（通信企业管理）通信系统
系统设计与仿真
脉冲编码调制(PCM)系统设计和仿真
摘要:SystemView仿真软件能够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，能够为
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，且加以
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，能够满足从底层到高层不同层次的设计、
分析使用，且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，提供了壹个可视
的仿真过程，不仅于工程上得到应用，于教学领域也得到认可，尤其于信号分析、通信系统
等领域。其能够实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，且提供了内容丰富
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，于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，采用压扩非均匀量化，有俩种建议方
式，分别为 A律和μ律方式，我国采用了 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编码示意图见图 1。
图 1PCM原理框图
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仍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
从数学上来见，量化就是把壹个连续幅度值的无限数集合映射成壹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，k=1，2，3，…，L。常称为重建电平或量
化电平。当量化器输入信号幅度落于和之间时，量化器输出电平为。这个量化过程能够表达
为：
这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。
图 2模拟信号的量化
话音输入
模拟入
yx
量化器
量化值
模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存于的主要缺点是：无论抽
样值大小如何，量化噪声的均方根值均固定不变。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间，其量化
间隔也小；反之，量化间隔就大。它和均匀量化相比，有俩个突出的优点。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能
够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
本上和信号抽样值成比例。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。
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。广泛采用的俩种对数压缩律是压缩律和 A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：
A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，于电路上实现这样的函数规律是
相当复杂的。实际中，往往均采用近似于 A律函数规律的 13折线（A=）的压扩特性。
这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到
的 PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图 3示出了这种压扩特性。
图 313折线
表 1列出了 13折线时的值和计算值的比较。
表 1
0 1
0 1
按折线
分段时的
0 1
段落 1 2 3 4 5 6 7 8
斜率 16 16 8 4 2 1
表 1中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是 13折线分段时的值。可见，13
折线各段落的分界点和曲线十分逼近，同时按 2的幂次分割有利于数字化。
(c)编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码
和译码和差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。
于现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为俩大类：低速编码和高速编码。
通信中壹般均采用第二类。编码器的种类大体上能够归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、
混合型。于逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，壹般均按极性码、段落码、段内码的
顺序排列。下面结合 13折线的量化来加以说明。
表 2段落码表 3段内码
段落序号 段落码 量化级 段内码
15 1111
8 111
14 1110
13 1101
7 110
12 1100
11 1011
6 101
10 1010
9 1001
5 100
8 1000
7 0111
4 011
6 0110
5 0101
3 010
4 0100
3 0011
2 001
2 0010
1 0001
1 000
0 0000
于 13折线法中，无论输入信号是正是负，均按 8段折线（8个段落）进行编码。若用 8位折
叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第壹位表示量化值的极性，其余七位（第
二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，
它的 8种可能状态来分别代表 8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的 16种可能
状态来分别代表每壹段落的 16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成 27
＝128个量化级。段落码和 8个段落之间的关系如表 2所示；段内码和 16个量化级之间的关
系见表 3。
PCM编译码器的实现能够借鉴单片 PCM编码器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。单
芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细节，仿真时将 PCM编译码器分
为编码器和译码器模块分别实现。
、信号源子系统的组成：由三个幅度相同、频率不同的正弦信号（图符 7、8、
9）合成，如下图 4所示:
图 4
、PCM编码器模块
PCM编码器模块主要由信号源（图符 7）、低通滤波器（图符 15）、瞬时压缩器（图符 16）、
A/D转换器（图符 8）、且/串转换器（图符 10）、输出端子构成（图符 9），实现模型如下
图 5所示:
图 5
信源信号经过 PCM编码器低通滤波器（图符 15）完成信号频带过滤，由于 PCM量化采用非均
匀量化，仍要使用瞬时压缩器实现 A律压缩后再进行均匀量化，A/D转换器（图符 8）完成
采样及量化，由于 A/D转换器的输出是且行数据，必须通过数据选择器（图符 10）完成且/
串转换成串行数据，最后通过图符（9）输出 PCM编码信号。
编码器组件功能实现
（1）低通滤波器：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器于通带和阻带之间的过渡，
采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号于 300Hz－3400Hz的语音频带内，
