基于MATLABPCM脈沖編碼調(diào)制仿真

1、 通信工程專(zhuān)業(yè)通信原理課程設(shè)計(jì)題 目 基于MATLAB的PCM脈沖編碼調(diào)制仿真 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 所在院(系) 物理與電信工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 通 信 工 程 專(zhuān) 業(yè) 班 指導(dǎo)教師 完成地點(diǎn) 物理與電信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室 2017年 3 月 18 日通信原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)院(系) 物理與電信工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 通 信 工 程 專(zhuān) 業(yè) 班 學(xué)生姓名 一、課程設(shè)計(jì)題目 基于MATLAB的PCM脈沖編碼調(diào)制仿真 二、課程設(shè)計(jì)工作自 2017 年 2 月 27 日 起至 2017 年 3 月 18 日止三、課程設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn): 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 實(shí) 驗(yàn) 室 四、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求： 通信系統(tǒng)的

2、計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)目的在于使學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中充分利用所學(xué)理論知識(shí)分析和研究設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的各類(lèi)技術(shù)問(wèn)題，鞏固和擴(kuò)大所學(xué)知識(shí)面，為以后走向工作崗位進(jìn)行設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是： （1） 掌握一般通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程、步驟、要求、工作內(nèi)容及設(shè)計(jì)方法；掌握用計(jì)算機(jī)仿真通信系統(tǒng)的方法，對(duì)PCM系統(tǒng)的了解掌握。 （2） 掌握MATLAB語(yǔ)言的函數(shù)調(diào)用，提高編程編程能力。 （3） 掌握量化信噪比的基本概念。 （4） 學(xué)習(xí)均勻量化和非均勻量化的基本原理，加深對(duì)非均勻量化的理解。 （5） 訓(xùn)練學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力，提高學(xué)生進(jìn)行通信工程設(shè)

3、計(jì)的能力。 指 導(dǎo) 教 師 系(教 研 室) 通 信 工 程 系 接受任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行日期 2017年2月27日 學(xué)生簽名 基于MATLAB的PCM脈沖編碼調(diào)制仿真（物理與電信工程學(xué)院通信班，）指導(dǎo)教師：摘要本設(shè)計(jì)結(jié)合PCM的抽樣、量化、編碼和譯碼原理，利用MATLAB軟件編程，完成了對(duì)脈沖編碼調(diào)制PCM系統(tǒng)的編譯與仿真分析。課題中主要分為五部分對(duì)脈沖編碼調(diào)制PCM系統(tǒng)原理進(jìn)行編譯與仿真分析，分別為采樣、量化和編碼原理的程序仿真，同時(shí)仿真分析了采樣的波形、均勻量化與A律13折線非均勻量化的量化性能及其差異，最后進(jìn)行PCM編碼和譯碼從而分析PCM系統(tǒng)的特性以及最后的誤碼率。通過(guò)對(duì)脈沖編碼調(diào)制PCM系

4、統(tǒng)原理的仿真分析，對(duì)PCM原理及性能有更深刻的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步掌握MATLAB軟件的使用。關(guān)鍵詞脈沖編碼調(diào)制；均勻與非均勻量化；MATLAB 仿真Simulation of PCM pulse code modulation based on MATLAB)Tutor: #Abstract： This design combined with PCM sampling, quantization, coding and decoding principle, the use of MATLAB software programming, completed the pulse code modu

5、lation PCM system compiler and simulation analysis. The simulation and simulation analysis of the principle of sampling, quantization and coding are carried out. At the same time, the waveforms of the samples are simulated and analyzed, and the non-uniform quantization of the A-law 13-fold lines is

6、carried out. And the difference between the quantization performance and the final PCM encoding and decoding to analyze the characteristics of the PCM system and the final bit error rate. Through the simulation analysis of the principle of pulse code modulation PCM system, the PCM principle and perf

7、ormance have a more profound understanding, and further grasp the use of MATLAB software. Key words： Pulse code modulation; uniform and non - uniform quantization; MATLAB simulation II通信原理課程設(shè)計(jì)目 錄1. 緒論12. PCM脈沖編碼設(shè)計(jì)原理22.1 信號(hào)的采樣22.1.1 抽樣定理22.1.2 抽樣過(guò)程22.2 信號(hào)的量化22.2.1 量化的定義22.2.2 量化的分類(lèi)22.3 信號(hào)的編碼42.3.1 碼型

8、的選擇52.3.2 數(shù)字調(diào)制/解調(diào)52.4 PCM脈沖編碼的原理52.5 MATLAB 簡(jiǎn)介63. PCM的MATLAB實(shí)現(xiàn)93.1 原始信號(hào)的抽樣93.2 PCM均勻量化123.3 PCM非均勻量化133.4 A律13折線壓縮143.5 非均勻量化PCM編碼153.6非均勻量化PCM譯碼163.7仿真分析系統(tǒng)誤碼律174. 系統(tǒng)性能分析184.1 PCM通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)184.2 PCM系統(tǒng)中噪聲的影響185. 小 結(jié)20致 謝21參考文獻(xiàn)22附錄源程序：23III1. 緒論數(shù)字通信作為一種新型的通信手段，早在 20 世紀(jì) 30 年代就已經(jīng)提出。在 1937 年， 英國(guó)人里費(fèi)（A.H.Re

