PCM系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、PCM編解碼及語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的仿真一、概述基帶通信概述基帶：信源（信息源，也稱發(fā)終端）發(fā)出的沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制（進(jìn)行頻譜搬移和變換）的原始電信號(hào)所固有的頻帶（頻率帶寬），稱為基本頻帶，簡(jiǎn)稱基帶。基帶信號(hào)：信源（信息源，也稱發(fā)終端）發(fā)出的沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制（進(jìn)行頻譜搬移和變換）的原始電信號(hào)。其特點(diǎn)是頻率較低，信號(hào)頻譜從零頻附近開(kāi)始，具有低通形式。根據(jù)原始電信號(hào)的特征，基帶信號(hào)可分為數(shù)字基帶信號(hào)和模擬基帶信號(hào)（相應(yīng)地，信源也分為數(shù)字信源和模擬信源。）其由信源決定。由于在近距離范圍內(nèi)基帶信號(hào)的衰減不大，從而信號(hào)內(nèi)容不會(huì)發(fā)生變化。因此在傳輸距離較近時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都采用基帶傳輸方式。基帶傳輸：不經(jīng)過(guò)調(diào)制直接傳輸。基帶

2、通信亦為基帶傳輸。它的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。PCM量化解碼PCM量化編碼線性糾錯(cuò)編碼線性糾錯(cuò)解碼低通濾波正弦信號(hào)還原信號(hào)二進(jìn)制對(duì)稱信道圖2-1 基帶傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)是概念上最簡(jiǎn)單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)， 是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM 的編碼原理 比較直觀和簡(jiǎn)單，下圖為 PCM 系統(tǒng)的原理框圖：圖中，輸入的模擬信號(hào) m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號(hào)(PCM 信號(hào))，經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號(hào) m(t)。通常

3、， 將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器（A/D 變換器)；而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變 換器(D/A 變換器)。前者完成由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號(hào)到 模擬信號(hào)的變換。PCM 在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能，它的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、 量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù) CCITT 的建 議，為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為 A 律和律方式， 我國(guó)采用了 A 律方式，由于 A 律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化 PCM 編碼。二、PCM的基本原理抽樣所謂抽

4、樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。 該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。 它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。量化量化，就是把經(jīng)過(guò)抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來(lái)表示。從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。如下圖所示，量化器輸出L個(gè)量化值 Yk ，k=1，2，3，L。Yk常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度x落在 Xk與Xk+1之

5、間時(shí)，量化器輸出電平為 yk 。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為：這里Xk稱為分層電平或判決閾值。通常將X=Xk+1- Xk稱為量化間隔。模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。均勻量化： 用這種方法量化輸入信號(hào)時(shí)，無(wú)論對(duì)大的輸入信號(hào)還是小的輸入信號(hào)一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號(hào)，同時(shí)又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對(duì)話音信號(hào)來(lái)說(shuō)，大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)并不多，增加的樣本位數(shù)就沒(méi)有充分利用。為了克服這個(gè)不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。非均勻量化：非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔v 也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩

6、個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，首先，當(dāng)輸入量 化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以 得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上 與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化 信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的 壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是 壓縮律和 A 壓縮律。美國(guó)采 用 壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用 A 壓縮律。編碼所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過(guò)程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼 和譯碼與差錯(cuò)控制

7、編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。PCM（脈沖光編碼調(diào)制）：數(shù)字通信的編碼方式之一。主要過(guò)程是將話音、圖像等模擬信號(hào)每隔一定時(shí)間進(jìn)行取樣，使其離散化，同時(shí)將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時(shí)將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來(lái)表示抽樣脈沖的幅值。模擬信號(hào)數(shù)字化必須經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程，即抽樣、量化和編碼，以實(shí)現(xiàn)話音數(shù)字化的脈沖編碼調(diào)制。抽樣是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的樣本脈沖序列；量化是將離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散時(shí)間離散幅度的數(shù)字信號(hào)；編碼是用一定位數(shù)的脈沖媽祖表示量化采樣值。其原理圖如圖2-3所示。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。

8、通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無(wú)論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。量化分為均勻量化和非均勻量化。均勻量化時(shí)，對(duì)編碼范圍內(nèi)小信號(hào)或大信號(hào)都采用等量化級(jí)進(jìn)行量化。非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。我國(guó)一般采用A壓縮率，即13折線法。在 13 折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按 8 段折線（8 個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用 8 位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示輸入信號(hào)的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第 二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。具體的做法是：用第二至

9、第四位表示段落碼，它的 8 種可能狀態(tài)來(lái)分別代表 8 個(gè)段落的起 點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的 16 種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的 16 個(gè)均勻劃分的量 化級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8 個(gè)段落被劃分成 27128 個(gè)量化級(jí)。圖2-2 13折線下表中第二行的值是根據(jù)計(jì)算得到的，第三行的值是13折線分段時(shí)的值?？梢?jiàn)13折線各段落的分界點(diǎn)與 曲線十分逼近，同時(shí) 按 2 的冪次分割有利于數(shù)字化。圖2-3 PCM原理方框圖補(bǔ)充：線性碼編碼方法 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，信息均按字節(jié)或字組成，故一般采用分組碼。對(duì)信源輸出的序列，若按每組長(zhǎng)k位進(jìn)行分組，則在二進(jìn)制情況下共有2k個(gè)不同的組合，若按某一種規(guī)則，將每一組k

