課程設計---pcm編譯碼器設計

1、<p>　　本科生學年論文（設計）

2、 </p><p>　　PCM編譯碼器設計 </p><p>　　學 院 電氣信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　2012年5月20日</p><p><

3、b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄2</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p>　　一 課程設計的要求4</p><p>　　二．課程設計應用的理論基礎知識4</p><p><b>

4、;　　1.系統(tǒng)介紹4</b></p><p>　　2.PCM 編碼中抽樣、量化及編碼的原理4</p><p><b>　　2.1 抽樣4</b></p><p><b>　　2.2 量化5</b></p><p><b>　　2.3 編碼6</b><

5、/p><p>　　三．課程設計的分析7</p><p>　　四 課程報告硬件設計7</p><p><b>　　1各元件說明8</b></p><p><b>　　2 參數(shù)設置9</b></p><p>　　3 示波器輸出波形12</p><p>

6、;　　五．應用的舉例闡明12</p><p>　　六．課程設計總結13</p><p>　　七． 參考文獻14</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　MATLAB是美國Math Works公司開發(fā)的一套面向理論分析研究和工程設計處理的系統(tǒng)仿真軟件，Simulink是MATLAB提供的實現(xiàn)

7、動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的科技發(fā)展的主流中，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，仿真技術得到了廣泛的應用?；谛盘柕挠糜谕?信系統(tǒng)的動態(tài)仿真軟件simulink具有強大的功能，可以滿足從底層到高層不同層次的設 計、分析使用，形成多層系統(tǒng)便于完成復雜系統(tǒng)的設計。在這個課程設計中，我們利用simulink來對PCM便譯碼器進行設計。系統(tǒng)的實現(xiàn)通過模塊分層實現(xiàn)，模塊主要由 PCM 編碼模塊、PCM譯碼模塊、及邏輯時鐘控制信號構成。通過仿真設計電路對PC

8、M便譯碼器設計過程，分析電路仿真結果，為最終硬件實現(xiàn)提供理論依據(jù)。 </p><p><b>　　一 課程設計的要求</b></p><p>　　以MATLAB的Simulink為軟件平臺，充分利用其提供的通信工具箱和信號處理工具箱中的模塊，充分發(fā)揮了SIMULINK功能強大，建模簡單，參數(shù)易于調(diào)整的特點，對脈沖編碼調(diào)制PCM系統(tǒng)進行了模型構建。 </p>

9、;<p>　?。?）用simulink對系統(tǒng)建模設計一個PCM便譯碼器。 </p><p>　?。?）輸入模擬話音信號觀察其輸出波形。 </p><p>　?。?）再輸入數(shù)字信號觀察其譯碼波形。 </p><p>　?。?）對系統(tǒng)設計進行仿真演示以及結果分析。 </p><p>　?。?）對應用舉例闡明。</p>

10、<p>　　二．課程設計應用的理論基礎知識</p><p><b>　　1.系統(tǒng)介紹 </b></p><p>　　數(shù)字通信系統(tǒng)己成為當今通信的發(fā)展方向，然而自然界的許多信息通過傳感器轉(zhuǎn)換后，絕大部分是模擬量，脈沖編碼調(diào)制PCM是把模擬信號變換為數(shù)字信號的一種調(diào)制方式，PCM即脈沖編碼調(diào)制，定義是對信號進行抽樣和量化時，將所得的量化值序列進行編碼，變換為數(shù)字

11、信號的調(diào)制過程。在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能。PCM是實現(xiàn)語音信號數(shù)字化的一種方法。是語音信號的數(shù)字化，語音信號是連續(xù)變化的模擬信號，實現(xiàn)PCM主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進制表示。為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和μ律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用13折線法編碼。</p><p>　　2

12、.PCM 編碼中抽樣、量化及編碼的原理</p><p><b>　　2.1 抽樣 </b></p><p>　　把連續(xù)信號變?yōu)闀r間軸上離散的信號的過程稱為抽樣，抽樣必須遵循奈奎斯特抽樣定理，離散信號才可以完全代替連續(xù)信號。低通連續(xù)信號抽樣定理內(nèi)容：一個頻帶限制在 赫內(nèi)的時間連續(xù)信號 ,若以 的間隔對它進行等間隔抽樣，則將被所得到的抽樣值完全確定。語音信號經(jīng)過抽樣變成

