通信系统pcm系统设计与仿真
脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真
摘要: SystemView 仿真软件能够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, 能够为硬件电路实现提供理论依据。经过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程, 并加以进行分析。
关键词: PCM 编译码
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SystemView具有强大的功能, 能够满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用, 而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, 经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, 不但在工程上得到应用, 在教学领域也得到认可, 特别在信号分析、通信系统等领域。其能够实现复杂的模拟、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) 。系统的实现经过模块分层实现, 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。经过仿真设计电路, 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, 为改进小信号量化性能, 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, 中国采用了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k y 。这个量化过程能够表示为: {}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。一般k k k
x 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。一般, 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
的输出端能够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, 即改进了小信号时的量化信噪比。
实际中, 非均匀量化的实际方法一般是将抽样值经过压缩再进行均匀量化。一般使用的压缩器中, 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, 中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:
A X A Ax y 1
0,ln 1≤<+=
11,ln 1ln 1<≤++=X A A Ax y
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
表1中第二行的x值是根据6.
A时计算得到的, 第三行的x值
=
87
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。
(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。编码器的种类大致上能够归结为三类: 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2 段落码表3 段内码