1、 河南农业大学课 程 设 计 任 务 书课程设计名称 基于 MATLAB 的 PCM 编码系统设计与仿真 院 (系) 机电工程学院 专业 班级 14 电子信息工程 学 号 1404101007 姓 名 崔 召 辉 指导 教师 季 宝 杰 摘要数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，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、方便地进行计算和仿真。因此可以通过运行结果，分析系统特性。MATLAB 是美国 Math W
2、orks 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型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink 的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于 Simulink 的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于 Simulink 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真
3、中，通过仿真展示了 PCM 编码实现的设计思路及具体过程，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，其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，也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，在设计时还要考虑各种干扰和噪声等因素的影响。关键词MATLAB 脉冲编码调制 PCM 仿真 目 录1 绪论.11.1 PCM 技术的产生和发展.11.2 设计要求.21.3 课题目标及内容. 21.3.1 论文课题目标. 213.2 论文主要内容.32 MATLAB 工具介绍. 32.1
4、MATLAB 简介.32.2 MATLAB 的功能和特点.43 PCM 基本原理.43.1 抽样.43.2 量化.43.3 编码.63.4 时分多路复用 .73.5 系统仿真模型.94 系统设计 .94.1 通信系统的原理.104.2 所设计子系统的原理.114.3 详细设计与编码.114.3.1 设计方案.114.3.2 编码与测试.114.3 .3 运行结果与分析. 12心得体会.17致谢.17附录.18参考文献.26第 0 页1 绪论数字通信系统己经成为现今通信发展的方向，但是经过传感器的转换以后自然界中的很多信息，大多数依旧为模拟量，PCM(脉冲编码调制)它是一种调制方式就是把模拟信号
5、转换作数字信号。重点运用在语音传输，并且在数字微波通信、卫星通信、光纤通信当中得到了广阔的运用，通过凭借 MATLAB 软件，能够更便捷、直接的来仿真与计算。因此可以通过运行出的结果，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。MATLAB 具有强大的图形处理的能力，功能强大的数值运算功能 ，丰富的工具箱，高级且简单的程序环境。它被广泛应用在通信仿真中。1.1 PCM 技术的产生和发展脉冲编码调制，是由 A.里弗斯在 1937 年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础。光纤通信系统中，光纤中传送的是“0 码”和“1 码”二
6、进制光脉冲。而数字信号是需要对持续不断变化的模拟的信号进行抽样、量化和编码所得出来的，称为 PCM。此电的数字信号可被称作数字基带信号，通过 PCM 电端机所产生的，现在的数字传输系统都是采用脉冲编码调制体制。PCM 最初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。PCM 有两种标准（表现形式）即 T1 和 E1。中国采用的是欧洲的 E1 标准2。T1 的速率是 1.544Mbit/s，E1 的速率是 2.048Mbit/s。脉冲编码调制是七十年代末期发展起来的，记录媒体的 CD 之一，在八十年代初期由索尼同飞利浦公司联合推出。脉冲编码调制所具有的音频格式同样是
7、被 DVD-A 所采用的，他支持 5.1 环绕声与立体声，被 DVD 讨论会发布且推出在 1999 年。脉冲编码调制的比特率，从 14-bit 一直发展直到 24-bit；采样的频率也从 44.1kHz 一直发展达到 192kHz3。PCM 脉冲编码调制此技术能够提高和改善的部分却一直在变小。仅是单纯的提增 PCM 脉冲编码调制采样率以及比特率，不能彻底的改换它的根基问题。它的原因是 PCM 主要的问题所在为：任何的脉冲编码调制数字音频系统必须要在它的输入端置设可以快速降升的滤波器，仅仅让 20Hz-22.05Hz 的频率通过（22.05kHz 是由 CD44.1kHz 频率的一半所确定的）
