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通信原理PCM

2018-06-24 02:38

  设计原理1.1 PCM 系统基本原理 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调 制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。为改善小信号量化性能,采用压扩非均匀 量化,有两种方式,分别为A 律方式,此处采用了A律方式,由于A 压缩实现复杂,常使用13 折线法编码,采用非均匀量化。PCM通信系统示意图 图1.1 时分复用PCM 通信系统框图 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 1.2抽样、量化、编码 下面介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理: (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确定的。 (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。 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 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。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 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。 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 压缩律和A压缩律。美国采用 压缩律,我国和欧洲均采用A压缩律,因此,PCM 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: 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 律压扩特性是连续曲线,A值不同压扩特性亦不同,在电上实现这样的函数 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) 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 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1.2 示出了这种压扩特性。 图1.2 13 折线)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 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 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1.3 编码表 13折线法中,无论输入信号是正是负,均按 段折线个段落)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 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 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 个段落之间的关系如表所示;段内码与16个量化级之间的关 系如表所示。 段落序号 段落码 量化级 段内码 11115 1111 14 1110 11013 1101 12 1100 10111 1011 10 1010 0000武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 PCM系统设计 2.1 总电设计图 图2.1 总电图 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 2.2单元电设计 (1)编译码单元电 脉冲编码调制(PCM)技术在数字通信系统中应用广泛,本设计中信道视为 理想信道,故采用PCM。脉冲编码调制通常包括从模拟信号抽样,量化,变换为 二进制符号等过程。在量化之前,通常用保持电对抽样值做短暂保存,以便电 有时间对其进行量化。当然,为了电的简化和便于实验室调试,本设计采用 目前数字通信系统专用大规模集成电中应用广泛的一种集成芯片——PCM 解码器。并采用Intel公司生产的2911A 和2912 芯片连接成编解码电。 2911A 和2912 芯片连接成编码器时的电如图2.2 所示。 2911A 和2912 连接成解码器时的电如图2.3 所示。 图2.2 2911A 和2912 芯片连接成编码器时的PCM 编码电 图2.3 2911A 和2912 连接成解码器时的PCM 解码电 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 晶振、分频器1、分频器2及抽样信号(时隙同步信号)产生器构成一个定 时器,为两个PCM 编译码器提供2.048MHz 的时钟信号和8KHz 的时隙同步信号。 在实际通信系统中,译码器的时钟信号(即位同步信号)及时隙同步信号(即帧同 步信号)应从接收到的数据流中提取,此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步 信号直接送给译码器。 由于时钟频率为2.048MHz,抽样信号频率为8KHz,故PCM-A 及PCM-B 速率都是2.048MB,一帧中有32个时隙,其中 个时隙为PCM编码数据,另外 31 个时隙都是空时隙。PCM 信号码速率也是 2.048MB,一帧中的 32 个时隙中有 29 由于两个PCM 编译码器用同一个时钟信号,因而可以对它们进行同步复接 (即不需要进行码速调整)。又由于两个编码器输出数据处于不同时隙,故可对 PCM-A 和PCM-B 进行线 对PCM-A、PCM-B 及帧同步信 号进行复接。在译码之前,不需要对PCM 进行分接处理,译码器的时隙同步信号 实际上起到了对信号分的作用。 (2)帧同步电 在数字通信时,一般总是以一定数目的码元组成一个个的“字”或“句”, 即组成一个个的“群”进行传输的。因此,群同步信号的频率很容易由位同步信 号经分频而得出。但是,每个群的开头和末尾时刻却无法由分频器的输出决定。 群同步的任务就是在位同步信息的基础上,识别出数字信息群(“字”或“句”) 的起止时刻,或者说给出每个群的“开头”和“末尾”时刻。 群同步有时也称 为帧同步。为了实现群同步,可以在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群 的头尾标记,这些特殊的码字应该在信息码元序列中不会出现,或者是偶然可能 出现,但不会重复出现,此时只要将这个特殊码字连发几次,收端就能识别出来, 接收端根据这些特殊码字的就可以实现群同步。 帧同步码产生电由一个74LS151八选一数据选择器和一个与门组成。 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 图2.4帧同步电 (3)抽样信号产生电 抽样是把模拟信号以其信号带宽2 倍以上的频率提取样值,变为在时间轴上 离散的抽样信号的过程。语音信号带宽被在0.3—3.4KHZ 内,用8kHZ 样频率,就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。抽样信号产生电由两个74LS123 双可重触发单稳态触发器、一个74LS164 八位移位寄存器组成,如图2.5 所示: 图2.5 抽样信号产生电 (4)定时器单元电 晶振、分频器1、分频器2、分频器3 以及抽样信号产生器共同构成了一个定时 器,如图2.6 所示,为两个PCM 编译码器提供2.048MHZ 的时钟信号和8KHZ 隙同步信号。武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 图2.6定时器电 数字复接实质上就是对多数字信号进行时分复用,让不同的支信号占用不同的时隙时间,在接收端再根据时间上的不同将信号分开,这一步骤叫分接, 它是复接的逆过程。本模块复接我是采用的74LS32 芯片来实现的。 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 10 系统仿线 SystemView 仿真软件 SystemView 是美国ELANIX 公司推出的,基于Windows 下运行的用于系 统仿真分析的可视化软件工具,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。 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,可以为硬件电实现提供理论依据。通过仿真展示了 PCM 编码实现 的设计思及具体过程,并加以进行分析。 利用System View,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统,各种 多速率系统,因此,它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在 进行系统设计时,只需从System View 配置的图标库中调出有关图标并进行参数 设置,完成图标间的连线,然后运行仿真操作,最终以时域波形、眼图、功率谱 等形式给出系统的仿真分析结果。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、数字及数模混合电及各种速率系统,并提供了内容丰富的基本库和专业 本利用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,分析电仿真结果,为最终硬件实现提供理论依据。 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 11 3.2 系统调试与仿线)PCM 编码器模块 主要由信源输入端子、低通滤波器、瞬时压缩器、A/D 转换器、并/串转换 器、输出端子组成。实际模型见图3.1 所示: 图3.1 编码器模块模型 PCM 编码器组件功能实现: 低通滤波器:为实现信号在300Hz-3400Hz 的语音频带内,在这里采用了一 阶的切比雪夫滤波器。瞬时压缩器:使用了我国现采用A 律压缩,注意在译码时扩张器也应采用A 律解压。 转换器:完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散,通常认为语音的频带在300Hz-3400Hz,根据低通采样,采样频率应大于信号最高频率两倍 以上,在这里A/D 的采样频率为8KHz 可满足,均匀量化电平数为256 级量化, 编码用8bit 表示,第一位为极性表示,这样产生了64kbit/s 的语音压缩编码。 数据选择器(图符6):为带使能端的8 数据选择器,与74151 功能相同, 在这里完成A/D 转换后的数据的并/串转换。图符6 数据选择器,与74151 功能相同,在这里完成 转换后的数据的并/串转换,在选择控武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 12 制端中控制轮流输出并行数据为串行数据,时钟信号分别提升为 128kHz、64kHz、 32kHz,通过数据选择器还可以实现码速转换功能。 图符101 为乘,它在位同步信号控制下输出PCM 编码信号,输出的 PCM 编码信号送给复接器进行复接。 PCM 编码器输入、输出信号如图3.2 和3.3 所示。 图3.2 编码器输入信号 图3.3 编码器输出信号 (2)PCM译码器模块 PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。PCM译码器模块主要由PCM数据输入端子、串 /并转换器、锁存器、D/A转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。 实现模型见图3.4所示: 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 13 图3.4 PCM译码器实现模型 PCM译码器模块功能实现: 串/并转换器:8 位移位寄存器实现的串并转换器,SystemView 的逻辑库可 以提供与74164 功能一致的组件,其具有两与输入,需要输入外部时钟及清零 设置,数据输入A 为通过子系统输入端子接受的PCM 信号,为不影响与操作,另 一输入B 为高电平,时钟与位时钟相同,为2048KHZ 时钟。 