1、通信原理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院: 信息科學(xué)與工程學(xué)院 班 級(jí): 通信11級(jí) 姓 名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)老師： 濟(jì) 南 大 學(xué) 2013年 12月 25 日 通信原理課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的通過(guò)通信原理實(shí)驗(yàn)箱或者Systemview軟件仿真進(jìn)一步深化通信原理課程知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，提高其利用通信原理知識(shí)處理通信系統(tǒng)問(wèn)題的能力，為今后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。通過(guò)必要的工程設(shè)計(jì)、初步的科學(xué)研究方法訓(xùn)練和實(shí)踐鍛練，增強(qiáng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，了解通信系統(tǒng)的新發(fā)展。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容基于Systemview的PCM時(shí)分復(fù)用多路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：（1）基于Systemview軟件實(shí)現(xiàn)； （2）實(shí)現(xiàn)單路話

2、音信號(hào)的抽樣、壓縮、均勻量化與編碼得到PCM信號(hào)； （3）實(shí)現(xiàn)多路PCM信號(hào)的時(shí)分復(fù)用； （4）實(shí)現(xiàn)接收端的分接與譯碼； （5）考慮實(shí)現(xiàn)位同步電路； （6）觀察輸出信號(hào)的眼圖，得出誤碼率-信噪比曲線； （7）分別選擇不同特性信道時(shí)考察誤碼率-信噪比曲線。3、 設(shè)計(jì)內(nèi)容  1、SystemView是一種電子仿真工具。它是一個(gè)信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號(hào)處理，濾波器設(shè)計(jì)，直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)，仿真要求。 此外SystemView具有良好的交互界面，簡(jiǎn)單易學(xué)，通過(guò)分析窗口和示波器模擬等方法

3、，提供了一個(gè)可視的仿真過(guò)程。本文主要闡述了如何利用SystemView設(shè)計(jì)PCM時(shí)分復(fù)用多路系統(tǒng)。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)電路，分析電路仿真結(jié)果，為最終硬件實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。此外該軟件支持外部數(shù)據(jù)的輸入和輸出，支持用戶自己編寫(xiě)代碼(C/C)，兼容Matlab軟件。同時(shí)，提供了與硬件設(shè)計(jì)工具的接口，給使用者提供了很大的便利。 2、 PCM 脈沖編碼調(diào)制是Pulse Code Modulation的縮寫(xiě)，是數(shù)字通信的編碼方式之一。模擬信號(hào)數(shù)字化必須經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程，即抽樣、量化和編碼，PCM編碼的主要過(guò)程是將話音、圖像等模擬信號(hào)每隔一定時(shí)間根據(jù)抽樣定理進(jìn)行抽樣,使

4、其離散化,同時(shí)將抽樣值按四舍五入取整量化,同時(shí)將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來(lái)表示抽樣脈沖的幅值，以實(shí)現(xiàn)由模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換。1.抽樣(Samping) 抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，抽樣必須遵循奈奎斯特抽樣定理。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。例如，話音信號(hào)帶寬被限制在0.33.4kHz內(nèi)，用8kHz的抽樣頻率，就可獲得能取代原來(lái)連續(xù)話音信號(hào)的抽樣信號(hào)。對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)行抽樣獲得的抽樣信號(hào)是一個(gè)脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號(hào)，再對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行檢波和平滑濾波，即可還

5、原出原來(lái)的模擬信號(hào)。2.量化（quantizing） 抽樣信號(hào)雖然是時(shí)間軸上離散的信號(hào)，但仍然是模擬信號(hào)，其樣值在一定的取值范圍內(nèi)，可有無(wú)限多個(gè)值。顯然，對(duì)無(wú)限個(gè)樣值一一給出數(shù)字碼組來(lái)對(duì)應(yīng)是不可能的。為了實(shí)現(xiàn)以數(shù)字碼表示樣值，必須采用“四舍五入”的方法把樣值分級(jí)“取整”，使一定取值范圍內(nèi)的樣值由無(wú)限多個(gè)值變?yōu)橛邢迋€(gè)值。這一過(guò)程稱為量化。 量化后的抽樣信號(hào)與量化前的抽樣信號(hào)相比較，當(dāng)然有所失真，且不再是模擬信號(hào)。這種量化失真在接收端還原模擬信號(hào)時(shí)表現(xiàn)為噪聲，并稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決于把樣值分級(jí)“取整”的方式，分的級(jí)數(shù)越多，即量化級(jí)差或間隔越小，量化噪聲也越小。小信號(hào)

6、量化技術(shù)要多，大信號(hào)量化級(jí)數(shù)要少，從而保持信噪比恒定。   3. 編碼（Coding） 量化后的抽樣信號(hào)在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個(gè)可取的樣值，且信號(hào)正、負(fù)幅度分布的對(duì)稱性使正、負(fù)樣值的個(gè)數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級(jí)對(duì)稱分布。若將有限個(gè)量化樣值的絕對(duì)值從小到大依次排列，并對(duì)應(yīng)地依次賦予一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字代碼（例如，賦予樣值0的十進(jìn)制數(shù)字代碼為0），在碼前以“”、“”號(hào)為前綴，來(lái)區(qū)分樣值的正、負(fù)，則量化后的抽樣信號(hào)就轉(zhuǎn)化為按抽樣時(shí)序排列的一串十進(jìn)制數(shù)字碼流，即十進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。簡(jiǎn)單高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)是二進(jìn)制碼系統(tǒng)，因此，應(yīng)將十進(jìn)制數(shù)字代碼變換成二進(jìn)制編碼。根據(jù)

