通信原理pcm編碼課程設(shè)計--基于matlabsimulink的pcm編碼的研究與仿真

1、<p>　　目 錄 課程設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn)- 1 -</p><p>　　基于MATLAB/simulink的PCM編碼的研究與仿真- 3 -</p><p>　　摘 要- 3 -</p><p>　　Abstract- 3 -</p><p>　　1 背景知識- 4

2、 -</p><p>　　1.1 PCM原理及仿真- 4 -</p><p>　　1.1.1脈沖編碼調(diào)制- 4 -</p><p>　　1.1.2 PCM編碼原理- 5 -</p><p>　　2 M文件仿真- 10 -</p><p>　　3 Simulink仿真- 15 -</p><

3、p>　　3.1原始模擬信號電路圖及仿真圖- 15 -</p><p>　　3.2 PCM編碼器電路設(shè)計- 17 -</p><p>　　3.3 PCM解碼器電路設(shè)計- 24 -</p><p>　　4心得體會- 28 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 28 -</p><p>　　基于MATLAB/s

4、imulink的PCM編碼的研究與仿真</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計結(jié)合PCM的抽樣、量化、編碼原理，利用MATLAB軟件編程和繪圖功能，完成了對脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)的建模與仿真分析。即學(xué)習(xí)通過利用計算機(jī)建立通信系統(tǒng)模型的基本方法和基本技能，學(xué)習(xí)會利用仿真的手段對通信系統(tǒng)的基本理論和基本算法進(jìn)行驗證。學(xué)習(xí)現(xiàn)有流行的通

5、信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法，利用Matlab軟件解決通信中存在的問題。</p><p>　　關(guān)鍵詞：脈沖編碼調(diào)制（PCM） 均勻與非均勻量化MATLAB仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Combined with the sampling, quantization, coding theory

6、 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 lea

7、rning 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 softw

8、are t</p><p>　　Keywords: pulse code modulation (PCM) with uniform and non-uniform quantization in MATLAB simulation</p><p><b>　　1 背景知識</b></p><p>　　1.1 PCM原理及仿真 </p&g

9、t;<p>　　脈沖編碼調(diào)制就是把一個時間，取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化，編碼的過程。 </p><p>　　1.1.1脈沖編碼調(diào)制</p><p>　　脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛

10、的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和μ律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使用13折線法編碼,下圖為PCM系統(tǒng)的原理框圖：</p><p>　　圖中，輸入的模擬信號m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成

11、了數(shù)字信號(PCM信號)，經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號m(t)。通常，將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器（A/D變換器)；而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A變換器)。前者完成由模擬信號到數(shù)字信號的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號到模擬信號的變換。</p><p>　　PCM在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能，它的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、

12、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和μ律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼。</p><p>　　1.1.2 PCM編碼原理</p><p><b>　　1)抽樣</b></p>

13、;<p>　　所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。</p><p>　　在一個頻帶限制在（0，f h）內(nèi)的時間連續(xù)信號f（t），如果以1/2 f h的時間間隔對它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號?；蛘哒f，如果一個連續(xù)信號&l

14、t;/p><p>　　f（t）的頻譜中最高頻率不超過f h，當(dāng)抽樣頻率f S≥2 f h時，抽樣后的信號就包含原連續(xù)的全部信息。抽樣定理在實際應(yīng)用中應(yīng)注意在抽樣前后模擬信號進(jìn)行濾波，把高于二分之一抽樣頻率的頻率濾掉。這是抽樣中必不可少的步驟。</p><p><b>　　2) 量化</b></p><p>　　量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅

15、度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。</p><p>　　從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。</p><p>　　如下圖所示，量化器輸出L個量化值，k=1，2，3，…，L。常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號幅度x落在與之間時，量化

16、器輸出電平為。這個量化過程可以表達(dá)為：</p><p>　　這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>　　模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。</p><p>　　均勻量化：用這種方法量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用相同的

17、量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機(jī)會并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。</p><p>　　非均勻量化：非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也?。环粗?，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的

18、概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。</p><p>　　實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，

19、我國和歐洲各國均采用A壓縮律，所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：</p><p><b>　　， 。</b></p><p>　　由于A律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼, 壓擴(kuò)特性圖如下圖所示：</p><p>　　圖1-2 A律函數(shù)13折線壓擴(kuò)特性圖</p><p>　　這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)

20、特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，本設(shè)計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。 </p><p>　　表1-1 13 折線時的值與計算值的比較</p><p>　　表1中第二行的 值是根據(jù) 時計算得到的，第三行的 值是13折線分段時的值?？梢?，13折線各段落的分界點(diǎn)與 曲線十分逼近，同時 按2的冪次分割有利于數(shù)字化。</p><p><b&

21、gt;　　3) 編碼</b></p><p>　　所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。</p><p>　　在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型

22、。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。</p><p>　　表1-2 段落碼 表1-3 段內(nèi)碼</p><p>　　PCM編譯碼器的實現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時只需給出外圍的時序電路即可實現(xiàn)，考慮

23、到實現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實現(xiàn)，在13折線法中，無論輸入信號是正是負(fù)，均按8段折線（8個段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。</p><p>　　具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)

