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《現(xiàn)代通信系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目:PCM編碼與傳輸性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)熟悉和理解PCM系統(tǒng)的工作原理;2、在通信系統(tǒng)仿真軟件MATLAB平臺(tái)上,設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證PCM的編碼和傳輸性能;3、學(xué)會(huì)利用MATLAB對(duì)PCM系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和問(wèn)題分析,將理論應(yīng)用于實(shí)踐;4、對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析,進(jìn)一步提高對(duì)系統(tǒng)的理解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、PCM系統(tǒng)分別采取均勻量化和非均勻量化(A律13折線)信號(hào)輸出量噪比的比較;均勻量化編碼器和非均勻量化編碼器(A律13折線)設(shè)計(jì);匹配濾波器和升余弦濾波器的設(shè)計(jì),以及兩者輸出的誤碼率比較;4、系統(tǒng)輸出性能的驗(yàn)證:在不同量化間隔下,輸出信噪比與信道信噪比的關(guān)系;不同信道信噪比下,輸出信噪比和量化間隔之間的關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)原理3.1PCM編碼與傳輸系統(tǒng)抽樣抽樣量化編碼

線路編碼匹配濾波器

抽樣+

判決重構(gòu)

噪聲圖1PCM系統(tǒng)原理框圖3.2均勻量化和非均勻量化在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中,抽樣、量化、編碼是模數(shù)轉(zhuǎn)換不可缺少的部分。在PCM系統(tǒng)中,量化也是系統(tǒng)的重要部分,不同的量化方式直接影響信號(hào)的量噪比和系統(tǒng)的信噪比。模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。3.2.1均勻量化均勻量化的量化間隔是固定不變的,與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān),即所有信號(hào)的量化噪聲是一樣的,所以小信號(hào)的均勻量化信噪比要比大信號(hào)的小很多。假設(shè)輸入信號(hào)的最小值和最大值分別為a和b表示,量化電平數(shù)為M,則均勻量化時(shí)的量化間隔為:經(jīng)推導(dǎo)可得,量化噪聲功率為:量化器的輸出信號(hào)量噪比:當(dāng)輸入為正弦信號(hào)m(t),且信號(hào)不過(guò)載時(shí),若取量化間隔數(shù)為M=2nSNR≈4.77+20logD+6.02n其中D=Am(t)23.2.2非均勻量化非線性編碼采用非均勻量化,量化間隔隨著輸入信號(hào)的改變而改變,信號(hào)幅度大時(shí),量化間隔大,信號(hào)幅度小時(shí),量化間隔小。從而改善了小信號(hào)的量化信噪比,克服了均勻量化的缺點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的是A律13折線編碼,其壓縮特性如下:式中,x為歸一化輸入,y為歸一化輸出,A為壓縮系數(shù)。3.3線路編碼線路編碼又稱為信道編碼,其目的在于消除或減少數(shù)字電信號(hào)中的直流和低頻分量,以便于在模擬通信信道中傳輸。常用的數(shù)字基帶碼型設(shè)計(jì)包括雙極性不歸零碼、雙極性歸零碼、曼切斯特編碼、差分編碼等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中線路編碼采用雙極性不歸零矩形脈沖,以便于匹配濾波器的設(shè)計(jì)。3.4匹配濾波器和不匹配濾波器3.4.1匹配濾波器數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中,接收機(jī)設(shè)計(jì)是重要的內(nèi)容?;谄ヅ錇V波器的接收機(jī)是高斯信道下最佳接收機(jī),所以匹配濾波器又稱為最佳接收濾波器。設(shè)雙極性不歸零矩形脈沖的時(shí)域函數(shù)為g(t);那么對(duì)應(yīng)的匹配濾波器應(yīng)為bt匹配濾波器輸出:判決門限設(shè)為0,接收抽樣信號(hào)大于0的時(shí)候,判為“1”,否則判決為“0”匹配濾波器接收機(jī)理論輸出的誤碼率為:P實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,仿真的PCM系統(tǒng)誤碼率因?yàn)殄e(cuò)誤的碼元個(gè)數(shù)與總的碼元之比,在報(bào)告的第四部分將具體分析實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。3.4.2不匹配濾波器不匹配濾波器是相對(duì)于匹配濾波器來(lái)說(shuō)的另外一種接收濾波器。與匹配濾波器相比,不匹配濾波器輸出的誤碼率更高。實(shí)驗(yàn)中選擇滾降系數(shù)為0.35的升余弦濾波器。它的時(shí)域函數(shù)為:h輸出的是輸入與濾波器響應(yīng)函數(shù)卷積的結(jié)果。3.5系統(tǒng)的性能PCM系統(tǒng)的信噪比為:由上式可知,PCM系統(tǒng)的性能和兩個(gè)參數(shù)有關(guān),即量化級(jí)數(shù)和誤碼率,所以PCM系統(tǒng)的性能需要考慮兩方面,一是當(dāng)量化級(jí)數(shù)相同(或不同)的情況下,不同誤碼率(信道信噪比)下系統(tǒng)的信噪比變化情況;二是當(dāng)誤碼率相同(或不同)時(shí),不同量化級(jí)數(shù)下系統(tǒng)的信噪比變化情況。