9、eves）提出了脈沖編碼調(diào)制（PCM）方式。從此揭開(kāi)了近代數(shù)字傳輸?shù)男蚰?。隨著數(shù)字化e時(shí)代，我們身邊的數(shù)字產(chǎn)品越來(lái)越多，像數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)，數(shù)字電視等等。我們重點(diǎn)關(guān)注的是這些現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是它們采用的都是數(shù)字制式。在現(xiàn)階段，數(shù)字通信系統(tǒng)相對(duì)模擬通信系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展是以多種先進(jìn)的通信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。移動(dòng)通信的 主要基本技術(shù)包括調(diào)制技術(shù)、移動(dòng)信道中顛簸的傳播特性、多址方式、抗干擾技術(shù)以及組網(wǎng)技術(shù)。在移動(dòng)通信中，數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，其中數(shù)字調(diào)相信號(hào)具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字移動(dòng)通信中廣泛使用它來(lái)傳送各種控制信息。脈沖編碼（PCM）調(diào)制

10、是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的編碼方式，主要運(yùn)用與語(yǔ)音傳輸。于20世紀(jì)40年代，在通信技術(shù)中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一編碼技術(shù)，并迅速在光纖通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字微波通信中得到廣泛應(yīng)用，目前它不僅運(yùn)用于通信領(lǐng)域，還廣泛運(yùn)用于計(jì)算機(jī)、遙控遙測(cè)、數(shù)字儀表廣播電視等許多領(lǐng)域。借助于MATLAB軟件，可以直觀方便的進(jìn)行計(jì)算和仿真。PCM 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾性強(qiáng)、失真小、傳輸特性穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離再生中繼時(shí)噪 聲不累積，而且可以采用有效編碼、糾錯(cuò)編碼和保密編碼來(lái)提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。另外，由于 PCM 可以把各種消息（聲音、圖像、數(shù)據(jù)等等）都變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，因此可以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換一體化的綜合通

11、信方式，而且還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理一體化的綜合信息處理。故它能較好地適應(yīng)信息化社會(huì)對(duì)通信的要求。PCM的缺點(diǎn)是傳輸帶寬寬、系統(tǒng)較復(fù)雜。但是，隨著數(shù)字技術(shù)的飛躍發(fā)展這些缺點(diǎn)也不重要。 因此，PCM 是一種極有發(fā)展前途的通信方式。本次課設(shè)項(xiàng)目主要分五個(gè)部分，分為原始信號(hào)的抽樣采集，信號(hào)均勻與非均勻量化，A律壓縮，非均勻量化的編譯碼以及最后的誤碼率表示，都是用MATLAB軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每一部分都分為一個(gè)小塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2. PCM脈沖編碼設(shè)計(jì)原理2.1 信號(hào)的采樣2.1.1 抽樣定理抽樣也稱(chēng)取樣、采樣，是把時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)變換為時(shí)間離散信號(hào)的過(guò)程。抽樣定理是指：在一個(gè)頻帶限制在（0，f h）內(nèi)

12、的時(shí)間連續(xù)信號(hào)f（t），如果以小于等于1/(2 f h)的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號(hào)。根據(jù)乃奎斯特抽樣定理：若頻帶寬度有限的，要從抽樣信號(hào)中無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)，抽樣頻率應(yīng)大于2倍信號(hào)最高頻率。2.1.2 抽樣過(guò)程抽樣的過(guò)程是將輸入的模擬信號(hào)與抽樣信號(hào)相乘，通常抽樣信號(hào)是一個(gè)周期為 Ts的周期脈沖信號(hào)，抽樣后得到的信號(hào)稱(chēng)為抽樣序列。對(duì)幅度A頻率f的信號(hào)進(jìn)行的周期性?huà)呙杓词菍?duì)信號(hào)的抽樣。話(huà)音信號(hào)頻率在4kHZ以?xún)?nèi)，實(shí)際中話(huà)音的抽樣頻率采用的是8kHZ，此次課程設(shè)計(jì)也是采用fs=8kHZ的抽樣頻率,抽樣周期T=1/fs。所以由音頻信號(hào)和抽樣函數(shù)可得抽樣后的信號(hào)為：S=

13、Asin(w*n*T)，抽n個(gè)值。每隔時(shí)間t（時(shí)間t要盡量小,如0.001s）對(duì)低通連續(xù)的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行取樣。2.2 信號(hào)的量化2.2.1 量化的定義所謂量化，就是把經(jīng)過(guò)抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅值離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)值用最接近的電平值來(lái)表示。抽樣是把一個(gè)時(shí)間連續(xù)信號(hào)變換成時(shí)間離散的信號(hào)，量化則是將取值連續(xù)的抽樣變換成取值離散的抽樣。通常，量化器的輸入是隨機(jī)模擬信號(hào)?？梢杂眠m當(dāng)速率對(duì)此隨機(jī)信號(hào)m(t)進(jìn)行抽樣，并按照預(yù)先規(guī)定，將抽樣值m(kT)變換成M個(gè)電平q1，q2，qM之一，有mq(kTs)=qi，若mi-1m(kTs)<mi，則量化器的輸出是一個(gè)數(shù)字序列信號(hào)。2.2.2 量化

