【文章內(nèi)容簡介】 上離散、及量化信號的二進制表示。根據(jù)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μ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(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼。在編碼器（（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(shù)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。（b）中譯碼器的原理和編碼過程相反。抽樣保持量化器編碼器譯碼器低通濾波器模擬信號輸入PCM信號輸入PCM信號輸出模擬信號輸出沖擊脈沖（a）編碼器（b）譯碼器 PCM原理方框圖 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。，假設(shè)某個模擬信號f(t)通過一個開關(guān)，則開關(guān)的輸出則與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)，當開關(guān)處于閉合狀態(tài)的時候，開關(guān)的輸出就是輸入，即y(t)=f(t)；若開關(guān)處在斷開位置，輸出y(t)就為零。可見，如果讓開關(guān)受一個窄脈沖串（序列）的控制，則脈沖出現(xiàn)時開關(guān)閉合，則脈沖消失時開關(guān)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(xiàn)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。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(jīng)過一個上限為W的低通濾波器，以便m(t)中無所包含的高于W的那些諧波成分。 量化量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖 ，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（）表達為： （） 量化器這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。 模擬信號的量化 量化后的抽樣信號于量化前的抽樣信號相比較，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(xiàn)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(shù)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(tài)范圍，可見，對于弱信號時，均勻量化時的信號動態(tài)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(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值大的區(qū)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(yōu)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。 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(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)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壓縮律。所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如式（）和式（）特性的壓縮律： （） （）A律壓擴特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴特性自然也就不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當復雜的。在實際中，往往采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（A=）的壓擴特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用電路實現(xiàn)。本設(shè)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。 A律函數(shù)13折線 13折線時的值與計算值的比較0101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421，第三行的值是13折線分段時的值?？梢?，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(shù)字化。 編碼 將量化后的信號變換成代碼的過程稱為編碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和譯碼與差錯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。量化后的抽樣信號在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個可取的樣值，且信號正、負幅度分布的對稱性使正、負樣值的個數(shù)相等，正、負向的量化級對稱分布。若將有限個量化樣值的絕對值從小到大依次排列，并對應的依次賦予一個十進制數(shù)字代碼，在碼前以“+”、“—”號為前綴，來區(qū)分樣值的正負，則量化后的抽樣信號就轉(zhuǎn)化為按抽樣時序排列的一串十進制數(shù)字碼流，即十進制數(shù)字信號。把量化的抽樣信號變換成給定字長的二進制碼流的過程為編碼。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和。通信中一般都采用高速編碼。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：折疊級聯(lián)型、逐次比較型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，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折線的量化來加以說明。在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，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大小。具體的劃分為：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。其于四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果將8個段落被劃分為了128個量化級。；。段落序號段落碼81117110610151004011301020011000 二進制碼型電平序號自然二進制碼折疊二進制碼格雷碼012345670 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10 1 1 10 1 1 00 1 0 10 1 0 00 0 1 10 0 1 00 0 0 10 0 0 00 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 0891011121314151 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0理論上來來說，任何一個可逆的二進制碼組均可用于PCM。