其中影響系統(tǒng)誤碼率的主要是由信道噪聲引起的。(1)當(dāng)量化級(jí)數(shù)一定時(shí),隨著系統(tǒng)誤碼率的增大(信道信噪比減?。?,接收還原得到的信號(hào)的信噪比越小。(2)當(dāng)系統(tǒng)誤碼率一定時(shí),隨著量化級(jí)數(shù)的增大,接收還原得到的信號(hào)的信噪比越高。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1實(shí)驗(yàn)條件與程序流程圖本次實(shí)驗(yàn)是基于MATLAB7.0平臺(tái)下完成,實(shí)驗(yàn)中主要完成輸入信號(hào)的抽樣、均勻量化和非均勻量化編碼、線路編碼、匹配濾波器、抽樣判決、譯碼等程序模塊的設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)的主要流程圖如下。輸入正弦信號(hào)輸入正弦信號(hào)采樣獲取不同幅值的信號(hào)計(jì)算信號(hào)的功率(用當(dāng)前值與最大值比值計(jì)算)根據(jù)公式,輸出均勻量化SNR-So波形關(guān)系確定輸出功率和噪聲功率根據(jù)A律13折線信噪比計(jì)算公式輸出波形觀察比較圖2均勻量化和非均勻量化信噪比比較輸入信號(hào)輸入信號(hào)并串轉(zhuǎn)換采樣(時(shí)間離散)判決匹配濾波器和升余弦濾波器運(yùn)算線路編碼A律13折線量化編碼計(jì)算誤碼率,波形比較圖3匹配濾波器和不匹配濾波器接收誤碼率比較流程圖信號(hào)輸入正弦信號(hào)信號(hào)輸入正弦信號(hào)輸入正弦信號(hào)線路編碼接收濾波器調(diào)用均勻量化編碼程序(M取值不同)輸出信噪比抽樣判決均勻量化編碼不同的噪聲功率譯碼判決輸出信噪比圖4PCM系統(tǒng)性能驗(yàn)證流程4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.2.2均勻量化和非均勻量化器的性能仿真實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖5所示,圖的縱坐標(biāo)表示信噪比,橫坐標(biāo)表示輸入信號(hào)功率,具體的講應(yīng)該是歸一化信號(hào)功率,是根據(jù)信號(hào)幅度的最大值比值計(jì)算的。因此最大的So只有到0,此時(shí)它與最大幅度相等。實(shí)驗(yàn)中取級(jí)數(shù)M=256,即n=8。由圖可以直觀的看出均勻量化和非均勻量化在不同信號(hào)功率下表現(xiàn)出的系統(tǒng)信噪比的差異。在小信號(hào)情況下,非均勻量化能取得較好的信噪比,而均勻量化所表現(xiàn)出來(lái)的性能效果卻比較差。相反,在大信號(hào)下,均勻量化比非均勻量化有更好的量化性能。圖5均勻量化與非均勻量化器的性能仿真結(jié)果4.2接收濾波器的誤碼率仿真仿真結(jié)果如圖6—圖8所示,其中圖6是輸入正弦信號(hào)的A律13折線量化波形圖,圖7表示雙極性碼的波形,圖中只截取的20個(gè)碼長(zhǎng)的數(shù)據(jù),該部分的仿真驗(yàn)證選擇的是A律13折線非均勻量化作為前級(jí)量化器。實(shí)驗(yàn)中的接收濾波器包括匹配濾波器和升余弦濾波器,通過(guò)比較兩個(gè)不容濾波器輸出的誤碼率情況,反映出匹配濾波器的最佳接收的性能。圖8是匹配濾波器、不匹配濾波器以及理論的誤碼率比較圖。圖中的縱坐標(biāo)表示誤碼率,橫坐標(biāo)表示信噪比,很顯然,隨著SNR的增大,誤碼率逐漸減少。另外,在圖中反映出了匹配濾波器的接收性能,相比于升余弦濾波器,匹配濾波器抗噪性能更好。實(shí)驗(yàn)仿真輸出的誤碼率曲線也接近于理論的曲線,這與理論分析是相互吻合的。圖6非均勻量化信號(hào)圖7雙極性不歸零碼圖8不同接收濾波器的誤碼率比較4.3PCM系統(tǒng)輸出性能仿真結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示,其中圖9反映了量化間隔和系統(tǒng)輸出信噪比的關(guān)系。圖10反映了信道信噪比與輸出信噪比的關(guān)系,或者說(shuō)是誤碼率與輸出信噪比的關(guān)系。(1)如下圖9所示,當(dāng)信道SNR固定(取SNR2=8)時(shí),隨著量化級(jí)數(shù)的增加,系統(tǒng)的信噪比隨之增加,但由于誤碼率的限制,信噪比將趨于最大值,不再增加。同時(shí),相同的量化間隔或者M(jìn)條件下,SNR越大,輸出信噪比越大。這是因?yàn)镾NR越大,那么信道引入的噪聲影響越小,對(duì)應(yīng)的誤碼率就越小,那么此時(shí)輸出的信噪比自然就越大。(2)如下圖10所示,當(dāng)量化級(jí)數(shù)固定(取M=256),隨著SNR增加,系統(tǒng)的信噪比起先不變,這是由于量化級(jí)數(shù)的限制,當(dāng)SNR增加到一定程度時(shí),信噪比將會(huì)隨之增大。綜上可以說(shuō)明仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。圖9量化間隔與PCM系統(tǒng)輸出信噪比的關(guān)系圖10PCM系統(tǒng)信噪比與信道信噪比的關(guān)系結(jié)語(yǔ)本次實(shí)驗(yàn)利用MATLAB的平臺(tái)對(duì)PCM系統(tǒng)的編碼和傳輸性能進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中完成了均勻量化編碼和譯碼、A律13折線的量化編碼和譯碼、接收濾波器等的設(shè)計(jì),系統(tǒng)涉及到的M文件較多。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,基本上完

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