14、的分類(lèi)量化可分為均勻量化、非均勻量化。均勻量化：把輸入信號(hào)的取值域按等距離分割的量化稱(chēng)為均勻量化。在均勻量化中，每個(gè)量化區(qū)間的量化電平在各區(qū)間的中點(diǎn)。其量化間隔v取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。當(dāng)信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)確定后，量化間隔也被確定。主要缺點(diǎn)是，無(wú)論抽樣值的大小如何，量化噪聲的均方根都固定不變。因此，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的信號(hào)量噪比就很難達(dá)到給定的要求。對(duì)話(huà)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：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

15、值小的區(qū)間，其量化間隔也?。环粗?，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(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)的信號(hào)量噪比。常見(jiàn)的非均勻量化有A律和率等，它們的區(qū)別在于量化曲線不同。由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 A壓縮律編碼, 壓擴(kuò)特性圖如圖2.1所示：圖2.1 13折線法A壓縮律通常近似用13折線法實(shí)現(xiàn)：圖中先把軸的0,1區(qū)間分為8個(gè)不均勻段。其具體分法如下:a.將區(qū)間0，1一分為二，其中

16、點(diǎn)為1/2,取區(qū)間1/2,1作為第八段；b.將剩下的區(qū)間0,1/2再一分為二，其中點(diǎn)為1/4,取區(qū)間1/4,1/2作為第七段；c.將剩下的區(qū)間0,1/4再一分為二，其中點(diǎn)為1/8,取區(qū)間1/8,1/4作為第六段；d.將剩下的區(qū)間0,1/8再一分為二，其中點(diǎn)為1/16,取區(qū)間1/16,1/8作為第五段；e.將剩下的區(qū)間0,1/16再一分為二，其中點(diǎn)為1/32,取區(qū)間1/32,1/16作為第四段; f.將剩下的區(qū)間0,1/32再一分為二，其中點(diǎn)為1/64,取區(qū)間1/64,1/32作為第三段；g.將剩下的區(qū)間0,1/64再一分為二，其中點(diǎn)為1/128,取區(qū)間1/128,1/64作為第二段；h.最后剩

17、下的區(qū)間0,1/128作為第一段。然后將y軸的0,1區(qū)間均勻地分成八段，從第一段到第八段分別為0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分別與x軸的八段一一對(duì)應(yīng)。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來(lái)進(jìn)行編碼的。圖2.1中的八段線段的斜率分別為:表2.1 各段落的斜率段落12345678斜率161684211/21/42.3 信號(hào)的編碼編碼定義：量化后的抽樣信號(hào)在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個(gè)可取的樣值，且信號(hào)正、負(fù)幅度分布的對(duì)稱(chēng)性使

18、正、負(fù)樣值的個(gè)數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級(jí)對(duì)稱(chēng)分布。若將有限個(gè)量化樣值的絕對(duì)值從小到大依次排列，并對(duì)應(yīng)地依次賦予一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字代碼（例如，賦予樣值0的十進(jìn)制數(shù)字代碼為0），在碼前以“”、“”號(hào)為前綴，來(lái)區(qū)分樣值的正、負(fù)，則量化后的抽樣信號(hào)就轉(zhuǎn)化為按抽樣時(shí)序排列的一串十進(jìn)制數(shù)字碼流，即十進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。簡(jiǎn)單高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)是二進(jìn)制碼系統(tǒng)，因此，應(yīng)將十進(jìn)制數(shù)字代碼變換成二進(jìn)制編碼。根據(jù)十進(jìn)制數(shù)字代碼的總個(gè)數(shù)，可以確定所需二進(jìn)制編碼的位數(shù)，即字長(zhǎng)。這種把量化的抽樣信號(hào)變換成給定字長(zhǎng)的二進(jìn)制碼流的過(guò)程稱(chēng)為編碼。話(huà)音PCM的抽樣頻率為8kHz，每個(gè)量化樣值對(duì)應(yīng)一個(gè)8位二進(jìn)制碼，故話(huà)音數(shù)字編碼信號(hào)的速率為8bit

19、s×8kHz64kb/s。量化噪聲隨量化級(jí)數(shù)的增多和級(jí)差的縮小而減小。量化級(jí)數(shù)增多即樣值個(gè)數(shù)增多，就要求更長(zhǎng)的二進(jìn)制編碼。因此，量化噪聲隨二進(jìn)制編碼的位數(shù)增多而減小，即隨數(shù)字編碼信號(hào)的速率提高而減小。13折線編碼碼位的安排按照極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序。A律PCM編碼規(guī)則：表2.2 A律13規(guī)則極性碼段落碼段內(nèi)碼C1C2C3C4C5C6C7C8C1:極性碼，1為正；0為負(fù)，表示信號(hào)的正負(fù)極；C2C3C4：段落碼，表示信號(hào)絕對(duì)值處在8個(gè)區(qū)間中的哪個(gè)區(qū)間，為000111共有8種組合，分別表示對(duì)應(yīng)的8個(gè)分段，即第1至8段；C5C6C7C8:段內(nèi)碼，表示區(qū)間中的16個(gè)均勻量化級(jí)，00001

