均匀量化与非均匀量化的比较(附有详细参数)
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内蒙古师范大学计算机与信息工程学院
《通信软件》课程设计报告
设计题目
指导教师
姓
名
学
号
日
期
PCM
系统的量化分析
俞宗佐
职称
申哲
2
2
012
年
6
月
30
日
讲师
PCM
系统的量化分析
计算机与信息工程学院
2009
级通信工程
申哲
2
指导教师
俞宗佐
讲师
摘要
<
/p>
本文从均匀量化以及非均匀量化不同的角度对
PCM
系统进行设计与仿真，
详细
的分析了在模拟语音信号
与数字语音信号之间的转换中均匀量化对系统的影响以及非均匀
量化的作用。
关键字
PCM
；均匀量化；非均匀量化
The quantitative analysis
of PCM system
Computer and Information
Engineering College
Communications Engineering.
ShenZhe 2
Directed by YuZongZuo lecturer
Abstract
This
paper, from the uniform quantitative and non-
uniform
quantitative different angles
on PCM system design and simulation, detailed
analysis
of the speech signal and
digital simulation in speech signal conversion
between even
quantification and
influence of system of uniform quantitative role.
Keywords
PCM;
Even quantitative; Non-uniform quantitative
1
、引言
随着电子技术和计算机技术的发展，
仿真技术得到了广泛的应用
。
基于信号
的用于通信系统的动态仿真软件
SystemView
具有强大的功能，可以满足从底层
到
高层不同层次的设计、
分析使用，
并且提供了嵌入式的模块分析
方法，
形成多
层系统，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂
系统的设计。
SystemView
具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了
一个可视的
仿真过程，
不仅在工程上得到应用，
在教学领域也得到认可，<
/p>
尤其在
信号分析、
通信系统等领域。
其可以实现复杂的模拟、
数字及数模混合电路及各
< br>
1
种速率系统，并提供了内容丰富的基本库和专业库。
本文主要阐述了如何利用
SystemView
实现脉冲编码调制（
PCM
）
。系统的
实现通过模块分层实现，模块主
要由
PCM
编码模块、
PCM
译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。通
过仿真设计电
路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。
< br>
View
软件
2.1 System view
简介
SystemView
是美国
ELAN
IX
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)
去描述程序，无需与复
杂的程序语言打交道，
不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，
快速地
建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。
2.2
System
view
软件特点
SystemVi
ew
的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（
Main
Library
）
及专业库
(Optional
Library)
，基本库
中包括多种信号源、接收器、加法器、乘
法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（
Communication
）、逻辑（
L
ogic
）、
数字信号处理（
DSP<
/p>
）、射频
/
模拟（
RF/Analog
）等；它们特别适合于现代通信
系统的设
计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制
解调器、
卫星通讯等通信系统；
并可进行各种系统时域和频域分析、
谱分析，
及
对各种逻辑电路、射频
< br>/
模拟电路（混合器、放大器、
RLC
< br>电路、运放电路等）
进行理论分析和失真分析。
System
< br>View
能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的
待连接端信息，
通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。
这个特点对用户
系统的诊断是十分有效的。
System View
的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，
按要求设计多种
滤波器，
并可自动完成滤波器各指标——如幅频特性
（伯特图）
、
传递函数、根轨迹图等之间的转换。
在系统设计和仿真分析方面，
System
< br>View
还提供了一个真实而灵活的
窗口用以检查、
分析系统波形。
在窗口内，
可以通过鼠标方
便地控制内部数据的
