基于Matlab的脈沖編碼仿真_課程設計說明書

1、 課程設計說明書課程設計說明書課程設計名稱：課程設計名稱： 專業(yè)課程設計專業(yè)課程設計 課程設計題目：課程設計題目： 基于基于 MatlabMatlab 的脈沖編碼仿真的脈沖編碼仿真 學學 院院 名名 稱：稱： 信息工程學院信息工程學院 專業(yè)：專業(yè)： 通信工程通信工程 班級：班級： 學號：學號： 姓名：姓名： 評分：評分： 教師：教師： 2020 1313 年年 7 7 月月 3 3 日日 專業(yè) 課課程程設設計計任任務務書書2020 12122020 1313 學年學年 第第 2 2 學期學期第第 1717 周周 1919 周周 題目題目基于 Matlab 的脈沖編碼調制內容及要求內容及要求1以

2、 TP3067 為核心設計調制系統(tǒng)；2設計 PCM 解調系統(tǒng)；3調制、解調信號必須一致。 進度安排進度安排 17 周：查找資料，進行系統(tǒng)軟件方案設計；周：查找資料，進行系統(tǒng)軟件方案設計； 18 周：軟件的分模塊調試；周：軟件的分模塊調試； 19 周：系統(tǒng)聯(lián)調；設計結果驗收，報告初稿的撰寫。周：系統(tǒng)聯(lián)調；設計結果驗收，報告初稿的撰寫。學生姓名：李明指導時間：每周一、二、三、四指導地點：E 樓 610 室任務下達20 13 年 6 月 17 日任務完成20 13 年 7 月 5 日考核方式1.評閱 2.答辯 指導教師程宜凡系（部）主任付崇芳 摘摘 要要 本課題結合 MATLAB 軟件的 Simul

3、ink 仿真功能與 S-函數(shù)的仿真擴展功能，完成了對脈沖編碼調制（PCM）系統(tǒng)的仿真與建模分析。課題中主要分為三部分對脈沖編碼調制（PCM）系統(tǒng)原理進行仿真建模與仿真分析，它們分別為采樣、量化和編碼原理的仿真建模。同時仿真分析了采樣與欠采樣的波形、均勻量化與非均勻量化的量化誤差、A 律 13 折線和 律 15 折線的量化誤差、PCM 與 DPCM 系統(tǒng)的量化噪聲。通過對脈沖編碼調制（PCM）系統(tǒng)原理的這些仿真分析，在教學中將會有很大的應用價值。關 鍵 詞：脈沖編碼調制（PCM） ；Simulink 仿真；量化誤差 目目 錄錄前言前言.1第一章第一章 設計任務設計任務.2第二章第二章 脈沖編碼原

4、理脈沖編碼原理概述概述.3 2.1 PCM 過程分析 .3 2.2 基于 SIMULINK 的 PCM 仿.4第三章第三章 采樣采樣.53.1 采樣原理.53.2 采樣仿真及參數(shù).5第四章第四章 量化量化.74.1 量化原理.74.2 量化仿真.84.3 量化誤差.10第五章第五章 編碼編碼.185.1 編碼原理.185.2 編碼仿真.19第六章第六章 綜合綜合.20 6.1 仿真框圖及各部分簡介. .20 6.2 各部分參數(shù)設置.21 6. 3 示波器的波形顯示.23第七章第七章 體會體會.24參考文獻參考文獻.25 前前 言言脈沖編碼調制（PCM）包括采樣、量化、編碼。其中，量化又分為均勻

5、量化和非均勻量化；PCM 編碼技術又分為 A 律 13 折線編碼和 律 15 折線編碼。主要包括對采樣、量化、編碼三部分進行仿真，以及對 1.采樣與欠采樣的波形比較 2.均勻量化、非均勻量化與 A 律 13 折線比較。本次項目的主要目的是：在通信原理教學上，作為一種更先進的教學手段使學生在學習脈沖編碼調制（PCM）技術時更形象更直觀，這樣不但可以提高教師教學效率，也可以培養(yǎng)學生對學習通信原理的興趣。同時，如果學校搭建通信系統(tǒng)實驗室將需要很大的資金投入，但如果采用 MATLAB 的仿真技術直接在計算機上進行通信仿真實驗則可以省去大量資金。另外，實際的通信系統(tǒng)是一個功能結構相當復雜的系統(tǒng)，對這個系