20、111共有16中組合，表示每段的16個(gè)分級(jí)。自然界中的聲音非常復(fù)雜，波形極其復(fù)雜，通常我們采用的是脈沖代碼調(diào)制編碼，即PCM編碼。信道編碼/譯碼：信道編碼的目的就是增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力。數(shù)字信號(hào)在信道中傳輸容易受到噪聲干擾，為了減少差錯(cuò)，我們對(duì)傳輸信息的碼元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂的抗干擾編碼。主要實(shí)現(xiàn)方法是增加冗余位。常見(jiàn)的糾錯(cuò)編碼有線性分組碼、循環(huán)碼、卷積碼等等。本課程采用了線性分組碼中的典型編碼方式（7,4）漢明碼和A率13編碼。程序（見(jiàn)附錄）中這兩種編碼方式;對(duì)收到的信號(hào)還要進(jìn)行譯碼,信道譯碼是信道編碼的逆過(guò)程。2.3.1 碼型的選擇常用的二進(jìn)制碼型有自然二進(jìn)制

21、碼和折疊二進(jìn)制碼兩種。折疊碼優(yōu)點(diǎn)：只需對(duì)單極性信號(hào)進(jìn)行，再增加最高位來(lái)表示信號(hào)的極性；小信號(hào)的抗噪性能強(qiáng)，大信號(hào)的抗噪性能弱。2.3.2 數(shù)字調(diào)制/解調(diào)編碼完成后的信息序列還不能再信道中傳輸，必須經(jīng)過(guò)調(diào)制后才能發(fā)射出去，數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。對(duì)數(shù)字信號(hào)調(diào)制的方式有很多種，基本的調(diào)制方式有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控(FSK)、絕對(duì)相移鍵控(PSK)、差分相移鍵控（DPSK）等,本課程設(shè)計(jì)中則采用的是振幅鍵控（ASK）。 數(shù)字解調(diào)：在接收端可以采用相干解調(diào)或者非相干解調(diào)還原數(shù)字基帶信號(hào)。2.4 PCM脈沖編碼的原理若信源輸出的是模擬信號(hào)，如

22、電話(huà)機(jī)傳送的話(huà)音信號(hào)，模擬攝象機(jī)輸出的圖像信號(hào)等，要使其在數(shù)字信道中傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即進(jìn)行A/D變換，在接收端則要進(jìn)行D/A。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)最典型的數(shù)字編碼就是脈沖編碼調(diào)制(PCM)。所謂脈沖編碼調(diào)制:就是將模擬信號(hào)的抽樣量化值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組的過(guò)程。下圖給出了脈沖編碼調(diào)制的一個(gè)示意圖。圖2.2 脈沖編碼調(diào)制示意圖假設(shè)模擬信號(hào)m(t)的求值范圍為-4V,+4V,將其抽樣值按8個(gè)量化級(jí)進(jìn)行均勻量化，其量化間隔為1s，因此各個(gè)量化區(qū)間的端點(diǎn)依次為-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4V，8個(gè)量化級(jí)的電平分別為-3.5、-2.5、-1.5、-0.5、0.5、1.5、2.5

23、和3.5V。PCM系統(tǒng)的原理方框圖如圖5.2所示。圖中，輸入的模擬信號(hào)m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)信道傳送到接收端的譯碼器，由譯碼器還原出抽樣值，再經(jīng)低通濾波器濾出模擬信號(hào)m(t)。其中，量化與編碼的組合通常稱(chēng)為A/D變換器;而譯碼與低通濾波的組合稱(chēng)為D/A變換。圖2.3 PCM通信系統(tǒng)方框圖PCM系統(tǒng)的原理框圖，本次課程設(shè)計(jì)應(yīng)用Matlab進(jìn)行仿真，仿真基本框圖如圖2.2所示。PCM主要優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)；傳輸性能穩(wěn)定，遠(yuǎn)距離信號(hào)再生中繼時(shí)噪聲不累積，且可以使用壓縮編碼和糾錯(cuò)編碼和保密編碼等來(lái)提高系統(tǒng)有效性、可靠性、保密性。2.5 MATLAB 簡(jiǎn)介MATLAB 軟件簡(jiǎn)介

24、：MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中 在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相 似，故用 MATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多， 并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn),使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。 在新的版本中也加入了對(duì) C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,

25、用戶(hù)也可 以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶(hù)可以直接進(jìn)行下載就可以用。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和 測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專(zhuān)用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類(lèi)型的問(wèn)題。其具有以下特點(diǎn)：友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境；簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言；強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù) 據(jù)處理能力；出色的圖形處理功能；應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱；實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)；應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)（包括用

