脉冲编码调制的基本原理
批准人：
年月日
第一讲脉冲编码调制基本原理
教学提要
课目专业基础
目的了解脉冲编码调制的基本原理。
内容1、数的进制
2．语音信号的数字化
3．时分多路复用和PCM30/32系统
方法课堂讲解，电化教学。
时间45分钟
要求1．遵守课堂纪律，专心听讲，做好笔记；
2．勤于思考，积极发言，课后做好复习。器材保障教材、资料
教学进程
教学准备（5分钟）
1．清点人数，准备教学用具；
2．宣布作业提要。
教学实施（37分钟）
一、数的进制
(一)二进制数
(二)八进制数
(三)十六进制数
一、语音信号的数字化
大家都知道，语音信号是模拟信号，而数字程控交换机内部交换的却是数字信号，那么如何使模拟的语音信号数字化，可采用脉冲编码调制的方法，即PCM。我们知道，模拟信号数字化称为模/数（A/D）变换，而把数字信号还原成模拟信号称为数/模（D/A）变换，综合A/D和D/A的一般步骤，图1-3给出了PCM通信的简单模型。
图1-3 PCM 通信的简单模型 （一）抽样
语音信号在时间上是连续的，经过抽样后变成时间上离散的信号。简单的说，抽样就是将模拟信号在时间上离散的过程。抽样上每隔一定的时间间隔T ，在抽样器上接入一个抽样脉冲，通过抽样的脉冲去控制抽样器的开关电路，取出话音信号的瞬间电压值，即样值。如图1-4所示，抽样后的信号称为抽样信号，显然，它可以看作按幅度调制的脉冲信号，即PAM 信号，其幅度的取值仍是连续的，不能用有限个数字来表示，因此抽样值仍是模拟信号。
发送端
接收端
A/D 变换 D/A 变换
图1-4 语音信号的抽样
语音信号抽样后信号所占用的时间被压缩了，这是时分复用技术的必要条件。关于这一点将在本节课第三个内容讲解，但是，用抽样信号代替原信号必须要满足抽样定理，否则样值不能够完全表征原信号。
抽样定理：对于一个具有有限带宽的模拟信号f(t)，其最高频率分量为fm ,则当抽样频率fs ≥ 2fm 时，样值可以完全表征原信号。
我们的语音信号频率在300-3400HZ 之间，根据抽样定理，抽样频率fs=2x3400=6800HZ
，为了留一定的防卫
t
t
t
抽样脉冲１Ｔ ２Ｔ ３Ｔ ４Ｔ ５Ｔ ６Ｔ
带，ITU规定的抽样频率为：fs=8000HZ，抽样周期为T=1/8000=125μs。
（二）量化
抽样后的信号，其幅度的取值仍是无限多个，是连续的，在幅度上离散化抽样信号，就是量化。简单的说，量化就是将抽样信号在幅度上离散化的过程。量化可以采用“四舍五入”的方法，使每个抽样后的幅度值用一个邻近的“整数”值来近似，图1-5a就是这种量化方法的示意图，图中把信号归纳为0-7级，并规定，小于0.5的为0级；0.5-1.5之间为1级；依次类推，这样经过量化，连续的样值被归到了0-7级中的某一级，图1-5b就是量化后的值，这里的每一级称为量化级。
1 2 3 4 5 6
图1-5a 抽样
1 2 3 4 5 6
图1-5b 量化
需要注意的是，把无限多个幅度值量化成有限的量化级，必然会产生误差，即量化误差。小信号的量化误差相对较大，为提高小信号量化后的信噪比，可以增加量化级数或采用不均匀量化分组，第一种方法要求更多的编码位数及更高的码速，也就对编码器要求更高；第二种方法是讲小信号的量化级分得更细些，将大信号的量化级分得粗略些，这种做法叫做“压缩扩张法”，简称“压扩法”。
ITU建议的压扩法特性叫做A律或μ律。A律用于欧洲和中国，30/32路PCM系统中采用A律；μ律用于北美和日本，24路PCM系统中采用μ律。
（三）编码
简单的说，编码就是将量化后的幅度值用一定的代码来表示。由于编码后的数字信号携带着原始语音（模拟）信号信息，因此就如同将模拟信号“调制”到了代码上，而代码是由信号抽样得到的脉冲序列再量化编码后得到的，这就构成了脉冲编码调制通信，即我们通常所说的PCM通信。
（四）再生、解码、低通
在PCM通信的接收端，需要将PCM信号还原成语音（模
拟）信号，这需要再生、解码、低通（或重建）几个过程，再生就是将PCM信号进行放大，解码就是把PCM信号转换为与发送端相同的PAM信号，在PAM信号中包含原语音信号的频谱，因此可以采用把PAM信号通过低通滤波器分离出所需要的语音信号，这一过程即为重建。
二、时分多路复用和PCM30/32系统
在通信网的建设中，线路设备的投资占较大比重，因此，如何提高线路利用率，在较少的硬件资源上传输更多的信号，实现多路复用，可采取频分和时分两种方法。现有的有线电视信号传送，就采用频分的方法，即把多种频段的信号混合在一起传送，由接收机选频来分离信号。
时分多路复用就是利用各路信号在信道上占有不同时间间隙（即时隙）而把各路信号分开。具体来说就是，就是把时间分成均匀的时间间隔，将每一路信号的传输时间分配在不同的时间间隔内，以达到互相分开的目的，每路所占用的时间间隙称为时隙（TS）。
PCM通信是典型的时分多路通信系统，如图1-6所示。
如图1-6
由上图可见，每一路信道在指定的时间内接通，其它时间内为别的信道接通，为了使发端与收端各路信道能够协调一致的工作，在发送端需要传送一个同步信号，利用同步控制信号来确保发端和收端协调工作。
下面我们介绍PCM系统中时隙和帧的概念。前面已经讲过，对于语音信号传送，抽样频率为8000HZ，即每125μs抽样一次，每次抽样后经过量化和编码成为8比特的码串，传送一路的8比特对应的时间长度就是一个时隙（TS）,在PCM32系统中，32条信息复用一条物理电路，因此，在125μs内各路信号传送一次，即32个时隙的码串依次传送一遍，就合成了一“帧”。并且，在采用随路信令时，为了传送各话路的标志信号，还引入了复帧的概念，将连续的16帧称为一个复帧。
ITU建议的PCM基本结构包括32路系统和24路系统，
我国和欧洲采用的是PCM32系统，关于这一点我们在前面已经讲过，因为电话通信中，由30个时隙作为话路使用，因此也称为PCM30/32系统，其帧结构如图1-7所示。
图1-7 PCM30/32系统帧结构图
由上图可见，每一帧对应的时间长度为125μs ，每个时隙的大小是125μs/32=3.9μs ，每一复帧的时间长度为16x125μs =2ms 。32个时隙是这样分配的，TS1-TS15、TS17-TS31为话路时隙，TS0用来传送帧定位信号，保持发端与收端的同步工作。在局间采用随路信令时，TS16用来传送复帧同步码和各话路的标志信号，当局间采用NO.7信令时，TS16可以作为信令链路使用，也可以作为话路使用。这里的随路信令和NO.7信令我们将在以后的课程中陆续讲到，这里不作详细讲解。