6、統(tǒng)作出的任何改變（如改變了某個參數(shù)的設置、改變系統(tǒng)的結構等）都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。因此，在計算機上直接進行通信系統(tǒng)仿真實驗將會很方便。低通濾波器 第一章第一章 設計任務設計任務 根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，利用 MATLAB 軟件工具實現(xiàn)脈沖編碼調制(PCM)系統(tǒng)的設計與仿真，觀察仿真波形，并繪制相關的圖形；通過編程設置對參數(shù)進行調整，可以調節(jié)輸出信號的顯示效果。PCM 即脈沖編碼調制，是一種用二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值，從而實現(xiàn)通信的方式。PCM 系統(tǒng)的原理方框圖如圖 1 所示。在編碼器中由沖激脈沖對模擬信號抽樣，得到在抽樣時刻上的信號抽樣值，此抽樣值仍為模擬量。在它量化之前，

7、通常用保持電路將其作短暫保存，以便電路有時間對其進行量化。圖中的量化器把模擬抽樣信號變成離散的數(shù)字量，然后在編碼器中進行二進制編碼。這樣，每個二進制碼組就代表一個量化后的信號抽樣值。譯碼器的原理和編碼過程相反。 模擬信號輸入 抽樣保持 量化器 編碼器 PCM 信號輸出 沖激脈沖 （a） 編碼器 PCM 信號輸入 譯碼器 模擬信號輸出 （b） 譯碼器 圖 1-1-1 PCM 原理方框圖要求：1使用 Simulink 工具箱進行仿真；2并對模擬信號進行量化處理，觀察均勻量化和非均勻量化的波形。 第二章第二章 脈沖編碼原理脈沖編碼原理概述概述2.12.1 PCMPCM 過程分析過程分析 PCM 即脈

8、沖編碼調制，在通信系統(tǒng)中完成將模擬信號變成數(shù)字信號功能。PCM 的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。是把連續(xù)的輸入信號變換為在時間域和振幅域上都離散的量，然后再把它變換為二進制代碼進行傳輸。其功能是完成模-數(shù)轉換，實現(xiàn)連續(xù)消息數(shù)字化。在脈沖編碼通信的接收段，首先由已受噪聲干擾的波形中進行檢測和再生，從而恢復原來的 PCM 信號。然后由譯碼設備把代碼還原為量化的采樣值。最后經(jīng)過低通濾波器恢復原信號，完成與發(fā)送端相反的變換，即實現(xiàn)數(shù)-模轉換。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

9、縮實現(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化 PCM 編碼示意圖見下圖。 圖 2-1-1 PCM 原理框圖本次課設，我們只研究脈沖編碼這一部分，即采樣、量化、編碼三個過程。譯碼采樣量化編碼脈沖再現(xiàn)( )f t+噪聲A/D 變換信道定時D/A 變換LPF( )ft 圖 2-1-2 脈沖編碼調制原理低通濾波瞬時壓縮抽 樣量 化編 碼低通濾波瞬時擴張解 調解 碼信道再 生話音輸入話音輸出基于基于 SIMULINKSIMULINK 的的 PCMPCM 仿真仿真 Simulink 是 MATLAB 提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建摸、仿真和分析的工具包。Simulink 提供了專門用于顯示輸出信號的模

