1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)題目PCM系統的性能分析學生姓名劉 龍 娟學號1113024093所在學院物理與電信工程學院專業班級通信工程專業03班指導教師魏瑞完成地點物理與電信工程學院實驗室2015年6月4日畢業論文設計任務書院 ( 系 )物理與電信工程學院專業班級通信 03 班學生姓名劉龍娟一、畢業論文設計題目PCM系統的性能分析二、畢業論文設計工作自2015年1月10日起至2015年6月15日止三、畢業論文設計進行地點:物理與電信工程學院實驗室四、畢業論文設計的內容要求：數字通信系統己經成為現今通信發展的方向，但是經過傳感器的轉換以后自然界中的很多信息，大多數依

2、舊為模擬量，PCM(脈沖編碼調制) 它是一種調制方式就是把模擬信號轉換作數字信號。重點運用在語音傳輸，并且在數字微波通信、衛星通信、光纖通信當中得到了廣闊的運用。因此，選擇PCM系統進行仿真研究。本次畢業設計運用仿真軟件對PCM系統進行性能分析。本次畢業設計要求：1.運用仿真軟件實現三種不同段內碼的PCM系統的仿真并觀測調制解調過程中觀察各個環節時域和頻域的波形；2.結合三種不同信道環境對比三種不同段內碼的PCM系統的頻譜特點與誤碼率情況；3.對仿真結果進行分析。五、畢業論文設計應收集資料及參考文獻：閱讀和學習關于PCM系統和計算機仿真技術方面的專業資料，參閱的外文文獻不少于六、畢業論文設計的

3、進度安排：3 篇。1月 10 日 3 月 20 日：查閱資料，完成外文翻譯原文和開題報告。3 月 21 日 4 月 20 日：完成 PCM系統的基本仿真設計并提交中期檢查報告。4月 21 日 5 月 20 日：進一步完善PCM系統的仿真設計，準備作品驗收。5 月 21 日 6 月 15 日：撰寫、修改畢業設計論文，準備并完成答辯。指導教師系 (教研室 ) 主任簽名接受論文 ( 設計) 任務開始執行日期系(教 研室)批準日期學生簽名PCM系統的仿真與分析劉龍娟（陜西理工學院物理與電信工程學院通信工程專業2011 級 3 班，陜西漢中 723003 ）指導教師：魏瑞 摘要 脈沖編碼調制 (PCM)

4、 是將模擬語音信號變換成數字信號的一種方式。本次設計建立了基于Simulink 的PCM 仿真系統，系統包括PCM 編譯碼模塊、數字調制解調模塊。詳細介紹了三種不同段內碼的編碼方式下PCM編譯碼模塊的構建；針對數字調制解調，構建了含BPSK 、信道以及濾波器在內的子系統；最后通過仿真得出三種編碼方式下系統的誤碼率和頻譜圖。根據仿真結果分析找出了相對最優的系統配置方案，為實際應用提供了一定的參考依據。 關鍵詞 MATLAB； Simulink仿真平臺；脈沖編碼調制（PCM）Analysis of the PCM system performanceLiu Longjuan(Grade 2011,

5、Class3,Major of CommunicationEngineering ,Dept ofElectrinics and InformationEngineeringShaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)Tutor:Wei RuiAbstract：Pulse Code Modulation (PCM) is a way of changing the analog voice signal into a digital signal . ThePCM system was designed in the Simu

6、link simulation environment, including PCM coding and decoding module,digital modem module. The PCM codec module constructed in three segments inner code was to be introduced.Forthe digital modem, A subsystem including BPSK, channel and filter was built.Finally,the BER and spectrum of thethree codin

7、g system was derived.Optimal system configuration was to be found based on the simulation results, itprovides a theoretical basis for the practical application.Key words： MATLAB;Simulink simulation platform;Pulse Code Modulation (PCM)目錄引言 .11 研究方案 . .41.1研究目標 .41.2方案選擇 .41.2.1基于 FPGA的 PCM系統仿真 .41.2.