26、戶(hù)界面）。MATLAB 程序設(shè)計(jì)方法：MATLAB 有兩種工作方式：一種是交互式的命令行工作方式；另一種是 M 文件的程 序工作方式。在前一種工作方式下，MATLAB 被當(dāng)做一種高級(jí)數(shù)學(xué)演算紙和圖形表現(xiàn)器來(lái) 使用， MATLAB 提供了一套完整的而易于使用的編程語(yǔ)言，為用戶(hù)提供了二次開(kāi)發(fā)的工具，下面主要介紹 MATLAB 控制語(yǔ)句和程序設(shè)計(jì)的基本方法。 用 MATLAB 語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，稱(chēng)為 M 文件。M 文件有兩類(lèi)：命令文件和函數(shù)文件。兩者區(qū)別在于：命令文件沒(méi)有輸入?yún)?shù)，也不返回輸出參數(shù)；而函數(shù)文件可以輸入?yún)?shù)，也可以返回輸出參數(shù)。命令文件對(duì) MATLAB 工作空間的變量進(jìn)行操作，而且函數(shù)文

27、件中 定義的變量為局部變量，當(dāng)函數(shù)文件執(zhí)行完畢時(shí)，這些變量被清除。M 文件可以使用任何 編輯程序建立和編輯，而一般常用的是使用 MATLAB 提供的 M 文件窗口。 首先從 MATLAB 命令窗口的 File 菜單中選擇 New 菜單項(xiàng)，在選擇 M-file 命令，將得 到的 M 文件窗口。在 M 文件窗口輸入 M 文件的內(nèi)容，輸入完畢后，選擇此窗口 File 菜單 的 save as 命令，將會(huì)得到 save as 對(duì)話(huà)框。在對(duì)話(huà)框的 File 框中輸入文件名，再選擇 OK 按鈕即完成新的 M 文件的建立。 然后在從 MATLAB 命令窗口的 File 菜單中選擇 Open 對(duì)話(huà)框，則屏幕出

28、現(xiàn) Open 對(duì) 話(huà)框，在 Open 對(duì)話(huà)框中的 File Name 框中輸入文件名，或從右邊的 directories 框中打開(kāi)這 個(gè) M 文件。在 M 文件所在的目錄，再?gòu)?File Name 下面的列表框中選中這個(gè)文件，然后 按 OK 按鈕即打開(kāi)這個(gè) M 文件。在 M 文件窗口可以對(duì)打開(kāi)的 M 文件進(jìn)行編輯修改。在編 輯完成后，選擇 File 菜單中的 Save 命令可以把這個(gè)編輯過(guò)的 M 文件報(bào)存下來(lái)。 當(dāng)用戶(hù)要運(yùn)行的命令較多或需要反復(fù)運(yùn)行多條命令時(shí)，直接從鍵盤(pán)逐漸輸入命令顯得 比較麻煩，而命令文件則可以較好地解決這一問(wèn)題。我們可以將需要運(yùn)行的命令編輯到一個(gè)命令文件中，然后再 MATL

29、AB 命令窗口輸入該命令文件的名字，就會(huì)順序執(zhí)行命令文 件中的命令。 3. PCM的MATLAB實(shí)現(xiàn)3.1 原始信號(hào)的抽樣源代碼詳見(jiàn)附錄function sample() 這句為原始信號(hào)的抽樣t0=10; 這句為定義時(shí)間長(zhǎng)度ts=0.001; fs=1/ts; t=-t0/2:ts:t0/2; 這句為定義時(shí)間序列df=0.5; 這句為定義頻率分辨率x=sin(200*t); m=x./(200*t+eps);w=t0/(2*ts)+1; 這句為確定t=0的點(diǎn)m(w)=1; 這句為修正t=0點(diǎn)的信號(hào)值M,mn,dfy=fft_seq(m,ts,df); 這句為引用傅立葉變換函數(shù)f=0:dfy:d

30、fy*length(mn)-dfy-fs/2; 這句為定義頻率序列figure(1) subplot(2,1,1); plot(t,m); 這句為最后輸出波形t0=10; 信號(hào)持續(xù)的時(shí)間ts1=0.005; 滿(mǎn)足抽樣條件的抽樣間隔fs1=1/ts1;t1=-t0/2:ts1:t0/2; 定義滿(mǎn)足抽樣條件的時(shí)間序列x1=sin(200*t1); m1=x1./(200*t1+eps); w1=t0/(2*ts1)+1; m1(w1)=1; 修正t=0時(shí)的信號(hào)值m1=m1.*m1; 定義信號(hào)M1,mn1,df1=fft_seq(m1,ts1,df); 對(duì)滿(mǎn)抽樣條件的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換subplot

31、(2,1,1); plot(t1,m1,'b-o');原程序經(jīng)過(guò)刪減最后得到的結(jié)果為：圖3.1 抽樣正常仿真圖圖3.1為表達(dá)式為fh=200/2piHz的的頻域圖和頻譜圖圖3.2 抽樣失真仿真圖圖3.2為頻率為fs=100Hz的抽樣失真的頻域圖和頻譜圖圖3.3 原始信號(hào)仿真圖分析：只有當(dāng)抽樣頻率滿(mǎn)足抽樣定理時(shí)，信號(hào)頻譜才能保持不失真，確保能完美恢復(fù)原始信號(hào)。在編程時(shí)，老師指正輸出的圖形格式不對(duì)，最后改正成功，對(duì)比如下：圖3.4 問(wèn)題對(duì)比圖因?yàn)檩敵龅氖切蛄蓄?lèi)型的不好觀察，然后修改了程序得到了新的連續(xù)的波形。plot(t2,m2,'b-o');%stem(t2,m2

