1、 本科毕业设计 （ 20 届） 脉冲编码调制的 MATLAB 仿真 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 1 - - 摘 要 脉冲编码调制指的是通过一系列编码脉冲来表述量化波形的系统。当这些脉冲被编制成代码，它们表明了最原始的量化波形的标准 值。这些编码可能是二进制的，因为每一个量化的元素符号是由脉冲和空间组成的。三进制，每一个元素的编码由任意三种独特的值中的一种组成（比如：正脉冲，负脉冲和空间）；或者，一个都没有，每一个元素的编码组成了独特的负数值。这个结论是以最初的脉冲编码调制系统为根据的。先前已经详细描述的模拟波的形状变换成数字波的形状的
2、方法详细地叙述了。 (脉冲发生在离散的间隔之间，作为一个有持续功能的模拟波的某些特征是不断变化的 )。模拟波的振幅值的整个范围（频率和阶段）可以粗略地分成一系列的标准值。 主要介绍了使用 MATLAB软件对脉冲 编码进行仿真，讲述了脉冲编码在仿真中的步骤，详细介绍了增量调制和差值脉冲编码调制，自适应差分脉码调制的一些基本知识，比如基本的算法等等，特别是对 PCM编码的原理进行了介绍和在传输数据有了一些介绍。并且介绍了差值脉冲编码的原理。对增量调制进行了一些细致的讲解。而且简单的对自适应差分脉冲编码调制进行了解释。 关键词 ： PCM； MATLAB仿真；增量调制；差值脉冲编码调制 - - 2
3、- - Abstract PULSE-CODE MODULATION (pcm) refers to a system in which the standard values of a quantized wave are indicated by a series of coded pulses. When these pulses are decoded, they indicate the standard values of the original quantized wave. These codes may be binary, in which the symbol for
4、each quantized element will consist of pulses and spaces: ternary, where the code for each element consists of any one of three distinct kinds of values (such as positive pulses, negative pulses, and spaces); or n-ary, in which the code for each element consists of nay number (n) of distinct values.
5、 This discussion will be based on the binary pcm system. All of the pulse-modulation systems discussed previously provide methods of converting analog wave shapes to digital wave shapes (pulses occurring at discrete intervals, some characteristic of which is varied as a continuous function of the an
6、alog wave). The entire range of amplitude (frequency or phase) values of the analog wave can be arbitrarily divided into a series of standard values. It majority to talk about PCM with the MATLAB,talking about the step of PCM in the emulation.detailed to talk about the knowledge of DM ,DPCM and ADPC
7、M.like their basic algorithm and so on.especially intrdouce the principle of PCM and also introudce the transmission of dota.and it also introudce the co ncept of DPCM.and detialed introudce the DM.also simply introudce the ADPCM. Key words:PCM,emulation of MATLAB,DM,DPCM - - 3 - - 目 录 1 引言 . 1 2 仿真
8、 软件 MATLAB. 3 2.1 MALTAB 的简介 . 3 2.2 MATLAB 优势 . 4 2.2.1 友好的工作平台和编程环境 . 4 2.2.2 简单易用的程序语言 . 4 2.2.3 强大的科学计算机数据处理能力 . 4 2.2.4 出色的图形处理功能 . 5 2.2.5 应用广泛的模块集合工具箱 . 5 2.2.6 实用的程序接口和发布平台 .错误 !未定义书签。 2.3 MATLAB 通信工具箱及其使用方法 . 6 3 PCM 仿真的基本原理 . 8 3.1 抽样 . 8 3.2 量化 . 9 3.3 编码 . 11 3.4 码型变换和码型反变换 . 13 3.5 增量调制
9、 . 13 3.6 差值脉冲编码调制 . 14 3.7 自适应差分脉码调制 . 15 4 仿真程序与结果 . 17 4.1 系统仿真模型 . 17 4.2 PCM 译码器模块 . 19 4.3 PCM 仿真程序 . 19 4.4 仿真结果图 . 25 5 结论 . 26 5 结论 . 26 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 27 附录 1 毕业设计作品说明书 . 29 附录 2 PCM 相关程序 . 30 - 1 - 1 引言 数字通信系统已经成为当今通信的发展方向，然后自然界有许多信息通过传感器转换后，绝大部分都是模拟器，脉冲编码调制（ PCM）是吧模拟信号变换为数字信号的一种调