10、塊，可以在仿真過程中隨時觀察仿真結果。simulink 具有良好的交互界面，通過分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個可視的仿真過程，不僅在工程上得到應用，在教學領域也得到認可，尤其在信號分析、通信系統(tǒng)等領域。其可以實現(xiàn)復雜的模擬、數(shù)字及數(shù)?；旌想娐芳案鞣N速率系統(tǒng)。本文主要闡述了如何利用 simulink 實現(xiàn)脈沖編碼調制（PCM） 。系統(tǒng)的實現(xiàn)通過模塊分層實現(xiàn)，模塊主要由 PCM 編碼模塊、PCM 譯碼模塊、及邏輯時鐘控制信號構成。通過仿真設計電路，分析電路仿真結果，為最終硬件實現(xiàn)提供理論依據(jù)。在 MATLAB 工作區(qū)中輸入“Simulink”并回車，或單擊 MATLAB 工具欄上的按鈕，就

11、進入了 Simulink 模型庫。采用 Simulink 進行建摸和仿真時，一般是從 Simulink 模型庫中提供的模塊出發(fā)，通過組合各種模塊來完成模塊的設計。Simulink 模型庫提供了一種模塊的集成環(huán)境，通過它可以快速地開發(fā)各種仿真模型。 本課題用到 Source Coding（信源編碼模塊庫） ，其包含各種用于實現(xiàn)抽樣和量化功能的模塊。第三章第三章 采樣采樣3.1.1 抽樣抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，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)過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。它的抽樣速

12、率的下限是由抽樣定理確定的。如果一個連續(xù)信號 f(t)的頻譜中最高頻率不超過 fh，當抽樣頻率 fS2fh 時，抽樣后的信號就包含原連續(xù)的全部信息。這就是抽樣定理。3.2.2 采樣仿真采樣仿真 圖 3-2-1 采樣仿真 圖 3-2-2 采樣示波器參數(shù)設置通過示波器觀察欠采樣結果如圖所示，采樣周期為 1/8000。 圖 3-2-3 采樣仿真圖 第一幅圖為輸入周期信號，第二幅圖為采樣信號，第三幅圖為采樣后的周期信號。y(t)就是對 f(t)采樣后的信號或稱樣值信號，可以用下式表示：y(t)=f(t)k(t)任何情況下，采樣都應該滿足采樣定理，即一個頻帶限制在（0，fH）赫內的時間連續(xù)信號 m（t）

13、 ，如果以 T1/2fH秒的間隔對它進行等間隔采樣，則 m（t）將被所得到的采樣值完全確定。第四章第四章 量量 化化4.1.1 量化原理量化原理抽樣信號雖然是時間軸上離散的信號，但仍然是模擬信號，其樣值在一定的取值范圍內，可有無限個值。為了實現(xiàn)以數(shù)字碼表示樣值，必須采用“四舍五入”的方法把樣值分級“取整” ，使一定取值范圍內的樣值由無限多個值變?yōu)橛邢迋€值。這一過程稱為量化。模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。實際中，往往采用非均勻量化。在非均勻量化時，量化間隔是隨信號抽樣值的不同而變化的。信號抽樣值小時，其量化間隔也小；反之，量化間隔就大。v 圖 4-1-1 模擬信號的量化 模擬信號的量化

14、分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣，對于弱信號時的量化信( )m t噪比就難以達到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍，可見，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個缺點，實際中，往往采用非均勻量化。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，其量化間隔也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個v突出的優(yōu)點。首先，當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

15、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。量化則是將取值連續(xù)的采樣變成取值離散的采樣實際中，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，因此，PCM 編碼方式采用的也是 A 壓縮律。4.24.2 量化仿真量化仿真 圖 4-2-1 量化仿真圖量化過程是由采樣量化編碼器（Scalar quantizer）來完成

16、的。如圖所示，為一個采樣量化編碼器模塊。它有三個輸出端口，第一個輸出端口輸出均勻量化，第二個輸出端口輸出信號的非均勻量化，第三個輸出端口輸出 A 壓縮律量化。采樣量化編碼器模塊及其參數(shù)設置對話框如下圖所示：圖 4-2-2 均勻量化參數(shù)圖 4-2-3 非均勻量化參數(shù) 圖 4-2-4 A 律量化參數(shù) 4-2-5 量化仿真圖 根據(jù)以上參數(shù)得出仿真圖形如上圖所示，第一幅圖為均勻量化仿真圖，第二幅圖為輸入的正弦信號，第三幅圖為非均勻量化仿真圖，第一幅圖為 A 律量化仿真圖。當均勻量化時，每個量化區(qū)間的量化電平均取在各區(qū)間的中點，其量化間隔（量化臺階）v 取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。當信號的變化

