PCM編解碼電路仿真實(shí)現(xiàn)

劉新紅

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京，100018）

0 引言

PCM（Pulse Code Modulation）脈沖編碼調(diào)制，是一種用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號(hào)的抽樣值，從而實(shí)現(xiàn)通信的方式。由于這種通信方式抗干擾能力強(qiáng)，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

文獻(xiàn)[3-4]只是對(duì)PCM系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，但并未對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各環(huán)節(jié)功能作用進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[5]基于Simulink設(shè)計(jì)了脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)，使用PCM編解碼模塊分析了均勻量化、非均勻量化信噪比的變化，沒有深入PCM編解碼實(shí)現(xiàn)本身。

文獻(xiàn)[6]基于LABVIEW 對(duì)PCM 編譯碼系統(tǒng)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，使用13折線法實(shí)現(xiàn)A律壓縮，但沒有考慮傳輸中誤碼因素的影響。

文獻(xiàn)[7]基于Simulink設(shè)計(jì)了PCM語音通信系統(tǒng)，只是使用了A律壓縮的壓縮模塊，并未提及13折線法實(shí)現(xiàn)A律壓縮。

本文在分析PCM編解碼原理基礎(chǔ)上構(gòu)建基于Simulink的PCM編解碼系統(tǒng)模型，分析A律壓縮PCM編碼的意義和方法，對(duì)各環(huán)節(jié)仿真波形進(jìn)行分析，對(duì)比A律壓縮的函數(shù)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)和13折線近似實(shí)現(xiàn)以及信道有干擾情況下有無信道編解碼實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)糾錯(cuò)對(duì)PCM解碼信號(hào)的影響，有助于深入理解和運(yùn)用PCM編解碼技術(shù)。

1 PCM原理

脈沖編碼調(diào)制在通信系統(tǒng)中完成將語音信號(hào)數(shù)字化的功能，其實(shí)現(xiàn)過程包括 3 個(gè)步驟：抽樣、量化和編碼。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。量化方法一般采用壓擴(kuò)非均勻量化，即對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就大。 根據(jù) CCITT兩種建議方式分別為 A 律和μ律方式。 PCM根據(jù)語音信號(hào)小信號(hào)比例大的特點(diǎn)采用A律或μ率壓縮，我國采用A律壓縮，變換關(guān)系為：

式中A為壓擴(kuò)參數(shù)，A值越大壓擴(kuò)效果越明顯，A=1時(shí)無壓縮。國際標(biāo)準(zhǔn)取值A(chǔ)=87.6。

該壓擴(kuò)曲線難以嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)，采用A率13折線法近似壓擴(kuò)特性曲線。

由于壓擴(kuò)曲線函數(shù)奇對(duì)稱，因此，分析第一象限的部分即可。

將x歸一化到[0，1]區(qū)間，不斷對(duì)分為8段，1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/128，0。

將y歸一化到[0，1]區(qū)間，等間隔分為8段，1，7/8，6/8，5/8，4/8，3/8，2/8，1/8，0。

將每一段16等分。

PCM按8位二進(jìn)制編碼，1位符號(hào)碼，3位段落碼，4位段內(nèi)碼。

減少數(shù)據(jù)量并保證處理后的信號(hào)質(zhì)量沒有明顯下降是信源編碼的任務(wù)。根據(jù)語音信號(hào)小信號(hào)比例大的特點(diǎn)，為減小數(shù)字化過程中量化誤差，提高處理后語音信號(hào)質(zhì)量，采用非均勻量化編碼。A律壓縮PCM編解碼最小量化單位為1/2048，要達(dá)到這樣的量化級(jí)采用均勻量化需要11bit編碼值，而采用A率壓縮只用了7bit，減少了4bit。編解碼處理后信號(hào)質(zhì)量卻是相當(dāng)。

2 PCM編解碼模型構(gòu)建

PCM編解碼模型如圖1所示。

用正弦波模擬信號(hào)，設(shè)置頻率2000Hz，零階保持模塊完成采樣保持，采樣周期1/20000s，飽和模塊將信號(hào)幅度限制在[-1，1]間，繼電器模塊取出信號(hào)的符號(hào)并將負(fù)數(shù)編成0，正數(shù)編成1輸出，即信號(hào)小于0輸出0，大于0輸出1。絕對(duì)值模塊把信號(hào)負(fù)值變?yōu)檎担购罄m(xù)模塊只處理信號(hào)的大小而不考慮符號(hào)。查找表模塊實(shí)現(xiàn)13折線A律壓縮，經(jīng)壓縮后信號(hào)取值范圍[0，1]，經(jīng)過增益模塊放大127倍，使取值范圍變?yōu)閇0，127]，經(jīng)過間隔為1的均勻量化器將幅值連續(xù)的信號(hào)離散成只能取[0，127]間整數(shù)值的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過整數(shù)到二進(jìn)制變換模塊變換成7位二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)合路模塊將符號(hào)位和數(shù)值位合為8位PCM編碼值。由此完成PCM編碼。