32、);解決方法：輸出波形類(lèi)型改變，再改一下線的類(lèi)型3.2 PCM均勻量化源代碼詳見(jiàn)附錄function average() PCM均勻量化t=0:0.01:4*pi;y=sin(t);w=jylh(y,1,64); 定義函數(shù)subplot(2,1,1); 圖形分布2行1列第一個(gè)plot(t,y); 輸出xlabel('時(shí)間'); 這句為定義X軸ylabel('幅度'); 這句為定義Y軸axis(0,4*pi,-1.1,1.1);title('原始信號(hào)'); 輸出命名仿真結(jié)果：圖3.5 原始信號(hào)及量化后信號(hào)仿真圖分析：均勻量化輸出波形圖清晰地顯示處均

33、勻量化的特征，每個(gè)量階都是均勻分布的，每個(gè)間隔都是相等的。由于量化級(jí)數(shù)是64，所以從圖中看到的結(jié)果不是那么明顯，和輸入波形相比幾乎沒(méi)什么變化。3.3 PCM非均勻量化源代碼詳見(jiàn)附錄function a_quantize() PCM非均勻量化t=0:0.00000125:0.0005; 定義時(shí)間間隔及抽樣時(shí)間y=sin(8000*pi*t); 定義函數(shù)subplot(2,1,1) 定義圖形位置plot(t,y) 輸出波形axis(0 0.0005 -1.2 1.2) 定義x，y軸屬性xlabel('時(shí)間') ylabel('幅度')title('原始信號(hào)&

34、#39;)仿真結(jié)果：圖3.6 原始信號(hào)及壓縮后信號(hào)仿真圖分析：由圖可見(jiàn)，輸出的信號(hào)與原始信號(hào)有明顯的差別，這是因?yàn)榉蔷鶆蛄炕g隔是變化的。3.4 A律13折線壓縮源代碼詳見(jiàn)附錄function a_13code() A律13折線壓縮t=0:0.000025:0.00025; 定義時(shí)間間隔及抽樣次數(shù)y=sin(8000*pi*t) 定義函數(shù)z=line13(y) 引用函數(shù)c=pcmcode(z)function y=line13(x)x=x/max(x);z=sign(x);x=abs(x); 13折線函數(shù)引用定義仿真結(jié)果：圖3.7 A律壓縮后矩陣3.5 非均勻量化PCM編碼流程圖：圖3.8 非

35、均勻量化流程圖源代碼詳見(jiàn)附錄仿真結(jié)果：圖3.9 非均勻量化仿真結(jié)果分析：輸入十進(jìn)制數(shù)1588，輸出八位二進(jìn)制碼組為1110 1000，它表示的該量化值位于第七段落的量化間隔八中間。3.6非均勻量化PCM譯碼流程圖：圖3.10 譯碼流程圖原程序詳見(jiàn)附錄，仿真結(jié)果如下：圖3.11 譯碼仿真結(jié)果分析：輸出量化值為1568，所以量化誤差為1588-1568=10。3.7仿真分析系統(tǒng)誤碼律原程序詳見(jiàn)附錄，仿真結(jié)果如下：圖3.12 誤碼率仿真圖系統(tǒng)誤碼率仿真圖：從仿真圖3.12可以看出，信噪比越大，誤碼率越低，與理論相符;還可以直觀的看出誤碼率在有信道編碼的情況下明顯低于無(wú)信道編碼的情況，尤其是當(dāng)信噪比d

36、B>5時(shí)，有信道編碼的系統(tǒng)的誤碼率幾乎為0，其傳輸可靠性遠(yuǎn)好于無(wú)信道編碼的情況；程序中，用t=-0:0.00001:0.004語(yǔ)句進(jìn)行定義抽樣的時(shí)間以及抽樣點(diǎn)的多少來(lái)確定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。兩種信道編碼方式在此傳輸系統(tǒng)中，性能相當(dāng)。由圖可以得知通過(guò)信道編碼可以增加通信系統(tǒng)的可靠性。4. 系統(tǒng)性能分析4.1 PCM通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)誤碼率：錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。誤信率：指錯(cuò)誤接收的信息量在傳送信息總量中所占的比例。PCM通信系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置信噪比（SNR）范圍：dB=-25:5:25；信源模塊：我們?cè)O(shè)定原始信號(hào)的幅值A(chǔ)為3.5，頻率f

37、為2KHZ；信源編碼/譯碼：取樣時(shí)間間隔t：0.000001s，范圍T是-0s-0.04s；抽樣頻率fs=8K，抽樣數(shù)量n=100，進(jìn)行非均勻量化。4.2 PCM系統(tǒng)中噪聲的影響PCM系統(tǒng)的噪聲主要有兩種:量化噪聲和加性噪聲。在圖1中的PCM系統(tǒng)的低通濾波器的輸出信號(hào)為其中：接收端輸出的信號(hào)成分;：由量化引起的輸出噪聲成分;：由信道加性噪聲引起的輸出噪聲成分。在接收端輸出信號(hào)的總信噪比為 ：量化噪聲的平均功率; ：信道加性噪聲的平均功率;（1）量化噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響CM系統(tǒng)輸出端的量化信號(hào)與量化噪聲的平均功率比為對(duì)于二進(jìn)制編碼，設(shè)其編碼位數(shù)為N，則上式又可寫(xiě)為（2）加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響僅考慮信道