17、范圍和量化電平數(shù)確定后，量化間隔也被確定。假如輸入信號的最小值和最大值分別用 a 和 b 表示，量化電平數(shù)為 M，那么，均勻量化時的量化間隔為：bavM 量化器輸出 mq為：mq = qi，當 mi-1 m mi式中 mi為第 i 個量化區(qū)間的終點，可以寫成：mi = a + ivqi為第 i 個量化區(qū)間的量化電平，可以表示為： i=1,2,M12iiimmq量化間隔設置為：-0.75 -0.25 0.25 0.75量化碼本設置為：-0.825 -0.5 0 0.5 0.825當非均勻量化時，對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔v 也??；反之，量化間隔就大。正如 A 律壓縮，也就是壓縮器具有如下特

18、性的壓縮律：，0 x 1/A1 lnAxyA, 1/A x 11 ln1 lnAxyA式中 x 為歸一化的壓縮器輸入電壓，y 為歸一化的壓縮器輸出電壓，A 為壓擴參數(shù)，表示壓縮程度。量化間隔設置為：-1/2 -1/4 -1/8 -1/16 -1/32 -1/64 -1/128 0 1/128 1/64 1/32 1/16 1/8 1/4 1/2 1量化碼本設置為：-1 -7/8 -6/8 -5/8 -4/8 -3/8 -2/8 -1/8 0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 1由數(shù)學模型知道它能將小信號放大，將大信號壓縮。將采用 13 折線計算出的 y 與 x 的對應關系

19、列于表中（注：表中只列出了第一象限 x 與 y 的值，第三象限的值與第一象限完全對稱） 。表 3.2 采用 13 折線計算出的 y 與 x 的對應關系y 值01/82/83/84/85/86/87/81x 值（A 律 13 折線）01/1281/641/321/161/81/41/21經(jīng)比較可以看到，A 律量化效果很好，因非均勻量化為近似的 A 律量化，非均勻量化效果明顯比均勻量化好。 下圖為單獨提出均勻量化和非均勻量化比較： 圖 4-2-6 均勻量化和非均勻量化比較從該圖中可以看到：均勻量化后的信號無論大信號還是小信號其量化間隔都相同。而非均勻量化后的信號，對大信號進行壓縮而對小信號進行較大

20、的放大。這就相當于把信號的動態(tài)范圍擴展了。4.34.3 量化誤差量化誤差1、均勻量化（曲線名稱見各自曲線圖）（1） n=8 圖 4-3-1 原始信號及量化曲線 4-3-2 量化值及編碼顯示（2） n=16 圖 4-3-3 原始信號及量化曲線 4-3-4 量化值及編碼顯示（3） n=64 圖 4-3-5 原始信號及量化曲線 4-3-6 量化值及編碼顯示2、非均勻量化（u 率對數(shù)量化）(1)n=8 圖 4-3-7 原始信號及量化曲線 4-3-8 量化值及編碼顯示（1）n=16 圖 4-3-9 原始信號及量化曲線 4-3-10 量化值及編碼顯示 （2）n=64 圖 4-3-11 原始信號及量化曲線

21、圖 4-3-12 量化值及編碼顯示2、數(shù)據(jù)分析與說明、數(shù)據(jù)分析與說明：（1）n=8，16，64 的均勻量化曲線 對于均勻量化，量化級數(shù)越大，量化值與原始值約接近，量化誤差越小，即量化效果越好。（2）n=8，16，64 的均勻量化信噪比 對于均勻量化，量化級數(shù)越大，量化信噪比越大 （3）n= 8，16，64 的非均勻量化曲線 對于非均勻量化，量化級數(shù)越大，量化值與原始值約接近，量化誤差越小，即量化效果越好。（4）n=8，16，64 的非均勻量化信噪比 對于非均勻量化，量化級數(shù)越大，量化信噪比越大（5）對于相同量化級的均勻與非均勻量化特性 均勻量化的量化誤差分布比較均勻，而非均勻量化的量化誤差隨信