8、2基于 Simulink 的 PCM系統仿真 . . 61.2.3軟硬件結合實現 PCM系統仿真 .61.3方案比較 . . 81.4軟件介紹 . . 81.4.1 MATLAB 簡介 .81.4.2 Simulink 介紹 .92 PCM基本原理 .112.1抽樣 .122.2量化 .132.3編碼 .142.4譯碼 .173 PCM系統仿真 .183.1總體設計思想 .183.2各模塊的設計和仿真 .183.2.1 PCM 編碼模塊設計 .183.2.2 PCM 解碼模塊設計 .193.2.3 PCM 系統總體模塊. 213.3格雷碼編譯碼設計 .243.3.1格雷碼的程序實現. 243.

9、3.2格雷碼的仿真設計. 263.4折疊碼編譯碼設計 .293.4.1折疊碼的程序實現. 293.4.2折疊碼的仿真設計. 303.5 性能分析 .324 結束語 . .35致謝 .36參考文獻 . .37附錄 A 英文文獻 .39附錄 B 格雷碼系統總體設計 .52附錄 C 折疊二進制系統總體設計圖 . .53引言當今社會，人們無處不享受著數字通信網絡和系統給我們帶來的便利和數字化多媒體產品帶給我們的多彩的生活娛樂。數字信號因其易于存儲和傳輸，并且沒有累積失真等數字的高品質而被廣泛應用。在語音信號的領域中，數字化的語音傳輸和存儲，不論其在可靠性，抗干擾性，速交換，易保密和廉價格等方面都遠遠高

10、于模擬語音信號。但是，數字化的語音信號也有它的的缺點，就是數字語音信號的帶寬要遠遠高于模擬語音信號的帶寬，因此要求傳輸數字語音信號的信道更大才能夠傳輸數字語音信號，為了來降低這種高成本從而促使發展了一種新的技術既壓縮編碼。PCM 通信系統就是采用了這種技術。脈沖編碼調制，由A.里弗斯在1937 年提出的，這一概念為數字通信奠定了基礎。60 年代它開始應用于市內電話網以便擴充容量，使已有音頻電纜的大部分芯線的傳輸容量擴大24 48 倍。到70 年代中、 末期，在同軸電纜通信、 微波接力通信、 衛星通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統中，都相繼采用了脈碼調制。到了 80 年代初， 脈碼調制已成功應用

11、在市話中繼傳輸、大容量干線傳輸以及數字程控交換機中，并且在用戶話機中采用。在光纖通信系統中，光纖傳輸的是由二進制數字信號對光源進行通斷調制而產生的二進制光脈沖 “0碼 ”和 “1碼 ”。而數字信號是稱為PCM 即脈沖編碼調制，它對連續變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產生的。 現在的數字傳輸系統都是采用脈沖編碼調制（ pulse code modulation）體制， 這種電的數字信號稱為數字基地信號，由 PCM 電端機產生。 PCM 最初并不是用來傳輸計算機數據的，而是使交換機之間有一條中繼線不只傳送一條電話信號。PCM 有 T1 和 E1 兩種標準（表現形式）。中國采用的是歐洲的標準E1。

12、E1 的速率是 2.048Mbits ，而 T1的速率是 1.544Mbits 。脈沖編碼調制可以向用戶提供多種業務， 既可以提供從 2M 到 155M速率的數字數據專線業務，也可以提供話音、圖象傳送、遠程教學等其他業務1 。脈沖編碼調制是 70 年代末法發展起來的，記錄媒體之一的CD。脈沖編碼調制的音頻格式也是被 DVD-A 所采用，它支持立體聲和 5.1 環繞聲， 1999 年由 DVD 討論會發布和推出。脈沖編碼調制的比特率，從 14-bit 發展到 16-bit 、18-bit 、20-bit 一直到 24-bit ；而采樣頻率從 44.1kHz 發展到 192kHz 。PCM脈沖編碼

