东北大学电子信息系.DOC

1、东北大学电子信息系综合课程设计脉冲编码调制（PCM）与解调的仿真专业名称 通 信 工 程班级学号学生姓名指导教师设计时间课程设计任务书专业：通信工程 学号： 学生姓名（签名）： 设计题目：脉冲编码调制（PCM）与解调的仿真一、设计实验条件通信工程实验室二、设计任务及要求1. 熟悉 MATLAB 环境下的 Simulink 仿真平台，熟悉 PCM 编码与解码原理，构建 PCM 编码与解码电路图；2. 对模拟信号进行采样、量化、编码, 将编码后的信号输入信道再进行 PCM 解码，还原出原信号.建立仿真模型,分析仿真波形；3. 在编码与解码电路间加上噪声源，或者加入含有噪声源的信道，并给出仿真波形；

2、4. 独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计论文，并正确阐述和分析设计和实验结果。三、设计报告的内容1. 设计题目与设计任务（设计任务书）2. 前言（绪论）(设计的目的、意义等)3. 设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）4. 结束语（设计的收获、体会等）5. 参考资料四、设计时间与安排1、设计时间： 2 周2、设计时间安排： 熟悉实验设备、收集资料： 4 天设计图纸、实验、计算、程序编写调试： 6 天编写课程设计报告： 3 天答辩： 1 天设计报告1.前言在通信原理的教学过程中，一直注重理论的教学，但是深奥的理论难以理解，很有必要以某种可见的、图形化的形式来加深对理论的理解。脉冲

3、编码调制是一种概念简单、理论完善的编码系统，其最大特征是把连续的输入信号变换成在时间和振幅上都是离散量，然后再变换为代码传输。信息为数字信号，在远距离再生中继传输中不积累噪声，从而提高了通信系统的有效性、可靠性和保密性。使用 Matlab 软件可实现 PCM 码的调制与解调的仿真，利用 Matlab 中的 Simulink即一个建立系统方框图和基于方框图的系统仿真环境，对动态系统进行建模、仿真和仿真结果可视化分析的软件包来完成系统的设计。最后通过模拟示波器分析仿真结果，从而进一步加深对通信原理的理解。2.设计主体2.1 脉冲编码调制（PCM）简介脉冲编码调制（Pulse Code Modula

4、tion）简称脉码调制，它是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强，因此在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了及广泛的应用。 2.2 脉冲编码调制（PCM）原理PCM 信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。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。PCM 系统的原理框图如图 2-1 所示。模拟信号输入 抽样保持 量化器 编码器信道模拟信号输出 低通滤波器 译码器冲激脉冲 干扰PCM 信号输出PCM 信号输入图 2-1 PCM 系统原理框图2.2.1PCM 编码中抽样、量化及编码的原理：(a) 抽样所

5、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。(b) 量化从数学上来看，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。量化器 Q 输出 L 个量化值 ， k=1，2，3，L。 常称为kyky重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度 落在 与 之间时，量化器输x1kx出电平为 。这个量化过程可以表达为：ky1(),1,23,kkQxxyL这里 称为分层电平或判决阈值。通常 称为量化间隔。k kkx1模拟信号的量化分为均匀量

6、化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪()mt比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。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v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

7、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，因此，PCM 编码方式采用的也是 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： Xxy10,ln1,A 律压扩特性是连续曲线，A 值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往

8、都采用近似于 A 律函数规律的 13 折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便未压缩（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）6841211 0y18768588326412斜率：1 段 162 段 163 段 84 段 45 段 26 段 17 段 1/28 段 1/4图 2-2 13 折线于用数字电路实现，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。图 2-2 示出了这种压扩特性。表 1 列出了 13 折线时的 值与计算 值的比较。xx表 1y0 812834856871x0 6.0.179.3.19.1按折线分段时的 0

9、12843268421段落 1 2 3 4 5 6 7 8斜率 16 16 8 4 2 1 24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x6.7Ax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6.87幂次分割有利于数字化。(c) 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

10、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 2 段落码 表 3 段内码段落序号 段落码 量化级 段内码15 11118 11114 111013 11017 11012 110011 10116 10110 10109 10015 1008 10007 01114 0116 01105 01013 0104 01003 00112 0012 00101 00011 0000 0000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

11、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 27128 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。2.3 基于 Matlab Simulink 的模块设计与仿真图形分析2.3.1PCM 编码器电路设计图 2-3 13 折线近似的 PCM 编码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真结

12、果如图 2-3 所示。其中以 Saturation 作为限幅器，将输入信号幅度值限制在 PCM 编码的定义范围内，以 A-Law Compressor 作压缩器，Relay 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：图 2-4 Constant图 2-5 Saturation图 2-6 Abs图 2-7 Relay图 2-8 Compressor图 2-9 Gain图 2-10 Quantizer图 2-11 Converter图 2-12 Mux