基于PCM編碼的研究與仿真—課程設(shè)計論文

1、 課程設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn) 評分項目得分 具有題目、摘要、目錄、正文、參考文獻(xiàn)（5 分） 報告書寫 及格式 正文格式，圖、表、參考文獻(xiàn)引用等正確，排版美觀（5 分） 報告中是否體現(xiàn)被仿真系統(tǒng)的原理以及原理框圖（5 分） 基礎(chǔ)原理 仿真目的，仿真方法，仿真結(jié)果的意義表述清楚（5 分） 做出信源，調(diào)制信號，解調(diào)信號波形（10 分） m 文件仿真 仿真參量豐富（如對頻譜，信噪比，誤碼率等的分析） ，仿真波形直 觀。 （10 分） 是否實現(xiàn)設(shè)計功能，各個模塊的設(shè)計參數(shù)是否清晰（10 分） 框圖直觀，有對不同參數(shù)條件下的仿真對比及結(jié)論（10 分）simulink 仿真 仿真參量豐富（如對頻譜，信

2、噪比，誤碼率等的分析） ，仿真波形直 觀。 （10 分） 是否存在抄襲（10 分） 對所仿真系統(tǒng)原理的提問回答情況（10 分）答 辯 對仿真過程提問的回答情況（10 分） 總分 課程設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn).- 1 - 基于 matlab/simulink 的 pcm 編碼的研究與仿真.- 3 - 摘 要.- 3 - abstract .- 3 - 1 背景知識.- 4 - 1.1 pcm 原理及仿真.- 4 - 1.1.1 脈沖編碼調(diào)制.- 4 - 1.1.2 pcm 編碼原理.- 5 - 2 m 文件仿真.- 10 - 3 simulink 仿真.- 15 - 3.1 原始模擬信號電路圖及仿真圖.-

3、15 - 3.2 pcm 編碼器電路設(shè)計.- 17 - 3.3 pcm 解碼器電路設(shè)計.- 24 - 4 心得體會.- 28 - 參考文獻(xiàn).- 28 - 基于 matlab/simulink 的 pcm 編碼的研究與仿真 摘 要 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。 關(guān)鍵詞：脈沖編

4、碼調(diào)制（pcm） 均勻與非均勻量化matlab 仿真 abstract 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 sy

5、stem 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 m

6、atlab software. keywords: pulse code modulation (pcm) with uniform and non-uniform quantization in matlab simulation 1 背景知識 1.1 pcm 原理及仿真 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。 1.1.1 脈沖編碼調(diào)制 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

7、廣泛的編碼系統(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 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： 圖中，輸入的模擬信號 m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(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/

8、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。 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、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 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。 1.1.2 pcm 編碼原理 1)抽樣 所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周

9、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。 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 f（t）的頻譜中最高頻率不超過 f h，當(dāng)抽樣頻率 f s2 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。 2) 量化 量化，就

10、是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，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。 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。 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 k y k y 化電平。當(dāng)量化器輸入信號幅度x落在與之間時，量化器輸出電平為。這個量化 k x 1k x k y 過程可以表達(dá)為： 1 ( ),1,2,3, kkk yq xq xxxykl 這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。 k x kkk xx

11、1 圖1-1 模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。 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。 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??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出 v 的優(yōu)點。首先，當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣） 時，非均勻量化器的

12、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。 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，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： ， 。 a x a ax y 1 0 , ln1 1 1 , ln1 ln1 x aa ax y 由于 a 律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,

13、 壓擴(kuò)特性圖如下圖所示： 模擬入 y x 量化器 量化值 圖 1-2 a 律函數(shù) 13 折線壓擴(kuò)特性圖 這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點，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。 表 1-1 13 折線時的值與計算值的比較xx y 0 8 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 1 x0 128 1 6 . 60 1 6 . 30 1 4 . 15 1 79. 7 1 93 . 3 1 98 . 1 1 1 按折線 分段時的x 0 128 1 64 1 32 1 16 1 8 1 4 1 2 1 1 段落12345678 斜

14、率16168421 2 1 4 1 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?？?見，13 折線各段落的分界點與 曲線十分逼近，同時 按 2 的冪次分割有利于數(shù)字化。 3) 編碼 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。 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。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

15、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。 表 1-2 段落碼 表 1-3 段內(nèi)碼 段落碼量化級段內(nèi)碼 151111 8111 141110 131101 7110 1100 111011 6101 101010 91001 5100 81000 70111 4011 60110 50101 3010 40100 30011 2001 20010 10001 1000 00000 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)，考慮到實現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時將 pcm 編譯 碼器分為編碼

16、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。 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 落的起點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的 16 種可能狀態(tài)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 27128 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。 4）譯碼 pc

