通信原理PCM编码课程

课程设计评分标准评分项目得分报告书写 及格式具有题目、摘要、目录、正文、参考文献5分）正文格式，图、表、参考文献引用等正确，排版美观5分）基础原理报告中是否体现被仿真系统的原理以及原理框图5分）仿真目的，仿真方法，仿真结果的意义表述清楚5分）M文件仿真做出信源，调制信号，解调信号波形10分）仿真参量丰富 如对频谱，信噪比，误码率等的分析），仿真波形 直观。10分）Simulink真是否实现设计功能，各个模块的设计参数是否清晰10分）框图直观，有对不同参数条件下的仿真对比及结论10分）仿真参量丰富 如对频谱，信噪比，误码率等的分析），仿真波形 直观。10分）答辩是否存在抄袭10分）对所仿真系统原理的提问回答情况10分）对仿真过程提问的回答情况10分）总分目录课程设计评分标准-1 -基于MATLAB/SIMULINK的PCM编码的研究与仿真-3 -摘要-3 -ABSTRACT- 3 -1背景知识-4 -1.1 PCM原理及仿真-4 -1.1.1脉冲编码调制-4 -1.1.2 PCM编码原理-5 -2 M文件仿真-10 -3 SIMULINK 仿真-15 -3.1原始模拟信号电路图及仿真图-15-3.2 PCM编码器电路设计-17 -3.3 PCM解码器电路设计-24 -4心得体会-28 -参考文献-28 -基于MATLAB/simulink的PCM编码的研究与仿真摘要本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成 了对脉冲编码调制PCM）系统的建模与仿真分析。即学习通过利用计算机建立通信系统 模型的基本方法和基本技能，学习会利用仿真的手段对通信系统的基本理论和基本算法 进行验证。学习现有流行的通信系统仿真软件的基本使用方法，利用Matlab软件解决通 信中存在的问题。关键词：脉冲编码调制PCM）均匀与非均匀量化MATLAB仿真AbstractKeywords:Combined with the sampling, quantization, coding theory of PCM, using MATLAB software programming and graphics, the completion of the pulse code modulation (PCM modeling and simulation analysis system.The basic method is to establish the model of communication system of learning through the use of computer and basic skills, learning by means of simulation of communication system of basic theory and basic algorithm are verified.The basic method of using communication system simulation software to learn of the existing, to solve communication problems using Matlab software.pulse code modulation (PCM with uniform and non-uniform quantization inMATLAB simulation1背景知识1.1 PCM原理及仿真脉冲编码调制就是把一个时间，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。1.1. 1脉冲编码调制脉冲编码调制（pulse code modulation，PCM是概念上最简单、理论上最完善的编码系 统，是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统，但也是数据量最大的编码系统。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律和律方式，我国采用了 A律方式，因为A律压 缩实现复杂，常使用13折线法编码,下图为PCM系统的原理框图：图中，输入的模拟信号m（t经抽样、量化、编码后变成了数字信号（PCM信号，经 信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟基带信号 m（t。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器A/D变换器；而译码与低通滤波的 组合称为数/模变换器（D/A变换器。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相 反，即完成数字信号到模拟信号的变换。PCM在通信系统中完成将语音信号数字化功能，它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律和律方式，我国采用了 A律方式，因为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。1.1.2 PCM编码原理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。在一个频带限制在0，f h）内的时间连续信号ft），如果以1/2 f h的时间间隔 对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号 ft）的频谱中最高频率不超过f h，当抽样频率f SN2 f h时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。抽样定理在实际应用中应注意在抽样前后模拟信号进行滤波，把高于 二分之一抽样频率的频率滤掉。这是抽样中必不可少的步骤。2量化量化，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。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。一个模拟信号经过抽样量化后，得到己量化的脉冲幅度调制信号，它仅为 有限个数值。如下图所示，量化器输出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x落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化 过程可以表达为：、 刈 一，一，.、一量化器模拟信号的量4图1-1量化值这里称为分层电平或判决阈值。通常.称为量化间隔。均匀量化：用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一 律都采用相同的量化间隔胃了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需 要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位 数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。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。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。广泛采用的两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，所谓A压缩律也就是压缩器具有 如下特性的压缩律：因为A律压缩实现 杂，常使用13折线法编码，压扩特性图如下图所示: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。表1-113折线时的值与计算值的比较0ptptpti0000a0i按折线分段时的凹00目gggi段落12345678斜率16168421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与曲线十分逼近，同时按2的幕次分割有利于数字化。