F0 F1 F3 F2 F5 F4 F7 F6 F9 F8 F11 F10 F13 F12 F14 F15
1复帧=16帧
TS16标志信号时隙
TS0同步时隙
注意！我们这里只讲到了PCM一次群，因为数字程控交换只涉及到一次群，PCM高次群在这里不作讲解。
总结
同志们，我们利用三个课时对脉冲编码调制的基本原理进行了学习，我们主要讲了三个方面的内容，模拟信号和数字信号，语音信号的数字化，时分多路复用和PCM30/32系统，其中第一个内容是第二个内容的基础，第二个内容是重点，第三个内容是第二个内容的延伸教学讲评（３分钟）
思考题
１.什么是模拟信号和数字信号？
２.模拟信号经过哪几个步骤可以转化为数字信号并简述过程？
３.PCM30/32系统话路占用哪些时隙，TSO与TS16各传送什么信号？1
４.根据课堂内容计算PCM30/32系统传送码率是多少？
编写人：兰建科
基于Matlab的脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真课程设计任务书
课程设计任务书 题目: 脉冲编码调制（PCM）的实现 初始条件： 1、MATLAB软件； 2、脉冲编码调制相关知识。 要求完成的主要任务: 1、任务 实现脉冲编码调制（PCM）技术的三个过程：采样、量化与编码。 2、要求 用仿真软件对其进行验证，使其满足以下要求： （1）模拟信号的最高频率限制在4KHZ以内； （2）分别实现64级电平的均匀量化和A压缩率的非均匀量化； （3）按照13折线A律特性编成8位码。 时间安排： 第1，2天：分析题目，方案设计； 第3，4，5天：软件设计； 第6，7天：系统仿真； 第8天：答辩，完成设计说明书。 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要....................................................................... I Abstract................................................................... II 1 绪论 (1) 2 MATLAB简介 (2) 2.1 MATLAB软件简介 (2) 2.2 MATLAB程序设计方法 (2) 3 PCM脉冲编码原理 (4) 3.1 模拟信号的抽样及频谱分析 (4) 3.1.1 信号的采样 (4) 3.1.2 抽样定理 (4) 3.1.3 采样信号的频谱分析 (5) 3.2 量化 (5) 3.2.1 量化的定义 (5) 3.2.2 量化的分类 (6) 3.2.3 MATLAB的A律13折线量化 (12) 3.3 PCM编码 (13) 3.3.1 编码的定义 (13) 3.3.2 码型的选择 (13) 3.3.3 PCM脉冲编码的原理 (13) 4 PCM的MATLAB实现 (15) 4.1 PCM抽样的MATLAB实现 (15) 4.2 PCM量化的MATLAB实现 (18) 4.2.1 PCM均匀量化的MATLAB实现 (18) 4.2.2 PCM A律非均匀量化的MATLAB实现 (20) 4.3 PCM A律13折线编码的MATLAB实现 (22) 5 结果分析及总结 (25) 参考文献 (26)
基于Matlab的脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真
课程设计(论文)任务书 信息工程学院通信工程专业14-2 班 一、课程设计(论文)题目脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真 二、课程设计(论文)工作自2017年1 月3日起至2017年1月 13日止。 三、课程设计(论文) 地点: 图书馆、寝室、通信实验室（4-410）。 四、课程设计(论文)内容要求： 1．本课程设计的目的 （1）使学生掌握通信系统各功能模块的基本工作原理； （2）培养学生采用Matlab与Simulink相结合对各种编码与解码进行仿真的方法； （3）培养学生对PCM的理解能力； （4）能提高和挖掘学生对所学知识的实际应用能力即创新能力； （5）提高学生的科技论文写作能力。 2．课程设计的任务及要求 1）基本要求： （1）学习Matlab与Simulink仿真软件的使用； （2）对PCM，DPCM，ΔM编码与解码各功能模块的工作原理进行分析； （3）提出各种编码与解码电路的设计方案，选用合适的模块； （4）对所设计系统进行仿真； （5）并对仿真结果进行分析。 a. 采样定理的原理仿真 b. PCM编码与解码 c. DPCM编码与解码；增量调制（至少选做一种） 2）创新要求： 3）课程设计论文编写要求 （1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文 （2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等 （3）毕业论文装订按学校的统一要求完成 4）答辩标准： （1）完成原理分析（20分） （2）系统方案选择（30分） （3）仿真结果分析（30分） （4）论文写作（20分） 5）参考文献： （1）王俊峰.《通信原理MATLAB仿真教程》人民邮电出版社第1版 .2010.11.1 （2）赵静.《基于MATLAB的通信系统仿真》北京航空航天大学出版社
通信原理之PCM编解码
重庆交通大学信息科学与工程学院综合性设计性实验报告 专业班级： 姓名 学号： 实验所属课程：通信原理 实验室(中心)：语音八楼 指导教师： 实验完成时间：２０１3 年１月1日