24、來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成27＝128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表3。</p><p><b>　　4）譯碼</b></p><p>　　PCM譯碼器是實現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。其中各模塊功能如下：</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器：用來實現(xiàn)與

25、A/D轉(zhuǎn)換相反的過程，實現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達(dá)到譯碼最基本的要求，也就是最起碼的步驟。</p><p>　　瞬時擴(kuò)張器：實現(xiàn)與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用A律瞬時擴(kuò)張器。 </p><p>　　低通濾波器：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會引入孔徑失真，量化時也會帶來量化噪聲，及信號再生時引入的定時抖動失真，需要對再生信號進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償

26、，同時濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。</p><p><b>　　2 M文件仿真</b></p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　clear;</b></p><p>　　t = -0.1:0.001:0.1;

27、 %該參數(shù)用于畫原信號圖形</p><p>　　f = sin(3*pi*90*t)+cos(3*pi*37*t);%原函數(shù), 由t的取值可得f有201個值</p><p>　　subplot(3,1,1) %matlab矩陣區(qū)域設(shè)置</p><p>　　plot(t, f);

28、 %畫出采原函數(shù)序列圖</p><p>　　title('原信號');</p><p>　　xlabel('時間t(s)');</p><p>　　T= 1/500; %抽樣周期，500是抽樣頻率，可以調(diào)整抽樣頻率</p><p>　　gs = -0.1:T:0.1;</p&g

29、t;<p>　　fg = sin(2*pi*60*gs)+cos(2*pi*25*gs); %對信號進(jìn)行以T周期抽樣</p><p>　　subplot(3,1,2) </p><p>　　stem(gs, fg) %畫圖</p><p>　　title('采樣信號');</p&

30、gt;<p>　　xlabel('時間t(s)')；</p><p><b>　　2-1</b></p><p>　　clear all; </p><p>　　close all; </p><p><b>　　%建立原信號</b></p>&

31、lt;p>　　T=0.002; %取時間間隔為0.01</p><p>　　t=-0.1:T:0.1; %時域間隔dt為間隔從0到10畫圖</p><p>　　xt=sin(3*pi*90*t)+cos(3*pi*37*t);%xt方程%采樣：時間連續(xù)信號變?yōu)闀r間離散模擬信號

32、 </p><p>　　fs=800; %抽樣fs>=2fc，每秒鐘內(nèi)的抽樣點(diǎn)數(shù)目將等于或大于2fc個</p><p>　　sdt=1/fs; %頻域采樣間隔0.002</p><p>　　t1=-0.1:sdt:0.1; %以sdt為間隔從-0.1到0.1畫圖</p>

33、<p>　　st=sin(2*pi*60*t1)+cos(2*pi*25*t1); % 離散的抽樣函數(shù)</p><p>　　figure(1); </p><p>　　subplot(3,1,1);</p><p>　　plot(t1,st);</p><p>　　title('原始信號');

34、 %畫出原始的信號圖,以好對比</p><p>　　grid on %畫背景</p><p>　　subplot(3,1,2);</p><p>　　stem(t1,st,'.'); %這里畫出來的是抽樣后的離散圖</p><p&g

35、t;　　title('抽樣信號');</p><p>　　grid on %畫背景%量化過程</p><p>　　n=length(st); %取st的長度為n</p><p>　　M=max(st);</p><p>　　A=(

36、st/M)*2048;</p><p>　　%a1(極性碼) a2a3a4（段落碼）a5a6a7a8（段內(nèi)電平碼） </p><p>　　code=zeros(i,8); %產(chǎn)生i*8的零矩陣</p><p>　　%極性碼a1 </p><p>　　for i=1:n

37、 %if循環(huán)語句</p><p>　　if A(i)>=0</p><p>　　code(i,1)=1; %代表正值</p><p><b>　　else</b></p><p>　　code(i,1)=0; %代表負(fù)值</p><p>&

38、lt;b>　　end </b></p><p>　　if abs(A(i))>=0&&abs(A(i))<16</p><p>　　code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=1;start=0;</p><p>　　elseif 16<=abs(A(i))&

39、&abs(A(i))<32</p><p>　　code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=1;start=16;</p><p>　　elseif 32<=abs(A(i))&&abs(A(i))<64</p><p>　　code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,

40、4)=0;step=2;start=32;</p><p>　　elseif 64<=abs(A(i))&&abs(A(i))<128</p><p>　　code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=4;start=64;</p><p>　　elseif 128<=abs(A(i))&

41、&abs(A(i))<256</p><p>　　code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=8;start=128;</p><p>　　elseif 256<=abs(A(i))&&abs(A(i))<512</p><p>　　code(i,2)=1;code(i,3)=0;cod

42、e(i,4)=1;step=16;start=256;</p><p>　　elseif 512<=abs(A(i))&&abs(A(i))<1024</p><p>　　code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=32;start=512;</p><p>　　elseif 1024<=abs

43、(A(i))&&abs(A(i))<2048</p><p>　　code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=64;start=1024; </p><p><b>　　end</b></p><p>　　B=floor((abs(A(i))-start)/step)