7、十進(jìn)制數(shù)字代碼的總個(gè)數(shù)，可以確定所需二進(jìn)制編碼的位數(shù)，即字長(zhǎng)。這種把量化的抽樣信號(hào)變換成給定字長(zhǎng)的二進(jìn)制碼流的過(guò)程稱為編碼。 話音PCM的抽樣頻率為8kHz，每個(gè)量化樣值對(duì)應(yīng)一個(gè)8位二進(jìn)制碼，故話音數(shù)字編碼信號(hào)的速率為8bits×8kHz64kb/s。量化噪聲隨量化級(jí)數(shù)的增多和級(jí)差的縮小而減小。量化級(jí)數(shù)增多即樣值個(gè)數(shù)增多，就要求更長(zhǎng)的二進(jìn)制編碼。因此，量化噪聲隨二進(jìn)制編碼的位數(shù)增多而減小，即隨數(shù)字編碼信號(hào)的速率提高而減小。自然界中的聲音非常復(fù)雜，波形極其復(fù)雜，通常我們采用的是脈沖代碼調(diào)制編碼，即PCM編碼。PCM通過(guò)抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼

8、2。    3、System View 是一個(gè)用于現(xiàn)代工程與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析平臺(tái)。從濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、完整通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，直到一般的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立等各個(gè)領(lǐng)域，System View 在友好而且功能齊全的窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個(gè)精密的嵌入式分析工具。 System View是美國(guó)ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運(yùn)行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(Token)描述程序。利用System View，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)

9、字、數(shù)模混合系統(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需從System View配置的圖標(biāo)庫(kù)中調(diào)出有關(guān)圖標(biāo)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成圖標(biāo)間的連線，然后運(yùn)行仿真操作，最終以時(shí)域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。4.System View軟件中重要元件簡(jiǎn)介 5.原理PCM即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。PCM的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，我國(guó)采用了A律方式

10、，由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼示意圖見(jiàn)圖1。話音輸入低通濾波瞬時(shí)壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時(shí)擴(kuò)張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖3.1 PCM原理框圖下面將簡(jiǎn)單介紹PCM編碼中抽樣、量化及編碼的原理：(a) 抽樣所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。(b) 量化從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖2所示，量化器Q輸出L個(gè)量化值，k=1

11、，2，3，L。常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度落在與之間時(shí)，量化器輸出電平為。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為：模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。圖3.2 模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)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(diǎn)是：無(wú)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(dāng)信號(hào)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見(jiàn)，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不

12、同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國(guó)采用壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用A壓縮律，因此，PCM編碼方

13、式采用的也是A壓縮律。所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0A律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實(shí)際中，往往都采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（A=87.6）的壓擴(kuò)特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電圖3.3 A律函數(shù)13折線路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來(lái)進(jìn)行編碼的。圖3示出了這種壓擴(kuò)特性。表1列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。表3.1 13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較0101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率1616

14、8421表1中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值是13折線分段時(shí)的值。可見(jiàn)，13折線各段落的分界點(diǎn)與曲線十分逼近，同時(shí)按2的冪次分割有利于數(shù)字化。(c) 編碼所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過(guò)程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無(wú)論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來(lái)加以說(shuō)明。 表3.2

15、 段落碼 表3.3 段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000在13折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示輸入信號(hào)的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來(lái)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它

16、的16種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見(jiàn)表3。PCM編譯碼器的實(shí)現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時(shí)將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實(shí)現(xiàn)。6. 系統(tǒng)的組成由兩個(gè)幅度相同、頻率不同的高斯白噪聲通過(guò)低通濾波器后分為兩路信號(hào)合成，如圖4 圖3.4 信號(hào)源子系統(tǒng)的組成（1）.PCM編碼器模塊 PCM編碼器模塊主要由信號(hào)瞬時(shí)壓縮器、量化編碼器實(shí)現(xiàn)模型如

17、下圖5所示: 圖3.5 PCM編碼器模塊信源信號(hào)經(jīng)過(guò)瞬時(shí)壓縮器實(shí)現(xiàn)A律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，實(shí)現(xiàn)抽樣量（2）PCM編碼器組件功能實(shí)現(xiàn) 瞬時(shí)壓縮器：瞬時(shí)壓縮器（圖符16）使用了我國(guó)現(xiàn)采用A律壓縮，注意在譯碼時(shí)擴(kuò)張器也應(yīng)采用A律解壓。對(duì)比壓縮前后時(shí)域信號(hào)（見(jiàn)圖6, 圖7），明顯看到對(duì)數(shù)壓縮時(shí)小信號(hào)明顯放大，而大信號(hào)被壓縮，從而提高了小信號(hào)的信噪比，這樣可以使用較少位數(shù)的量化滿足語(yǔ)音傳輸?shù)男枰＃?）PCM譯碼器模塊 PCM譯碼器是實(shí)現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。 PCM譯碼器模塊主要由瞬時(shí)擴(kuò)張器、低通濾波器、移位寄存器、鎖存器構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)模型如下圖8所示： 圖3.8 PCM譯碼器（4）PCM譯碼器組件功能實(shí)現(xiàn)(a)擴(kuò)張器：實(shí)現(xiàn)與瞬時(shí)壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用A律瞬時(shí)擴(kuò)張器。 (b)低通濾波器（圖符3）：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會(huì)引入孔徑失真，量化時(shí)也會(huì)帶來(lái)量化噪聲，及信號(hào)再生時(shí)引入的定時(shí)抖動(dòng)失真，需要對(duì)再生信號(hào)進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償，同時(shí)濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。(c)寄存器是由具有存儲(chǔ)功能的觸發(fā)器組合起來(lái)構(gòu)成的。一個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ)一位二級(jí)制代碼，存放N位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個(gè)觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成。 移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下一次逐位右移或左移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并