教师评阅意见： 签名：年月日实验成绩： 一、设计题目 基于MATLAB的通信系统仿真——信源编解码 二、实验目的: 1.综合应用《Matlab编程与系统仿真》、《信号与系统》、《现代通信原理》等多门课程知识，使我们建立通信系统的整体概念； 2.培养我们系统设计与系统开发的思想； 3.培养我们利用软件进行通信仿真的能力。 4.培养我发现问题，解决问题，查阅资料解决问题的能力。 5、培养我熟练掌握MATLAB，运用此matlab软件工具进行通信仿真的能力 三、实验设备及软件： PC机一台，MATBLAB。 四、实验主要内容及要求： 1、对通信系统有整体的较深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基础，画出对应的通信子 系统的原理框图 2、提出仿真方案； 3、完成仿真软件的编制 4、仿真软件的演示 5、提交详细的设计报告 五、实验原理 1、PCM基本原理 脉冲编码调制（PCM）简称脉码调制，它是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。因此此种通信方式抗干扰能力强，因此在很多领域都得到了广泛运用。PCM信号的形
成主要由三大步骤组成，包括：抽样、量化和编码。它们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。量化分为均匀量化和非均匀量化，为了减小小信号的量化误差，我们常使用的是非均匀量化。非均匀量化分为A 律和μ律。我国采用的是A 律，但由于A 律不好实现，所以我们常用近似的13折线编码。 1.1抽样 抽样即是将时间连续的模拟信号由一系列时间离散的样值所取代的过程它实现的是信号在时间上的离散化。抽样信号要想无失真的恢复出原信号，抽样频率必须要满足抽样定理。即：如果信号的最高频率为f H ，那么抽样频率fs 必须要满足fs>=2f H . 1.2量化 经过抽样后的信号还并不是数字信号，它只实现了时间上的离散化。幅值上并不离散。所以我们要对信号进行量化，实现其幅值的离散化。量化分为均匀量化和非均匀量化。本实验主要用到了非均匀量化中的A 律13折线压缩。下面主要介绍A 律13折线。 A 律压缩是指压缩器具有如下的压缩特性： 由于A 律在工程上不好实现，所以我们经常用近似的13折线压缩法去代替A 率压缩 下面是13折线时的X 值与A 律计算得的X 的比较 第二行的X 值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的X 值是13折线分段时的值。可见，13折线各段 ??? ? ?? ?≤≤++≤+=11)],ln(1[ln 1)sgn(1 ),(ln 1V x A V Ax A x A V x V x A A Z 20 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 0 X 近 似值 1 0 x 准 确值 1 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0 z 128 1 60.6 130.6 115.4 17.79 1 3.93 1 1.98 10.25 0.5 1 2 4 8 16 16 斜率 8 7 6 5 4 3 2 1 段号
脉冲编码调制
脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真 目录 一、前言 (2) 二，设计目的 (3) 三、脉冲编码调制介绍 (3) 3.1简介 (3) 3.2脉冲编码调制PCM的基本原理 (4) 3.3编码 (5) 四、设计步骤 (5) 4.1系统介绍 (5) 4.2PCM编码器组件功能实现 (9) 4.3 PCM编码器模块 (10) 4.4 PCM译码器模块 (11) 4.5、系统仿真模型 (12) 4.6仿真波形 (13) 五、设计过程中需解决的问题 (14) 六、设计心得......................... 错误！未定义书签。参考文献 (14)
脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真 摘要: SystemView 仿真软件可以实现多层次的通信系统仿真。脉冲编码调制（PCM）是现代语音通信中数字化的重要编码方式。利用SystemView 实现脉冲编码调制(PCM)仿真，可以为硬件电路实现提供理论依据。通过仿真展示了PCM 编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。 ABSTRACT SystemView simulation software multi-level communication system simulation. Pulse code modulation (PCM) is a modern digital voice communication important encoding. SystemView achieved using pulse code modulation (PCM) emulation, the hardware circuit can provide a theoretical basis. The simulation shows the PCM code to implement the design concept and the specific process and analyze them. 关键词: PCM 编译码 一、前言 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，尤
脉冲编码调制(PCM)系统设计方案
数字通信原理与技术设计报告书 脉冲编码调制 脉冲编码调制 量化 PCM 编码示意图见图 1。 下面将介绍 PCM 编码中抽样、量化及编码的原理： (a> 抽样 所谓抽样，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。 (b> 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 2所示，量化器 Q 输出 L 个量化值 yk ， k=1，2， 3，?， L 。 yk 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xk 与 xk 1 之间时，量化器输出电平为 yk 。这个量化过程可以表达为： y Q(x) Q x k x x k 1 y k , k 1,2,3, ,L 这里xk 称为分层电平或判决阈值。通常 k xk 1 xk 称为量化间隔。 