通信原理模擬信號(hào)的數(shù)字化PCM編碼設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程設(shè)計(jì)名稱： 通信系統(tǒng)原理 系 部： 三 系 學(xué)生姓名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 成 績(jī)： 指導(dǎo)教師： 開課時(shí)間： 學(xué)年 1 學(xué)期一設(shè)計(jì)題目：模擬信號(hào)數(shù)字化PCM編碼設(shè)計(jì)二主要內(nèi)容：a. 模擬信號(hào)數(shù)字化的處理步驟：抽樣、量化、編碼b.PCM編碼的壓縮和擴(kuò)張?jiān)?；c.用MATLAB或其它EDA工具軟件對(duì)PCM編碼進(jìn)行使用A律和律的壓縮和擴(kuò)張進(jìn)行軟件仿真；d.對(duì)仿真進(jìn)行分析比較。 e.PCM的8位編碼C1C2C3C4C5C6C7C8三具體要求1. 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容獨(dú)立自主完成，課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容完整、格式規(guī)范、排版整潔美觀；2. 設(shè)計(jì)選用的語言不限，推薦使用MATLAB、C均可，

2、編寫出的程序，必須有詳細(xì)的注釋說明；四進(jìn)度安排（一）16周課程設(shè)計(jì)安排：星期一：講課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，安排每一天的具體任務(wù)，熟悉軟件的編程環(huán)境MATLAB/SIMULINK；星期二：查資料，確定課程設(shè)計(jì)的題目；星期三：確定設(shè)計(jì)方案，寫出設(shè)計(jì)思想；星期四：編寫修改程序，必須有詳細(xì)的程序注釋，得出結(jié)果；星期五：寫總結(jié)報(bào)告，檢查各位的做的情況，考評(píng)設(shè)計(jì)成績(jī)。上交的材料：包含三樣：（課程設(shè)計(jì)的電子稿、打印稿、程序）五成績(jī)?cè)u(píng)定考核方法：現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收（占50%），課程設(shè)計(jì)報(bào)告（占50%）?？己藘?nèi)容：學(xué)習(xí)態(tài)度（出勤情況，平時(shí)表現(xiàn)等）、方案合理性、程序編制質(zhì)量、演示效果、設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量。成績(jī)?cè)u(píng)定：優(yōu)，良，中，及格，不及

3、格。特別說明：（1）如發(fā)現(xiàn)抄襲，按照不及格處理。 （2）材料不齊的，考核等級(jí)降一級(jí)。電子稿件以文件夾的形式上交的文件夾的命名為：（學(xué)號(hào)的最后兩位+姓名）模擬信號(hào)數(shù)字化PCM編碼設(shè)計(jì)1、 基本原理：本設(shè)計(jì)主要會(huì)用到的知識(shí)通信原理中的脈沖編碼調(diào)制（PCM）。本次課程設(shè)計(jì)主要是做量化、編碼、信道傳輸、譯碼四部分PCM系統(tǒng)的原理：脈碼調(diào)制將模擬調(diào)制信號(hào)的采樣值變換為脈沖碼組。PCM編碼包括如三個(gè)過程。抽樣：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的樣本脈沖序列。量化：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：用一定位數(shù)的脈沖碼組表示量化采樣值。譯碼：把編碼后的碼流在通過信道傳輸后得到的碼流

4、譯成離散時(shí)間連續(xù)幅度的信號(hào)。其系統(tǒng)框圖如下：編 碼信道話音輸出再 生抽 樣 瞬時(shí)壓縮 低通濾波話音輸入解 碼解 調(diào) 瞬時(shí)擴(kuò)張 低通濾波量 化 圖1-1 PCM系統(tǒng)原理圖（一） 量化信噪比設(shè)壓縮曲線則： 噪聲功率 信號(hào)功率量化信噪比上式表明： 壓縮特性為對(duì)數(shù)特性時(shí)，量化器的信噪比始終保持常數(shù)，與輸入信號(hào)的幅度無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了最佳非均勻量化。 國(guó)際上通用的兩種對(duì)數(shù)壓縮特性：A律和m律 。本次設(shè)計(jì)采用的是A律13折線。（二）A律13折線的原理歸一化信號(hào)(x/V)，過載電壓為±1，A律對(duì)數(shù) 其中A為壓縮系數(shù)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)A=87.6。未壓縮（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0圖1-2

5、為13折線特性 表1-1列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。表 1-10101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行的值是13折線分段時(shí)的值?？梢?，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)字化圖中只有正幅度部分，共7折線，負(fù)幅度部分也有7折線。但正負(fù)部分第一段折線斜率相等，為同一折線，共13折線。采用13折線近似后，加入正弦信號(hào)，通過測(cè)試，其量化信噪比與輸入幅度的關(guān)系如圖所示圖1-3 正弦輸入SNR曲線（13折線近似）如圖所示：采用折線近似方式后，加入正弦信號(hào)，信噪比的曲線會(huì)出現(xiàn)起伏現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诿慷握劬€起