13、調制這項技術可以改善和提高的方面則越來越小。但是只是增加了PCM脈沖編碼調制比特率和采樣率，沒有解決它的根本問題。其原因在于以下兩點：(1) 任何脈沖編碼調制數字音頻系統都需要在輸入端設置急劇升降的濾波器，僅僅讓20Hz到22.05Hz的頻率通過（高端22.05kHz是由于CD44.1kHz的一半頻率而確定）。(2) 在錄音時采用多級或者串聯抽選的數字濾波器（減低采樣頻率），在重放時采用多級的內插的數字濾波器（提高采樣頻率），為了控制小信號在編碼時的失真，兩者又都需要加入重復定量噪聲。這就限制了PCM 技術在音頻還原時的保真度。本次設計是利用Simulink 強大的工具箱和其建模的優勢建立了P

14、CM 通信系統的仿真模型。與模擬通信相比，數字通信具有很多明顯的優點，現已成為了現在通信的主要發展趨勢之一。可靠性好、抗干擾能力強、廉價格、易保密、便于加密處理和便于實現通信網的管理等都是它主要的特點。實現數字通信，必須使發送端發出的模擬信號變為數字信號，既“模擬信號數字化”。模擬信號數字化有三個基本步驟。第一步為“抽樣 ”，就是對連續的模擬信號進行離散化，通常是以相等的時間間隔來抽取模擬信號的樣值。第二步是“量化 ”，將模擬信號樣值變換到最接近的數字值。因抽樣后的樣值在時間上雖是離散的，但在幅度上仍是連續的，量化過程就是把幅度上連續的抽樣也變為離散的。第三步是 “編碼 ”，就是把量化后的樣值

15、信號用一組二進制數字代碼來表示，最終完成模擬信號的數字化。 數字信號送入數字網進行傳輸。接收端則是一個還原過程，把收到的數字信號變為模擬信號，即 “數字信號還原模擬信號 ”，從而再現聲音或圖像。論文的主要內容安排如下：第一部分為設計方案的選擇。在綜合了不同軟件及硬件的分析優缺點后，綜合自己的能力選擇合適的方案。 我最終選擇了在利用 matlab 下進行設計仿真。 Simulink 是 MATLAB軟件提供的可以實現動態系統建模和仿真的一個軟件包，它操作簡單方便、調試直觀，為通信系統的軟件仿真實現提供了很大的方便。第二部分為 PCM系統基本原理的闡述。 PCM系統包括模擬信號的數字化、調制解調和

16、數字信號還原為模擬信號三個模塊，其中，模擬信號的數字化是把連續的模擬信號轉化為用二進制代表的數字信號，分為抽樣、量化和編碼三個步驟；信道是信號傳輸的通道，在傳輸過程中會引入噪聲而影響信號的質量；數字信號還原模擬信號解碼、低通等過程組成，它把數字信號恢復成連續的模擬信號。第三部分是PCM系統仿真模塊的總體設計。包括總體設計思想和編碼、解碼、調制解調等子模塊的設計。首先進行自然二進制的模塊搭建，在運行分析之后，將其轉換為折疊二進制和格雷碼的模型，分析加入噪音前后波形輸出的變化，并且分析編碼時三種不同碼型的優缺點。第四部分是結束語。總結了在設計過程中遇到的各種問題及最終解決辦法，感謝老師在整個過程中

17、對自己的督促及幫助。1 研究方案1.1 研究目標數字通信系統現己成為現今通信發展的主要方向，但是經過傳感器的轉換以后，自然界中的很多信息仍舊為模擬量， PCM 它是一種將模擬信號轉換作數字信號的調制方式。 重點運用在語音傳輸之中，并且在數字微波通信、衛星通信、光纖通信當中得到了廣闊的運用。因此，選擇 PCM 系統進行仿真研究。本次畢業設計要求：? 實現三種不同段內碼的 PCM 系統的仿真并觀測調制解調過程中觀察各個環節時域和頻域的波形；? 結合三種不同信道環境對比三種不同段內碼的PCM 系統的頻譜特點與誤碼率情況；? 對仿真結果進行分析。1.2 方案選擇分析 PCM 系統可以有多種手段，最常用