x 模拟入 图 3.2 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。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。因此，当信号 m(t) 较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的 量化器 量化值 图 3.1 PCM 原理框 脉冲编码调制C M系统 设计与仿真 Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】 脉冲编码调制(P C M)系统设计与仿真摘要 : SystemView 仿真软件可以实现多层次的通信系统仿真。脉冲编码调制（PCM）是现代语音通信中数字化的重要编码方式。利用SystemView 实现脉冲编码调制(PCM)仿真，可以为硬件电路实现提供理论依据。通过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。 关键词: PCM 编译码 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，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。 2、系统介绍 PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。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。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采 探※※※※※※※※ 探2007级学生数字通探 % 信原理课程设计% 探％ 数字通信原理课程设计报告书 脉冲编码调制（PCM）系统 课题名称 设计与仿真 姓名_______________________________________ 学号 院系物理与电信工程系专业通信工程 指导教师 2010年01月09日 一、设计任务及要求 (1)完成脉冲编码调制(PCM系统的设计与仿真。 ⑵ 用MATLAB^件将此次设计在电脑上实现，观察输出的波形 (3)要求有各种需要的信号波形输出，并记录。 指导教师签名： 2010年01月15日、指导教师评语: 指导教师签名：__________________ 2010 年01 月15 日 二、成绩 盖章验收 2010 年01 月15 日脉冲编码调制(PCM) 系统设计与仿真 一、设计目的 加深对《数字通信原理与技术》及《MATLA》课程的认识，进一步熟悉M语言编程中各个指令语句的运用；进一步了解和掌握数字通信原理课程设计中各种原理程序 的设计技巧；掌握宏汇编语言的设计方法；掌握MATLAB^件的使用方法，加深对试验设备的了解以及对硬件设备的正确使用。加强对于电路图的描绘技能，巩固独立设计实验的实验技能。提高实践动手能力。 二、设计要求 采用matlab或者其它软件工具实现脉冲编码调制 (PCM系统的设计与仿真，并且绘制相关的图形；通过编程设置对参数进行调整，可以调节输出信号的显示效果。所有设计要求，均必须在实验室调试，保证功能能够实现。 三、设计原理 在PCM中，波形的每个样本独立进行编码。然而，以奈奎斯特速率或更高速率采样的绝大多数信号(包括语音信号) ，其相邻的样本之间呈现明显的相关性，换言之，相邻采样幅度间的平均变化较小。所以，利用采样中多余度的编码方案将使语音信号的码率降低。 一种简单的解决方法就是对相邻样本之差编码而不是对样本本身编码，由于相邻样本之差比实际样本幅度小，所以表示差信号需要较小的位数。这种普通方法的一种改进方案是用前面的n 个样本根据一定的规律来预测当前的样本，然后将预测值与实际值的误差进行量化后传输，在根据误差信号，采用和发送端相同的预测方法恢复出原始信号。 k ■话音输 出 :诣 曰输入 1 F I fiKN I I一L—L:_| 抽祥 解码量化 PPM和PCM的工作原理： 前面提到了PPM和PCM编解码技术，那么，究竟什么是PPM和PCM呢？两者又有什么区别呢？ PCM是英文pulse-code modulation的缩写，中文的意思是：脉冲编码调制，又称脉码调制。PPM是英文pulse position modulation的缩写，中文意思是：脉冲位置调制，又称脉位调制，这里顺便提一句，有些航模爱好者误将PPM编码说成是FM，其实这是两个不同的概念。前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。比例遥控发射电路的工作原理如图1所示。操作通过操纵发射机上的手柄，将电位器组值的变化信息送人编码电路。编码电路将其转换成一组脉冲编码信号（PPM或PCM）。这组脉冲编码信号经过高频调制电路（AM或FM）调制后，再经高放电路发送出去。 目前，比例遥控设备中最常用的两种脉冲编码方式就是PPM和PCM：最常用的两种高频调制方式是FM调频和AM调幅：最常见的组合为PPM/AM脉位调制编码/调幅、PPM/FM 脉位调制编码/调频、PPM/FM脉冲调制编码/调频三种形式。通常的PPM接收解码电路都由通用的数字集成电路组成，如CD4013，CD4015等。对于这类电路来说，只要输入脉冲的上升沿达到一定的高度，都可以使其翻转。这样，一旦输入脉冲中含有干扰脉冲，就会造成输出混乱。由于干扰脉冲的数量和位置是随机的，因此在接收机输出端产生的效果就是“抖舵”。除此之外，因电位器接触不好而造成编码波形的畸变等原因，也会影响接收效果，造成“抖舵”。对于窄小的干扰脉冲，一般的PPM电路可以采用滤波的方式消除；而对于较宽的干扰脉冲，滤波电路就无能为力了。这就是为什么普通的PPM比例遥控设备，在强干扰的环境下或超出控制范围时会产生误动作的原因。尤其是在有同频干扰的情况下，模型往往会完全失控。 PPM的编解码方式一般是使用积分电路来实现的，而PCM编解码则是用模/数（A/D）和数/模（D/A）转技术实现的。 首先，编码电路中模/数转换部分将电位器产生的模拟信息转换成一组数字脉冲信号。由于每个通道都由8个脉冲组成，再加上同步脉冲和校核脉冲，因此每个脉冲包含了数十个脉冲信号。在这里，每一个通道都是由8个信号脉冲组成。