通信工程课程设计--脉冲编码调制（PCM）系统设计与仿真.doc

武 夷 学 院 课程设计报告课程名称：通信原理设计题目：脉冲编码调制（PCM）系统设计与仿真学生班级：通信工程一班学生姓名：指导教师：完成日期：2013-12-13数学与计算机学院 摘 要PCM是脉冲编码调制的简称，是现代语音通信中数字化的重要编码方式。本课程设计利用MATLAB集成环境，对信号进行PCM编码调制，建立13折线A律PCM编码器模型，进一步绘制出对信号进行脉冲编码调制时域波形图，根据运行结果和波形分析PCM编码调制，加强对这部分内容的理解并了解如何运用于语音传输，光纤传输等领域在课程设计中，系统开发平台为Windows 2000，使用工具软件为MATLAB 7.1。本课程设计主要目的是在信号传输过程中，运用A律PCM译码实现数字信号到模拟信号的转换。该设计运用MATLAB的M文件来编写程序，根据经过抽样、量化、编码后收到的码组（极性码除外），使用A律译码产生相应的控制脉冲，从而输出一个与发信端抽样值接近的脉冲，通过计算，得出理论值与实际值近似，成功达到了设计效果。在该平台运行程序完成了对脉冲编码调制以及对结果的观察。通过该课程设计，达到了对信号进行PCM编码的目的。课程设计项目研究报告目录第一章 项目简介4 1.1 项目开发4 1.2 开发人员4 1.3指导老师4第二章 项目研究意义42.1课程设计目的42.2课程设计要求4第三章 采用的技术53.1脉冲编码调制53.2 PCM编码原理63.3文本输入法简介103.4系统功能简介11第四章 课程设计进度表12第五章 课程设计任务分配表12第六章 达到的效果136.1仿真波形136.3序输入与输出结果156.4输出结果分析15第七章 源程序的运行与解释15第八章 设计过程中解决问题16第九章 心得体会17第十章 参考文献18第一章 项目简介1.1 项目名称脉冲编码调制（PCM）系统设计与仿真1.2 开发人员11通信工程一班 韦观琴 张惠灵1.3指导老师王小文第二章 项目研究的意义2.1课程设计概述该课程设计的目的是让我们进一步学习PCM编译码器原理；在通信系统仿真软件MATLAB平台上，采用M文件设计A律PCM码译码器。对设计项目进行调试；对译码器进行仿真；对仿真结果结合编译码理论进行分析等。使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。2.2课程设计要求及研究意义随着大规模集成电路的飞速发展,已可将话路滤波器和PCM编码器集成在同一芯片上,这使PCM在光纤通信,数字微波通信,卫星通信等数字通信领域中获得了更广泛的应用仿真技术也得到了广泛的应用。基于信号用于通信系统的动态仿真软件MATLAB具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，并且提供了嵌入式的模块分析方法，形成多层系统，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。设计译码器前，首先以理论作指导，构思设计方案。再用MATLAB语言编写程序，在MATLAB软件平台上运行，得到正确程序，并且进行调试、仿真和分析。然后对结果进行处理，输出结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。最后，独立完成课程设计并按要求写课程设计报告书。第三章 采用的技术3.1脉冲编码调制脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)是概念上最简单、理论上最完善的编码系统，是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统，但也是数据量最大的编码系统。PCM的编码原理比较直观和简单，PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。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,下图为PCM系统的原理框图：抽样量化编码信道干扰m(t)ms(t)msq(t)A/D变换译码低通滤波msq(t)m(t)图中，输入的模拟信号m(t)经抽样、量化、编码后变成了数字信号(PCM信号)，经信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟基带信号m(t)。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器)；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号的变换。PCM在通信系统中完成将语音信号数字化功能，它的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。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,采用非均匀量化PCM编码。3.2 PCM编码原理(1) 抽样所谓抽样，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。在一个频带限制在（0，f h）内的时间连续信号f（t），如果以1/2 f h的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过f h，当抽样频率f S2 f h时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。抽样定理在实际应用中应注意在抽样前后模拟信号进行滤波，把高于二分之一抽样频率的频率滤掉。这是抽样中必不可少的步骤。(2) 量化量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。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。