通信原理課程設(shè)計(jì)PCM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真報(bào)告

1、湖南科技學(xué)院通信原理課程設(shè)計(jì)題 目： 脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真院 （系）： 計(jì)算機(jī)與通信工程系 班 級： 通信0803班 姓 名： 游金濤 學(xué) 號： 2 指導(dǎo)教師： 黃堂森 脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真摘要：以 MATLAB的Simulink 為軟件平臺，充分利用其提供的通信工具箱和信號處理工具箱中的模塊，充分發(fā)揮了SIMULINK功能強(qiáng)大，建模簡單，參數(shù)易于調(diào)整的特點(diǎn)。對脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)進(jìn)行了模型構(gòu)建、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真演示以及結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：MATLAB 脈沖編碼調(diào)制 PCM 仿真引言 數(shù)字通信系統(tǒng)己成為當(dāng)今通信的發(fā)展方向，然而自然界的許多信息通過傳感器轉(zhuǎn)換后，

2、絕大部分是模擬量，脈沖編碼調(diào)制(PCM)是把模擬信號變換為數(shù)字信號的一種調(diào)制方式，主要用于語音傳輸，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中得到廣泛的應(yīng)用，借助于MATLAB軟件，可以直觀、方便地進(jìn)行計(jì)算和仿真。因此可以通過運(yùn)行結(jié)果，分析系統(tǒng)特性。MATLAB是美國Math Works公司開發(fā)的一套面向理論分析研究和工程設(shè)計(jì)處理的系統(tǒng)仿真軟件，Simulink是MATLAB提供的實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它讓用戶把精力從編程轉(zhuǎn)向模型的構(gòu)造，為用戶省去了許多重復(fù)的代碼編寫工作；Simulink 的每個(gè)模塊對用戶而言都是透明的，用戶只須知道模塊的輸入、輸出以及模塊的功能，而不必管模塊內(nèi)部是怎

3、么實(shí)現(xiàn)的，于是留給用戶的事情就是如何利用這些模塊來建立模型以完成自己的仿真任務(wù)；至于 Simulink 的各個(gè)模塊在運(yùn)行時(shí)是如何執(zhí)行，時(shí)間是如何采樣，事件是如何驅(qū)動等細(xì)節(jié)性問題，用戶可以不去關(guān)心，正是由于 Simulink 具有這些特點(diǎn)，所以它被廣泛的應(yīng)用在通信仿真中，通過仿真展示了PCM編碼實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路及具體過程，并加以進(jìn)行分析?；贛ATLAB的SIMULINK仿真模型，能夠反映模擬通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，其可視化界面具有很好的演示效果，為通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供強(qiáng)有力的工具，也為學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)理論提供了一條非常好的途徑。當(dāng)然理論與實(shí)際還會有很大的出入，在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮各種干擾和噪聲等因素

4、的影響。系統(tǒng)介紹 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的編碼原理比較直觀和簡單，下圖為PCM系統(tǒng)的原理框圖：抽樣量化編碼信道干擾m(t)ms(t)msq(t)A/D變換譯碼低通濾波msq(t)m(t)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/D變換器)；而譯碼與低通濾波

5、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(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼。2、PCM編碼原理(1) 抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號變成時(shí)間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包

6、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。(2) 量化量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)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(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)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(gè)數(shù)值。如下圖所示，量化器輸出L個(gè)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(shí)，量化器輸出電平為。這個(gè)量化過程可以表達(dá)為：模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。模擬信號的量

7、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(shí)，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(shí)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(gè)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，其量化間隔也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)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概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，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；

8、其次，非均勻量化時(shí)，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(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)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： ， 。由于A律壓縮實(shí)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： 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(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性

9、來進(jìn)行編碼的。 表1 13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較0101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的 值是根據(jù) 時(shí)計(jì)算得到的，第三行的 值是13折線分段時(shí)的值?？梢?，13折線各段落的分界點(diǎn)與 曲線十分逼近，同時(shí) 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(cuò)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