18、的就是基于單片機的硬件電路實現、基于FPGA 的軟件仿真和MATLAB環境下的Simulink 仿真實現，方案選擇時對以上幾種方法都進行分析，綜合確定自己的方案。1.2.1 基于FPGA的PCM系統仿真FPGA （Field Programmable Gate Array）：既現場可編程門陣列，它是在PAL 、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展后的產物。作為專用集成電路（ASIC ）領域中的一種半定制電路而出現， FPGA 不僅解決了定制電路在設計中的不足，而且改善了原有可編程器件門電路數有限的缺點。經實踐表明，FPGA 可以有效地運用于PCM 高碼速率場合。FPGA采用了邏輯單元陣列LC

19、A （ Logic Cell Array）的概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（ Configurable Logic Block）、內部連線（ Interconnect ）和輸出輸入模塊IOB（ Input Output Block）三個部分。它的基本特點主要有：? 采用 FPGA 設計電路，用戶不需要投片生產就可以得到合用的芯片。?FPGA 可做其它全定制或半定制ASIC 電路的中試樣片。?FPGA 內部有豐富的觸發器和IO 引腳。?FPGA 采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS 、 TTL 電平兼容。?FPGA 是 ASIC 電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一

20、。可以說， FPGA 芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA設置其工作狀態是由存放在片內RAM中的程序來實現的，因此，工作時需要對片內的RAM進行編程。我們可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，芯片將EPROM 中數據讀入片內編程RAM中，等配置完成后，FPGA進入工作狀態。掉電后，FPGA恢復白片，內部邏輯關系消失，因此，FPGA 能夠重復使用。FPGA 的編程不需要專用的編程器，只須用通用的EPROM 、PROM 編程器即可。當我們需要修改功能時，只需要更換一片EPROM 即可。這樣，同一片 FPGA ，不同的編程數據， 就可以產生不同的電路功能 2

21、。因此， FPGA 的使用是非常靈活的。利用 FPGA 開發時，所用軟件為Quartus II 。 Quartus II 是 Altera 提供的 FPGACPLD 開發集成環境。Altera 是世界上最大可編程邏輯器件的供應商之一。Quartus II 在 21 世紀初推出， 是 Altera前一代 FPGACPLD集成開發環境MAX+plus II的更新換代產品， 它界面友好， 使用便捷。在 QuartusII 上可以完成設計輸入、布線布局（適配）、HDL 綜合、仿真、下載和硬件測試等流程，它提供了一種與結構無關的設計環境，使設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。下圖1.1 所示

22、的上排是Quartus II的編譯設計主控界面，它顯示了Quartus II自動設計的各主要處理環節和設計流程，包括設計輸入編輯、設計分析與綜合、適配、編程文件匯編（裝配）、時序參數提取和編程下載等幾個步驟。下排的流程框圖，是與上面的Quartus II設計流程相對照的標準的EDA 。開發流程其設計流程圖12如圖1.1 所示：圖1.1 QuartusII設計流程1.2.2 基于Simulink的PCM系統仿真Simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。該環境具有良好的交互界面，通過分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個可視的仿真過程，無需大

23、量書寫程序，只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統，不僅在工程上得到應用，在教學領域也得到認可，尤其在信號分析、通信系統等領域。其可以實現復雜的模擬、數字及數模混合電路及各種速率系統，并提供了內容豐富的基本庫和專業庫14 。本次設計系統可以通過模塊分層來實現。PCM 系統主要包括模擬信號的數字化、信道傳輸和數字信號還原模擬信號三部分，在編碼模塊采用三種不同的段內碼進行編碼，最后用示波器觀察輸入信號和輸出信號的波形，加上含有噪聲的信道，最后運行結果并通過波形來分析該系統的性能。仿真基本框圖如圖 1.2 所示：圖 1.2PCM 原理框圖1.2.3 軟硬件結合實現PCM 系統仿真隨著計算

