模拟信号PCM编码

1、学 号 11780131天津城建大学 信息处理系统综合设计 设计说明书基于GUI的PCM编解码设计与实现起止日期： 2014 年 12 月 29 日 至 2015 年 1 月 23 日学生姓名岳刘香班级11电信科1班成绩指导教师(签字)计算机与信息工程学院2015年 1月 23日天津城建大学课程设计任务书2014 2015学年第一学期 计算机与信息工程 学院 电子信息科学与技术 专业 11信科1班 班级课程设计名称： 信息处理系统综合设计 设计题目： 基于GUI的PCM编解码设计与实现 完成期限：自 2014 年 12 月 29 日至 2015 年 1 月 23 日共 4 周设计依据、要求及主

2、要内容（可另加附页）：一课程设计依据 本课程设计为基于GUI的PCM编解码设计与实现，根据matlab的GUI组件编程和通信原理知识来设计。二设计的基本要求1. 要求独立完成设计任务。2. 认识设计的意义，掌握设计程序，学会使用工具书和技术参考资料，并培养科学的设计思想和良好的设计作风。3. 提高独立分析、解决问题的能力，逐步增强实际应用训练。4. 设计的说明书要求简洁、通顺，图形内容完整、清楚、规范。3 设计的主要内容 本设计为基于GUI的PCM编解码设计与实现，通过GUI的组件编程实现正弦信号的输入，抽样，并用PCM编码方式对正弦信号抽样以后的信号进行编码和解码以及各个模块的调用和链接，实

3、现均匀PCM编码调制，对正弦信号进行均匀PCM量化编码，量化级数为2048。并将量化编码的结果图形绘制出来。 指导教师（签字）： 系主任（签字）： 批准日期： 2014 年12月 18 日目录第1章 设计方法及思路11.1 设计任务简介11.2 基于Matlab的GUI设计方法11.3 设计思路1第2章 GUI的设计步骤22.1 GUI简介22.2 确定对象或类22.3GUI界面设计22.4 理解编程22.5 编写回调函数22.6 保存并执行GUI3第3章 基本原理介绍43.1 基本原理43.2 数字信号发送端 43.3 对正弦信号进行采样 53.4 基于PCM编码和解码6第4章 总结8参考文

4、献9第1章 设计方法及思路1.1 设计任务简介本课程设计的任务是用Matlab GUI来设计实现对正弦信号的输入，然后对两种采样频率的正弦波分别进行采样，量化，编码以及解码的过程。通过调用工具箱中提供的各种通信信号处理的函数对信号进行处理，在各个组件的callback函数下进行回调函数的编写，然后通过GUI的组件编程实现各个模块的调用和链接，从而最终实现基于GUI的数字基带传输信号的设计，其基带信号传输过程如下图所示：输入正弦模拟信号解码编码量化抽样 图1.1 基带信号传输过程1.2 基于Matlab的GUI设计方法 本文采用Matlab的图形用户界面设计向导（GUIDE）进行通信系统仿真平台

5、的设计与实现，对通信信号进行实时处理。GUIDE是一个专门用于GUI程序设计的快速开发环境，包括控制面板、属性编辑器、事件过程编辑器、对齐工具和菜单编辑器五个图形用户界面编辑工具。用户利用该向导可以将图形界面的外观，包括所有的按键及图形的位置进行确定，然后利用Matlab的回调函数编辑器来编写完成约定任务的函数代码，从而方便快捷的设计出一个图形用户界面。GUIDE将用户保存设计好的GUI界面保存在一个FIG资源文件中，同时还能够生成包含GUI初始化的组建界面布局控制代码的M文件。这个M文件为实现回调函数提供了一个参考框架。 调用GUIDE的方法有两种：在Matlab命令窗口中输入guide命令

6、，或在Matlab主菜单中点击FileNewGUI，即可打开一个可编程的窗口。对于Matlab图形用户界面，基于面向对象的设计过程一般包括以下两项工作：GUI界面设计和GUI组件编程。GUI界面设计是在GUI界面选择所需要的组件来实现GUI组件编程则需要对一些组件进行回调函数的编写来实现所对应的功能。 在GUI设计完成以后，通过对每个按钮的callback等进行各自功能的回调函数的编写，使其能够对该按钮进行功能调用来实现功能，在这一过程中，编写程序比较重要，每一个回调函数实现一种功能，在保证所有回调函数没有错误的情况下方能实现用户所需要的功能，进而实现课程设计所用的功能。1.3 设计思路 通过

