语音编码PCM的仿真分析与电路设计
一、选题依据与意义
数字通信系统己经成为现今通信发展的方向，但是经过传感器的转换以后自然界中的很多信息，大多数依旧为模拟量。脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换成数字信号的一种调制方式。其功能是完成模-数转换，实现连续消息数字化。在PCM调制过程中，将输入的模拟信号进行采样，量化和编码。经量化后的样值进一步变换为表示量化电平大小的二进制，即用二进制的大小来代表模拟信号的幅度（一个二进制码是一组有限的“0”、“1”脉冲序列）[1]。在接收端再将这些编码的二进制数还原为原来的模拟信号。由于信息为数字信号，在远距离再生中继传输中不累积噪声，从而提高了通信系统的有效性、可靠性和保密性。因此在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得广泛的运用。运用MATLAB软件仿真来实现脉冲编码调制（PCM）编译码，通过凭借MATLAB软件，能够更便捷、直接的来仿真与计算，基于MATLAB的仿真具有方便的数据可视化功能，界面比较直观，所以很容易从界面中看到测试的结果，可以通过运行出的结果，分析系统特性。
随着科学技术的迅猛发展，在计算机技术的推动下电子技术获得了飞速的发展。电子产品几乎渗透到了工业、生活的各个领域，其中集成电路的设计正朝着速度快、性能高、容量大、体积小和微功耗的方向发展。基于这种情况，可编程逻辑器件的出现和发展大大改变了传统的系统设计方法。 使用EDA技术完成各个模块的编译和仿真,在计算机上修改和调整参数快捷方便，可以很快找到最佳设计方案，将所有的功能实体例化为一个系统。这样的设计方法，与传统的电子线路设计方法相比较,效率大大提高。用VHDL语言编程时，使用数据包和参数化实体的程序构造方法，思路清晰，更易于程序的维护和功能扩展。因此，这是现代电子设计的一个发展方向[2]。在本论文中采用集成度较高的FPGA可编程逻辑器件，选用VHDL硬件描述语言和Quartus II开发软件对脉冲编码调制（PCM）进行设计。
二、国内外研究现状
脉冲编码调制(PCM) 原理，是英国人A.H.里弗斯于1939年提出的。1944年美国贝尔研究所开始用电子管进行试验研究，并于1946年制成一部实验性设备，在微波线路上试验。第二次世界大战期间，美国制成晶体管时分多路脉码调制设备并在陆军中使用。1962年后，美国研制成晶体管时分多路脉码调制设备（T1型24路数字载波系统），晶体管PCM终端机大量应用于市话网中局间中继线，使市话电缆传输电话路数扩大24-30倍[3]。此后，各国纷纷研制和采用24路和30路脉码调制系统。1965年贝尔研究所又研制成每秒224兆比的脉码调制实验系统并在同轴电缆线路上进行传输试验（后改用274兆）。1975年，加拿大正式装用LD-4型每秒274兆比、4032话路的同轴电缆脉码调制系统。脉码调制系统开始向长距离、大容量方向发展。
中国从20世纪60年代开始研究脉码调制技术，70 年代初开始研制24路和30路脉码调制设备。1975 年，邮电部确定采用每秒2. 048兆比的30 路脉码调制设备作为一 次群标准制式，1978 年制成设备。1979 年和1981年，分别制成二次群每秒8.448兆比120路和三次群每秒34兆比的480路复接设备。
三、设计思路和主要设计内容
第一部分：对脉冲编码PCM基本原理的分析
脉冲编码调制（PCM）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：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，采用压扩非均为量化，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国来用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码，本论文主要使用A律13折线编码方式对脉冲编码（PCM）进行分析和电路设计。具体步骤如下：
1、抽样：对模拟信号在时域上进行抽样等操作，完成时间上的离散化；
2、量化：对模拟信号的抽样值进行量化，完成幅度上的离散化，使幅度变成有限种取植；
3、编码：对量化后的抽样值用二进制（或多进制）码元进行编码。
第二部分：MATLAB仿真
利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成对脉冲编码（PCM）的仿真分析，观察输入信号和输出信号的波形，通过波形来分析该系统的性能[4]。
脉冲编码调制的MATLAB程序设计步骤:
1、确定话音信号为模拟信号；
2、根据输入的话音信号，选择抽样频率，对原始信号进行抽样；
3、根据非均匀量化原理设计PCM编译码的算法程序；
4、绘制并比较原始信号和译码之后的波形
第三部分：电路设计
采用VHDL的系统设计，分为以下6个步骤：
1、按照要求的功能模块划分；
2、对PCM编译码进行VHDL的设计描述；
3、代码仿真模拟；
4、计综合、优化和布局布线；
5、布局布线后的仿真模拟；
6、设计的实现（下载到目标器件）。
四、设计进度和论文写作计划
文献材料收集、电路设计和制作、软件的编写和调试等要在2个月内完成。在老师的指导下，拟定写作提纲、完成初稿要在1个月内完成。在老师的指导下，拟定写作提纲、完成初稿要在1个月内完成。送交老师审阅初稿，并根据老师的指导意见修改初稿。具体的设计进度和写作计划如下：
2018年09月20日--2018年10月10日，搜索相关课题的内容和资料；
2018年10月11日--2018年10月31日，根据收集的资料，完成开题报告及开题答辩, 拟定写作提纲；
2018年11月01日--2019年01月12日，完成系统的设计，系统的实现和调试，论文初稿及中期答辩；
2019年01月13日--2019年03月31日，根据老师提的修改意见，完成论文定稿，论文查重；
2019年04月01日—2019年04月30日，进入论文审阅阶段，制作ppt，准备答辩。
六、参考文献
[1]沈良. 通信系统仿真开发[M]. 机械工业出版社，2017：71-84.
[2]赵静. 基于MATLAB的通信系统的仿真[M]. 北京航空航天大学出版社，2007：68-91.
[3]张原. 基于MATLAB的脉冲编码调制仿真[J]. 西北工业大学电子信息学院，2016（36）：215-217.
[4]冯微玮. 基于MATLAB的pcm仿真[J]. 科学致富向导，2012（14）：31-32
[5]张卫钢. 通信原理与通信技术[M]. 西安电子科技大学出版社，2012：66-77
[6]李文涛. 数字通信原理[M]. 人民邮电出版社，2007:12-31
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