24、機技術的發展，系統仿真技術在電子工程領域的應用已越來越廣泛，而信號級系統仿真軟件 SystemView 的出現則標志著仿真技術在通信領域的應用達到了一個新的水平。 根據 PCM 編碼基本原理， 設計出 Systemview 仿真模型， 然后對仿真的結果加以分析， 最終根據仿真的模型建立以及仿真結果設計出 PCM 編碼的硬件實現電路。SystemView 可以快速建立和修改系統，并在對話框內快速訪問和調整參數，修改實時顯示。只需簡單用鼠標點擊圖符即可創建DSP 濾波器、 連續線性系統， 并輸入輸出基于真實系統模型的仿真數據。不用寫一行代碼即可建立用戶的子系統庫（MetaSystem）。PCM編譯

25、碼器的實現可以借鑒單片如MC1455 0 的PCM編碼器集成芯片。單芯片工作時只需給出外圍的時序電路即可實現，它把編譯碼器（Codec）和濾波器（Filter ）集成在一個芯片上，這樣它的功能比較強，不僅可以進行A 律變換，也可以進行u 律變換； 它的數據既可用固定速率傳送，也可用變速率傳送；它既可以傳輸信令幀也可以選擇它傳送無信令幀，并且還可以控制它處于低功耗備用狀態，到底使用它的什么功能可由用戶通過一些控制來選擇。MC145503可以組成模擬用戶線與程控交換設備間的接口，包含有話音A 律編解碼器、自調零邏輯、話音輸入放大器、RC濾波器、開關電容低通濾波器、話音推挽功放等功能單元。由 PCM

26、 編譯碼原理框圖可知，輸入端經過一個晶振和一個分頻器1 得出的信號在經過一個分頻器 2，然后進行信號抽樣后輸出，此后，幀同步信號進入幀同步產生器然后進入復接器，正弦信號源分別進入兩個PCM 編碼器進行編譯得到源基帶信號 7 。 PCM 編譯碼框圖如圖1.3 所示：圖 1.3 PCM 編譯碼電路圖1.3 方案比較目前 FPGA 的品種很多， 有 XILINX 的 XC 系列、 TI 公司的 TPC 系列、 ALTERA 公司的 FIEX 系列等，這三者有重疊， 也有互補。 但在編程中， 需設計 HDL 源代碼， 可以使 VHDL 語言或 Verilog語言，在大學期間，我們接觸最多的是C 語言，

27、所以利用FPGA 分析時會面臨最大的編程問題。利用單片機進行測試時，系統的可行性較好，成本低，但在實驗過程中的精度不高，而且在利用單片機進行實驗時，需要給單片機下載很正確的程序，相比較利用軟件搭建來說，太過麻煩而且最后的結果比較不時很直觀。Simulink 用其可以建立動態的系統模型并進行仿真，以直觀的方式建模比較，分層次的表達復雜系統，不受軟件本身的影響。而且 Simulink 的示波器可以動畫和圖像顯示數據，運行中可調整模型參數進行 What-if 分析，能夠在仿真運算進行時監視動態仿真結果。這種交互式的特征可以幫助我們快速的評估不同的算法，進行參數優化。基于上述三種方案的優缺點及自己在大

28、學過程中對各種軟件的熟悉程度，我最終選擇了第二種方案，利用Simulink 來做。1.4 軟件介紹1.4.1 MATLAB簡介MATLAB是一種具有強大的計算、仿真、繪圖等功能的解釋性執行語言。由于它使用簡單，擴充方便，特別是世界上有成千上萬不同領域的科研工作者在自己的科研過程中不停的擴充MATLAB的功能， 使它成為了巨大的知識寶庫。目前的 MATLAB版本已經可以方便的設計漂亮的界面，它可以像VB 等語言一樣設計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數庫（工具箱），計算的功能實現也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，MATLAB和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現與其他語言