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。如下图所示，量化器输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为： 这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。3模拟入量化器量化值模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化： 用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。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，所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律： ， 。由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码, 压扩特性图如下图所示： A律函数13折线压扩特性图这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，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。 表1 13折线时的值与计算值的比较0101按折线分段时的01段落12345678斜率16168421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的幂次分割有利于数字化。5 (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。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。 段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000表2 段落码 表3 段内码6PCM编译码器的实现可以借鉴单片PCM编码器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，考虑到实现细节，仿真时将PCM编译码器分为编码器和译码器模块分别实现，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。（4）译码PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。其中各模块功能如下：D/A转换器：用来实现与A/D转换相反的过程，实现数字量转化为模拟量，从而达到译码最基本的要求，也就是最起码的步骤。瞬时扩张器：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用 A 律压缩，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。 低通滤波器：由于采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。3.3文本输入法简介MATLAB 语言是当今国际上科学界 (尤其是自动控制领域) 最具影响力、也是最有活力的软件。它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。MATLAB 语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。 MATLAB的含义是矩阵实验室（MATRIX LABORATORY），主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB自问世以来,就是以数值计算称雄。MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组（或称阵列），这使得MATLAB高度“向量化”。经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。美国许多大学的实验室都安装有MATLAB供学习和研究之用。在那里,MATLAB是攻读学位的大学生硕士生、博士生必须掌握的基本工具。MATLAB中包括了被称作工具箱（TOOLBOX）的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对MATLAB进行扩展应用的一系列MATLAB函数（称为M文件），它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。随着MATLAB版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。 MATLAB5.3中包括了图形界面编辑GUI，改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。这可让使用者也可以象VB、VC、VJ、DELPHI等那样进行一般的可视化的程序编辑。在命令窗口（matlab command window）键入simulink，就出现(SIMULINK) 窗口。以往十分困难的系统仿真问题，用SIMULINK只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题，这也是近来受到重视的原因所在。3.4系统功能简介该系统主要是通过A律PCM译码，在信号传输过程中，运用A律PCM译码实现数字信号到模拟信号的转换。该设计运用MATLAB的M文件来编写程序，根据经过抽样、量化、编码后收到的码组（极性码除外），使用A律译码产生相应的控制脉冲，从而输出一个与发信端抽样值接近的脉冲，通过计算，得出理论值与实际值近似，成功达到了设计效果。在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。