其脉冲个数永远不变，只是脉冲的宽度不同。宽脉冲代表“1”，窄脉冲代表“0”。这样每个通道的脉冲就可用8位二进制数据来表示，共有256种变化。接收机解码电路中的单片机（单片计算机，下同）收到这种数字编码信号后，再经过数/模转换，将数字信号还原成模拟信号。由于在空中传播的是数字信号，其中包含的信号只代表两种宽度。这样，如果在此种编码脉冲传送过程中产生了干扰脉冲，解码电路中的单片机就会自动将与“0”或“1”脉冲宽度不相同的干扰脉冲自动清除。如果干扰脉冲与“0”或“1”脉冲的宽度相似或干脆将“0”脉冲干扰加宽成“1”脉冲，解码电路的单片机也可以通过计数功能或检验校核码的方式，将其滤除或不予输出。而因电位器接触不良对编码电路造成的影响,也已由编码电路中的单片机将其剔除,这样就消除了各种干扰造成误动作的可能。 PCM编码的优点不仅在于其很强的抗干扰性，而且可以很方便的利用计算机编程，不增加或少增加成本，实现各种智能化设计。例如，将来的比例遥控设备完成可以采用个性化设计，在编解码电路中加上地址码，实现真正意义上的一对一控制。另外，如果在发射机上加 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 脉冲编码调制（PCM）的实现 初始条件： 1、MATLAB软件； 2、脉冲编码调制相关知识。 要求完成的主要任务: 1、任务 实现脉冲编码调制（PCM）技术的三个过程：采样、量化与编码。 2、要求 用仿真软件对其进行验证，使其满足以下要求： （1）模拟信号的最高频率限制在4KHZ以内； （2）分别实现64级电平的均匀量化和A压缩率的非均匀量化； （3）按照13折线A律特性编成8位码。 时间安排： 第1，2天：分析题目，方案设计； 第3，4，5天：软件设计； 第6，7天：系统仿真； 第8天：答辩，完成设计说明书。 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 摘要....................................................................... I Abstract................................................................... II 1 绪论 (1) 2 MATLAB简介 (2) 2.1 MATLAB软件简介 (2) 2.2 MATLAB程序设计方法 (2) 3 PCM脉冲编码原理 (4) 3.1 模拟信号的抽样及频谱分析 (4) 3.1.1 信号的采样 (4) 3.1.2 抽样定理 (4) 3.1.3 采样信号的频谱分析 (5) 3.2 量化 (5) 3.2.1 量化的定义 (5) 3.2.2 量化的分类 (6) 3.2.3 MATLAB的A律13折线量化 (12) 3.3 PCM编码 (12) 3.3.1 编码的定义 (12) 3.3.2 码型的选择 (13) 3.3.3 PCM脉冲编码的原理 (13) 4 PCM的MATLAB实现 (15) 4.1 PCM抽样的MATLAB实现 (15) 4.2 PCM量化的MATLAB实现 (18) 4.2.1 PCM均匀量化的MATLAB实现 (18) 4.2.2 PCM A律非均匀量化的MATLAB实现 (20) 4.3 PCM A律13折线编码的MATLAB实现 (22) 5 结果分析及总结 (25) 参考文献 (26) 脉冲编码调制（PCM）系统 摘要： 脉冲编码调制（PulseCodeModulation），简称PCM。是数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生。PCM的优点就是音质好，缺点就是体积大。PCM可以提供用户从2M到155M速率的数字数据专线业务，也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。 关键字： 脉冲编码调制、取样、量化、编码、解码 Abstract: Pulse Code Modulation (PulseCodeModulation), referred to as PCM. Digital signal is a continuous change in analog signal sampling, quantization and coding production. PCM sound quality is good advantages and disadvantages are bulky. PCM can provide users from 2M to 155M line speed of digital data services, can also provide voice, video transmission, remote learning, and other businesses. Keywords: Pulse code modulation, modulation, demodulation 目录 一、工作原理 (4) 1.1 取样 (5) 1.2 量化 (5) 1.3 编码 (7) 1.4 再生 (10) 1.5 解码 (10) 二、芯片选择 (11) 2.1 TP3067管脚定义 (13) 三、电路设计 (14) 四、心得体会 (16) 第一章：多媒体计算机技术概述 1、什么是多媒体？ 答：多媒体是指信息表示媒体的多样化，常见的多媒体有文本、图形、图像、声音、音乐、视频、动画等多种形式。 2、多媒体的关键特性包刮哪些方面？ 答：多维化、集成性、交互性、实时性。 第二章多媒体计算机系统的组成 1、触摸屏分为几类？简述常见的触摸屏的工作原理。 答：触摸屏根据所用的介质以及工作原理可分为4种：电阻式、电容式、红外线式、声表面波式。 触摸屏的工作原理是：当用户手指或其他设备触摸安装在计算机显示器前面的触摸屏时，所摸到的位置（以坐标形式）被触摸屏控制器检测到，并通过串行口或其它接口送到CPU，从而确定用户所输入的信息。 2、什么是视频捕捉卡？它的主要作用是什么？ 答：视频捕捉卡是把输入的模拟视频信号，通过内置芯片提供的捕捉功能转换成数字信号的设备。 3、简述USB设备的的软件、硬件结构。 