22、號幅度變化：在大幅度處大，在小幅度處小。當 n 較小時，均勻量化的量化信噪比大于非均勻量化，但是當 n 較大時，均勻量化的量化信噪比小于非均勻量化 第五章第五章 編編 碼碼5.15.1 編碼原理編碼原理 所謂編碼就是把量化后的抽樣信號變換成給定字長的二進制代碼的過程，就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。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。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結為三類：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

23、用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內碼的順序排列。PCM 通過抽樣、量化、編碼三個步驟將模擬連續(xù)信號轉換為數(shù)字編碼。下面結合 13 折線的量化來加以說明。 表 1-1 段落碼 表 1-2 段內碼段落序號段落碼量化級段內碼1511118111141110131101711012110011101161011010109100151008100070111401160110501013010401003001120012001010001100000000 在 13 折線法中，無論輸入信號是正是負，均按 8 段折線（8 個段落）進行編碼。若用 8 位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用

24、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。這樣處理的結果，8 個段落被劃分成 27128個量化級。5.2 編碼仿真編碼仿真 圖 5-2-1 編碼仿真驗證：輸入數(shù)字 120，輸出數(shù)值 120 對應的折疊碼為 10111101。設 C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0為 8 位碼的 8 個比特，其安排如下：極性碼 段落碼 段內碼C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0

25、根據(jù)這種安排，段落碼及段內碼所對應的段落及電平值如表所示： 表 1-3 段落電平關系段落碼段內碼對應電平（）段落序號C6 C5 C4段落起點電平（）C3 C2 C1 C0段落長度（）10 0 008 4 2 11620 0 1168 4 2 11630 1 03216 8 4 23240 1 16432 16 8 46451 0 012864 32 16 812861 0 1256128 64 32 1625671 1 0512256 128 64 3251281 1 11024512 256 128 641024 第六章第六章 綜綜 合合 圖 6-1-1 Simulink PCM 編碼和解碼

26、組成的框圖 在通信系統(tǒng)中假定我們僅用來傳送語音信號,因語音信號的頻帶范圍為300Hz23400Hz ,為了更好的體現(xiàn)人的語音的頻率的變化以及觀察所采用的系統(tǒng)對語音頻帶范圍內的信號恢復程度,我們采用了Chrip 函數(shù)。Chrip 函數(shù)是其頻率時間線性增長的函數(shù),在雷達系統(tǒng)中這樣的信號稱為線性調頻信號,并用專用詞匯Chrip 表示。 按照采樣定理的要求選擇采樣頻率,即s 2c ,但考慮到信號的頻譜不是銳止的,最高截止頻率以上還有較小的高頻分量,為此可選s = (324) c 。另外可以在采樣之前加一保護性的低通濾波器,濾去高于s/ 2 的一些無用的高頻分量,以及其他的一些雜散信號,因此在采樣前加入

27、一低通濾波器。 由于產(chǎn)生和傳輸單位沖激函數(shù)難以實現(xiàn),因此實際中通常采用矩形脈沖抽樣,根據(jù)CCITT 標準,留一定的防衛(wèi)帶則采樣頻率f s = 8000Hz , T = 1/8000 = 125s 用占空比為50 %的矩形脈沖序列。 通過相乘器使語音信號與矩形脈沖相乘從而獲得時域離散信號,此即信號的抽樣過程。由于實現(xiàn)困難,因此工程上通常用十三折曲線來近似地表示A 律曲線。 根據(jù)語音信號的統(tǒng)計結果:在信號動態(tài)范圍40dB 的情況下信噪比不應低于26dB。因此用8 位量化器,量化間隔為125s。編碼器是將量化后信號編成適合信道傳輸?shù)男盘?。將從信道接受到信息進行解碼9.A率解壓 對解碼后的信號量化值進行擴展,得到重建信號。10.零階保持 零