图形放大、
缩小、
滚动等。
另外，
分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”
，
可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。
2
System View
还具有与外部文件的接口，可直接获得
并处理输入
/
输出
数据。提供了与编程
语言
VC++
或仿真工具
Matlab
的接口，可以很方便的调用其
函数。还具备与硬件设计的接口：
与
Xilinx
公司的软件
Core
Generator
配套，
可以将
Sy
stem View
系统中的部分器件生成下载
FPGA
芯片所需的数据文件；另
外，
System
View
还有与
DSP
芯片设计的接口，可以将其
DSP
库中的部分器件生<
/p>
成
DSP
芯片编程的
C
语言源代码。
3
实验目的：
1.1
熟悉和掌握
systemview
仿真软件；
1.2
设计和仿真出
在均匀量化以及非均匀量化下的
PCM
系统；
< br>
1.3
分析和对比在均匀量化与非均匀量化下的输出波
形有何区别；
1.4
在老师的指导下
，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设
计报告，能够正确阐述和分析
实验结果。
4
工作原理
4.1
PCM
系统介绍
PCM
即脉冲编码调制，就是把一个时间连续，取值连续的模拟语音信号变
换成时间离散，取值离散的数字语音信号后在信道中传输。
PCM
的实现主要包括
三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离
散、幅度上离散、及量化
信号的二进制表示。
2.2
电路组成模块
PCM
系统非均匀量化电路的组成原理框图如图
1
所示：
话音输入
低通滤波
瞬时压缩
抽
样
量
化
编
码
信
道
低通滤波
瞬时扩张
解
调
解
码
再
生
话音输出
图
1
PCM
系统非均匀量化原理框图
PC
M
系统均匀量化电路的组成原理框图如图
2
所示：
解
调
解
码
再
生
3
话音输入
低通滤波
抽
样
量
化
编
码
信
道
话音输出
低通滤波
图
2
PCM
系统均匀量化原理框图
4.3
PCM
系统的工作原理及过程
PCM
系统总电路仿真图如图
3
所示：
图
3
PCM
系统总电路图
4.3.1
PCM
系统输入信号
在本系统输入信
号采用的是三个信号经过混频器叠加的信号作为系统的输
入信号，为了方便说明问题，采
用了大信号与小信号两组信号进行实验，图
4
、
图
5
为输入信号的波形。
图
4
小信号输入波形图
图
5
大信号输入波形图
4.3.2
PCM
系统抽样
4
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。<
/p>
抽样定理指
出，对于一个频带限制在零到
fh
的低通模拟信号抽样时，若最小抽样速率不低
于奶奎斯特抽
样速率
2fh
，则能够无失真的输出原模拟信号。
4.3.3
PCM
系统量化
从数学上来看，
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。如图
6
所示，量化器
Q
输出
L
个量化值
y
k
，
k=1
，
2
，
3
，„，
L
。
y
k
常称为重建电平或量化电平，当量化器输入信号幅度
x
落在
x
k
与
x
k
1
之间时，
量
化
器
< br>的
输
出
电
平
为
y
k
。
此
时
，
这
个
量
化
过
程
就
可
以
表
达
为
：
< br>k
1,
2,
< br>3,
,
L
y
Q
(
x
)
Q
<
/p>
x
k
x
x
k
1
y
k
,
称为量化间隔。下图
为模拟
这里
x
k
称为分层电平或判决阈值。通常
k
信号的量化图：
x
x
k
1
x
k
量化器
y
模拟入
量化值
图
6
模拟信号的量化
模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
均匀量化是指把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。利用
A/D
转换器就可实现均匀量化。
完成
A/D
转换后利用带使能端的
8
路数据选择器
的数据并
/
串转换，用三个信号为选择
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，这样就能接收量化波形。
图
7
、
图
8
为大小信号时均匀量化的量化波形图：
5
图
7
小信号的均匀量化波形图
图
8
大信号的均匀量化波形图
非均匀量化
是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。
对于信号取值小的区
间，其量化间隔
v
也小；反之，量化
间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突
出的优点。
首先，
当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度
（实际中常常
是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；
其次，
非均匀量化时，
量化噪声功率的均方根值基本上
与信号抽样值成比例。
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
压缩律和
A
< br>压缩律。美国采用
压缩律，我国和欧洲各国均采用
A
压缩律，因此，
PCM
< br>编
码方式采用的也是
A
压缩律。
非均匀量化在大小信号时的量化波形图如图
< br>10
、图
11
所示：
图
10
小信号非均匀量化量化波形
6