PCM系統(tǒng)仿真實驗報告

1、PCM編解碼及語音傳輸系統(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)出的沒有經(jīng)過調(diào)制（進(jìn)行頻譜搬移和變換）的原始電信號所固有的頻帶（頻率帶寬），稱為基本頻帶，簡稱基帶?；鶐盘枺盒旁矗ㄐ畔⒃?，也稱發(fā)終端）發(fā)出的沒有經(jīng)過調(diào)制（進(jìn)行頻譜搬移和變換）的原始電信號。其特點是頻率較低，信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式。根據(jù)原始電信號的特征，基帶信號可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號（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)基帶信號的衰減不大，從而信號內(nèi)容不會發(fā)生變化。因此在傳輸距離較近時，計算機網(wǎng)絡(luò)都采用基帶傳輸方式。基帶傳輸：不經(jīng)過調(diào)制直接傳輸?；鶐?/p>

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量化編碼線性糾錯編碼線性糾錯解碼低通濾波正弦信號還原信號二進(jìn)制對稱信道圖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 比較直觀和簡單，下圖為 PCM 系統(tǒng)的原理框圖：圖中，輸入的模擬信號 m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號(PCM 信號)，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 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到數(shù)字信號的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號到 模擬信號的變換。PCM 在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能，它的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、 量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù) CCITT 的建 議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建議方式，分別為 A 律和律方式， 我國采用了 A 律方式，由于 A 律壓縮實現(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，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。 該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。 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)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。如下圖所示，量化器輸出L個量化值 Yk ，k=1，2，3，L。Yk常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號幅度x落在 Xk與Xk+1之

5、間時，量化器輸出電平為 yk 。這個量化過程可以表達(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時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號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，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機會并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，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)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔v 也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩

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

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。主要過程是將話音、圖像等模擬信號每隔一定時間進(jìn)行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來表示抽樣脈沖的幅值。模擬信號數(shù)字化必須經(jīng)過三個過程，即抽樣、量化和編碼，以實現(xiàn)話音數(shù)字化的脈沖編碼調(diào)制。抽樣是將模擬信號轉(zhuǎn)換為時間離散的樣本脈沖序列；量化是將離散時間連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成為離散時間離散幅度的數(shù)字信號；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、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，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，對編碼范圍內(nèi)小信號或大信號都采用等量化級進(jìn)行量化。非均勻量化的實現(xiàn)方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。我國一般采用A壓縮率，即13折線法。在 13 折線法中，無論輸入信號是正是負(fù)，均按 8 段折線（8 個段落）進(jìn)行編碼。若用 8 位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，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)來分別代表 8 個段落的起 點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的 16 種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的 16 個均勻劃分的量 化級。這樣處理的結(jié)果，8 個段落被劃分成 27128 個量化級。圖2-2 13折線下表中第二行的值是根據(jù)計算得到的，第三行的值是13折線分段時的值?？梢?3折線各段落的分界點與 曲線十分逼近，同時 按 2 的冪次分割有利于數(shù)字化。圖2-3 PCM原理方框圖補充：線性碼編碼方法 在計算機系統(tǒng)中，信息均按字節(jié)或字組成，故一般采用分組碼。對信源輸出的序列，若按每組長k位進(jìn)行分組，則在二進(jìn)制情況下共有2k個不同的組合，若按某一種規(guī)則，將每一組k

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

11、k個n重為許用碼組，簡稱碼組，碼矢或碼字，而其余的2n-2k個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。 兩個碼組對應(yīng)位上數(shù)字不同的個數(shù)稱為碼組的距離，簡稱碼距，也叫汗明距離。對于（n,k）線性碼來說，2k個碼字中所有可能碼字對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和糾錯能力的重要參數(shù)。三、系統(tǒng)設(shè)計說明：包括設(shè)計模塊圖及各項參數(shù)設(shè)置截圖。1、系統(tǒng)設(shè)計框圖調(diào)用模塊產(chǎn)生模擬正弦信號，對模擬信號進(jìn)行采樣、量化、PCM編碼，將編碼后的信號用通信模塊

12、庫中的模塊再進(jìn)行線性糾錯編碼，讓信號通過二進(jìn)制對稱信道傳輸，然后進(jìn)行線性糾錯解碼。解碼后的信號再進(jìn)行PCM解碼，還原出原信號。設(shè)計原理圖如圖3-1所示。PCM量化解碼PCM量化編碼二進(jìn)制對稱信道線性糾錯解碼線性糾錯編碼抽樣低通濾波還原信號正弦信號圖3-1設(shè)計原理圖2、PCM編碼器系統(tǒng)設(shè)計說明：測試模型和仿真結(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。輸入信號是1726/2048(歸一化后的信號)，經(jīng)過編碼器后編成數(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1726/2048輸入：、Saturation參數(shù)設(shè)置(將輸入信號幅度值限制在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）：、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)計測試模型和仿真結(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)整信號幅度）：1-D Lo

15、okup Table參數(shù)設(shè)置（A率對應(yīng)的譯碼折線）:Product參數(shù)設(shè)置（恢復(fù)信號極性）：3、加入高斯白噪聲后的PCM傳輸系統(tǒng)對模擬正弦信號進(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。輸入為幅度為1，頻率為60HZ的正弦波信號，經(jīng)PCM系統(tǒng)傳輸后，在輸出端還原出原輸入信號。(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，和分別是對前面設(shè)計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）：Zero-Order Hold參數(shù)設(shè)置如下(0階保持，抽樣頻率至少為信號頻率的兩倍)：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：示波器各個監(jiān)測點波形如下圖：誤碼測量結(jié)果：Scope的波形顯示（最上面是原輸入信號，中間是PCM傳輸后的信號，最后是PCM傳輸后未經(jīng)低通濾波的信號）：4、語音信號經(jīng)過P

17、CM系統(tǒng)傳輸?shù)姆抡嫦日乙粋€WAV格式的文件（我把文件命名為input.wav）,代替上一個模塊的正弦信號輸入PCM仿真系統(tǒng)，經(jīng)傳輸后用to multimedia file存儲為output.wav文件，可以通過試聽兩個音頻和示波器的波形來測試該PCM系統(tǒng)的傳輸效果。語音傳輸系統(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（語音信號，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音，下面的波形是輸出語音）：對比上面兩個波形，發(fā)現(xiàn)波形是很接近的，說明語音傳送是成功的。另外輸出的音頻也形成了文件，可對比試聽傳輸前后兩個音頻的音質(zhì)效果。5、誤碼率曲線繪制編寫繪制誤碼率曲線的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)制對稱信道誤碼率曲取值的個數(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文件中對應(yīng)的q）：運行M文件得到的誤碼率曲線圖：說明：橫坐標(biāo)為二進(jìn)制對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、仿真實驗心得仿真報告完成，我覺得我還是有點必要寫點心得體會的。撇開完成的