PCM編碼值經(jīng)緩存模塊串行化為比特流，經(jīng)二進(jìn)制對(duì)稱信道傳送到接收端，信道設(shè)置誤碼率5%，為了檢錯(cuò)糾錯(cuò)降低由于傳輸帶來的誤碼，加入了（7，4）二進(jìn)制循環(huán)編解碼模塊。

接收端從信道接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)后經(jīng)循環(huán)碼解碼模塊檢錯(cuò)糾錯(cuò)后送入緩存器，緩存器將數(shù)據(jù)變換為8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也就是接收的PCM編碼數(shù)據(jù)，經(jīng)分路器將8位分離，最高位符號(hào)位0，1經(jīng)繼電器模塊變換為-1，1。低7位經(jīng)合路器變?yōu)?位二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)二進(jìn)制到整數(shù)值變換模塊變?yōu)閇0，127]整數(shù)，經(jīng)增益模塊將信號(hào)值衰減到[0，1]，經(jīng)A律擴(kuò)展模塊恢復(fù)出壓縮前信號(hào)。解壓后的值加上符號(hào)就得到了解碼后的PCM值。經(jīng)低通濾波器濾除高頻信號(hào)，得到發(fā)送的信號(hào)。由于信道中的干擾，使接收端恢復(fù)出的模擬信號(hào)和發(fā)端相比有一定的失真。

模型中壓縮和解壓縮應(yīng)該用同種方式實(shí)現(xiàn)，本文為了對(duì)比選用了不同的方式，A律壓縮解壓縮模塊實(shí)現(xiàn)的是按式（1）實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確的壓縮解壓縮變換，而查找表方式是按13折線法實(shí)現(xiàn)的近似壓縮解壓縮變換。仿真對(duì)比了2種方式的PCM編碼值是有小差別的，但從變換前后采樣點(diǎn)波形看不出明顯不同，這也是可以采用13折線近似實(shí)現(xiàn)A律壓縮與解壓縮的原因。

模型中如果用（7，4）信道編碼檢錯(cuò)，信道編碼模塊前的緩存器輸出應(yīng)設(shè)為4位，以滿足二進(jìn)制循環(huán)編碼器的輸入要求，不用設(shè)為1位實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行輸出即可。

3 PCM編解碼模型仿真波形分析

仿真波形圖如圖2、3所示，圖2為有信道編解碼時(shí)的PCM編解碼仿真波形圖，圖3為無信道編解碼時(shí)的PCM編解碼仿真波形圖。

圖2、3仿真波形圖中波形1到6依次是發(fā)端待PCM編碼發(fā)送的原始模擬正弦信號(hào)，接收端PCM解碼恢復(fù)出的模擬正弦信號(hào)，接收端收到的PCM編碼符號(hào)，發(fā)端PCM編碼數(shù)值，收端PCM編碼數(shù)值，接收端PCM解碼波形。

圖1 PCM編解碼仿真電路圖

圖2 有信道編解碼時(shí)的PCM編解碼仿真波形圖

圖3 無信道編解碼時(shí)的PCM編解碼仿真波形圖

從波形4、5可以看出，經(jīng)A律壓縮后采樣點(diǎn)數(shù)值中小值被放大，大值被壓縮。由于信道干擾接收端PCM采樣波形樣值發(fā)生改變，樣值點(diǎn)波形發(fā)生畸變。

波形3的符號(hào)波形也由于信道干擾而畸變，因此，由波形5的數(shù)值加上波形3的符號(hào)恢復(fù)出的帶符號(hào)的采樣值波形自然也發(fā)生畸變。

對(duì)比圖2、3的波形2、3、5、6可以看出，經(jīng)過信道編碼糾錯(cuò)波形畸變明顯減輕。接收端恢復(fù)出的模擬信號(hào)失真減小。

4 結(jié)束語

根據(jù)PCM編解碼原理構(gòu)建了基于Simulink的PCM編解碼系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PCM編解碼。分析了A律壓縮PCM編碼的意義和方法，對(duì)各環(huán)節(jié)仿真波形進(jìn)行了分析，對(duì)比了A律壓縮的函數(shù)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)和13折線近似實(shí)現(xiàn)以及信道有干擾情況下有無信道編解碼實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)糾錯(cuò)對(duì)PCM解碼信號(hào)的影響，有助于深入理解和運(yùn)用PCM編解碼技術(shù)。

實(shí)際13折線A律PCM編解碼實(shí)現(xiàn)時(shí)采用逐次比較法將壓縮和編碼合二為一一步實(shí)現(xiàn)，而不是像模型中的先進(jìn)行壓縮變化再均勻量化編碼。