答：硬件：USB结构简单，采用四条电缆，信号定义由2条电源线和2条信号线组成。 软件：USB软件由USB总线接口和USB 系统组成。USB总线接口由主控制器事实现。 USB系统有3个组件：（1）住控制器驱动程序；（2）USB驱动程序；（3）USB客户软件。 4、简述CCD和CMOS影像感应器的主要特点。答：CCD（charge coupled device,电荷耦合元件）传感器包含像点，通常以横竖线短阵型式排列，各像点包含一个光电二极管和控制相邻电荷的单元。这种结构可产生低噪音、高性能的成像。 CMOS传感器是用标准硅处理方法加工而成的。与CCD相比有以下优点：地电源消耗、芯片上符合有额外的电路、地系统成本。 第三章数字图像处理技术 1、简述数据压缩的必要性和可能性。 答：必要性：对多媒体信息进行实时压缩和解压缩是十分必要的。如果没有数据压缩技术的进步，多媒体计算机就难以得到实际的应用；可能性：能够对多媒体数据进行压缩的前提是因为数据存在大量的冗余，尤其是声音和图像。数据压缩的目的就是尽可能的消除这些冗余。 2、常用的数据压缩算法有哪些？ 答：常用的数据压缩算法有信息熵编码（主要有行程长度编码、哈弗曼编码和算术编码）、词典编码、通用编码、预测编码、模型编码、变换编码、矢量量化编码、子带编码和混合编码。 3、矢量图和位图有哪些不同？ 答：矢量图，文件内容图形指令，文件大小与图的复杂度有关，显示速度图越复杂，需执行的指令越多，显示越慢，应用特点易于编辑，适于绘制和创建，便于网络传输。但表现力受限， 位映像图，文件内容图像点阵数据，文件大小与图的尺寸、彩色深度有关，显示速度与图的大小有关，应用特点适于获取和复制，表现力较丰富，但 编辑较复杂。图像文件大，不便于网络传输。 4、常用的几种图像文件格式BMP、GIF和PNG 各有什么特点？ 答：BMP是Windows操作系统中的标准图像文 件格式，能够被多种Windows应用程序所支 持。 这种格式的特点是包含的图像信息较丰富，几 乎不进行压缩，但由此导致了它与生俱生来的 缺点--占用磁盘空间过大。所以，目前BMP在 单机上比较流行。 GIF格式是用来交换图片的。GIF格式的特点 是压缩比高，磁盘空间占用较少，所以这种图 像格式迅速得到了广泛的应用。 PNG格式是一种能存储32位信息的位图文件 格式，它与gif和jpeg格式相比有以下优点： （1）兼有GIF和JPEG的色彩模式；（2）PNG 能把图像压缩到极限有利于网络的传输；（3） 更优化的传输显示；（4）PNG可以在所有系 统上显示完全一样；缺点有：（1）PNG不 支持像GIF可以存储多张图片；（2）压缩比 例不及JPEG格式的压缩；（3）不支持CMYK 模式（青、品红、黄、黑）。 5、除了本章介绍的几种图像格式，还了解哪 些图像文件格式？ 答：TGA格式:TGA的结构比较简单，属于一 种图形、图像数据的通用格式，在多媒体 领域有着很大影响，在做影视编辑时经常 使用,例如3DS MAX输出TGA图片序列导入 到AE里面进行后期编辑。EPS格式:苹果 Mac机的用户则用得较多。它是用 PostScript语言描述的一种ASCII码文件 格式，主要用于排版、打印等输出工作。 6、简单描述JPEG压缩算法的基本流程。 答： JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视 角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结 合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余 信息。压缩编码大致分成三个步骤： （1）.使用正向离散余弦变换(forward discrete cosine transform，FDCT)把空间域 表示的图变换成频率域表示的图。 （2）.使用加权函数对DCT系数进行量化，这 个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。 （3）.使用哈夫曼可变字长编码器对量化系数 进行编码。 7、与JPEG相比，JPEG2000有哪些优点？在 压缩算法上主要的不同是什么？ 答：与JPEG相比，JPEG2000的优势主要表现 在以下四个方面：（1）高压缩率；（2）无损压 缩；（3）渐进传输；（4）感兴趣区域压缩。在 压缩算法上放弃了JPEG所采用的以离散余弦 变换算法为主的区块编码方式，二改用以离散 小波变换算法为主的多解析编码方式。 7、MPEG-1标准中主要采用了什么技术来减少 视频图像的时间和空间上的冗余？ 答：MPEG-1标准中采用16×16块的运动补偿 缩减时间冗余；混合使用变换编码、基于视觉 加权的标准量化和行程编码技术减少空间冗 余。 8、简述AVS标准的主要特点。 答：1、AVS的性能高，与H.264的编码效率 相当；2、AVS的复杂度低，编码复杂度比H.264 明显低，软、硬件实现成本都低于H.264；3、 AVS编码技术为中国主导的知识产权，专利授 权模式简单，费用较H.264低。 9、日前常用的视频压缩标准是什么？试通过 几个具体的应用加以说明。 答：视频压缩标准是：H.264标准。H.264标 准是CCITT的VCEG和ISO/IEC的MPEG的联合 视频组开发的标准，也称MPEG-4 Part10------高级视频编码。 H.264标准的 关键技术包括如下几部分：（1）分层设计；（2） 高精度、多模式运动估计；（3）4*4块整数变 换；（4）统一的VLC；(5)帧内预测；(6)切换 帧；(7)面向IP和无线环境。 10、简述H.263标准中QCIF（174×144）图 像的帧结构。 答：H.263标准中QCIF（174×144）图像的帧 结构如下：每帧图像被分为若干个宏块，每个 宏块由4个8×8的亮度块、一个8×8Cb块和 一个8×8Cr块组成。由若干个宏块行组成的 块组称为一个GOD，行的数量取决于图像帧的 分辨率，如QCIF格式的图像中，一个GOB由 一行（11个）宏块组成，所以每帧图像由9 个GOB组成。 第四章音频信号和声卡 1、列出所知道的语音编码标准。 化？ 答：均匀量化是采用相等的量化间隔对采样得 到的信号进行量化，那么这种量化称为均匀量 化。 