毕业设计（论文）-PCM和DPCM的MATLAB分析与实现.doc

25目 录摘 要3abstract:3前言41 绪论41.1 研究课题的目的41.2 研究课题的内容41.3 pcm和dpcm的发展前景42 pcm和dpcm的基本原理62.1 pcm的编码和解码过程基本原理62.2 dpcm的编码和解码过程基本原理102.3 本章小结123 模块设计与仿真图形设计123.1 simulink的工作环境熟悉123.2 pcm编码器与解码器的电路设计143.2.1 pcm编码器的电路设计143.2.2 pcm解码器的设计183.3 dpcm的编码器与解码器设计193.4小结234 pcm与dpcm的matlab实现244.1 pcm的matlab实现244.2 dpcm的matlab实现255 问题分析25致 谢26参考文献26pcm和dpcm的matlab分析与实现学生：*指导教师:*8摘 要：本文利用matlab集成环境下的simulink仿真平台,设计一个pcm及dpcm编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率，最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。通过研究熟悉pcm与dpcm的相关原理及使用，并且同时深入掌握 matlab集成环境的使用方法。关键词：matlab7.1 ；simulink仿真平台； pcm与dpcm编码器与解码器；信号波形 pcm and dpcm of matlab analysis and implementationstudent: *supervisor: *abstract:in this paper, an integrated environment matlab simulink simulation platform, the design of a pcm and dpcm encoding and decoding systems. with an oscilloscope before and after encoding and decoding the signal waveform; add all kinds of noise sources, measurement error test module with the error rate, and finally according to operating results and waveform to analyze the system performance.key words： matlab7.1; simulink simulation platform; pcm and dpcm encoder and decoder; signal waveform前言现在的数字传输系统都是采用脉码调制（pulse code modulation） 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有两个标准即e1和t1。预测编码是根据某一模型利用以往的样本值对于新样本值进行预测，然后将样本的实际值与其预测值相减得到一个误差值，对于这一误差值进行编码。如果模型足够好且样本序列在时间上相关性较强，那么误差信号的幅度将远远小于原始信号，从而可以用较少的电平类对其差值量化得到较大的数据压缩结果。如果能精确预测数据源输出端作为时间函数使用的样本值的话，那就不存在关于数据源的不确定性，因而也就不存在要传输的信息。dpcm在图像数据压缩和语音信号的数据压缩中都得到广泛的应用和研究。所以研究在matlab环境下如何分析和实现pcm与dpcm具有很高的实用意义。1 绪论 1.1 研究课题的目的通过论文的撰写不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关pcm和dpcm在matlab环境下的编码以及解码的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力，同时对我们进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。1.2 研究课题的内容利用matlab集成环境下的simulink仿真平台,设计一个pcm和dpcm编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。1.3 pcm和dpcm的发展前景pcm在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲0码和1码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为pcm（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由pcm电端机产生。 pcm可以向用户提供多种业务，既可以提供从2m到155m速率的数字数据专线业务，也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。特别适用于对数据传输速率要求较高，需要更高带宽的用户使用。预测编码方法是一种较为实用被广泛采用的一种压缩编码方法。预测编码方法原理，是从相邻像素之间有强的相关性特点考虑的。比如当前像素的灰度或颜色信号，数值上与其相邻像素总是比较接近，除非处于边界状态。那么预测编码(predictive coding)是统计冗余数据压缩理论的三个重要分支之一，它的理论基础是现代统计学和控制论。由于数字技术的飞速发展，数字信号处理技术不时渗透到这些领域，在这些理论与技术的基础上形成了一个专门用作压缩冗余数据的预测编码技术。预测编码主要是减少了数据在时间和空间上的相关性，因而对于时间序列数据有着广泛的应用价值。在数字通信系统中，例如语音的分析与合成，图像的编码与解码，预测编码已得到了广泛的实际应用。预测编码是根据某一模型利用以往的样本值对于新样本值进行预测，然后将样本的实际值与其预测值相减得到一个误差值，对于这一误差值进行编码。如果模型足够好且样本序列在时间上相关性较强，那么误差信号的幅度将远远小于原始信号，从而可以用较少的电平类对其差值量化得到较大的数据压缩结果。如果能精确预测数据源输出端作为时间函数使用的样本值的话，那就不存在关于数据源的不确定性，因而也就不存在要传输的信息。换句话说，如果我们能得到一个数学模型完全代表数据源，那么在接收端就能依据这一数学模型精确地产生出这些数据。然而没有一个实际的系统能找到其完整的数据模型，我们能找到的最好的预测器是以某种最小化的误差对下一个采样进行预测的预测器。当前像素的灰度或颜色信号的数值，可用前面已出现的像素的值，进行预测（估计），得到一个预测值（估计值），将实际值与预测值求差，对这个差值信号进行编码、传送，这种编码方法称为预测编码方法。