38、加性噪聲時(shí)PCM系統(tǒng)的輸出信噪比為從上式可以看出，由于誤碼引起的信噪比與誤碼率成反比。（3）PCM系統(tǒng)接收端輸出信號(hào)的總信噪比在接收端輸入大信噪比的情況下，誤碼率將極小，于是，所以總信噪比近似為 與只考慮量化噪聲情況下的系統(tǒng)輸出信噪比是相同的。在接收端輸入小信噪比的情況下，有，則又可近似為 與只考慮噪聲干擾時(shí)系統(tǒng)的輸出信噪比是相同的。由于在基帶傳輸時(shí)誤碼率降到以下是不難的，所以此時(shí)通常用式(1)來(lái)估算PCM系統(tǒng)的性能。5. 小 結(jié)根據(jù)仿真的波形圖和輸出的量化、編碼值可以得到以下結(jié)論：當(dāng)抽樣頻率大于或等于輸入連續(xù)信號(hào)的頻率2倍時(shí)，就可以無(wú)失真恢復(fù)原始信號(hào)；當(dāng)不滿(mǎn)足上述條件時(shí)就會(huì)出現(xiàn)頻率混疊失真，

39、不能恢復(fù)原始信號(hào)。均勻量化輸出波形圖清晰地顯示處均勻量化的特征，每個(gè)量階都是均勻分布的，每個(gè)間隔都是相等的。由于量化級(jí)數(shù)是64，所以從圖中看到的結(jié)果不是那么明顯，和輸入波形相比幾乎沒(méi)什么變化。PCM 編碼采用A律十三折線編碼與譯碼，不僅簡(jiǎn)便，且可減少量化誤差。而最后的誤碼率采用了多種編碼方式進(jìn)行對(duì)比，再次說(shuō)明了信道編碼可以增加通信系統(tǒng)的可靠性。選擇這個(gè)課題總的來(lái)說(shuō)還是稍微有點(diǎn)難度的，剛開(kāi)始編程時(shí)一點(diǎn)思路都沒(méi)有，最后翻閱各種資料，方案，最后才的到了這樣的結(jié)果。通過(guò)本次課設(shè)，我較為系統(tǒng)的掌握了用MATLAB軟件進(jìn)行程序編譯，以及對(duì)PCM脈沖編碼的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。掌握了對(duì)其進(jìn)行信號(hào)分析的基本方法

40、。以前對(duì)于MATLAB的應(yīng)用僅限于復(fù)制粘貼程序，然后輸出查看波形，對(duì)PCM編碼的方法僅限于書(shū)本上的了解，結(jié)果這次課設(shè)后對(duì)于其原理及實(shí)際應(yīng)用有了更為深刻的了解。致 謝本次課設(shè)從開(kāi)始到結(jié)束經(jīng)歷了三周時(shí)間，在這三周的時(shí)間里對(duì)程序進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的修改，而且還有好多次問(wèn)過(guò)老師，剛開(kāi)始做時(shí)一點(diǎn)思緒都沒(méi)有，老師講解后有了大體的操作輪廓，然后翻閱了好多資料后確定了這個(gè)方案并完成了它。在設(shè)計(jì)的撰寫(xiě)中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設(shè)計(jì)的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了

41、許多新的知識(shí)，而且也開(kāi)闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。其次，我要感謝幫助過(guò)我的同學(xué)，他們也為我解決了不少我不太明白的設(shè)計(jì)上的難題。最后再一次感謝所有在設(shè)計(jì)中幫助過(guò)我的老師和同學(xué)參考文獻(xiàn)1 樊昌信 曹麗娜， 通信原理第六版 ，國(guó)防工業(yè)出版社，2007 2 周開(kāi)利， 鄧春暉主編 MATLAB 基礎(chǔ)及其應(yīng)用教程 ，北京大學(xué)出版社，2007 3 董振海,精通 MATLAB 7 編程與數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用 ，電子工業(yè)出版社,2007 4 陳懷琛， MATLAB 在電子信息課程中的應(yīng)用（第二版），電子工業(yè)出版社，2006 5 張德豐主編， MATLAB 通信工程仿真，機(jī)械工業(yè)出版社，20106 黃吉順，數(shù)字信號(hào)處理

42、及其應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，19827 鄧華，MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解，北京：人民郵電大學(xué)出版社，20068 張賢達(dá)，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理，北京：清華大學(xué)出版社，19949 王世一，數(shù)字信號(hào)處理，北京：北京理工大學(xué)出版社，201010 趙靜，張瑾，基于基于MATLAB的通信系統(tǒng)的仿真，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200711 郭文彬，通信原理基于MATLAB的計(jì)算機(jī)仿真，北京：北京郵電大學(xué)出版社，200612 韓利竹，王華，MATLAB電子仿真與應(yīng)用，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.13 劉衛(wèi)國(guó)，MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京：高等教育出版社，2006.14 叢玉良，王宏志，數(shù)字