7、GUI界面添加输入信号的按钮，编辑文本框，静态文本框等工具把传输界面和显示图形的界面做出来，然后在相应的位置上找到callback函数编写每个按钮的回调函数来实现各自的功能。从而最终运行出来对正弦信号的输入，抽样，量化，编码和解码的过程。第2章 GUI的设计步骤2.1 GUI简介 GUIDE，是MATLAB图形用户接口开发环境的简称，它提供了一系列工具用于简历GUI对象。这些工具极大的简化了设计和建立GUI的过程。它给任何使用图像的应用程式提供单独于处理器和控制器之外的有效的图形用户接口。2.2 确定对象或类在面向对象的系统分析过程中，从信号处理的系统中抽象出面向对象编程的类和对象。对话框的选

8、项包括窗口重画行为，命令行访问、生成文件选择、生成回调函数原型、使用系统背景颜色配置等选项，通过不选或选中它们来实现图形用户界面的整体组态设计。根据所处理的通信信号对通信系统进行对象的提取和类的确定；确定个对象与类之间的继承和聚合关系，将类和对象按照层次方式阻止起来，是系统结构更加清晰，系统模型更加有条理，也使编程人员，维护人员清除对象与类之间的内在联系。2.3GUI界面设计Matlab界面设计编辑器组件平台中包含所有能够在GUI中使用的用户界面控件，即按钮、单选按钮、栓牢按钮、复选框、编辑框、静态文本、滚动条、组合框、列表框以及弹出式菜单等。一个GUI中可以存在一个或多个以上的GUI组件，使

9、用时要注意保证各个组件的名称或属性有所不同，以便区分。用户可以用属性检查其对各组件的属性进行设计。在外观设计时还需考虑通信信号处理系统的功能配置，即该图形用户界面的操作将引发何种操作结果。2.4 理解编程Matlab可以通过创建应用程序M文件为GUI控制程序提供一个框架。该框架孕育着一种高效而坚固的编程方法，即所有代码均包含在应用程序M文件中，这就使得M文件只有一个入口可以初始化GUI或调用相应的回调函数以及GUI中希望使用的任意帮助子程序。对应用程序M文件代码进行详细分析，通过了解GUIDE创建应用程序M文件的功能，从而实现GUI的规划。2.5 编写回调函数控制GUI组件响应用户的行为是GU

10、I的实现任务之一。Matlab的GUIDE可以根据用户GUI的版面设计过程直接自动生成M文件框架，这样就简化了GUI应用程序的创建工作，用户可以直接用这个框架编写自己的函数代码。在本课程设计中需要编写输入正弦函数，对正弦函数进行抽样，量化，编码和解码等问题。2.6 保存并执行GUI激活GUI界面，确保界面符合预定的要求，设计满意后保存GUI。运行通信信号处理的仿真平台的应用程序M文件，对其进行反复的调试，使界面及用户空间符合系统预定的功能。第3章 基本原理介绍3.1 基本原理通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类。其中数字通信系统已经成为现代通信的主要发展趋势。自然界中很多信号都是模拟量，我

11、们要进行数字传输就要将模拟量进行数字化，将模拟信号数字化，处理可以分为抽样，编码和解码这几个步骤。本设计利用Matlab GUI对正弦信号进行处理，通过GUI的组件编程实现各个模块的调用和链接，从而最终实现基于Matlab的数字基带信号传输设计。该仿真通过输入一个正弦信号，然后对其进行采样，再用PCM脉冲编码调制方式来对采样信号进行调制，其中量化级数是2048，并最终对其解码的过程来呈现正弦信号的数字基带传输过程。构建出一个界面友好、操作方便、具有良好可扩展性的通信信号处理系统的仿真平台。下图为对正弦函数进行PCM编解码的用户界面。图3.1 数字基带信号传输用户界面3.2 数字信号发送端 进入

