【正文】 制比特率和采樣率，沒有解決它的根本問題。 (2) 在錄音時采用多級或者串聯(lián)抽選的數(shù)字濾波器（減低采樣頻率），在重放時采用多級的內(nèi) 插的數(shù)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。 本次設(shè)計是利用 Simulink 強大的工具箱和其建模的優(yōu)勢建立了 PCM 通信系統(tǒng)的仿真模型。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(xiàn)通信網(wǎng)的管理等都是它主要的特點。模擬信號數(shù)字化有三個基本步驟。第二步是 ―量化 ‖，將 模擬信號樣值變換到最接近的數(shù)字值。第三步是 ―編碼 ‖，就是把量化后的樣值信號用一組二進制數(shù)字代碼來表示，最終完成模擬信號的數(shù)字化。接收端則是一個還原過程，把收到的數(shù)字信號變?yōu)槟M信號，即 ―數(shù)字信號還原模擬信號 ‖，從而再現(xiàn)聲音或圖像。在綜合了不同軟件及硬件的分析優(yōu)缺點后，綜合自己的能力選擇合適的方案。 Simulink是 MATLAB軟件提供的可以實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它操作簡單方便、調(diào)試直觀，為通信系統(tǒng)的軟件仿真實現(xiàn)提供了很大的方便。 PCM系統(tǒng)包括模擬信號的數(shù)字化、調(diào)制解調(diào)和數(shù)字信號還原為模擬信號三個模塊，其中，模擬信號的數(shù)字化是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為用二進制代表的數(shù)字信號，分為抽樣、量化和編碼三個步驟；信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?，在傳輸過程中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、低通等過程組成，它把數(shù)字信 號恢復成連續(xù)的模擬信號。包括總體設(shè)計思想和編碼、解碼、調(diào)制解調(diào)等子模塊的設(shè)計。 第四部分是結(jié)束語。 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 40 頁 1 研究方案 研究目標 數(shù)字通 信系統(tǒng)現(xiàn)己成為現(xiàn)今通信發(fā)展的主要方向，但是經(jīng)過傳感器的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換作數(shù)字信號的調(diào)制方式。因此，選擇 PCM 系統(tǒng)進行仿真研究。 方案選擇 分析 PCM 系統(tǒng)可以有多種手段，最常用的就是基于單片機的硬件電路實現(xiàn)、基于 FPGA 的軟件仿真和 MATLAB 環(huán)境下的 Simulink 仿真實現(xiàn)，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。作為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)，F(xiàn)PGA 不僅解決了定制電路在設(shè)計中的不足，而且改善了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）的概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block） 、內(nèi)部連線（ Interconnect）和輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）三個部分。 ? FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 ? FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。我們可以 根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。掉電后， FPGA 恢復白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠重復使用。當我們需要修改功能時，只需要更換一片 EPROM 即可。因此， FPGA 的使用是非常靈活的。 Quartus II 是 Altera 提供的 FPGA/CPLD 開發(fā)集成環(huán)境。 Quartus II 在 21 世紀初推出，是 Altera 前一代 FPGA/CPLD 集成開發(fā)環(huán)境 MAX+plus II 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，它界面友好，使用便捷。下圖 所示的上排是 Quartus II 的編譯設(shè)計主控界面，它顯示了 Quartus II 自動設(shè)計的各主要處理環(huán)節(jié)和設(shè)計流程，包括設(shè)計輸入編輯、設(shè)計分析與綜合、適配、編程文件匯編（裝配）、時序參數(shù)提取和編程下載等幾個步驟。 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 40 頁 開發(fā)流程其設(shè)計流程圖 ]12[ 如圖 所示： 圖 Quartus II 設(shè)計流程 基于 Simulink 的 PCM 系統(tǒng)仿真 Simulink 是 matlab 最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。其可以實現(xiàn)復雜的模擬、數(shù)字及數(shù)模混合電路及各種速率系統(tǒng)，并提供了內(nèi)容豐富的基本庫和專業(yè)庫 ]14[ 。 PCM 系統(tǒng)主要包括模擬信號 的數(shù)字化、信道傳輸和數(shù)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(nèi)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(jié)果并通過波形來分析該系統(tǒng)的性能。根據(jù) PCM 編碼基本原理，設(shè)計出 Systemview 仿真模型，然后對仿真的結(jié)果加以分析，最終根據(jù)仿真的模型建立以及仿真結(jié)果設(shè)計出 PCM 編碼的硬件實現(xiàn)電路。只需簡單用鼠標點擊圖符即可創(chuàng)建 DSP 濾波器、連續(xù)線性系統(tǒng)，并輸入／輸出基于真實系統(tǒng)模型的仿真數(shù)據(jù)。 PCM 編譯碼器的實現(xiàn)可以借鑒單片如 MC14550 的 PCM 編碼器集成芯片。 MC145503 可以組成模擬用戶線與程控交換設(shè)備間的接口，包含有話音 A 律編解碼器、自調(diào)零邏輯、話音輸入放大器、 RC 濾波器、開關(guān)電容低通濾波器、話音推挽功放等功能單元。 