43、信號(hào)處理原理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)，北京：電子工業(yè)出版社，2005.附錄源程序：1. 原始信號(hào)的抽樣function sample()t0=10; %定義時(shí)間長(zhǎng)度ts=0.001; fs=1/ts; t=-t0/2:ts:t0/2; %定義時(shí)間序列df=0.5; %定義頻率分辨率x=sin(200*t); m=x./(200*t+eps);w=t0/(2*ts)+1; %確定t=0的點(diǎn)m(w)=1; %修正t=0點(diǎn)的信號(hào)值m=m.*m; M,mn,dfy=fft_seq(m,ts,df); %傅立葉變換M=M/fs;f=0:dfy:dfy*length(mn)-dfy-fs/2; %定義頻率序列

44、figure(1) subplot(2,1,1); plot(t,m);%legend(t,m);xlabel('時(shí)間');ylabel('幅值');title('原始信號(hào)的頻域圖(fh=200/2piHz)');axis(-0.15,0.15,0,1.5);subplot(2,1,2);plot(f,abs(fftshift(M);xlabel('頻率');ylabel('幅值');axis(-500,500,0,0.03);title('原始信號(hào)的頻譜');t0=10; %信號(hào)持續(xù)的時(shí)間ts1=

45、0.005; %滿(mǎn)足抽樣條件的抽樣間隔fs1=1/ts1;t1=-t0/2:ts1:t0/2; %定義滿(mǎn)足抽樣條件的時(shí)間序列x1=sin(200*t1); m1=x1./(200*t1+eps); w1=t0/(2*ts1)+1; m1(w1)=1; %修正t=0時(shí)的信號(hào)值m1=m1.*m1; %定義信號(hào)M1,mn1,df1=fft_seq(m1,ts1,df); %對(duì)滿(mǎn)抽樣條件的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換M1=M1/fs1;N1=M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1;f1=-7*df1*length(mn1):df1:6*df1*length(mn1)-df1

46、-fs1/2;figure(2) subplot(2,1,1); plot(t1,m1,'b-o');%stem(t1,m1);xlabel('時(shí)間');ylabel('幅值');title('抽樣正常時(shí)的信號(hào)頻域波形(fs=200Hz)');axis(-0.15,0.15,0,1);subplot(2,1,2) plot(f1,abs(fftshift(N1);xlabel('頻率');ylabel('幅值');axis(-500,500,0,0.05);title('抽樣正常時(shí)的信號(hào)頻譜

47、');axis(-500,500,-0.01,0.03);t0=10; %信號(hào)持續(xù)的時(shí)間ts2=0.01; %不滿(mǎn)足抽樣條件的抽樣間隔fs2=1/ts2;t2=-t0/2:ts2:t0/2; %定義不滿(mǎn)足抽樣條件的時(shí)間序列x2=sin(200*t2); m2=x2./(200*t2+eps); w2=t0/(2*ts2)+1; m2(w2)=1; %修正t=0時(shí)的信號(hào)值m2=m2.*m2; %定義信號(hào)M2,mn2,df2=fft_seq(m2,ts2,df);%對(duì)不滿(mǎn)足抽樣條件的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換M2=M2/fs2;N2=M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2,M2

48、,M2,M2;f2=-7*df2*length(mn2):df2:6*df2*length(mn2)-df2-fs2/2;figure(3) subplot(2,1,1);plot(t2,m2,'b-o');%stem(t2,m2);xlabel('時(shí)間');ylabel('幅值');title('抽樣失真時(shí)的信號(hào)頻域波形(fs=100Hz)');axis(-0.15,0.15,0,1);subplot(2,1,2)plot(f2,abs(fftshift(N2);xlabel('頻率');ylabel('

49、幅值');axis(-500,500,0,0.02);title('抽樣失真時(shí)的信號(hào)頻譜');axis(-500,500,0.005,0.02);function M,m,df=fft_seq(m,ts,df)fs=1/ts;if nargin=2 n1=0;else n1=fs/df;endn2=length(m);n=2(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2);M=fft(m,n);m=m,zeros(1,n-n2);df=fs/n;2. PCM均勻量化function average()t=0:0.01:4*pi;y=sin(t);w=jylh

50、(y,1,64);subplot(2,1,1);plot(t,y);xlabel('時(shí)間');ylabel('幅度');axis(0,4*pi,-1.1,1.1);title('原始信號(hào)');subplot(2,1,2);plot(t,w);xlabel('時(shí)間');ylabel('幅度');axis(0,4*pi,-1.1,1.1);title('均勻量化后的信號(hào)')function h=jylh(f,V,L)n=length(f);t=2*V/L;p=zeros(1,L+1);for i=1:L+1,p(i)=-V+(i-1)*t;endfor i=1:nif f(i)>V,h(i)=V;endif f(i)<=-V,h(i)=-V;endflag=0;for j=2:L/2+1if(flag=0) if(f(i)<p(j)h