10、制方式，其应用面主要在语音传输，在光纤通信，数字微波通信 ，卫星通信中得到广泛的应用，借助于 MATLAB软件，可以直观方便的进行计算和仿真，因此可以通过运行结果分析系统特性。 MATLAB是美国 Math Works公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件， Simulink是 MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模拟的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作； Simulink的每个模块对用户可以不去关心，正是由于 Simulink具有这些特点，因此它被 广泛的应用在通信仿真中，通过仿真展示了 PCM编码实现的设计 思路及具体过程
11、，并加以进行分析。 基于 MATLAB的 Simulink仿真模型，能够反映模拟通信系统的动态工作过程，它的可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供强有力的工具，并且为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径，当然理论与实际还会有很大的出入，在做设计时还必须要去考虑各种干扰和噪声等因素的影响 1。 事实上，无论有线还是无线语音通信都正在成为数字的。对于传输和存储来说，语音的数字编码明显优于传统的模拟技术。在数字语音系系统中，人的声音是信息。无论是无线或有线通信中，语音通常都是在 3003300HZ之间，但是，与模拟语音相比，数字化后的语音，如果没有压缩就会需要更多的带宽。如果我们
12、采用 256个量化电平（ 8bits）的线性模数转换器，且抽样频率为奈奎斯特速率（ 8kHZ），那么最后的数据速率就会达到 )64kbit/s。当然如果我们不是采用奇异编码算法，编码后的数字化信号的带宽将近是原始模拟信号的 20倍 9。很显然这种低的带宽效率是不可行的，尤其是在无线通信应用中。在现在这么多的技术中，大家所希望的是节省越多的带宽。由将预测器进一步简单化产生了增量调制（ DM）。由于增量调制（ DM）编码的简 单性，它已成为压缩存储和数字信息的一种重要方法。在 DM中用一个比较器替代了 DPCM的量化器和求和器。可惜，它还存在一些不足，如量化步长不能动态变化，在模拟信源信号波形变化
13、快的情况下，性能会迅速下降。现在引入 ADM，增加了跟踪信号的能力和固定步长 DM- 2 - 的动态范围，采用很简单的算法就能实现 3248kb/s甚至是 16kb/s的数据率，提高了数字编码的可靠性和效率。现在， ADM已广泛应用于电视和语音信号的编码中。在 ADM技术中，前向反馈 ADM，量化器的步长自适应调整到与输入信号的强度成正比 2 ；而后向反馈 ADM中 ，量化器步长的自适应调整是基于量化器输出的样值幅度的。文中所采用的就是后向反馈自适应算法。先从 DM分析，再讨论 ADM，解析 ADM系统的模型，使用 MATLAB仿真实现并根据仿真结果分析其性能。所得结论可为工程应用提供指导。
14、- 3 - 2 仿真软件 MATLAB 2.1 MALTAB的简介 MATLAB是矩阵实验室（ Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks公司出品的商业数学软件。 MATLAB是由美国 mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。用于 开发数据、数据可视化算法分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 Simulink和 Matlab两大部分。它将矩阵计算、数值分析、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的环境中，为工程设计、科学研究以及必须进行有效数值计算的众多科学领域
15、提供了这种全面的解决方案，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB引擎函数库是 MATLAB提供的一系列程序的集合，它允许用户在自己的 C语言应用程序库中对MATLAB进行调用，可以将 MATLAB作为一个计算引擎使用 ，让其在后台运行，完成复杂的矩阵运算，简化前台用户程序设计的任务 2。 MATLAB和 Maple、Mathematica并称为三大数学软件。 MATLAB是一种广泛应用在工程计算及数值分析领域的一种新型高级语言，经历二十多年的竞争与发展，现在已经成为国际公认的最优秀的 一个 工作应用开发环境。它在数学类科技应用的软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB可以进行
16、实现算法、绘制函数和数据、矩阵运算、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、图像处理、信号处理与通讯、控制设计、信号检测、金融建模设计 与分析等领域。在欧美各高等院校， MATLAB已经成为线性代数，数值分析，数理统计，自动控制理论，动态系统仿真，时间顺序分析，数字信号处理，图像处理等课程的基本教学工具，已经成为现在大学生必须掌握的基本技能之一。 MATLAB功能异常强大，简单易学，变成效率较高，深受广大科技工作者的欢迎。 MATLAB的基本数据单位是矩阵， MATLAB也吸收了像 Maple等一些软件的优点 ,使得 MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的这些版本中也加
17、入了对 C， JAVA， C+的支持。许多的 MATLAB爱好者都编写了一些经典的程 序，用户如果要使用可以直接进行下载就可以。 - 4 - 但是它的指令表达式与工程、数学中常用的形式十分相似，故用 MATLAB来解算问题要比用 C， FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB函数库中方便以后调用。 2.2 MATLAB优势 2.2.1 友好的工作平台和编程环境 MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用 MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括 MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器