目前最常見的二進制碼組有三類，分別為：二進制自然碼（NBC）、格雷二進制碼（RBC）和折疊二進制碼組（FBC）。，如果把16個量化級分成兩部分：0～7的8個量化級對應于負極性樣值，8～15的8個量化級對應于正極性樣值。自然二進制碼就是一般的十進制正整數(shù)的二進制表示。格雷碼的特點是任何相鄰電平的碼組，只有一位碼發(fā)生變化。在折疊碼中，左邊第一位表示正負號（信號極性），第一位用1表示正，用0表示負。第二位開始至最后一位表示信號幅度，絕對值相同的折疊碼，其碼組除第一位外都相同；相對于零電平則呈對稱折疊關(guān)系，因此這種碼組形象地稱為折疊碼。在信道傳輸中有誤碼時，各種碼組在解碼時產(chǎn)生的后果是不同的。如果第一位碼發(fā)生變化，自然碼解碼后，引起的幅度誤差是信號最大幅度的一半，這樣會使恢復出的模擬電話信號出現(xiàn)明顯的誤碼噪聲，在小信號時這種噪聲尤為突出。而折疊碼在傳輸中出現(xiàn)誤碼時，對大信號的影響較大，對小信號的影響要小得多。比如誤碼發(fā)生在大信號，如1101誤碼為0101，對于自然碼誤差為8個量化級（13與5），對于折疊碼為11個量化級（13與2）。對于小信號，把1000誤碼為0000，對于自然碼誤差為8個量化級（8與0），對于折疊碼誤差僅有1個量化級（8與7）。由于語音信號中小信號出現(xiàn)的概率大，所以從統(tǒng)計的觀點看，折疊碼產(chǎn)生的均方誤差功率小。另外，折疊碼編碼電路簡單，其第一位表示極性，可由極性判決電路決定，在編碼位數(shù)相同時，折疊碼等效于少編一位碼?；谏鲜鲈?，在PCM編碼中使用折疊碼。本文對三種碼型都進行了分析，用數(shù)字來對比他們的特點。 譯碼譯碼也就是將8位二進制還原為原來的十進制的量化電壓，過程剛好與編碼相反。譯碼中數(shù)字壓擴用7/12變換電路，量化誤差減少為原來的1/2。： 數(shù)字壓擴折線解碼器原理框圖 A率13折線譯碼器原理框圖與逐次比較型編碼器中的本地譯碼器基本相同，所不同的是增加了極性控制部分和帶有寄存讀出的7/12位碼變換電路，各部分的作用如下：串/并變換記憶電路：將增加的串行PCM碼變?yōu)椴⑿写a，并記憶下來，與編碼器中譯碼器的記憶作用基本相同。極性控制部分：根據(jù)接收到的極性碼來控制譯碼后的PAM信號的極性，恢復原信號極性。7/12變換電路：將7位非線性碼轉(zhuǎn)換為12位線性碼，在編碼器的本地譯碼器中采用7/11位碼變換，使得量化誤差有可能大于本段落量化間隔的一半。兩種碼之間的轉(zhuǎn)換原則是兩個碼組在各自的意義上所代表的權(quán)值必須相等。3 PCM系統(tǒng)仿真 總體設(shè)計思想 由前面的原理介紹我們可以知道PCM系統(tǒng)包括模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、數(shù)字信號還原模擬信號模塊等三個模塊。其中模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號模塊把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為用二進制代表的數(shù)字信號，它由抽樣、量化、編碼三個步驟組成；用程序?qū)崿F(xiàn)折疊二進制和格雷碼的封裝，在simulink下直接調(diào)用封裝模塊；信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?，在傳輸過程中可能會引入噪聲而影響信號的質(zhì)量；數(shù)字信號還原模擬信號解碼、低通、放大等過程組成，它把數(shù)字信號恢復稱連續(xù)的模擬信號。信源的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始的電信號，比如電話系統(tǒng)中電話機可以看成是信源。信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號是指沒有經(jīng)過調(diào)制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點是信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式。信道是指信號傳輸?shù)耐ǖ溃梢允怯芯€的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設(shè)備。在接收端，接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中恢復出相應的原始電信號來。信宿是將復原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應的消息。 各模塊的設(shè)計和仿真 PCM編碼模塊設(shè)計 本設(shè)計的編碼模塊，模擬信號是幅度為1，頻率為100*pi的正弦信號。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理可知抽樣頻率應大于等于模擬信號最高頻率的2倍。，符合奈奎斯特抽樣定理。利用輸出波形觀察解碼后的模擬信號。： 13折線近似的PCM編碼器測試模型其中各個模塊功能和參數(shù)設(shè)置如下： ZeroOrder Hold ：零階保持器，它的作用是對輸入的一段采樣時間進行保持。Saturation：限幅器，它的作用是將輸入信號的幅度限制在一定范圍內(nèi)。本設(shè)計將輸入信號幅度限制在[1,+1]范圍內(nèi)。Relay：繼電模塊，它的作用是實現(xiàn)在兩個不同常數(shù)值之間進行切換。本設(shè)計中此模塊的門限值設(shè)為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位，也就是極性碼，當抽樣值為正值時就輸出1，為負值時就輸出0。 Abs：絕對值模塊，它的作用是對輸入數(shù)值取絕對值。 ALaw Compressor：A率壓縮器，它的作用是對輸入信號進行A率壓縮。 Gain：增益模塊，它是對數(shù)值的大小增加或減小倍數(shù)。本設(shè)計中由于輸入信號幅度限制在[1,+1],因此為了便于編碼將Gain的增益參數(shù)設(shè)為127。 Quantizer：量化器，它的作用是就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值。本設(shè)計中的量化間隔設(shè)為1，可將輸入數(shù)值根據(jù)四舍五入原則量化成相應的離散數(shù)值。 Integer to Bit Converter：整數(shù)點轉(zhuǎn)換器，它的作用是將整數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應的二進制數(shù)值。本設(shè)計中由于量化值最大為127，因此此模塊參數(shù)設(shè)為7，即將十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為7位二進制數(shù)值。 Mux：復用器，它的作用是將多路信號復用為一路信號。本設(shè)計中由于輸入信號由1路極值脈沖和1路數(shù)值脈沖組成，因此此模塊輸入?yún)?shù)設(shè)為2。 To Frame：裝幀器。 Buffer：緩沖器。 Scope：示波器，它的作用是顯示輸出信號波形。運行編