6、始部分，量化間隔成倍增加，導(dǎo)致量化噪聲增加很快，而信號(hào)功率的增加卻沒有那么快，因而SNR反而略有下降。但隨信號(hào)功率的增加，噪聲功率基本保持不變，因此SNR有開始增加。這樣共有6個(gè)起伏，7個(gè)峰值。（三）編碼所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)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(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。下面

7、結(jié)合13折線的量化來加以說明。在13折線法中，無論輸入信號(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：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表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)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表1-2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表1-3。表1-2段落碼 表1-3段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼811

8、11511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601103010501014010020013001120010100010001000002、 仿真程序、程序編制、流程圖、仿真結(jié)果：（1） 整個(gè)程序設(shè)計(jì)流程如圖圖1-4 程序設(shè)計(jì)大致流程1） 輸入要進(jìn)行編碼的正弦信號(hào)，因?yàn)檎倚盘?hào)的幅度是變化的所以定義了一個(gè)變量用于存放幅度，通過每次的循環(huán)來改變幅度。由于幅度的的值最大為1，因此要對(duì)產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。t = 0:0.01:10;m1 = -60:1:0; %輸入的正弦信號(hào)幅度不同m = 10.(m

9、1/20);figure(1)for i = 1:length(m)for j = 1:2x1 = m(i)*sin(2*pi*t+2*pi*rand(1);v = 1;x = x1/v;%normalizesxx = floor(x*4096);2）將采樣后得到sxx進(jìn)行A律PCM編碼，y = pcm_encode(sxx);pcm_encode函數(shù)是按照附表A律PCM編碼進(jìn)行編程的。在話音信號(hào)的數(shù)字化同際標(biāo)準(zhǔn)G7ll中，采用了折疊碼編碼。表71是G711建議的語音信號(hào)的4律編碼規(guī)則。輸入的語音信號(hào)經(jīng)過抽樣、量化后，每個(gè)抽樣值編碼成8個(gè)比特的二進(jìn)制碼組。量化時(shí)，A律中的每個(gè)區(qū)間義被均勺量化成

10、16個(gè)量化電平，其編碼規(guī)則為：其中：·b0為極性碼,b00時(shí)對(duì)應(yīng)輸入為負(fù)。b01時(shí)對(duì)應(yīng)輸入為正。·b1b2b3為段落碼，分別對(duì)應(yīng)x的8個(gè)區(qū)間；·b4b5b6b7為段內(nèi)碼，對(duì)應(yīng)x區(qū)間中的l 6個(gè)量化電平值3）將經(jīng)過PCM編碼的信號(hào)送入信道題目要求的信道沒有誤碼，所以將編碼后的序列送入信道沒有什么改變只是傳輸，沒有產(chǎn)生誤碼。4）再將經(jīng)過信道的信號(hào)y進(jìn)行PCM解碼y2 = pcm_decode(y,v);pcm_decode函數(shù)實(shí)際上是pcm_encode的逆過程。5）畫出經(jīng)過A律PCM編碼、譯碼后得到的信號(hào)波形與未編碼的信號(hào)波形。subplot(211)plot(t,

11、x1);title('未編碼信號(hào)波形');subplot(212)plot(t,y2)title('編譯碼后得到的信號(hào)波形');6）畫出不同幅度情況下，PCM譯碼后得到的信號(hào)量化信噪比曲線。對(duì)于一定的情況下，量化信噪比的計(jì)算方法如下：根據(jù)公式 （6）得 nq(j) = sum(x1-y2).*(x1-y2)/length(x1);sq(j) = mean(y2.2);snr(j) = (sq(j)/nq(j);snrq(i)=10*log10(mean(snr);對(duì)于要繪制不同情況下的量化信噪比曲線，只是進(jìn)行循環(huán)，每次循環(huán)的從而得到不同的量化信噪比。循環(huán)結(jié)束后，

12、繪出量化信噪比曲線。plot(m1,snrq);axis(-60 0 0 60);title('xulie的量化信噪比')grid;下圖為simulink搭建的PCM編碼器框圖：圖1-5所示測(cè)試模型和仿真結(jié)果如圖所示，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)，Relay模塊的門限設(shè)置為0，其輸出既可作為PCM編碼出去的最高位極性碼。陽值取絕對(duì)值后，以Look-Up Table模塊進(jìn)行13折線壓縮，并用增益模塊將樣值范圍放大到0127，然后用間距為1的Quantizer進(jìn)行四舍五入的取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低

13、7位。3、 結(jié)論及其分析1、未編碼的信號(hào)與經(jīng)過PCM編碼，PCM解碼后的信號(hào)波形對(duì)比如下圖圖1-6 A律PCM編碼譯碼后波形與輸入波形 圖1-7 A律PCM編碼譯碼后波形與輸入波形的對(duì)比示意圖由圖1-6可知，從圖中看出圖中兩個(gè)信號(hào)波形幾乎一樣，說明未編碼的信號(hào)與把信號(hào)經(jīng)過PCM編碼、譯碼后得到的信號(hào)是一樣的。與理論上經(jīng)過編譯碼后得到的波形與原信號(hào)的應(yīng)該是相同的一致。圖1-6是截取兩個(gè)信號(hào)并將其放大得到的，從圖1-6中可以看出兩個(gè)波形大致一樣，但是經(jīng)編碼譯碼后得到的信號(hào)沒有未編碼信號(hào)的波形光滑。 同時(shí)波形上也有一些細(xì)小的區(qū)別。2、PCM譯碼后的量化信噪比圖1-8 未編碼的正弦信號(hào)經(jīng)A律PCM編譯