12、通信信号处理界面后，通过选择菜单进入对PCM编解码的仿真实例后，设定系统的输入信号为常用信号正弦波，本设计采用正弦波进行发送， 在GUI界面中添加组件，设置输入信号形式为正弦波，设定模拟信号输入频率为1000，在信号输入按钮的callback下输入回调函数实现正弦信号的输入。下图为正弦信号发送端的正弦信号图形。图3.2 发送端输入正弦信号3.3 对正弦信号进行采样 本设计要对正弦信号进行采样，因此首先对正弦信号进行离散处理。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

13、率的下限是由抽样定理确定的。 实际操作中对连续信号间隔相同的抽样周期取值来达到离散化的目的。根据抽样定理，如果信号带宽小于奈奎斯特频率（及采样频率的二分之一），那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号，高于或者处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。设抽样周期是Ts(抽样角频率为wS),则可见抽样后的频谱是原信号频谱的周期性重复，当信号带宽小于奈奎斯特频率的二分之一时不会产生频率混叠现象。该抽样函数的采样频率为2000，下图为采样后的信号：图3.3 对正弦信号进行抽样的结果3.4 基于PCM编码和解码 本设计采用的编码方式为PCM脉冲编码调制方式，把量化后的信号电平转换成代码的过

14、程称为编码。用一组代码表示每一个量化后的样值，量化以后每一个样值都被有限个量化电平代替，这些电平可以用一定长度的码组表示。为了保证较好的通信质量，应该选择合适的编码位数，这不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度。编码位数的多少，决定了量化分级数一定，则编码所需要的位数也就被确定了。编码器的任务就是要把输入的样值脉冲转换成为相应的8位二进制代码。本设计采用的编码量化级数为2048，量化实质上就是用有限个离散电平值表示模拟抽样值得过程。它先对输入信号的取值范围进行“分级”或“分层”，得到M个离散电平值，然后把模拟抽样信号归入最接近的电平值。我们把相邻两个离散电平值之间的差距称为量化间

15、隔，或量化阶距。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。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

16、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。本设计要求对正弦信号进行均匀量化，把输入信号的取值范围按等间隔划分的量化称为均匀量化，均匀量化间隔是一个常数，它的大小有输入信号的变化范围和量化电平数决定。党信号的取值范围和量化点评数确定之后，量化间隔也就确定了。若输入信号幅度最大值和最小值分别为b和a,量化电平数为M，则均匀量化间隔为,通常，量化器输入时模

17、拟抽样信号,量化过程将准确样值变成量化电平之一，即，若 式中，是量化区间的端点值。本设计用13折线非均匀量化。对正弦信号进行采用2048量化级数的编码信号如下图：图3.4 编码信号对编码信号进行解码，解码后的信号如下图所示：图3.5 正弦信号解码信号第4章 总结为期一个月的课程设计转眼间结束了，我做的题目是基于GUI界面数字基带传输系统，这个题目是为下个学期的毕业设计打下基础。在刚拿到题目的时候感觉题目不难，利用GUI把各个空间调出来，再把所需要的回调函数给填写进去就可以调试出来了，可是真正做的时候发现网上资料很有限，而GUI对我来说又是一个全新的东西，以前没有接触过，所以在图书馆借了书，无数次的翻看，找同学和老师指导，每天在实验室做，经过十几天的努力终于有了一定的进步，虽然在毕设上到最后功能没有实现，但是收获特别的多，希望有了这学期的基础，下个学期的毕业设计能够顺利完成。这段时间的课设中，着实遇到了很多的困难，程序从一点也不会编到慢慢能写出来几句，网上资料有限，所以必须自己动手去做。培养了独立思考，独立钻研的能力，更重要的是学会了很多学习的方法，在设计的过程中，不断发现错误，不断改正，并不断总结，在今后的社会发展和学习实践过程中，这将是一笔宝贵的精神财富，在遇到问题和困难时要勤思考，想方设法解决，而不是置之不理。通过这次课程设计，特别感谢老师和同学的帮助，他们晚上还辛苦的帮我解