PCM 时分复用电路的设计与仿真
姜宝钧，邓兴成，李立新，孔吉
电子科技大学物理电子学院（610054）
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，而时分复用系统可以提高信道的利用率。利用
SystemView 实现双路语音的数字化传输仿真，可以为硬件电路实现提供理论依据。本文通
过仿真展示了 PCM 时分复用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 时分复用
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[1]。
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[2]。
本文主要阐述了如何利用 SystemView 实现双路语音的时分复用传输过程。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、帧同步码产生模块及逻辑时钟
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既脉冲编码调制，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，采用压扩非均匀量化，有两种建议方
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[3]-[4]。
瞬时
压缩
瞬时
扩张
编
码
解
码
均匀
量化
语音 语音
图 1 非均匀量化 PCM 编码
PCM 编译码器的实现可以借鉴单片 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。
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PCM 编码器模块
PCM 编码器模块主要由信源输入端子、低通滤波器、瞬时压缩器、A/D 转换器、并/串
转换器、输出端子构成，实现模型见图 2 所示：
图 2 PCM 编码模块模型
在通信系统中，由于电话线的带宽约为 3kHz，以电话的音质为准，一般认为在通
信中语音的带宽为 300Hz－3400Hz，在这里采用高斯信号经过滤波器实现。高斯信号经
过 PCM 编码器子模块的输入端（图符 21）后，通过低通滤波器（图符 19）完成语音频
带过滤，由于 PCM 量化采用非均匀量化，还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 11）完成采样及量化，由于 A/D 转换器的输出是并行数据，
必须通过数据选择器（图符 14）完成并/串转换成串行数据，最后通过图符 23 输出 PCM
编码信号。
PCM 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，考虑到滤波器在通带和阻带之间
的过渡，采用了低通滤波器，而没有设计带通滤波器。为实现信号在 300Hz－3400Hz的
语音频带内，在这里采用了一个阶数为 5 阶的切比雪夫滤波器，其具有在通带内等波纹、
阻带内单调的特性[5]。
（2）瞬时压缩器：瞬时压缩器（图符 20）使用了我国现采用 A 律压缩，注意在译
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 3、图 4），明显看到对数
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，这样可以使用
较少位数的量化满足语音传输的需要。
图 3 压缩前信号
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图 4 压缩后信号
（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
带在 300Hz－3400Hz，根据低通采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍以上，在这里
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
第一位为极性表示，这样产生了 64kbit/s 的语音压缩编码。
（4）数据选择器：图符 14 为带使能端的 8 路数据选择器，与 74151 功能相同，在这
里完成 A/D 转换后的数据的并/串转换，图符 15、16、17 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，具体使用见后面时分复
用部分说明。
（5）图符 18 为乘法器，其作用见时分复用部分说明。
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 PCM 数据输入端子、串
/并转换器、锁存器、D/A 转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。实现模型见图 5 所示：
图 5 PCM 译码模块实现模型
PCM 编码器组件功能实现
（1）串/并转换器：图符 40 为一个由 8 位移位寄存器实现的串并转换器，SystemView
的逻辑库可以提供与 74164 功能一致的组件，其具有两路与输入，需要输入外部时钟及清零
设置，数据输入 A 为通过子系统输入端子（图符 46）接受的 PCM 信号， 为不影响与操作，
另一路输入 B 为高电平，时钟与位时钟相同，为 256KHZ 时钟。
（2）锁存器（图符 41）：经过串并转换后的串行数字语音信号，每 8bit 为一个数据
帧，必须经过锁存才可以将数据并行送至 D/A 转换器。在实际电路中往往使用 74373 实现锁
存功能，SystemView 的逻辑库可以提供与 74373 功能基本一致的 8 位锁存器，差别是无三
态输出方式。锁存器的使能端的时序控制应该与采样时钟一致，由于系统存在时延，在使能
端通过设置初始相位解决后，送至 D/A 转换器中。
（3）瞬时扩张器（图符 45）：实现与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。
（4）低通滤波器（图符 43）：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，
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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，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。
3． 时分复用系统实现
时分复用原理
时分复用就是将抽样周期分成若干个时隙，各路信号的抽样值编码按一定的顺序占用某
一时隙，用一个信道传输多路数字信号，既一个物理信道分为多个逻辑信道。在现代交换机
之间往往采用数字中继传输方式，将多路信号复接为一个基群，如我国采用的 E制：基群传
输数率为 2048Kb/s。时分复用设备主要由复接器和分接器组成，示意图见图 6，其中复接器
完成时分复用功能，复接器完成解时分复用功能。
定 时
码速
调整
复
接
外部时钟
数字
语音
信号
支路
定 时
分
接
复
原
时钟
数字
语音
信号
支路合路
同
步
复接器 分接器
图 6 时分复用系统示意图
时分复用系统设计
时分复用系统实现见图 7。其中图符 47、图符 10 为 PCM 编码模块；图符 36、图符 25