10、位增加r位校驗(yàn)位（r=n-k，n是含有碼元的個(gè)數(shù)）。使之成為具有一定糾錯(cuò)或檢錯(cuò)能力的碼字，則在2k個(gè)碼字集合構(gòu)成分組碼。分組碼的規(guī)律性是局限在一個(gè)碼組之內(nèi)的，如果這種規(guī)律性是以一線性方程組來(lái)表示的，則這種分組碼就叫做線性分組碼。 分組碼一般可用符號(hào)（n,k）表示，其中k是每組的信息元數(shù)目，n是碼組的總位數(shù)，又稱為碼組的長(zhǎng)度（碼長(zhǎng)）。r=n-k 為碼組的監(jiān)督元數(shù)目。長(zhǎng)為n的所以二進(jìn)制組（或稱n重）共有2n個(gè)，但長(zhǎng)為k的信息組只有2k個(gè)，因此分組碼實(shí)際上就是以一定的規(guī)則從2n個(gè)n重中挑選出2k個(gè)n重，使2k個(gè)信息組與2k個(gè)n重之間建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這2k個(gè)n重組成了一個(gè)（n,k）分組碼。通常稱這2

11、k個(gè)n重為許用碼組，簡(jiǎn)稱碼組，碼矢或碼字，而其余的2n-2k個(gè)n重為禁用碼組。 在（n,k）線性分組碼中，常用編碼效率R衡量碼的有效性，它定義為信息位在碼字中所占的比重：R=k/n ，R越大，表明碼的冗余度越小。 兩個(gè)碼組對(duì)應(yīng)位上數(shù)字不同的個(gè)數(shù)稱為碼組的距離，簡(jiǎn)稱碼距，也叫汗明距離。對(duì)于（n,k）線性碼來(lái)說(shuō)，2k個(gè)碼字中所有可能碼字對(duì)之間的汗明距離中最小的距離稱為該碼的最小漢明距離，用dmin表示，這是衡量這種編碼檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力的重要參數(shù)。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明：包括設(shè)計(jì)模塊圖及各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置截圖。1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖調(diào)用模塊產(chǎn)生模擬正弦信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、PCM編碼，將編碼后的信號(hào)用通信模塊

12、庫(kù)中的模塊再進(jìn)行線性糾錯(cuò)編碼，讓信號(hào)通過(guò)二進(jìn)制對(duì)稱信道傳輸，然后進(jìn)行線性糾錯(cuò)解碼。解碼后的信號(hào)再進(jìn)行PCM解碼，還原出原信號(hào)。設(shè)計(jì)原理圖如圖3-1所示。PCM量化解碼PCM量化編碼二進(jìn)制對(duì)稱信道線性糾錯(cuò)解碼線性糾錯(cuò)編碼抽樣低通濾波還原信號(hào)正弦信號(hào)圖3-1設(shè)計(jì)原理圖2、PCM編碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明：測(cè)試模型和仿真結(jié)果如下圖所示。其中以Saturation作為限幅器，將輸入信號(hào)幅度值限制在PCM編碼的定義范圍內(nèi)，以A-Law Compressor作壓縮器，Relay模塊的門(mén)限值設(shè)置為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位極性碼。樣值取值絕對(duì)值后，用增益模塊將樣值放大到0-127，然后用間隔為1的Qu

13、antizer進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位。輸入信號(hào)是1726/2048(歸一化后的信號(hào))，經(jīng)過(guò)編碼器后編成數(shù)字碼11111010。編碼器仿真模塊圖各部分參數(shù)設(shè)置截圖如下：、Constant參數(shù)設(shè)置，歸一化信號(hào)1726/2048輸入：、Saturation參數(shù)設(shè)置(將輸入信號(hào)幅度值限制在PCM編碼的定義范圍內(nèi))：、Abs參數(shù)設(shè)置(取絕對(duì)值)：、Relay參數(shù)設(shè)置(作用是生成極性位)：、1-D Lookup Table參數(shù)設(shè)置（構(gòu)造A率折線）：、Gain參數(shù)設(shè)置（放大信號(hào)）：、Quantizer參數(shù)設(shè)置（設(shè)置量化間隔）：、Integer to Bit

14、Converter參數(shù)設(shè)置（7位碼位并行輸出）：3、PCM解碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試模型和仿真結(jié)果如下圖所示。其中PCM編碼子系統(tǒng)是3.2中編碼器封裝之后的。PCM解碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位（極性碼）和7位數(shù)據(jù)。然后將7位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化，擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值。如圖，1726/2048經(jīng)編譯碼后得到0.8425。解碼器仿真模塊圖其中，是編碼器模塊的封裝，它包括如下部分：各模塊參數(shù)設(shè)置如下：Constant、Relay模塊參數(shù)設(shè)置同編碼器。Bit to interger convert模塊參數(shù)設(shè)置（并行轉(zhuǎn)化為串行）：Gain模塊參數(shù)設(shè)置（調(diào)整信號(hào)幅度）：1-D Lo