预测编码方法分线性预测和非线性预测编码方法。线性预测编码方法，也称差值脉冲编码调制法，简称dpcm（differential pulse code modulation）。预测编码方法在图像数据压缩和语音信号的数据压缩中都得到广泛的应用和研究。2 pcm和dpcm的基本原理2.1 pcm的编码和解码过程基本原理pcm就是所谓的脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。下面将用一个pcm系统的原理框图（图1）简要介绍。抽 样 保 持量化器编码器信道译码器低通滤波器模拟信号输入pcm信号输出干扰pcm信号输入模拟信号输出冲激脉冲图1 pcm原理方框图在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。这个抽样值仍是模拟量。在它量化之前，通常由保持电路（holding circuit）将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后在编码器中进行二进制编码。这样，每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。图中的译码器的原理和编码过程相反。其中，量化与编码的组合称为模/数变换器(a/d变换器)； 译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(d/a变换器)。 抽样是对模拟信号进行周期性的扫描， 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息， 即能无失真地恢复出原模拟信号， 抽样速率的下限由抽样定理确定。 量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。 编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。图2是pcm单路抽样、量化、 编码波形图。 律与a律压缩特性律： （美、日）a律： （我国、欧洲） 式中，x为归一化输入，y为归一化输出，a、为压缩系数。 图2 pcm单路抽样、量化、 编码波形图数字压扩技术：一种通过大量的数字电路形成若干段折线， 并用这些折线来近似a律或律压扩特性，从而达到压扩目的方法。即对数压扩特性的折线近似法。折线压扩特性：既不同于均匀量化的直线，又不同于对数压扩特性的光滑曲线。总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的， 但它既有非均匀量化(不同折线有不同斜率)， 又有均匀量化(在同一折线的小范围内)。 两种常用数字压扩技术：（1）a律13折线压扩13折线近似逼近a=87.6的a律压扩特性；（2） 律15折线压扩15折线近似逼近=255的律压扩特性。采用折线压扩的特点：基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路的实现实际中a律常采用13折线近似图3 a律13折线其具体分法如下:先将x轴的区间0，1一分为二，其中点为1/2,取区间1/2,1作为第八段;区间0,1/2再一分为二，其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段;区间0,1/4再一分为二，其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段;区间0,1/8一分为二，中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段;区间0,1/16一分为二，中点为1/32,取区间1/32,1/16作为第四段; 区间0,1/32一分为二，中点为1/64,取区间1/64,1/32作为第三段;区间0,1/64一分为二，中点为1/128,区间1/128,1/64作为第二段;区间0,1/128作为第一段。然后将y轴的0,1区间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分别与x轴对应。编码的码字和码型: 二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，并易于再生，因此pcm中一般采用二进制码。对于q个量化电平，可以用k位二进制码来表示，称其中每一种组合为一个码字。在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量要求。而对于干线远程的全网通信，一般要经过多次转接， 要有较高的质量要求，目前国际上多采用8位编码pcm设备。 码型指的是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。在pcm中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码(又称格雷码)。 码位的安排:目前国际上普遍采用8位非线性编码。例如pcm 30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4 096个量化单位(最小的量化间隔称为一个量化单位)， 在4 096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。用于13折线a律特性的8位非线性编码的码组结构如下：极性码段落码段内码m1m2m3m4m5m6m7m8其中，第1位码m1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码m1不同外，其余几位码是完全一样的。因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位码(m2，, m8)就能表示出来。2.2 dpcm的编码和解码过程基本原理 dpcm编码,简称差值编码，是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式(抽样差值的含义请参见“增量调制”)。这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。对于有些信号(例如图像信号)由于信号的瞬时斜率比较大，很容易引起过载，因此，不能用简单增量调制进行编码，除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方法，只能采用瞬时压扩的方法。但瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这类瞬时斜率比较大的信号，通常采用一种综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方法进行编码，这种编码方式被简称为脉码增量调制，或称差值脉码调制，用dpcm表示。 