8、。录音的时候采用串联抽选或多级数字滤波器（降低采样频率） ，在重放的时候采纳用有多级内插的数字滤波器（提升采样的频率）8，二者加入重复定量噪声可以控制小信号编码的时候的失真。以此限制了在音频还原时候脉冲编码调制技术的保真度。第 1 页1.2 设计要求（1）根据技术指标，理解 PCM 脉冲编码的原理；（2）根据技术指标，实现各模块的程序代码；（3）连接各模块，运行出系统中的抽样信号和量化信号；（4）测试分析均匀量化和非均匀量化的噪声性能；（5）对测试结果进行分析讨论；1.3 课题目标及内容13.1 论文课题目标（1）培养我综合运用多门课程知识的能力。（2）培养我熟练掌握 MATLAB，运用此 M
9、ATLAB 软件工具进行通信系统仿真的能力。（3）培养我发现问题，解决问题，查阅资料解决问题的能力。（4）加强我对通信系统各个不同方面的理解。（5）培养我们系统设计和系统开发的良好的思想。1.3.2 论文主要内容数字通信由于具有抗干扰能力强、可靠性好、易保密和廉价格等许多优点，已成为现代通信的主要发展趋势之一 。如今通信中的许多业务，其信源信号如语音、图像等都是模拟的，利用数字通信系统传输模拟信号时，首先要将模拟信号数字化。模拟信号数字化的方法有很多，目前采用最多的是信号波形的模-数变换方法，即波形编码。本课题是基于 MATLAB 的通信系统仿真 PCM 系统仿真, 用 Matlab 软件仿真
10、来实现 PCM 的编码过程并得出相应的图形。第 2 页2 MATLAB 工具介绍2.1 MATLAB 简介Matlab 是由美国的 mathworks 公司出品的一款商业性数学软件 4。可用于数据的可视化、算法的开发、数值的计算和数据分析的交互式的环境和高级的技术计算语言。其主要包括 SIMULINK 与 MATLAB 两大部分。其把科学数据可视化、数值计算，数值分析，矩阵计算，及其非线性动态系统的仿真与建模等众多的高级的功用统一于一个比较容易使用地视窗环境当中，它代表了当今的国际科学计算软件的先进水平。三大数学软件包括 MATLAB 和 MATHEMATICA、MAPLE。MATLAB 能够
11、进行绘制函数与数据、运算矩阵、用户界面的创建、算法的实现、matlab 的开发工作界面连到其它编程语言程序等等。它重点运用在控制设计、工程的计算、金融建模分析和设计、检测信号、处理图像、信号通讯和处理等方面。2.2 MATLAB 的功能和特点我这次所要选用的软件是 MATLAB，因为这款软件的功能很是强大，学习起来也很方便，仿真也比较容易实现。MATLAB 具有以下六个特点：（1）较高的编程效率（2）MATLAB 把连接、编辑、编译及其执行融合为一体。可以使用户方便的使用。（3）具有很强扩充能力，数学运算可以直接调用丰富得库函数用户文件也能调用当做库函数。（4）matlab 的语句很简单，内涵
12、也是十分的丰富（5）在 matlab 中矩阵和数组运算是十分高效十分方便的（6）有一系列绘图命令可调用，能够更加方便的进行绘图，自变量可调。最主要的是 MATLAB 软件学习起来方便容易，以前有学习 C、VB 语言的基础，MATLAB与 C、VB 语言有类似之处，编程流程大概差不多，但要注意的是 MATLAB 与 C、VB 语言在程序代码上也有细微的差别，MATLAB 是一种解释性的语言，在写程序代码时相对容易方便些，与 C、VB 语言相比较来说它的运算速度慢，但是它功能强大。第 3 页3 PCM 基本原理脉冲编码调制（PCM）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
13、实现通信的方式。因为此种通信方式抗干扰能力强，因此在光钎通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的运用 1。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。根据 CCITT 的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为 A 律和 律方式，我国采用了 A 律方式，由于 A 律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码 2。PCM 的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性
14、。3.1 抽样抽样，即是对模拟的信号所进行的周期性的扫描，将在时间上连续的信号变为在时间上离散的信号1。这个模拟信号经过抽样以后还应要包含原有信号当中所有信息，也就是说能够无失真的恢复原有模拟信号。抽样定理可确定其抽样速率下限。于一个频带限制在(0，fh )内的时间连续信号 f(t)，若以 1/2 fh 的时间间隔对它进行抽样，以此能完全恢复有原信号依靠这些个抽样值。也就是说，要是一个连续信号 f(t)的频谱当中其最高的频率不大于 fh，在抽样的频率 fs2fh 时候，原有连续的所有信息也就包含于抽样后的信号1。这就是抽样定理。3.2 量化从数学上来看，量化是将一个连续幅度值的无限数集合映射成