10、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。 段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000表2 段落碼 表3 段內(nèi)碼在13折線法中，無論輸入信號是正是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)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

11、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(gè)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)來分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級之間的關(guān)系見表3。系統(tǒng)仿真模型 以MATLAB的Simulink為工具平臺，根據(jù)PCM系統(tǒng)的組成原理，在Simulink模塊庫中找出相應(yīng)的模塊，選擇合適的模塊以及設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，建立了 PCM 通信系統(tǒng)仿真模型，圖示如下：仿真波形 信號源的波形PCM編碼的波形PCM譯碼時(shí)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴(kuò)張后的輸出波形譯碼后恢

12、復(fù)源信號的輸出波形由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復(fù)，傳輸?shù)倪^程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的傳輸過程?？偨Y(jié)利用MATLAB軟件完成了一個(gè)完整的PCM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了SIMULINK功能強(qiáng)大，建模簡單，參數(shù)易于調(diào)整的特點(diǎn)。結(jié)果表明，基于SIMULINK仿真模型，能夠反映模擬通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，其可視化界面具有很好的演示效果，為通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了強(qiáng)有力的工具，也為學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)理論提供了一條非常好的途徑。在通信原理的教學(xué)過程中,一直注重理論的教學(xué),但是深奧的理論難以理解,很有必要以某種可見的、圖形化的形式來加深對

13、理論的理解。MATLAB的引入帶來了直觀的感受,提供了完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和可視化的分析環(huán)境,可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合系統(tǒng)以及各種速率的系統(tǒng),主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。通過MATLAB語言對PCM調(diào)制系統(tǒng)的采樣、量化、編碼的仿真與計(jì)算，使得分析PCM調(diào)制系統(tǒng)變得直觀簡單。 參考文獻(xiàn) 1 徐素妍 曹坤梅 基于MATLAB語言的現(xiàn)代通信仿真分析2 孫學(xué)軍 通信原理教程 人民郵電出版社 3 李建新 劉乃安 現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真-MATLAB通信工具箱 西安電子科技大學(xué)出版社 4 鄧華 MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例講解 人民郵電出版社5 孫屹 李妍 MATLAB通信仿真

14、開發(fā)手冊 國防工業(yè)出版社6 邱曉林 基于MATLAB的動態(tài)模型與系統(tǒng)仿真工具 西安交通大學(xué)出版社設(shè)計(jì)過程中需解決的問題 1、運(yùn)用MATLAB仿真抽樣信號的頻譜，分析滿足不同條件下的抽樣情況、驗(yàn)證奈奎斯特抽樣定理;不同量化電平情況下的信噪比的計(jì)算，對PCM調(diào)制系統(tǒng)中的非均勻量化的壓擴(kuò)技術(shù)和編碼進(jìn)行仿真與計(jì)算。2、必須根據(jù)實(shí)際情況合理的設(shè)計(jì)采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，采樣頻率fs一定要大于等于2fH條件。由于在信道傳輸過程中，各種因素影響，會引起譯碼波形有一定的延時(shí)現(xiàn)象。3、在設(shè)計(jì)濾波器時(shí),要看系統(tǒng)信號源輸出信號頻率到底是處于在哪個(gè)頻率范圍,再根據(jù)其他參考參數(shù)和系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)要求,決定是要設(shè)計(jì)哪種類型的濾波器。心得體會 本次課程設(shè)計(jì)在剛開始的過程中由于主要知識掌握不熟透，時(shí)間又緊，做起來有些棘手，之后通過向同學(xué)詢問與去圖書館以及互聯(lián)網(wǎng)查找資料，我開始慢慢地了解其工作原理,最終決定用學(xué)過的MATLAB軟件來仿真實(shí)現(xiàn)PCM的編碼過程。通過這次課程設(shè)計(jì)，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