这种调制方式的主要特点是把增量值分为个等级，然后把个不同等级的增量值编为位二进制代码( )再送到信道传输，因此，它兼有增量调制和pcm的各自特点。设这个误差电压经过量化后变为个电平中的一个，电平间隔可以相等，也可以不等，这里认为它是间隔相等的均匀量化。量化了的误差电压经过脉冲调制器变为pam脉冲序列，这个pam信号一方面经过pam编码器编码后得到dpcm信号发送出去。另一方面把它经过积分器后变为与输入信号x(t)进行比较，通过相减器得到误差电压e(t)。实验表明，经过dpcm调制后的信号，其传输的比特率要比pcm的低，相应要求的系统传输带宽也大大地减小了。此外，在相同比特速率条件下，dpcm比pcm信噪比也有很大的改善。与m相比，由于它增多了量化级，因此，在改善量化噪声方面优于m系统。dpcm的缺点是易受到传输线路上噪声的干扰，在抑制信道噪声方面不如m。图4 dpcm编、解码原理图系统包括，发送、接收和信道传输三个部分。发送端由编码器、量化器、预测器和加减法器组成；接收端包括解码器和预测器等；信道传送以虚线表示。由图可见dpcm系统具有结构简单，容易用硬件实现（接收端的预测器和发送端的预测器完全相同）的优点。图中输入信号f(i,j)是坐标为像素点的实际灰度值，是由已出现先前相邻像素点的灰度值对该像素点的预测灰度值。是预测误差。假如发送端不带量化器，直接对预测误差进行编码、传送，接收端可以无误差地恢复。这是可逆的无失真的dpcm编码，是信息保持编码；但是，如果包含量化器，这时编码器对编码，量化器导致了不可逆的信息损失，这时接收端，经解码恢复出的灰度信号，不是真正的，以表示这时的输出。可见引入量化器会引起一定程度的信息损失，使图像质量受损。但是，为了压缩比特数，利用人眼的视觉特性，对图像信息丢失不易觉察的特点，带有量化器有失真的dpcm编码系统还是普遍被采用。2.3 本章小结 本章详细的介绍了pcm与dpcm的基本原理，了解的pcm与dpcm的编码和解码的具体方法，为在matlab环境下去分析和实现pcm与dpcm提供了理论依据和具体方法。3 模块设计与仿真图形设计3.1 simulink的工作环境熟悉建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图5所示：系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块。图5 正弦仿真电路图正弦波参数设置如图6所示：图6 正弦参数设置系统内的示波器显示的波形如图7所示：图7 单正弦波与平方波的对比结论：两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2,频度是原频度的2倍。3.2 pcm编码器与解码器的电路设计 3.2.1 pcm编码器的电路设计图8 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果如图8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。具体的参数设置如下： 1. a-law compressor:图92. abs:图103. relay:图114.gain:图125. quantizer:图136. integer to bit converter:图147. display:图158. mux:图16封装后的编码子系统如图17：图17 封装后的编码子系统图标为：3.2.2 pcm解码器的设计封装后的解码器如图18：图18图标为：图19 pcm编码器和解码器（无噪声）测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图19所示，其中pcm编码与解码子系统已经封装好了。经过编码与解码之后，然后通过低通滤波器，最后在示波器scope上得出输出波形，示波器上还显示了原信号，以便与输出信号进行比较。在编码器之后通过display和scope1显示出pcm数字信号，注意：在通过示波器前需经过to frame和buffer，其中to frame是用来形成帧信号，buffer是缓冲器。3.3 dpcm的编码器与解码器设计 仿真环境参数设置和pcm一样。dpcm编码与解码的仿真电路图如图20所示此系统所用的仿真电路模块有：正弦波模块、增益模块、dpcm编码模块、dpcm解码模块数制转换模块、terminator模块、示波器模块。正弦信号用于输入信号，示波器用于观察波形。图20 dpcm编码与解码的电路图系统所用模块的参数设置 调制信号模块的参数设置：正弦波幅度设计为1，频率frequency设置为1。图21 调制信号的参数设置dpcm encoder的参数设置如下图22所示：图22 dpcm encoder的参数设置dpcm decoder的参数设置如图23所示：图23 decoder的参数设置数制转换模块参数设置如图24和25所示：图24 数制转换模块参数设置图25 数制转换模块参数设置示波器的参数设置：示波器有3个接口，时间范围设置为auto，如图26所示图26 数制转换模块参数设置用示波器观察正弦信号的波形，进行dpcm编码后的波形，进行dpcm解码后的波形，如图27所示:图27 用示波器观察正弦信号的波形3.4小结不加任何干涉信号的原正弦信号的图形与进行dpcm和pcm编码和解码后的图形是一致的。这证明在matlab集成环境下我们完全能够实现pcm和dpcm。能够排除干扰信号的干扰作用，准确快速的编码信号以及以较小误差的准确率解码信号，实现信息的传输。4 pcm与dpcm的matlab实现4.1 pcm的matlab实现1.scope:图282. scope1:图294.2 dpcm的matlab实现图305 问题分析在此次课程设计过程中遇到了不少问题，主要有以下几点：1 在刚开始课程设计之初，我对pcm和dpcm编码与解码原理几乎一无所知，经过查阅资料，询问老师和同学，我逐步加强了对此原理的认识。2 在熟悉simulink软件的过程中，我原来的matlab7.1 中缺少dpcm编码与解码模块（dpcm encoder和dpcm encoder），后来经过研究解决了这个问题，这也让我对matlab环境有了更好的了解，于是我就顺利的将接下来的工作进行了下去。3 在参数的设置过程中,开始用默认参数,但是调试过程中波形有问题,在查阅相关资料之后才根据实际要求设置了合理的参数。 致 谢 首先要老师的谆谆教导，于他们身上我学到了很多宝贵的知识和经验，他们的思想与学习风格深深地感染了我，在与他们交谈的过程中总能让我受益匪浅。最后我还要深深的感谢我的父母和家人，正是他们的理解和支持才使我顺利的渡过了人生中的一段美好时光。在论文即将完成之际，我的心情久久无法平静，从开始进入课题到课题的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助