲线，A 值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。

实际中，往往都采用近似于A 律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。

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。

图3示出了这种压扩特性。

图3 13折线表1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。

表1中第二行的x值是根据6.87A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6.A曲线十分逼近，同时x按=872的幂次分割有利于数字化。

(c) 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13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。