17、m 譯碼器是實現(xiàn) pcm 編碼的逆系統(tǒng)。其中各模塊功能如下： d/a 轉(zhuǎn)換器：用來實現(xiàn)與 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。 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。 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，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。 2 m 文件仿真 程序如下： clear; t = -0.1:0.001:0.1; %該參數(shù)用于

18、畫原信號圖形 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 subplot(3,1,1) %matlab 矩陣區(qū)域設(shè)置 plot(t, f); %畫出采原函數(shù)序列圖 title(原信號); xlabel(時間 t(s); t= 1/500; %抽樣周期，500 是抽樣頻率，可以調(diào)整抽樣頻率 gs = -0.1:t:0.1; fg = sin(2*pi*60*gs)+cos(2*pi*25*gs); %對信號進(jìn)行以 t 周期抽樣 subplot(3,1,2) stem(gs, fg) %畫圖 title(采樣信號); x

19、label(時間 t(s)； 2-1 clear all; close all; %建立原信號 t=0.002; %取時間間隔為 0.01 t=-0.1:t:0.1; %時域間隔 dt 為間隔從 0 到 10 畫圖 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 fs=800; %抽樣 fs=2fc，每秒鐘內(nèi)的抽樣點數(shù)目將等于或大于 2fc 個 sdt=1/fs; %頻域采樣間隔 0.002 t1=-0.1:sdt:0.1; %以 sdt 為間隔從-0.1 到 0.1 畫圖 st=sin(2*pi*60*t1)+cos(2

20、*pi*25*t1); % 離散的抽樣函數(shù) figure(1); subplot(3,1,1); plot(t1,st); title(原始信號); %畫出原始的信號圖,以好對比 grid on %畫背景 subplot(3,1,2); stem(t1,st,.); %這里畫出來的是抽樣后的離散圖 title(抽樣信號); grid on %畫背景%量化過程 n=length(st); %取 st 的長度為 n m=max(st); a=(st/m)*2048; %a1(極性碼) a2a3a4（段落碼）a5a6a7a8（段內(nèi)電平碼） code=zeros(i,8); %產(chǎn)生 i*8 的零矩陣

21、%極性碼 a1 for i=1:n %if 循環(huán)語句 if a(i)=0 code(i,1)=1; %代表正值 else code(i,1)=0; %代表負(fù)值 end if abs(a(i)=0code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=1;start=0; elseif 16=abs(a(i)code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=1;start=16; elseif 32=abs(a(i)code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=2;start=32; elseif 64=abs(a(i)code(i,3)=1;code(i,4)=1;ste

22、p=4;start=64; elseif 128=abs(a(i)code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=8;start=128; elseif 256=abs(a(i)code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=16;start=256; elseif 512=abs(a(i)code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=32;start=512; elseif 1024=abs(a(i)code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=64;start=1024; end b=floor(abs(a(i)-start)/step); %段

23、內(nèi)碼編碼 floor 取整(四舍五入) t=dec2bin(b,4)-48; %dec2bin 定義將 b 變?yōu)?4 位 2 進(jìn)制碼，-48 改變格式 code(i,5:8)=t(1:4); %輸出段內(nèi)碼 end code=reshape(code,1,8*n); %reshape 代表從新塑形 code subplot(3,1,3); stem(code,.);axis(1 64 0 1); %這里我們先取前面八個點編碼輸出,輸出時候有 64 個點 title(編碼信號); grid on 2-2 3 3 simulinksimulink 仿真仿真 3.1 原始模擬信號電路圖及仿真圖 3-1

24、 原始模擬信號電路圖 兩個正弦波的參數(shù)設(shè)置分別為： 3-2 正弦波參數(shù)設(shè)置 3-3 正弦波參數(shù)設(shè)置 所得波形為 3-4 3.2 pcm 編碼器電路設(shè)計 3-4 13 折線近似的 pcm 編碼器測試模型和仿真結(jié)果 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

25、為 7 位二進(jìn)制 序列，作為 pcm 編碼的低 7 位。可以將上圖中 constant 和 display（不含）之間的模塊封裝 一個 pcm 編碼子系統(tǒng)備用。 其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下： 3-5 constant 3-6 saturation 3-7 abs 3-8 a-low compressor 3-9 gain 3-10 quantizer 3-11 integer to bit converter 3-12 display 3-13 relay 將該系統(tǒng)進(jìn)行封裝 3-14 封裝之后的 pcm 編碼子系統(tǒng) 3-15 封裝之后的 pcm 編碼子系統(tǒng)圖標(biāo) 3.3 pcm 解碼器電路設(shè)計 3-16 13 折線近似的 pcm 解碼