于这里采用了壹个阶数为 3阶的切比雪夫滤波器，其具有于通带内等波纹、阻带内单调的特
性。
（2）瞬时压缩器：瞬时压缩器（图符 16）使用了我国现采用 A律压缩，注意于译码时扩张
器也应采用 A律解压。对比压缩前后时域信号（见图 6,图 7），明显见到对数压缩时小信号
明显放大，而大信号被压缩，从而提高了小信号的信噪比，这样能够使用较少位数的量化满
足语音传输的需要。
图 6压缩前
图 7压缩后
（3）A/D转换器：完成经过瞬时压缩后信号时间及幅度的离散，通常认为语音的频带于 300Hz
－3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率俩倍之上，于这里 A/D的采样
频率为 8Hz即可满足，均匀量化电平数为 256级量化，编码用 8bit表示，其中第壹位为极
性表示，这样产生了 64kbit/s的语音压缩编码。
（4）数据选择器：图符 10为带使能端的 8路数据选择器，和 74151功能相同，于这里完成
A/D转换后的数据的且/串转换，图符 11、12、13为选择控制端，于这里控制轮流输出且行
数据为串行数据。通过数据选择器仍能够实现码速转换功能。
、PCM译码器模块
PCM译码器是实现 PCM编码的逆系统。PCM译码器模块主要由 ADC出来的 PCM数据输出端、D/A
转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。实现模型如下图 8所示：
图 8
译码器组件功能实现
（1）D/A转换器(图符 1)：用来实现和 A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从
而达到译码最基本的要求，也就是最起码要有步骤。
（1）瞬时扩张器（图符 8）：实现和瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A律压缩，扩张也必
须采用 A律瞬时扩张器。
（2）低通滤波器（图符 3）：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时
也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的
补偿，同时滤除高频分量，于这里使用和编码模块中相同的低通滤波器。
3、系统仿真模型如下图 9：
图 9系统模型
子系统（图符 12）如下图 10：
图 10子系统
之上图 9、图 10各方块的有关参数如表 4：
表 4
符号 名称 参数设置
12 子系统
7 Sinusoid Amp=1v，Freq=1e+3Hz，Phase=0deg，
Output0=Sinet4，Output1=Cosine
8 Sinusoid Amp=1v，Freq=+3Hz，Phase=0deg，
Output0=Sinet4，Output1=Cosine
9 Sinusoid Amp=1v，Freq=500Hz，Phase=0deg，
Output0=Sinet4，Output1=Cosine
10 Adder Inputsfrom789，Outputsto11
11 MetaOut Inputfrom10Outputto320
3451419 Analysis
13 Logic:ADC Two'sComplement， GateDelay=0sec， Threshold=500e-3v，
TrueOutput=1v，FalseOutput=0v，=8，MinInput=，
MaxInput=， RiseTime=0sec， Analog=t21Output0，
Clock=t1Output0
0 Logic:DAC Two'sComplement，GateDelay=0sec，Threshold==8，
MinOutput=，MaxOutput=，
D-0=t13Output0， D-1=t13Output1， D-2=t13Output2，
D-3=t13Output3，D-4=t13Output4
220 Operator:Linear
SysButterworthL
owpassIIR
3Poles，Fc=+3Hz，QuantBits=None
InitCndtn=Transient，DSPModeDisabled
118 Source:PulseTr
ain
Amp=1v，Freq=10e+3Hz
PulseW=-6sec，Offset=0v，Phase=0deg
21 Comm:DeCompand A-Law，MaxInput=±
6 Comm:Compander A-Law，MaxInput=±
16
Source:PulseTr
ain
Amp=1v，Freq=30e+3Hz，PulseW=-6sec
Offset=0v，Phase=0deg
17
Source:PulseTr
ain
Amp=1v，Freq=20e+3Hz，PulseW=-6sec
Offset=0v，Phase=0deg
15 Logic:Mux-D-8 GateDelay=0sec，Threshold=-3v
TrueOutput=1v，FalseOutput=0
4、仿真波形如下：
（1）信号源的波形
（2）信号源经压缩后的波形
（3）PCM编码的波形
（4）PCM译码时经过 D/A转化且用 A律扩张后的输出波形
（5）译码后恢复源信号的输出波形
由之上数据波形能够见出于 PCM编码的过程中，译码输出的波形具有壹定的延迟现象，其波
形基本上不失真的于接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。
5、参考文献
[1]吴伟陵,续大我,庞沁华．通信原理．邮电大学出版社，2005
[2]青松，程岱松，武建华．数字通信系统的 SystemView仿真和分析．航空航天大学出版社，2001
[3]曹志刚，钱亚生.现代通信原理．清华大学出版社，1992
[4]苗长云等主编.现代通信原理及应用．电子工业出版社，2005
[5]罗卫兵/孙桦/张捷．SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计．西安电子科技大学出版社，2001
6、设计过程中需解决的问题
(1)首先，必须根据实际情况合理的设计采样频率和抽样脉冲的参数，以防波形的失真，由
于于刚开始的时候,没有合理设置采样频率的参数,出现了于译码时恢复波形的失真,最后根
据采样频率 fs大于等于 2fH条件,通过不断调试,最终能够合理地恢复源信号波形。但由于
于信道传输过程中由于各种原因而引起译码波形有壹定的延时现象。
(2)于调试带使能端的 8路数据选择器于实现 PCM编码输出的且行数据转换为串行数据输出
时，起初由于没有合理应用选择控制端，而导致数据输出毫无规律，即八路数据当中随机地
从哪壹路输出，最后通过设置频率不同的三路脉冲方波作用于选择控制端，去控制每壹路的
数据输出，然后经过调试完成了 PCM编码的正确输出。
(3)于设计滤波器时,首先要见系统信号源输出信号频率到底是处于于哪个频率范围,再根据
其他参考参数和系统各项技术要求,决定是要设计哪种类型的滤波器,是低通型仍是带通型
滤波器。
7、心得体会
本次课程设计于刚开始的过程中无从下手，手忙脚乱，时间又紧，最终决定用软件仿真
来实现 PCM的编码过程。通过这次设计，掌握了 PCM编码的工作原理及 PCM系统的工作过程，
学会了使用仿真软件 SystemView（通信系统的动态仿真软件），且学会通过应用软件仿真来
实现各种通信系统的设计，对以后的学习和工作均起到了壹定的作用，加强了动手能力和学
业技能。总体来说，这次实习我受益匪浅。于摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程
中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。于让我体会到了设计电路的艰
辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