3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 编码和译码与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。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速 编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、 折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、 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1-2段落码表1-3段内码段落序号段落码81117110610151004011301020011000量化级段内码15111114111013110112110011101110101091001810007011160110501014010030011200101000100000PCM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，在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，其中用第一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一段落的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；段内码与16个量化级之间的关系见表3。4)译码PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。其中各模块功能如下：D/A转换器：用来实现与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，也就是最起码的步骤。瞬时扩张器：实现与瞬时压缩器相反的功能，因为采用A律压缩，扩张也必须采用A律 瞬时扩张器。低通滤波器：因为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，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。2 M文件仿真程序如下：clear。t = -0.1:0.001:0.1。该参数用于画原信号图形f = sin(3*pi*90*t+cos(3*pi*37*t。原函数，由 t 的取值可得 f 有 201 个值 subplot(3,1,1%matlab 矩阵区域设置plot(t, f。画出采原函数序列图title(原信号。xlabel(时间 t(s。T= 1/500。抽样周期，500是抽样频率，可以调整抽样频率gs = -0.1:T:0.1。fg = sin(2*pi*60*gs+cos(2*pi*25*gs。对信号进行以 T 周期抽样subplot(3,1,2stem(gs, fg% 画图title(采样信号。xlabel(时间 t(s；2-1clear all。close all。%建立原信号T=0.002。取时间间隔为0.01t=-0.1:T:0.1。时域间隔dt为间隔从0到10画图xt=sin(3*pi*90*t+cos(3*pi*37*t。%xt方程采样：时间连续信号变为时间离散模拟信号fs=800。抽样fs=2fc，每秒钟内的抽样点数目将等于或大于2fc个sdt=1/fs。%频域采样间隔0.002%以sdt为间隔从-0.1到0.1画图st=sin(2*pi*60*t1+cos(2*pi*25*t1。% 离散的抽样函数figure(1。subplot(3,1,1。plot(t1,st。title(原始信号。%画出原始的信号图，以好对比grid on%画背景subplot(3,1,2。stem(t1,st,.。title(抽样信号。%这里画出来的是抽样后的离散图grid on%画背景量化过程n=length(st。M=max(st。%取、七的长度为nA=（st/M*2048。%a1（极性码 a2a3a4段落码）a5a6a7a8段内电平码）code=zeros(i,8。%极性码a1%产生i*8的零矩阵for i=1:n%if循环语句if A(i=0code(i,1=1。else%代表正值code(i,1=0。end%代表负值if abs(A(i=0&abs(A(i=0。code(i,3=0。code(i,4=0。step=1。start=0。elseif 16&abs(A(i=0。code(i,3=0。code(i,4=1。step=1。start=16。elseif 32&abs(A(i=0。code(i,3=1。code(i,4=0。step=2。start=32。elseif 64&abs(A(i=0。code(i,3=1。code(i,4=1。step=4。start=64。elseif 128&abs(A(i=1。code(i,3=0。code(i,4=0。step=8。start=128。elseif 256&abs(A(i=1。code(i,3=0。code(i,4=1。step=16。start=256。elseif 512&abs(A(i=1。code(i,3=1。code(i,4=0。step=32。start=512。elseif 1024&abs(A(i=1。code(i,3=1。code(i,4=1。step=64。start=1024。 endB=floor(abs(A(i-start/step。段内码编码 floor 取整(四舍五入 t=dec2bin(B,4-48。%dec2bin定义将B变为4位2进制码，-48改变格式code(i,5:8=t(1:4。输出段内码endcode=reshape(code,1,8*n。%reshape 代表从新塑形code subplot(3,1,3。stem(code,.。axis(1 64 0 1。这里我们先取前面八个点编码输出，输出时候有64个点 title (编码信号。grid on2-23 Simulink 仿真3.1原始模拟信号电路图及仿真图p Source Block Parameters: Sine Wave15?Use the sample-based sine type if numerical problems due to running for large times (e. g. overflow in absolute time) occur.Paramet ersSine type: Time basedTime (t) : Use simulation timeBias:Frequency (rad/*): 3-2正弦波参数设置W Source Eloclc Parameters: Sine WavelUse the sample-based sine type if numerical problems due to running for large times (e. g. overflow in absolute time) occur.Paramet ersSine type: Time basedTime (t) : Use simulat ion t imeAmplitude:Bias:55. 53-3正弦波参数设置所得波形Sample time: Interpret vector parameters as 1-DCancel3.2 Pft| untitled *File Edit View Simulation Format Tools HelpCl洛9辱E电地 |u|A-LawI ITC：ri= = = : Constant Saturation AbsA-LswCDmpTES*DTGainQuantizer I ntEger to 日 itConvert etDisplay测试模型和仿真结果如上图所示。其中以Saturation作为限幅器，将输入信号幅度值限-4 13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果Ready10096|ode45制在 PCMI编码的定义范围内，成 A-Law CompressOr 作压缩器，RelaU模块的门限值设置为 0 其输出即可作为PCM编码输出的最高位一一极性码。