13、一種脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號。 </p><p><b>　　2.2 量化 </b></p><p>　　量化是把幅度連續(xù)變化的模擬量變成用有限位二進制數(shù)字表示的數(shù)字量的過程。從數(shù)學上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖1-2所示，量化器Q輸出L個量化值y(k)，k=1，2，3，…，L。y(k)常稱為重建電平或量化電平

14、。當量化器輸入信號幅度x落在x(k)與x(k+)1之間時，量化器輸出電平為y(k)。這個量化過程可以表達為：。</p><p>　　這里xk稱為分層電平或判決閾值。通常 稱為量化間隔。如下圖：</p><p>　　模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當信號m(t ) 較小時，則信號量 化噪聲功率比也就

15、很小，這樣，對于弱信號時的量化信噪比就難以達到給定的要求?？梢姡鶆蛄炕瘯r的信號動態(tài)范 圍將受到較大的限制。為了克服這個缺點，實際中，往往采用非均勻量化；非均勻量化的實現(xiàn)方法有兩種：一種是北美和日本采用的μ律壓擴，一種是歐洲和我國采用的A律壓擴。 在PCM-30/32通信設備中，采用A律13折線的分段方法，如圖1-2 Y軸均勻分為8段，每段均勻分為16份，每份表示一個量化級，則Y軸一共有16×8＝128個量化級。X軸采用非均勻

16、劃分來實現(xiàn)非均勻量化的目的，劃分規(guī)律 是每次按二分之一來進行分段。由于分成128個量化級，故有7位二進制碼（27＝128），又因為Y軸有正值和負值之分，需加一位極性碼，故共有8位二進制碼。 </p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　這樣，他基本保持了連續(xù)特性曲線的優(yōu)點，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)。本設計中所用的PCM編碼正是采用這種壓擴特性實現(xiàn)的。

17、 </p><p><b>　　2.3 編碼</b></p><p>　　編碼所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。在實際的PCM設備中，量化和編碼是一起進行的。通信中采用高速編碼方式。在 PCM-30/32通信設備中通常采用逐次反饋型的編碼器。編碼器的種類大體上可以歸

18、結為三類：逐次比較型、折疊 級聯(lián)型、混合型。逐次比較型編碼，一般均按極性碼、段落碼、 段內(nèi)碼的順序排列。</p><p><b>　　三．課程設計的分析</b></p><p>　　在對PCM編譯碼器設計的過程中首先了解PCM的工作原理以下為原理框圖 </p><p>　　在本次課程設計中，涉及到對模擬話音信號設計，當輸入模擬話音信號時觀察其輸

19、出波形，輸入數(shù)字信號時，觀察其譯碼波形。在整個過程中設計圖如下圖 </p><p>　　綜上，把以上的理論及圖形應用到Simulink中，大體找到相應的模塊嵌入模板中進行整理，在輸入過程中分別輸入語音信號和數(shù)字信號，同時設置不同的參數(shù)，在輸出端即可觀察其相應的波形。 </p><p>　　四 課程報告硬件設計</p><p>　　以MATLAB為工具平臺，根據(jù)PCM

20、系統(tǒng)的組成原理，在Simulink中找到相應的模塊選擇合適的模塊，設置適當?shù)膮?shù)，建立通信系統(tǒng)的仿真模型入下圖</p><p><b>　　1各元件說明 </b></p><p>　?、判旁矗骸靶旁础笔切畔⒌陌l(fā)布者，即上載者。而在計算機網(wǎng)絡中，對信源的資格并無特殊限制，任何一個上網(wǎng)者都可以成為信源。在通信系統(tǒng)中假定我們僅用來傳送語音信號,因語音信號的頻帶范圍為300H