15、一个离散幅度值的有限数集合5。像图 3.1 所展现出来的量化器 Q 传输出来 M 个量化的值yk，k=1，2，3，M。yk 常被称作量化电平或者是重建电平。在量化器所要输进去的信号的幅度值 x 落在 xk 和 xk+1 当中的时候，量化器就传送输出的电平是 yk。此量化过程就可写成表达式为： Y=Q(x)=QXkxXk+1=Yk,k=1,2,3,M一般来讲k=xk+1-xk 称作量化间隔，在此 xk 被称作判决阈值或者是分层电平。量化器x y图 3.1 模拟信号的量化量化后的抽样信号于量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种失真在接收端还原模拟信号是变现为噪声，并称之为量化
16、噪声9。量化噪声的大小第 4 页取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化极差或间隔越小，量化噪声也越小。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。在现实中，一般爱采用非均匀量化。非均匀量化的量化间隔是依据信号的不同的区间来定的。信号取值大的区间，它的量化间隔v 大；在信号的取值小的区间，它的量化间隔v 小5。将它和均匀量化作比较，它有俩主要好处。首先，在信号具非均匀的分布概率密度（现实中经常如此）时当在输入量化器的时候，能够取得比更加高地的平均信号的量化噪声的功率比在非均匀量化器输出端上；第二是，量化噪声功率的它均方根值大体上和信号的抽样值成比例在非均匀量化的时候。所以说大信号和小信
17、号在量化噪声影响下大体是一样的，也就是改良小信号的时候其量化的信噪比。在实际中，非均匀的量化的办法通常是将获得的抽样值经过压缩然后再均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数是采用对数式压缩。广泛被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5。所谓 A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：；（3.1） xy10,ln1；（3.2）,lAA 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，往往都采用近似于 A 律函数规律的 13 折线（A=87.6）的
18、压扩特性。如此，它便于用电路实现，又基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，在这个设计之中所用着的 PCM 编码正是采用这种压扩特性来编码的8。图 3.2 示出了这种压扩特性，表3.1 列出了 13 折线时的 x 值与计算 x 值的比较。第 5 页图 3.2 A 律函数 13 折线表 3.1 13 折线时的 x 值与计算 x 值的比较y0 812834856871x0 6.0.1.79.13.9.1按折线分段时的 0 12843268421段落 1 2 3 4 5 6 7 8斜率 16 16 8 4 2 1 24表 3.1 中第二行的 x 值是根据 A=87.6 时计算得到的，第三行的 x 值是
19、13 折线分段时的值。可见，13 折线各段落的分界点与 A=87.6 曲线十分逼近，同时 x 按 2 的幂次分割有利于数字化。3.3 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1。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。第 6 页表 3.2 段落码段
20、落序号 段落码8 1117 1106 1015 1004 0113 0102 0011 000表 3.3 段内码量化级 段内码 量化级 段内码15 1111 7 011114 1110 6 011013 1101 5 010112 1100 4 010011 1011 3 001110 1010 2 00109 1001 1 00018 1000 0 0000在 13 折线法中，无论输入信号正还是负，都依 8 段折线（8 个段落）来编码。要是输入信号抽样量化值由 8 位折叠二进制码表示，在此间量化值极性就要用第一位表示，抽样量化值其绝对的大小就要用其余七位（第 2 至 8 位）来表示。详细的做法是：用第2 到第 4 位表示段落码，八个段落的起点电平由它的八种可能状态来分别表示。其它四位表示段内码，每一个段落它的 16 个均匀的划分地量化级由它的 16 种可能状态来分别的代表。这样处理的结果，8 个段落被划分成 128 个量化级。段落码和 8 个段落之间的关系如表 3.2 所示；段内码与 16 个量化级之间的关系见表 3.3。