29、的混合編程，進一步拓寬了MATLAB的應用潛力。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用FORTRAN，C 等語言完成相同的事情簡便的多，并且Mathworks也吸收了像Maple等軟件的優點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對 C+ 、 FORTRAN 、 C、 JAVA 的支持。不僅可以直接調用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到 MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載使用。MATLAB 有著強大的功能且應用范圍非常廣

30、， 可以用來進行多種工作， 具體如下： 數值分析、數值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統的設計與仿真、數字圖像處理技術、數字信號處理技術、通訊系統設計與仿真、財務與金融工程等。MATLAB被稱為第四代計算機語言，利用其豐富的函數資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。 MATLAB 的最突出的特點就是簡潔。 MATLAB 用更直觀的、符合人們思維習慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN 語言的冗長代碼。 MATLAB 給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發環境 7 。1.4.2 Simulink 介紹Simulink 工具是 MATLAB軟件提供的可以實現動態系統建模和仿真的軟件包，M

31、atlab 重點運用在控制設計、工程的計算、金融建模分析和設計、檢測信號、處理圖像、信號通訊和處理等方面。而 simulink 提供一個動態系統建模、 仿真和綜合分析的集成環境。 在該環境中， 無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可以構造出復雜的系統，它讓用戶把精力從語言編程轉向仿真模型的構造，為用戶省去了很多重復的代碼編寫工作。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用與控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink 。Simuli

32、nk 的功能和特點如下：Simulink 是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI ），這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。Simulink是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和

33、基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理等系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫對其進行設計、仿真、執行和測試。構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義。Simulink 的特點：? 豐富的可擴充的預定義模塊庫。? 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。? 以設計

34、功能的層次性來分割模型，實現對復雜設計的管理。? 通過 Model Explorer 導航、創建、配置、搜索模型中的任意信號、參數、屬性，生成模型代碼。? 圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為。? 使用 Embedded MATLAB模塊在 Simulink 和嵌入式系統執行中調用MATLAB算法 。? 使用定步長或變步長運行仿真，根據仿真模式(Normal ， Accelerator ， Rapid Accelerator)決定以解釋性的方式運行或以編譯C 代碼的形式來運行模型。來? 交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖。? 可訪問 MATLAB 從而對結果進

35、行分析與可視化，定義信號參數，定制建模環境和測試數據。2 PCM 基本原理脈沖編碼調制（PCM ）簡稱脈碼調制，它是用二進制數字代碼來代替連續信號的抽樣值來實現通信的一種方式。由于這種通信方式抗干擾能力強，易于加密等，因此在光釬通信、衛星通信、數字微波通信中均獲得了極為廣泛的運用。PCM 信號的形成是將模擬信號經過“抽樣、量化、編碼”三個步驟來實現的。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。根據CCITT的建議， 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 律方式，我國和歐洲各國均采用了A 律方式，由于A 律壓縮實現復雜，常使用13 折線法編碼。

36、PCM 系統原理方框圖如圖2.1 所示。在編碼器（圖2.1（ a）中由沖激脈沖對模擬信號抽樣，得到在抽樣時刻上的信號抽樣值。這個抽樣值仍是模擬量。在它量化之前，通常用保持電路將其作短暫保存，以便電路有時間對其進行量化。在實際電路中，常把抽樣和保持電路作在一起，稱為抽樣保持電路。量化器把模擬抽樣信號變成離散的數字量，然后在編碼器中進行二進制編碼。這樣，每個二進制碼組就代表一個量化后的信號抽樣值。圖2.1（ b）中譯碼器的原理和編碼過程相反。（ a）編碼器（ b）譯碼器圖 2.1PCM 原理方框圖2.1 抽樣抽樣就是不斷地以某個固定的時間間隔采集模擬信號的瞬時值。圖2.2 是一個抽樣概念的示意圖