18、和调试器、路径搜索和用于 用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着 MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级， MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近 Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的 MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。 3简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，并且能够及时地报告出现的错误而且还可以进行出错原因分析。 2.2.2 简单易用的程序语言 Matlab是 一个高级的矩阵 /阵列语言，它包含控制语句、数据结构、函数、输入和 输出和面向对象编程特点。新版本的 MATLAB语言是
19、基于最为流行的 C语言基础上的，因此语法特征与 C语言极为相似，而且会更为简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序后再一起运行。使之更有利于非计算机专业的科技人员使用。当然还有这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是 MATLAB能够深入到很多科学研究及工程计算各个领域的重要原因之一。 2.2.3 强大的科学计算机数据处理能力 MATLAB是一个包含大量计算算法的集 合。在计算要求相同的情况下，使- 5 - 用 MATLAB软件 的编程工作量会大大减少。它拥有 600多个工程中要用到的数学运算函数，可以让
20、用户方便的进行计算。函数中使用的算法都是科研和工程计算中的最新成果，他们经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替像 C和 C+这样的底层编程语言。 MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到复杂函数，包括特征向量，矩阵、快速傅立叶变换。函数所能解决的问题其包括线性方程组的微分方程和矩阵运算、求解果及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化 问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算和其他初等数学运算、多维数组操作以及还有建模动态仿真等等。 2.2.4 出色的图形处理功能 新版本的 MATLAB对整个图形处理功能都作了一些很大的改进和完善，使它不仅在
21、一般数据可视化软件中都具有的功能方面更加完善一些，而且对一些其他软件所没有的功能（例如图形的色度处理、光照处理以及四维数据的表现等），MATLAB照样表现出了出色的处理能力。 MATLAB自产生之日开始就具有独特方便的数据可视化功能，可以将向量和矩阵用图形表现出来，并且还可以对图形进行标注和打印。同时对一些特 殊的可视化界面要求，例如图形对话等，MATLAB也有之相应的功能函数，保证用户不同层次的需求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（ GUI）的制作上作了进一步的改善，使得一些对于 MATLAB有特殊要求的用户也可以满足。 2.2.5 应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB对许多
22、专门的领域都开发了工具箱和一些功能强大的模块集。一般来说，它们都是由特定领域的专家来开发的，用户可以直接使用工具箱进行学习、应用和评估不同的方法而不需要自己来编写那些繁琐代码。目前， MATLAB已经把工具箱延伸到了工程应用和科学 研究的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、样条拟合、概率统计、优化算法、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、鲁棒控制、模型预测、地图工具、非线性控制设计、模糊逻辑、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、电力系统仿真、- 6 - DSP与通讯等，都在工具箱（ Toolbox）占有中有了自己的一席之地。 2.2.6 应用软件开发（包括用户
23、界面） 在这类开发环境中，使用户可以更加方便地去控制多个文件和图形窗口；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在编程方面它支 持了函数嵌套，条件中断等等；在输入输出这个方面，也可以直接向 Excel和 HDF5进行连接。 2.3 MATLAB通信工具箱及其使用方法 MATLAB包括拥有数百个内部函数的主包和其他三十几种工具包。工具包又可以分为学科工具包和功能性工具包。功能工具包用来扩充 MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类 4。 开放性使 MATLA
24、B非常受用户的欢迎。除了内部函数外，所有 MATLAB主包文件和各种工具包都 是可读可修改的文件，用户可以通过对源程序的修改或者加入自己编写程序来构造新的专用的工具包。 Model predictive Control Toolbox 模型预测控制工具箱 Matlab Main Toolbox matlab主工具箱 Control System Toolbox 控制系统工具箱 Communication Toolbox 通讯工具箱 Financial Toolbox 财政金融工具箱 System Identification Toolbox 系统辨识工具箱 Fuzzy Logic Toolbox 模糊逻辑工具箱 Higher-Order Spectral Analysis Toolbox 高阶谱分析工具箱 Image Processing Toolbox 图象处理工具箱 LMI Control Toolbox 线性矩阵不等式工具箱 -Analysis and Synthesis Toolbox 分析工具箱 Neural Network Toolbox 神经网络工具箱