为 PCM 译码模块；图符 63 为同步码组生成模块；图符 2、图符 9 为两路高斯信号；图符 4
为帧同步信号；图符 3、图符 62 为延迟算子；图符 6 为‘或’运算；图符 7、8、73 为‘与’
运算。
图 7 时分复用实现
设计两路语音时分复用，为保证接受端与发送端同步，需要在复合帧中插入帧同步码，
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帧同步码可由自己确定，这里使用了 00011011 的 PCM 帧同步固定码组，两路语音 PCM 编码
分别用 PCMA 和 PCMB 表示，为实现方便，还插入一路空数据填充为四路码组复用，则复用后
的信号帧的结构为（帧同步码）+（PCMA）+（PCMB）+（00000000）。单路 PCM 数字信号通过
复接器填充到相应的分配时隙，最后复合成合路信号通过信道传输后，再进行解复用。解复
用电路的功能主要为分离出两路PCM编码信号，送至PCM译码电路复原为模拟语音信号输出。
语音信号实现PCM编码时采样频率为8KHz，采用8位的A/D转换器，则每秒产生64Kbit
数据，即单路 PCM 编码信号每帧为 8bit，每秒 8K 帧。时分复用时，将四路信号复合后传输，
每个复合帧由四个时隙组成，每个时隙表达一路数据，每个时隙为 8bit 数据，则 32bit 数
据为一个复合帧，复合信号每秒产生 64k×4＝256Kbit 的数据。由于单路 PCM 数据与复合帧
内所占时间长度不一致，单路 PCM 帧中每位数据时间长度是复合帧中每位的 4 倍，所以必须
进行码速变换，一般的实现过程位将 PCM 信号通过串/并转换后锁存，再经过逻辑控制选通
信号轮流输出需要的信号。在这里码速变换在 PCM 编码模块中实现，PCM 编码实现时如果采
用 8KHz 采样速率，8bit 量化，那么 A/D 转换器产生的数据率为 64kbit/s，完成 64Kbit/s
的串行输出时，PCM 编码模块中的图符 15、图符 16、图符 17 所表示的逻辑控制信号分别为
32kHz、16kHz、8kHz，占空比均为 50％的方波，现在为实现码速变换，提高输出码元速率，
将图符 15、图符 16、图符 17 所表示的时钟信号分别提升为 128kHz、64kHz、32kHz，占空
比仍为 50％，这样对锁存数据的采样频率由 8k 提升至 32k，产生重复的数据帧，新的每路
PCM 数据帧每四帧相同（见图 8），在复合时只需选择与复合帧中对应时隙的那一帧即可。
图 8 重复的单路 PCM 编码数据帧
时隙选通逻辑控制
帧同步信号由图符 4 产生后，经过图符 3 和图符 62 不同的延迟产生不同的时隙选通
信号，选通信号将一个完整的帧分为四个时隙，每帧长度为 1/8k＝，则每个时隙所
占选通时隙长度为帧长度的 1/4，即 ，是占空比为 25%的方波。图符 3 和图符 62
的延迟分别为 和 ，不同时隙选通信号时隙关系见图 9。
图 9 时隙选通信号
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不同的时隙选通信号通过与对应的已经过 4 倍码速变换的 PCM 编码信号调制（通过
PCM 编码模块中图符 18 实现），获得单路欲复合的 PCM 编码时隙信号，同步码组也进行相同
操作，最后经过‘或’操作（图符 6）复合为时分复用信号。
帧同步码组实现
帧同步码的实现见图 10，通过使用数据选择器（图符 65）实现，首先预置数据选择
器的输入，为产生 00011011 的码组，输入端 到 的状态分别为 00011011，然后通过图
符 66、67、68 控制轮流选择输出。图中图符 66、67、68 是频率分别为 128k、64k、32k，
占空比均为 50％的方波。
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图 10 同步码组实现图
解时分复用实现
解时分复用采用同步方式实现，通过使用不同支路复合时的不同时隙选通信号与复合
信号进行‘与’操作分接出欲译码的单路 PCM 编码时隙信号，再通过 PCM 译码模块进行单路
语音复原。
4．仿真结果
通过输入输出的时域观测窗口，我们得到仿真结果（见图 11），经过 PCM 编码后时分
复用传输再经过解时分复用 PCM 译码后的信号与原始语音信号对比，波形失真小，但是有一
定的延迟。通过将高斯信号置换为声音文件（.wav）比较输入输出，声音失真很小。
图 11 语音信号输入输出时域波形对比
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5．结论
本文给出了利用 SystemView 进行双路语音 PCM 时分复用系统的仿真，具有新颖性和实
用性，在教学中作为开放式教学实验，可以大大激发学生的实验兴趣及动手能力。同时仿真
方案可以为硬件电路实现提供理论依据，在实现时由于 PCM 中压扩环节的实现比较复杂，可
以考虑将编译码模块使用单片 PCM 编译码集成芯片实现。
参考文献：
[1] 罗卫兵等，SystemView 动态系统分析及通信系统仿真设计，西安：西安电子科技大学出版社，2001。
[2] 李东生等，SystemView 系统设计及仿真入门与应用，北京：电子工业出版社，2002。
[3] 樊昌信等，通信原理，北京：国防工业出版社，2001。
[4] 曹志刚等，现代通信原理，北京：清华大学大学出版社，1992。
[5] 王安红等，PCM 编解码器的软件实现，太原重型机械工业学院学报，Vol。25 No。4，Dec 2004。
Design and simulation of PCM
Time-division multiplexing circuit
JIANG BaoJun，DENG XingCheng，LI liXin，KONG Ji
School of Physical Electronics
University of Electronic Science and Technology of China，hengdu,610054,China
Abstract
Systemview is a simulate software which can realize multi-levels communications systems
simulation .Pulse-encode-modulation (PCM) is a coding system which is widely used. Time-division
multiplexing (TDM) can lead to more efficient use of channel. Using systemview software to realize
PCM TDM transmission offers design idea of circuit. This paper describes and analyses design method
and realize process of realizing PCM TDM transmission by simulation method.
Keywords: Pulse-encode-modulation Coding-decoding Time-division multiplexing
作者简介：姜宝钧(1969-)，男，硕士，讲师，山东青岛人。
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