样值取值绝对值后，用增益模块将样值放 大到0-127，然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制 序列，作为PCM编码的低7位。可以将上图中Constant和Display不含）之间的模块封装一 个PCM编码子系统备用。其中各模块的具体参数设置如下:Source Black Parameters: ConstaniAConst antOutput the constant specified by the ? Constant value, parameter. If , Constant value5 is a vector and ?Interpret vector parameters as 1一D is orij treat the const ant value as a 1-D array. OtherwisCj output a mat r is with the same dimensions as the const ant value.MainSignal AttributesConst ant value:1270FT Interpret vector parameters as 1-DSampling mode: Sample based Constant3Help3-7 Abs3-9 Gain3-10 QuantizerInteger to Bit Converter (mask) (link)Map a vector of integer-valued or fised-point inputs to a vector of bits. The ? Number of bit s per integer5 parameter value defines how many bits are mapped for each integervalued input. For fized-point inputthe stored integer value is used.This block is single-rate and single-channel. The input can be either a scalar or a frame-based column vector. For sample-based scalar input f the out put is a 1-D signal with , Number of bits per integer5 elements. For frame-based column vector inputthe output is a column vector with length equal to ? Number of bits per integer? times larger than the input signal length.A simulation-only runtime input value check is performed. If any input value is outside of the , Number of bits per integer5 value rangej then the block will issue an error.ParametersNumber of bits per integer:Treat input values as: UnsignedOutput bit order:正11 迎殴er to Bit Converter3-12 DisplayRelayOutput the specified , on, or , off? value by comparing the input to the specified thresholds. The on/off state of the relay is not affected by input between the upper and lower limits.MainSignal AttributesSwitch on point: epsSwitch off point: epsOutput when on:Output when off:J Enable zero-crossing detectionSample time (-1 for inherited):0. 001将该系3-13 Relay统进行封装OKCancel际 untitled *1=1回File Edit View Simulation Format Tools Help | 曲暑 |W 昭整 | 中= 令 | 刀！ |10.0 |NormalJISu bsystEEiReady100%od&45k.J3-15封装之后的PCM编码子系统图标3.3 PCM解码器电路设计3-16 13折线近似的PCM解码器测试模型和仿真结测试模型和仿真结果如上图所示，其中PCM编码子系统是编码器封装之后的。PCM解 码器中首先分离并行数据中的最高位极性码）和7位数据，然后将7位数据转换位整数 值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。可以将该模型中In1Outl右端和Display左端的部分封装为一个PCM解码子系统备用。其中各模块的具体参数设置如下：DemuxSplit vector signals into scalars or smaller vectors. Check ? Bus Selection Mode? to split bus signals.ParametersOK CancelHelpApply3-19 MuxTJ Function Block Parameters: RelayRelayOutput the specified on or ? off? value by comparing the input to the specified thresholds. The on/off state of the relay is not affected by input between the upper and lower limits.I Main Signal AttributesSwit ch on p o int:epsSwitch off point:epsOutput when on:Output when off:3-20 Relay1Sample time (-1 for inherited):0. 001|OKCancel Help Apply1/127Multiplication: Element-wise(K. *u)Sample time (-1 for inherited): 0. 001|-OKCancelHelpApply3-23 A-Low Expander4心得体会设计过程中，我弄懂了 A律13折线和PCM编码的原理，了解这些后总个设计思路就 呈现在眼前，自己的信心也倍增。通过这次课程设计，充分掌握了 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MATLAB的SIMULINK，并学会通过应用软 件仿真来实现PCM系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了实践 动手能力和学习新知识的技能。总体来说，这次实习让我受益匪浅。打破了一直局限于 课本知识的学习方式，增加了我们的兴趣，并且体会到成功给大家带来的喜悦。让我明 白：无论遇到什么困难，只要对自己有信心，认真思考，悉心求教，自然会找到解决的 办法。相信在以后的日子里，大家会做得更好。在摸索该如何设计系统使之实现所需功 能的过程中，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了系统设计的 艰辛同时，更让我体会到成功的喜悦。参考文献1 樊昌信，曹丽娜.通信原理.国防工业出版社，20082 陈怀琛.数字信号处理教程一一matlab释义与实现.电子工业出版社3 李贺冰.SIMULINK通信仿真教程M.国防工业出版社，2006年4 曹志刚，钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社，1992申明：所有资料为本人收集整理，仅限个人学习使用，勿做商业用途。