PCM 編譯碼框圖如圖 所示： 圖 PCM 編譯碼電路圖 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。 利用單片機進行測試時，系統(tǒng)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(jié)果比較不時很直觀。而且 Simulink 的示波器可以動畫和圖像顯示數(shù)據(jù)，運行中可調(diào)整模S3 SL5 SRB SRA 4690KHz晶振 分頻器1 分頻器 2 幀同步信號產(chǎn)生器 正弦信 號源 A 抽樣信號 產(chǎn)生信號 PCM 編碼器 A PCM 編碼器 B 復接器 正弦信 號源 B S1 S2 SL7 SL3 SL0 SLB STA SRB SRA 2048KHz CLK S1S2S3S4 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 40 頁 型參數(shù)進行 Whatif 分析，能夠在仿真運算進行時監(jiān)視動態(tài)仿真結(jié)果。 基于上述三種方案的優(yōu)缺點及自己在大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。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(lǐng)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。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(xiàn)與其他語言的混合編程，進一步拓寬了 MATLAB 的應用潛力。在新的版本中也加入了對C++ 、 FORTRAN、 C、 JAVA 的支持。 MATLAB 有著強大的功能且應用范圍非常廣，可以用來進行多種工作，具體如下： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真、財務與金融工程等。 MATLAB 的最突出的特點就是簡潔。 MATLAB 給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發(fā) 環(huán)境 ]7[ 。而 simulink 提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。 Simulink 具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 Simulink 已被廣泛應用與控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設(shè)計。 Simulink 的功能和特點如下： Simulink 是一種基于 MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)的仿真結(jié)果。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理等系統(tǒng)， Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和 測試。 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(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。 ? 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。 ? 通過 Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。 ? 使用 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用 MATLAB 算法 。 ? 交互式的圖形編輯器來組合和管理 直觀的模塊圖。 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 40 頁 2 PCM 基本原理 脈沖編碼調(diào)制（ PCM）簡稱脈碼調(diào)制，它是用二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值來實現(xiàn)通信的一種方式。 PCM 信號的形成是將模擬信號經(jīng)過 “ 抽樣、量化、編碼 ”三個步驟來實現(xiàn)的。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（圖 （ 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。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。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。圖 （ b）中譯碼器的原理和編碼過程相反。圖 是一個抽樣概念的示意圖 ]1[ ，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。 圖 抽樣概念示意圖 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 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 40 頁 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。如圖 所示量化器 Q 輸出 L 個量化值， k=1， 2， 3， … ， L。量化過程可以用式（ ）表達為： LkxQxQy yxx kkk ,...,3,2,1,}{)( 1 ?????? ? （ ） 這里稱為分層電平或判決閾值。 圖 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。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。 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。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。 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。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。 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。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和 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 ]12[ ： AxAAxy 10,ln1 ???? （ ）