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 编码通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。采用均匀量化时，其抗噪声性能与量化级数有关，每增加一位编码，其信噪比增加约6dB，但实现的电路复杂程度也随之增加，占用带宽也越宽。因此实际采用的量化方式多为非均匀量化，通常使用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化。在保持信号固有的动态范围前提下，在量化前将小信号进行放大而对大信号进行压缩。通常的压缩方法有13折线A律和律两种标准，本课程设计采用的是A律13折线。从而成功实现了该课程设计。第四章 课程设计项目进度表表4日期完成的工作2013-12.9确定课设题目，查找并收集有关材料2013-12.10理解PCM编码原理及相关知识，确定表格，数据类型，系统开发技术，运行环境2013-12.11子模块的程序设计和调试2013-12.12系统联合调试，撰写课程设计总结报告2013-12.13交课程设计纸质和电子版材料第五章 课程设计任务分配表表5成员座号项目内容序号韦观琴49号1、“删除”模块的制作 2、编写段落表（表2），段内表（表3）3、编写项目进度表（表4）4、整理目录5、编写实验心得01张惠灵47号1、“修改”模块的制作 2、制作压扩特性表（表1）3、“仿真波形”模块制作4、编写任务分配表（表5）5、调试程序02第六章 达到的效果以MATLAB的Simulink为工具平台，根据PCM系统的组成原理，在Simulink模块库中找出相应的模块，选择合适的模块以及设置适当的参数，建立了 PCM 通信系统仿真模型，图示如下：6.1仿真波形信号源的波形PCM编码的波形9PCM译码时经过D/A转化并用A律扩张后的输出波形译码后恢复源信号的输出波形由以上数据波形可以看出在PCM编码的过程中，译码输出的波形具有一定的延迟现象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。总结利用MATLAB软件完成了一个完整的PCM通信系统设计，充分发挥了SIMULINK功能强大，建模简单，参数易于调整的特点。结果表明，基于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了强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。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。MATLAB的引入带来了直观的感受,提供了完整的动态系统设计、仿真和可视化的分析环境,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统以及各种速率的系统,主要用于电路与通信系统的设计和仿真。通过MATLAB语言对PCM调制系统的采样、量化、编码的仿真与计算，使得分析PCM调制系统变得直观简单。 6.2程序输入与输出结果程序的编码输入与译码输出如下： q_pcmx=1 0 0 1 1 1 0 1a=-2048b=2048y = 29.50006.3输出结果分析 输入编码信号的向量第一个1是极性码,代表为正.后面的0 0 1代表的是在第二区间,其中第二区间的范围是1632,把第二区间分成16份,每个量化区间为1,最后四位1 1 0 1代表的是第二的区间的第13个量化间隔。译码输出为： （3-1）该计算结果与程序输出结果相同，所以结果正确6。第七章 源程序的运行与解释该程序主要是通过MATLAB软件里的M文件，结合A律13折线和PCM译码器进行编程，实现译码输出。源程序代码为：x=input(输入编码信号向量形式：)； %输入PCM编码信号a=input(输入信号范围a：)； b=input(输入信号范围b：)； %a,b为输入信号范围 delta=b/2048； %量化间隔 n1=x(2)*22+x(3)*21+x(4)+1； %将二进制码转换成十进制码,求得信号落在第几个段落区间 if n1=1 a1=0；b1=16； else a1=2(n1+2)；b1=2(n1+3)； end %求该段落区间的范围 delta1=(b1-a1)/16； %将该段落平均分成16份 p=x(5)*23+x(6)*22+x(7)*21+x(8)； %p为该信号落在第几个段内区间 a2=a1+delta1*(p);b2=a1+delta1*(p+1)； %求得段内区间范围 disp(译码器输出为：)if x(1)=1 y=(a2+b2)/2*delta %根据极性输出PCM解码值else y=-(a2+b2)/2*deltaend第八章 设计过程中需解决的问题1、运用MATLAB仿真抽样信号的频谱，分析满足不同条件下的抽样情况、验证奈奎斯特抽样定理;不同量化电平情况下的信噪比的计算，对PCM调制系统中的非均匀量化的压扩技术和编码进行仿真与计算。2、必须根据实际情况合理的设计采样频率和抽样脉冲的参数，以防波形的失真，由于在刚开始的时候,没有合理设置采样频率的参数,出现了在译码时恢复波形的失真,最后根据采样频率fs大于等于2fH条件,通过不断调试,最终可以合理地恢复源信号波形。但由于在信道传输过程中由于各种原因而引起译码波形有一定的延时现象。3、在设计滤波器时,首先要看系统信号源输出信号频率到底是处于在哪个频率范围,再根据其他参考参数和系统各项技术要求,决定是要设计哪种类型的滤波器,是低通型还是带通型滤波器。4、在调试带使能端的8路数据选择器在实现PCM编码输出的并行数据转换为串行数据输出时，起初由于没有合理应用选择控制端，而导致数据输出毫无规律，即八路数据当中随机12地从哪一路输出，最后通过设置频率不同的三路脉冲方波作用于选择控制端，去控制每一路的数据输出，然后经过调试完成了PCM编码的正确输出。第九章 心得体会本次课程设计在刚开始的时候会比较迷茫，不知道要从何下手，最后我们确定了此次课设的题目