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基于simulink的PCM编译码器设计及应用.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.30M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    PCM 编译码器设计及应用 1、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 simulink 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，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。 simulink 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。 本文主要阐 述了如何利用 simulink 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、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。 话音输入 低通滤波 瞬时压缩 抽 样 量 化 编 码 话音输出 低通滤波 瞬时扩张 解 调 解 码 再 生 图 1-1 PCM 原理框图 3、PCM 编码中抽样、量化及编码的原理： 信 道 0
    3.1 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。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。 3.2 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 1-2 所示，量化器 Q 输出 L 个量化值 ky ，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 kx 与 1kx 之间时，量化器输出电平为 ky 。 这个量化过程可以表达为：  y Q x Q x ( )     x k x k 1   y k , k  1,2,3, ,  L 这里 kx 称为分层电平或判决阈值。通常  k x k 1 称为量化间隔。 k  x x 模拟入 量化器 y 量化值 图 1-2 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 1
    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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。 所谓 A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律： y  y  Ax 1 ln  1 ln  1 ln  0,  A 1, Ax AA X  1 A  X  1 A 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 （7） （8） 未压缩 y 1 7 8 6 8 5 8 4 8 3 8 2 8 1 8 0 （6） （5） （4） （3） （2） （1） 1 128 1 16 1 8 1 4 1 2 1 1 32 1 64 所用到的 PCM 编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图 1-3 示出了这种压扩特性。 2
    图 1-3 13 折线 y x 表 1-1 列出了 13 折线时的 x 值与计算 x 值的比较。 表 1-1 4 8 1 4.15 1 16 3 8 1 6.30 1 32 2 8 1 6.60 1 64 1 8 1 128 1 128 0 0 0 按折线 分段时的 x 5 8 1 79.7 1 8 6 8 1 93.3 1 4 7 8 1 98.1 1 2 1 1 1 段落 斜率 1 16 2 16 3 8 4 4 5 2 6 1 7 1 2 8 1 4 表 1 中第二行的 x 值是根据 6.87A 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 6.87A 曲线十分逼近，同时 x 按 2 的幂次分割有利于数字 化。 3.3 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。 表 1-2 段落码 表 1-3 段内码 段落序号 段落码 量化级 8 7 6 5 4 3 111 110 101 100 011 010 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 段内码 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 3
    2 1 001 000 4 3 2 1 0 0100 0011 0010 0001 0000 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。若用 8 位 折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位 （第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示 段落码，它的 8 种可能状态来分别代表 8 个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的 16 种可能状态来分别代表每一段落的 16 个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8 个段 落被划分成 27＝128 个量化级。段落码和 8 个段落之间的关系如表 2 所示；段内码与 16 个 量化级之间的关系见表 1-3。 4、基于 simulink 的 PCM 编码和解码的仿真 图 1-4 Simulink PCM 编码和解码组成的框图 4
    4.1 仿真框图中各部分的简介 1.信源 在通信系统中假定我们仅用来传送语音信号,因语音信号的频带范围为300Hz23400Hz , 为了更好的体现人的语音的频率的变化以及观察所采用的系统对语音频带范围内的信号 恢复程度,我们采用了Chrip 函数。Chrip 函数是其频率时间线性增长的函数,在雷达系统 中这样的信号称为线性调频信号,并用专用词汇Chrip 表示。 2.模拟低通滤波器 按照采样定理的要求选择采样频率,即Ωs ≥2Ωc ,但考虑到信号的频谱不是锐止的, 最高截止频率以上还有较小的高频分量,为此可选Ωs = (324) Ωc 。另外可以在采样之 前加一保护性的低通滤波器,滤去高于Ωs/ 2 的一些无用的高频分量,以及其他的一些杂 散信号,因此在采样前加入一低通滤波器。 3.矩形脉冲序列 由于产生和传输单位冲激函数难以实现,因此实际中通常采用矩形脉冲抽样,根据 CCITT 标准,留一定的防卫带则采样频率f s = 8000Hz , T = 1/8000 = 125μs 用占空比 为50 %的矩形脉冲序列。 4.相乘器 通过相乘器使语音信号与矩形脉冲相乘从而获得时域离散信号,此即信号的抽样过程。 5.A率压缩 由于实现困难,因此工程上通常用十三折曲线来近似地表示A 律曲线。 6.均匀量化和编码 根据语音信号的统计结果:在信号动态范围≥40dB 的情况下信噪比不应低于26dB。因 此用8 位 量化器,量化间隔为125μs。 7.编码器 编码器是将量化后信号编成适合信道传输的信号。 8.解码器 将从信道接受到信息进行解码 9.A率解压 对解码后的信号量化值进行扩展,得到重建信号。 10.零阶保持 5
    零阶保持完成将重建信号转换为连续信号。 11.浮点示波器 将产生的信号波形显示出来。在本实验中将原信号波形与恢复后的信号波形同时显示 在同一滤波器中,这样可以直观的比较信号的恢复程度。 4.2 各部分参数设置 图 1-5 Chirp Signal 的参数设置 6
    图 1-6 Pulse Generator 的参数设置 4.3 示波器的显示波形 7
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