锁存器:经过串并转换后的串行数字语音信号,每8bit为一个数据帧,必须 经过锁存才可以将数据并行送至D/A转换器。在实际电中往往使用74373实现锁 存功能,SystemView的逻辑库可以提供与74373功能基本一致的8位锁存器,差别 是无三态输出方式。锁存器的使能端的时序控制应该与采样时钟一致,由于系统 存在时延,在使能端通过设置初始相位解决后,送至D/A转换器中。 D/A转换器(图符14): 把数字信号转换为模拟信号。 瞬时扩张器:实现与瞬时压缩器相反的功能,由于采用A律压缩,扩张也必 须采用A律瞬时扩张器。 低通滤波器(图符 12):由于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。 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 14 PCM 译码器输入、输出信号如图3.5 和3.6 所示。 图3.5 译码器输入信号 3.6译码器输出信号 (3)帧同步模块 帧同步码模块如下图所示。通过使用数据选择器图符实现,首先预置数据选 择器的输入,为产生10011011 的状态分别为11011001, 然后通过图符64、65、66 控制轮流选择输出。图3.7 中图符64、65、66 是频率 分别为128kHZ、64kHZ、32kHZ,占空比均为的方波。 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 15 图3.7 帧同步码模块 说明:预置数据选择器的输入,产生 10011011 的码组,信号稍有延迟,但 不对整个系统影响不大。 (4)时分复用系统 用软件仿真两语音时分复用通信系统,为接受端与发送端同步,需要 在复合帧中插入帧同步码,帧同步码可由自己确定,这里使用了00011011 的PCM 帧同步固定码组,两语音PCM 编码分别用PCMA 和PCMB 表示,为实现方便,还 插入一空数据填充为四码组复用,则复用后的信号帧的结构为(帧同步码) +(PCMA)+(PCMB)+(00000000)。时分复用系统实现见图 3.8。其中图符 0、图符80 为PCM 编码模块;图符34、图符57 为PCM 译码模块;图符101 同步码组生成模块;图符78、图符 79 为两高斯信号,图符 67、图符 68 迟算子;分接采用同步方式实现,通过使用不同支复合时的不同时隙选通信号与复合信号进行‘与’操作分接出欲译码的单PCM 编码时隙信号,再通过PCM 译码模块进行单语音复原。 该系统由编码模块,帧同步模块,经过复接后再经过 PCM 译码模块得到两 信号的输出信号。实现模块如图3.8 所示: 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 16 图3.8 时分复用系统 PCM 时分复用系统两输入输出信号: 图3.9 信号编码器输入武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 17 图3.10 信号译码器输出图3.11 信号编码器输入图3.12 信号译码器输出分析说明:由以上数据波形可以看出在 PCM 编码的过程中,译码输出的波 形具有一定的延迟现象,其波形基本上不失真的在接收端得到恢复,传输的过程 中实现了数字化的传输过程。 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 18 体会本次课程设计在刚开始的过程中无从下手,手忙脚乱,时间又紧,最终决定 用软件仿真来实现 PCM 的通信过程。通过这次设计,掌握了 PCM 编码的工作 原理及 PCM 系统的工作过程,学会了使用仿真软件 SystemView(通信系统的 动态仿真软件),并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计,对以后 的学习和工作都起到了一定的作用,加强了动手能力和学业技能。总体来说,这 次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电使之实现所需功能的过程中,特别有 趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电的艰 辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻 炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。经过这 段课程设计的日子,从开始的课题分析到编程再到SystemView 仿真结果,都给 我留下了很深的印象。可以学到很多很多的的东西,同时不仅可以巩固了以前所 学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计 使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把 所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务, 从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。通过理论与实际的结合,可以 更好的掌握该门学科知识,为后一阶段的进一步学习打下好的基础,同时,通过 本次强化训练看出自己运用仿真软件的不熟练,可以及时的调整自己,认真学好 怎样使用仿真软件以及掌握该门学科。 武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书 19 参考文献 程岱松,《数字通信系统的SystemView 仿真与分析》,:航空航天 大学出版社,2006 罗卫兵,《SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计》,西安:西安电子 科技大学出版社,2001

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