21、z23400Hz ,為了更好的體現(xiàn)人的語音的頻率的變化以及觀察所采用的系統(tǒng)對語音頻帶范圍內(nèi)的信號恢復程度,我們采用了Chrip 函數(shù)。Chrip 函數(shù)是其頻率時間線性增長的函數(shù),并用專用詞匯Chrip 表示。 </p><p>　　⑵模擬低通濾波器：低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。按照采樣定理的要求選擇采樣頻率,即Ωs ≥2Ωc ,但考慮到信號的頻譜不是銳止的

22、,最高截止頻率以上還有較小的高頻分量,為此可選Ωs = (324) Ωc 。因此在采樣前加入一低通濾波器。 </p><p>　?、蔷匦蚊}沖序列：由于產(chǎn)生和傳輸單位沖激函數(shù)難以實現(xiàn),因此實際中通常采用矩形脈沖抽樣,根據(jù)CCITT 標準,留一定的防衛(wèi)帶則采樣頻率f s = 8000Hz , T = 1/8000 = 125μs 用占空比為50 %的矩形脈沖序列。</p><p>　　⑷相乘器

23、：通過相乘器使語音信號與矩形脈沖相乘從而獲得時域離散信號,此即信號的抽樣過程。 </p><p>　?、葾率壓縮：由于實現(xiàn)困難,因此工程上通常用十三折曲線來近似地表示A 律曲線。 </p><p>　?、示鶆蛄炕途幋a：根據(jù)語音信號的統(tǒng)計結果:在信號動態(tài)范圍≥40dB 的情況下信噪比不應低于26dB。因此用8 位量化器,量化間隔為125μs。 </p><p>　

24、?、司幋a器：編碼器是將量化后信號編成適合信道傳輸?shù)男盘枴?</p><p>　?、探獯a器：將從信道接受到信息進行解碼 </p><p>　?、虯率解壓：對解碼后的信號量化值進行擴展,得到重建信號。 </p><p>　　⑽零階保持：零階保持完成將重建信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號。 </p><p>　?、鲜静ㄆ鳎猴@示被測量的瞬時值軌跡變化情況的儀器。&

25、lt;/p><p><b>　　2 參數(shù)設置 </b></p><p>　　3 示波器輸出波形 </p><p>　　五．應用的舉例闡明 </p><p>　　1）可以做音頻電話。電話音頻撥號和脈沖撥號,音頻撥號是每個鍵有一固定的音頻頻率,你按下一個鍵,在電話線上發(fā)出的是這個鍵的音頻頻率信號.脈沖撥號是發(fā)出的脈沖數(shù)信號.現(xiàn)在

26、的電話一般是采用音頻撥號。 </p><p>　　2）光電脈沖編碼器在數(shù)控機床上用作位置檢測裝置，將檢測信號反饋給數(shù)控系統(tǒng)。其反饋給數(shù)控系統(tǒng)有兩種方式：一是適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖；二是適應有計數(shù)控制和計數(shù)要求的計數(shù)器，形成方向控制信號和計數(shù)脈沖。</p><p><b>　　六．課程設計總結</b></p><p

27、>　　本次課程設計在剛開始的過程中不太懂，查閱里一些書籍，有了初步的了解，最終決 定用軟件仿真來實現(xiàn)PCM的編碼過程。通過這次設計，掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過程，學會了使用matlab，并學會通過應用軟件仿真來實現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的設計，加強了動手能力和學業(yè)技能?？傮w來說，在摸索該如何設計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，在同學的幫著下很多問題迎刃而解。在讓我體會到了設計電路的艱辛的同時更讓我感覺到只有自己動腦去思考才

28、會有更好的認知。此次設計培養(yǎng)了我的設計思維，增加了實際操作能力。理論聯(lián)系實際，我對PCM便譯碼器有了更深的理解。 </p><p><b>　　七． 參考文獻 </b></p><p>　　[1]現(xiàn)代通信原理與技術,張渾，曹麗娜編著.西安電子科技大學出版社，2011年</p><p>　　[2]MATLAB電子仿真與應用教程（第三版），王華等編