15、okup Table參數(shù)設(shè)置（A率對(duì)應(yīng)的譯碼折線）:Product參數(shù)設(shè)置（恢復(fù)信號(hào)極性）：3、加入高斯白噪聲后的PCM傳輸系統(tǒng)對(duì)模擬正弦信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、PCM編碼、成幀，進(jìn)行線性編碼再經(jīng)二進(jìn)制對(duì)稱信道傳輸再進(jìn)行線性解碼，PCM解碼濾波后恢復(fù)出原信號(hào)。輸入為幅度為1，頻率為60HZ的正弦波信號(hào)，經(jīng)PCM系統(tǒng)傳輸后，在輸出端還原出原輸入信號(hào)。(觀察scope里面顯示的波形。)加入高斯白噪聲的PCM傳輸系統(tǒng)仿真模塊圖其中，和分別是對(duì)前面設(shè)計(jì)的編碼和譯碼部分的封裝，編碼和解碼模塊封裝包括以下部分：各部分參數(shù)設(shè)置如下：Signal Generator參數(shù)設(shè)置如下（產(chǎn)生幅度為1，頻率為60HZ的正弦

16、信號(hào)）：Zero-Order Hold參數(shù)設(shè)置如下(0階保持，抽樣頻率至少為信號(hào)頻率的兩倍)：Buffer參數(shù)設(shè)置如下(Buffer、Buffer1和Buffer2)：Buffer:Buffer1:Buffer2:Binary linear Encoder參數(shù)設(shè)置：Binary symmetric Channel參數(shù)設(shè)置（加噪聲）：Binary Linear decode參數(shù)設(shè)置:Reshape參數(shù)設(shè)置：模擬低通濾波器參數(shù)設(shè)置：示波器各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)波形如下圖：誤碼測(cè)量結(jié)果：Scope的波形顯示（最上面是原輸入信號(hào)，中間是PCM傳輸后的信號(hào)，最后是PCM傳輸后未經(jīng)低通濾波的信號(hào)）：4、語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)P

17、CM系統(tǒng)傳輸?shù)姆抡嫦日乙粋€(gè)WAV格式的文件（我把文件命名為input.wav）,代替上一個(gè)模塊的正弦信號(hào)輸入PCM仿真系統(tǒng)，經(jīng)傳輸后用to multimedia file存儲(chǔ)為output.wav文件，可以通過(guò)試聽(tīng)兩個(gè)音頻和示波器的波形來(lái)測(cè)試該P(yáng)CM系統(tǒng)的傳輸效果。語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)需要另外設(shè)置的模塊：From Multimedia File模塊參數(shù)設(shè)置（WAV格式音頻文件）：Zero-order hold模塊參數(shù)設(shè)置（語(yǔ)音信號(hào)，抽樣頻率設(shè)置為8000HZ）:模擬低通濾波器參數(shù)設(shè)置：Error Rate calculation模塊參數(shù)設(shè)置（取消端口，改用workplace）：Scope模塊的顯示結(jié)果

18、（上面的波形是輸入語(yǔ)音，下面的波形是輸出語(yǔ)音）：對(duì)比上面兩個(gè)波形，發(fā)現(xiàn)波形是很接近的，說(shuō)明語(yǔ)音傳送是成功的。另外輸出的音頻也形成了文件，可對(duì)比試聽(tīng)傳輸前后兩個(gè)音頻的音質(zhì)效果。5、誤碼率曲線繪制編寫(xiě)繪制誤碼率曲線的M文件，程序如下：Clear / 清除err=0:0.005:0.2; / 二進(jìn)制對(duì)稱信道的誤碼概率取值范圍for i=1:length(err); / i的取值由1 到二進(jìn)制對(duì)稱信道誤碼率曲取值的個(gè)數(shù)q=err(i); sim(pcm_radio); / 載入模擬器件系統(tǒng)errb(i)=ErrorVec(1); / 調(diào)用誤碼率的值，并賦值與errb(i)endplot(err,errb) / 繪圖xlabel(信道誤碼率); ylabel(系統(tǒng)誤碼率); /設(shè)置圖表格式title(誤碼率關(guān)系圖);grid;模塊圖中需要修改參數(shù)的部分（BSC,將誤碼率改成和M文件中對(duì)應(yīng)的q）：運(yùn)行M文件得到的誤碼率曲線圖：說(shuō)明：橫坐標(biāo)為二進(jìn)制對(duì)稱信道的信道誤碼率，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)的誤碼率，隨著信道誤碼率的增大，系統(tǒng)的誤碼率也逐漸增大。四、仿真實(shí)驗(yàn)心得仿真報(bào)告完成，我覺(jué)得我還是有點(diǎn)必要寫(xiě)點(diǎn)心得體會(huì)的。撇開(kāi)完成的