44、; %段內(nèi)碼編碼floor取整(四舍五入)</p><p>　　t=dec2bin(B,4)-48; %dec2bin定義將B變?yōu)?位2進(jìn)制碼，-48改變格式</p><p>　　code(i,5:8)=t(1:4); %輸出段內(nèi)碼</p><p><b>　　end</b></p><p>

45、;　　code=reshape(code',1,8*n); %reshape代表從新塑形</p><p><b>　　code</b></p><p>　　subplot(3,1,3);</p><p>　　stem(code,'.');axis([1 64 0 1]); %這里我們先取前面八個點(diǎn)編碼輸

46、出,輸出時候有64個點(diǎn)</p><p>　　title('編碼信號');</p><p>　　grid on </p><p><b>　　2-2</b></p><p>　　3 Simulink仿真</p><p>　　3.1原始模擬信號電路圖及仿真圖</p>

47、<p>　　3-1 原始模擬信號電路圖</p><p>　　兩個正弦波的參數(shù)設(shè)置分別為：</p><p>　　3-2正弦波參數(shù)設(shè)置</p><p>　　3-3正弦波參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　所得波形為</b></p><p><b>　　3-4</b>&

48、lt;/p><p>　　3.2 PCM編碼器電路設(shè)計</p><p>　　3-4 13折線近似的PCM編碼器測試模型和仿真結(jié)果</p><p>　　測試模型和仿真結(jié)果如上圖所示。其中以Saturation作為限幅器，將輸入信號幅度值限制在PCM編碼的定義范圍內(nèi)，以A-Law Compressor作壓縮器，Relay模塊的門限值設(shè)置為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高

49、位——極性碼。樣值取值絕對值后，用增益模塊將樣值放大到0-127，然后用間隔為1的Quantizer進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位?？梢詫⑸蠄D中Constant和Display（不含）之間的模塊封裝一個PCM編碼子系統(tǒng)備用。</p><p>　　其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下：</p><p>　　3-5 Constant</p>&

50、lt;p>　　3-6 Saturation</p><p><b>　　3-7 Abs</b></p><p>　　3-8 A-Low Compressor</p><p><b>　　3-9 Gain</b></p><p>　　3-10 Quantizer</p>

51、<p>　　3-11 Integer to Bit Converter</p><p>　　3-12 Display</p><p>　　3-13 Relay</p><p><b>　　將該系統(tǒng)進(jìn)行封裝</b></p><p>　　3-14封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)</p><p&

52、gt;　　3-15 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)圖標(biāo)</p><p>　　3.3 PCM解碼器電路設(shè)計</p><p>　　3-16 13折線近似的PCM解碼器測試模型和仿真結(jié)</p><p>　　測試模型和仿真結(jié)果如上圖所示，其中PCM編碼子系統(tǒng)是編碼器封裝之后的。PCM解碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位（極性碼）和7位數(shù)據(jù)，然后將7位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化

53、，擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值?？梢詫⒃撃Ｐ椭蠭n1 Out1右端和Display左端的部分封裝為一個PCM解碼子系統(tǒng)備用。</p><p>　　其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下：</p><p>　　3-17 Constant</p><p>　　3-18 Demux</p><p><b>　　3-19 Mux<

54、/b></p><p>　　3-20 Relay</p><p>　　3-21 Bitto Integer Converter</p><p>　　3-22 Gain</p><p>　　3-23 A-Low Expander </p><p><b>　　4 心得體會</b&

55、gt;</p><p>　　設(shè)計過程中，我弄懂了A律13折線和PCM編碼的原理，了解這些后總個設(shè)計思路就呈現(xiàn)在眼前，自己的信心也倍增。通過這次課程設(shè)計，充分掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過程，學(xué)會了使用仿真軟件 MATLAB的SIMULINK，并學(xué)會通過應(yīng)用軟件仿真來實現(xiàn)PCM系統(tǒng)的設(shè)計，對以后的學(xué)習(xí)和工作都起到了一定的作用，加強(qiáng)了實踐動手能力和學(xué)習(xí)新知識的技能?？傮w來說，這次實習(xí)讓我受益匪淺。打破

56、了一直局限于課本知識的學(xué)習(xí)方式，增加了我們的興趣，并且體會到成功給大家?guī)淼南矏?。讓我明白：無論遇到什么困難，只要對自己有信心，認(rèn)真思考，悉心求教，自然會找到解決的辦法。相信在以后的日子里，大家會做得更好。在摸索該如何設(shè)計系統(tǒng)使之實現(xiàn)所需功能的過程中，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維，增加了實際操作能力。在讓我體會到了系統(tǒng)設(shè)計的艱辛同時，更讓我體會到成功的喜悅。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

57、;</p><p>　　[1]樊昌信，曹麗娜．通信原理．國防工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[2]陳懷琛.數(shù)字信號處理教程——matlab釋義與實現(xiàn) . 電子工業(yè)出版社</p><p>　　[3]李賀冰.SIMULINK通信仿真教程[M] .國防工業(yè)出版社 ,2006年</p><p>　　[4]曹志剛，錢亞生．現(xiàn)代通信原理．清華大