通信原理
课程设计报告
题  目 PCM多路时分复用基带通信系统设计                         
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指导老师                                   
2014  年  12 月 26  日

一． 任务书
(一)设计题目
基于SystemView 软件的PCM多路时分复用基带通信系统设计
(二)设计内容及要求
（1）基于Systemview/Matlab/Simulink软件实现；
（2）实现单路话音信号的抽样、压缩、均匀量化与编码得到PCM信号；
（3）实现多路PCM信号的时分复用；
（4）实现接收端的分接与译码；
（5）考虑实现位同步电路；
（6）观察输出信号的眼图，得出误码率-信噪比曲线；
（7）分别选择不同特性信道时考察误码率-信噪比曲线。
二．研究背景
（1）数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用，借助于Systemview软件，可以直观、方便地进行计算和仿真。因此可以通过运行结果，分析系统特性。
（2）System View软件 
 
 
System View是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，System View在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。
    System View是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境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)描述程序。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，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。
三．设计方案
1、设计原理
（1）PCM实验原理
脉冲编码调制：  脉冲编码调制是把模拟信号数字化传输的基本方法之一，它通过抽样、量化和编码，把一个时间连续、取值连续的模拟
信号变换成时间离散、取值离散的数字信号，然后在信道中
进行传输。接收机将收到的数字信号经再生、译码、平滑后
恢复出原始的模拟信号。图1 是PCM 原理框图
编码器：
模拟信号输入→抽样保持→量化器→编码器→PCM信号输出
译码器：
PCM信号输入→译码器→低通滤波器→模拟信号输出
     
图1
话音信号先经过防混叠低通滤波器，得到限带信号（300Hz～3400Hz），进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。
（2）抽样
  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。
（3）量化
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。实际中，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μ压缩律和A压缩律。PCM编码方式采用的也是A压缩律。
（4）编码
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。仿真时将PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现。
（5）时分复用原理
  时分复用就是将抽样周期分成若干时隙，各路信号的抽样值编码按一定的顺序占用某一时隙，用一个信道传输多路数字信号，即一个物理信道分为多个逻辑信道。
2设计过程
1.信号源：如下图的模块0，产生的是正弦信号，正弦信号（如下图所示）
2. PCM编码器模块PCM编码器模块主要由信号源（模块0）、低通滤波器（模块1）、瞬时压缩器（模块2）、A/D转换器（模块3）、并串转换器（模块9），输出端子（模块12）构成，实现模型如
信源信号经过PCM 编码器低通滤波器（模块姓名代码转换器百度1）完成信号频带过滤，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现A律压缩后再进行均匀量化，A/D转换器（模块3）完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器（模块9）完成并串转换成串行数据，最后输出（模块12）PCM编码信号。
3.PCM编码器组件功能实现
（1）低通滤波器：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在300Hz－3400Hz的语音频带内，在这里采用了一个阶数为3阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波纹、阻带内单调的特性。
（2）瞬时压缩器：瞬时压缩器采用A律压缩，注意在译码时扩张器也应采用A律解压。对比压缩前后时域信号，明显看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样可以使用较少位数的量化满足语音传输的需要。
（3）A/D 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300
Hz－3400Hz根据低通采样定理，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8Hz即可满足，均匀量化电平数为256级量化，编码用8bit表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。
（4）数据选择器：图符10为带使能端的8路数据选择器，与74151功能相同，在这里完成A/D转换后的数据的并串转换，模块6,7,8为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据。通过数据选择器还可以实现码速转换功能。
4. 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ADC出来的PCM数据输出端、D/A转换器（模块24）、瞬时扩张器（模块25）、低通滤波器（模块26）构成。实现模型如下图所示：
5. PCM译码器组件功能实现（1）D/A转换器(模块24)：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。
（1）瞬时扩张器（模块25）：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。
（2）低通滤波器（模块26）：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。
（3）寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储一位二级制代码，存放N位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下一次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出，在这里是进行串行到并行的转换。
6. 帧同步模块
模块67数据选择器，模块72乘法器，模块71输出信号
7.眼图模块
眼图：就是由解调后竞购低通滤波器输出的基带信号，以码元定时作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形，干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚的显示出来，在本次试验中我通过多次对眼图输入不同数据值来观察输出的眼图结果，得到了在输入结果是600e-6的时候得到了近似的眼图图像，同时也存在误差。
四．仿真实现
仿真结果
（1）通过输入输出的时域观测窗口，我们得到仿真结果信号源的波形
(2)经过压缩后的图形
（3）PCM编码后的波形
（4）抽样后信号波形
（5）经过D/A转换器后的波形
（6）译码后恢复源信号的输出波形
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，但是由于某些原因造成了波形的失真。
（7）最后通过改变style下的数据600e-6得到输出信号的眼图：
在本次试验中我通过多次对眼图输入不同数据值来观察输出的眼图结果，得到了在输入结果是600e-6的时候得到了近似的眼图图像，同时也存在误差。眼图图像如下图，
五．结论与体会
本周通过对PCM多路时分复用基带通信系统的课程设计，使我受益匪浅。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。
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独立思考的能力。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。对今后的学习生活有重要影响。