37、1，假設某個模擬信號f(t) 通過一個開關，則開關的輸出則與開關的狀態有關，當開關處于閉合狀態的時候，開關的輸出就是輸入，即y(t)=f(t) ；若開關處在斷開位置，輸出y(t) 就為零。可見，如果讓開關受一個窄脈沖串（序列）的控制，則脈沖出現時開關閉合，則脈沖消失時開關斷開，此輸出 y(t) 就是一個幅值變化的脈沖串（序列），每個脈沖的幅值就是該脈沖出現時刻輸入信號f(t) 的瞬時值，因此，y(t) 就是對 f(t) 抽樣后的信號或稱樣值信號。圖 2.2 抽樣概念示意圖取樣是應注意以下幾點：? 為了保證在接受端能滿意的恢復出信息，取樣速率必須大于最高頻率的兩倍；? 取樣矩形脈沖要盡量窄，盡可

38、能接近瞬時取樣過程；? 為了使輸出的信息成為合格的信息限帶信號， 在取樣以前， 應經過一個上限為器，以便 m(t) 中無所包含的高于 W 的那些諧波成分。W 的低通濾波2.2 量化量化就是把一個連續幅度值的無限數集合映射成一個離散幅度值的有限數集合。如圖2.1 所示量化器 Q 輸出 L 個量化值， k=1， 2， 3，L 。常稱為重建電平或量化電平。量化過程可以用式（ 2.1）表達為：y Q( x) Q xk x xk 1yk, k 1,2,3, . . L. ,（ 2.1）這里稱為分層電平或判決閾值。通常kxk 1 xk 稱為量化間隔。圖 2.1 模擬信號的量化量化后的抽樣信號于量化前的抽樣

39、信號相比較，當然不再是模擬信號，且有所失真。這種失真在接收端還原模擬信號是表現為噪聲，稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決于把樣值分級“取整 ”的方式，分的級數越多，即量化極差或間隔越小，量化噪聲也越小。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，當信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣的話化信噪比就難以達到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態范圍，可見，對于弱信號時，均勻量化時的信號動態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。非均勻量化是根據信號的不同區

40、間來確定量化間隔的。對于信號取值大的區間，其量化間隔也大；反之，量化間隔就小。它與均勻量化相比，有兩個突出的優點：? 當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；? 非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比10 。實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數式壓縮。廣泛采用的兩種對數壓縮律是壓縮律和A 壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A 壓縮律，因此， PCM 編碼方式采用的也是A

41、 壓縮律。所謂 A 壓縮律也就是壓縮器具有如式（2.2）和式（ 2.3）特性的壓縮律12 ：yAx1,0x1ln AA（ 2.2）1ln Ax11y,x）1ln AA（2.3A 律壓擴特性是連續曲線，A 值不同壓擴特性自然也就不同，在電路上實現這樣的函數規律是相當復雜的。在實際中，往往采用近似于A 律函數規律的13 折線（ A=87.6 ）的壓擴特性。這樣，它基本上保持了連續壓擴特性曲線的優點，又便于用電路實現。本設計中所用到的PCM 編碼正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。圖2.2 示出了這種壓擴特性曲線。表2.1 列出了 13 折線時的x 值與計算 x 值的比較 9 。圖 2.2 A 律函數 13 折線表 2.1 13 折線時的 x 值與計算 x 值的比較y1234567088888188x1111111060.630.615.47.793.9311281.98按折線1111111分段時的 x06432168411282段落12345678斜率161684211124表 2.1 中第二行的值是根據時計算得到的，第三行的值是13 折線分段時的值。可見， 13 折線各段落的分界點與曲線十分逼近，同時按2 的冪次分割有利于數字化。2.3 編碼將量化