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 间隔也小;反之，量化间隔就大 3、什么叫做μ律压扩？什么叫做A律压 扩？ 答：μ 律压扩是非均匀量化的一种，又称 为对数PCM，其量化输出值与作为输入的采 样样本值之间的关系由如下的关系式规 PCM基本工作原理 脉冲调制就是把一个时间连续,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后在信道中传输.脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样,再对样值幅度量化,编码的过程. 所谓抽样,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.在该实验中,抽样速率采用8Kbit/s. 所谓量化,就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散,即用一组规定的电平,把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示. 一个模拟信号经过抽样量化后,得到已量化的脉冲幅度调制信号,它仅为有限个数值. 所谓编码,就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值.然而,实际上量化是在编码过程中同时完成的,故编码过程也称为模/数变换,可记作A/D. PCM的原理如图5-1所示.话音信号先经防混叠低通滤波器,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,再经编码后转换成二进制码.对于电话,CCITT规定抽样率为8KHz,每抽样值编8位码,即共有28=256个量化值,因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s.为解决均匀量化时小信号量化误差大,音质差的问题,在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量 化方法,即量化特性在小信号时分层密,量化间隔小,而在大信号时分层疏,量化间隔大. 在实际中广泛使用的是两种对数形式的压缩特性:A律和律.A律PCM 用于欧洲和我国,律用于北美和日本. #include"stdio.h" #include"iomanip.h" #include"math.h" #include"time.h" #include"fstream.h" #include"iostream.h" int code1[9]; int code2[8]; int s[8]; void main() { void dlm(int n); void dnm(int x,int m,int n); int ipre(int x,int y[8]); 1 设计原理 1.1 PCM系统基本原理 PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM调制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。为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种方式，分别为A律和μ律方式，此处采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13 折线法编码,采用非均匀量化。PCM通信系统示意图 图1.1 时分复用PCM通信系统框图 1.2 抽样、量化、编码 下面介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理： （1）抽样 所谓抽样，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。 （2）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。 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 m t 是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号()较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。 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?也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突间，其量化间隔v 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。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。 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。美国采用μ压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。 所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律： 深圳大学实验报告 课程名称：通信原理 实验项目名称：脉冲编码调制及系统 学院：信息工程学院 专业：通信工程 指导教师：李晓滨 报告人：学号：2011130145 班级：2班实验时间：2013年12月5日 实验报告提交时间：2013年12月19日 教务处制 实验目的与要求： 1．掌握PCM 编译码原理与系统性能测试。 2．熟悉PCM 编译码专用集成芯片的功能和使用方法。 3．学习PCM 编译码器的硬件实现电路，掌握它的调整测试方法。 实验原理： 脉冲编码调制（PCM ）是把一个时间连续、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在信道中传输。脉冲编码调制是对模拟信号进行抽样，量化和编码三个过程完成的。 PCM 通信系统的实验方框图如图所示: 实验内容： 1．插入有关实验模块： 在关闭系统电源的条件下，将“时钟与基带数据发生模块”、“PCM/ADPCM 编译码模块”，插到底板“G 、H ”号的位置插座上。 2．信号线连接：用专用导线将P04、34P01；34P02、34P03；32P04、P15。 3．打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，立即关闭电源，查找异常原因。 4．PCM 的编码时钟设定： “时钟与基带数据产生器模块”上的拨码器4SW02设置“01000”，则PCM 的编码时钟为64KHZ （后面将简写为：拨码器4SW02）。拨码器4SW02设置“01001”，则PCM 的编码时钟为128KHZ 。 5．同步正弦波幅度调节及监测： “同步正弦波”上提供了频率2KHZ 的同步正弦波，幅度由W04电位器调节。满足PCM 输入模拟信号频率在300～3400HZ 语音范围内的要求，可用频率计监测此点信号频率。 6．时钟为64KHZ ，同步正弦波及 PCM 编码数据观察： 拨码器4SW02设置“01000”，则PCM 的编码时钟为64KHZ 。 7．时钟为128KHZ 同步正弦波及 PCM 编码数据观察： 拨码器4SW02设置“01001”，则PCM 的编码时钟为128KHZ 。 模拟 信号 抽 样 量 化 34P02 34P04 34P03 34P01 编 码 信 道 译 码 低 通 滤 波 再 生 工作时钟 A/D D/A TP3057 P04 收端 功放 P14 P15 批准人： 年月日 第一讲脉冲编码调制基本原理 教学提要 课目专业基础 目的了解脉冲编码调制的基本原理。 内容1、数的进制 2．语音信号的数字化 3．时分多路复用和PCM30/32系统 方法课堂讲解，电化教学。 时间45分钟 要求1．遵守课堂纪律，专心听讲，做好笔记； 2．勤于思考，积极发言，课后做好复习。器材保障教材、资料 教学进程 教学准备（5分钟） 1．清点人数，准备教学用具； 2．宣布作业提要。 教学实施（37分钟） 一、数的进制 (一)二进制数 (二)八进制数 (三)十六进制数 一、语音信号的数字化 大家都知道，语音信号是模拟信号，而数字程控交换机内部交换的却是数字信号，那么如何使模拟的语音信号数字化，可采用脉冲编码调制的方法，即PCM。我们知道，模拟信号数字化称为模/数（A/D）变换，而把数字信号还原成模拟信号称为数/模（D/A）变换，综合A/D和D/A的一般步骤，图1-3给出了PCM通信的简单模型。 图1-3 PCM 通信的简单模型 （一）抽样 语音信号在时间上是连续的，经过抽样后变成时间上离散的信号。简单的说，抽样就是将模拟信号在时间上离散的过程。抽样上每隔一定的时间间隔T ，在抽样器上接入一个抽样脉冲，通过抽样的脉冲去控制抽样器的开关电路，取出话音信号的瞬间电压值，即样值。如图1-4所示，抽样后的信号称为抽样信号，显然，它可以看作按幅度调制的脉冲信号，即PAM 信号，其幅度的取值仍是连续的，不能用有限个数字来表示，因此抽样值仍是模拟信号。 发送端 接收端 A/D 变换 D/A 变换 图1-4 语音信号的抽样 语音信号抽样后信号所占用的时间被压缩了，这是时分复用技术的必要条件。关于这一点将在本节课第三个内容讲解，但是，用抽样信号代替原信号必须要满足抽样定理，否则样值不能够完全表征原信号。 抽样定理：对于一个具有有限带宽的模拟信号f(t)，其最高频率分量为fm ,则当抽样频率fs ≥ 2fm 时，样值可以完全表征原信号。 我们的语音信号频率在300-3400HZ 之间，根据抽样定理，抽样频率fs=2x3400=6800HZ ，为了留一定的防卫 t t t 抽样脉冲１Ｔ ２Ｔ ３Ｔ ４Ｔ ５Ｔ ６Ｔ 数字通信原理课程设计报告书 课题名称 脉冲编码调制(PCM)系统 设计与仿真 姓 名 学 号 院 系 物理与电信工程系 专 业 通信工程 指导教师 2010年01月09日 ※※※※※※※※※ ※※ ※ ※ ※ ※ ※※ ※※※※※※ ※ 2007级学生数字通信原理课程设计 一、设计任务及要求 (1)完成脉冲编码调制（PCM）系统的设计与仿真。 (2)用MATLAB软件将此次设计在电脑上实现，观察输出的波形。 (3)要求有各种需要的信号波形输出，并记录。 指导教师签名： 2010年01月15日二、指导教师评语： 指导教师签名： 2010 年01月15 日三、成绩 盖章验收 2010年01月15 日 脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真 谢柯 （湖南城市学院物理与电信工程系电子信息工程专业,益阳,413000） 一、设计目的 加深对《数字通信原理与技术》及《MATLAB》课程的认识，进一步熟悉M语言编程中各个指令语句的运用；进一步了解和掌握数字通信原理课程设计中各种原理程序的设计技巧；掌握宏汇编语言的设计方法；掌握MATLAB软件的使用方法，加深对试验设备的了解以及对硬件设备的正确使用。加强对于电路图的描绘技能，巩固独立设计实验的实验技能。提高实践动手能力。 二、设计要求 采用matlab或者其它软件工具实现脉冲编码调制（PCM）系统的设计与 仿真，并且绘制相关的图形；通过编程设置对参数进行调整，可以调节输出 信号的显示效果。所有设计要求，均必须在实验室调试，保证功能能够实现。三、设计原理 在PCM中，波形的每个样本独立进行编码。然而，以奈奎斯特速率或更高速率采样的绝大多数信号（包括语音信号），其相邻的样本之间呈现明显的相关性，换言之，相邻采样幅度间的平均变化较小。所以，利用采样中多余度的编码方案将使语音信号的码率降低。 一种简单的解决方法就是对相邻样本之差编码而不是对样本本身编码，由于相邻样本之差比实际样本幅度小，所以表示差信号需要较小的位数。这种普通方法的一种改进方案是用前面的n个样本根据一定的规律来预测当前的样本，然后将预测值与实际值的误差进行量化后传输，在根据误差信号，采用和发送端相同的预测方法恢复出原始信号。脉冲编码调制CM系统设计与仿真
脉冲编码PCM调制设计
PPM和PCM的工作原理
基于Matlab的脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真
脉冲编码调制(PCM)系统.
多媒体计算机技术课后习题答案
PCM基本工作原理
通信原理PCM
脉冲编码调制及系统
脉冲编码调制的基本原理
脉冲编码调制(PCM)系统