14、碼后的量化信噪比st =128將圖1-8的量化信噪比與原理中的圖3對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)圖形大致一樣，圖8中的曲線也有6個(gè)起伏，7個(gè)波峰，說明程序得到的量化信噪比曲線是正確的。因?yàn)轭}目中是對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行A律PCM編碼、譯碼后得到的量化信噪比曲線。而在原理部分圖3正是加入正弦信號(hào)，通過A律13折線近似后得到的SNR曲線。出現(xiàn)這樣曲線是因?yàn)樵诿慷握劬€起始部分，量化間隔成倍增加，量化噪聲功率增加很快，而信號(hào)功率并沒有很快增加，造成量化信噪比有所下降。但雖圖1-6與圖1-3的波形基本吻合，卻存在一定的不同。曲線的起伏和波峰沒有理論上的曲線的起伏明顯。4、 心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)在剛開始的過程中無從下手，手忙腳亂

15、，時(shí)間又緊，最終決定用軟件仿真來實(shí)現(xiàn)PCM的編碼過程。通過這次設(shè)計(jì)，掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過程，學(xué)會(huì)了使用matlab（通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真軟件），并學(xué)會(huì)通過應(yīng)用軟件仿真來實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作都起到了一定的作用，加強(qiáng)了動(dòng)手能力和學(xué)業(yè)技能?？傮w來說，這次實(shí)習(xí)我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。在讓我體會(huì)到了設(shè)計(jì)電路的艱辛的同時(shí)，更讓我體會(huì)到成功的喜悅和快樂。每次做課程設(shè)計(jì)都會(huì)有許多的收獲。不僅僅是完成一門課程，還能給我們能力一定的提升，它不僅包括動(dòng)手能力，還包括學(xué)習(xí)能力、判斷能力、搜

16、集資料的能力、交流能力、心理素質(zhì)等。在大一、大二已經(jīng)做過很多課程設(shè)計(jì)，總結(jié)以前課程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，花了我很多時(shí)間，付出了少心血，不過并沒有得到我想要的回報(bào)。不過我還是比較滿意我自己的表現(xiàn)，雖然也還有些不足。從設(shè)計(jì)中獲得的知識(shí)，得到的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我以后的學(xué)習(xí)、工作都是有幫助的。在這次課程設(shè)計(jì)中，不僅對(duì)于以前的上理論課中一些不清楚的地方有了新的認(rèn)識(shí)，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字通信系統(tǒng)有了一定的了解，而且對(duì)于如何將理論轉(zhuǎn)化成程序有了些更深刻的體會(huì)，編程中處理問題的能力也有所增強(qiáng)。雖然是一個(gè)簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)做事態(tài)度方面有了不同的理解，事情無論大小，我們都應(yīng)該認(rèn)真面對(duì)，盡自己的能力去做，不能因?yàn)槭虑樾【筒槐M心。

17、做事認(rèn)真的態(tài)度對(duì)于我們以后工作中也是至關(guān)重要的。所以，我以后要認(rèn)真的做每一件事。5、 參考資料1.通信原理樊昌信 曹麗娜 國(guó)防工業(yè)出版社2.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真matlab通信工具箱李建新 劉乃安西安電子科技大學(xué)出版社3.數(shù)字信號(hào)處理教程matlab釋義與實(shí)現(xiàn)陳懷琛 電子工業(yè)出版社 4.現(xiàn)代通信系統(tǒng)使用matlab約翰-G-普羅克斯 西安交通大學(xué)出版社5. MATLAB通信工程仿真張德豐 機(jī)械工業(yè)出版社6.MATLAB/SIMULINK通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析邵玉斌 清華大學(xué)出版社附源程序代碼：t = 0:0.01:10;m1 = -60:1:0; %輸入的正弦信號(hào)幅度不同m = 10.(

18、m1/20);figure(1)for i = 1:length(m)for j = 1:2x1 = m(i)*sin(2*pi*t+2*pi*rand(1);v = 1;x = x1/v;%normalizesxx = floor(x*4096);y = pcm_encode(sxx);y2 = pcm_decode(y,v);nq(j) = sum(x1-y2).*(x1-y2)/length(x1);sq(j) = mean(y2.2);snr(j) = (sq(j)/nq(j);drawnowsubplot(211)plot(t,x1);title('未編碼信號(hào)波形')

19、;subplot(212)plot(t,y2)title('編譯碼后得到的信號(hào)波形');endsnrq(i)=10*log10(mean(snr); endfigure(2)drawnowsubplot(211)plot(t,x1);axis(0 0.7 -1 1);title('未編碼信號(hào)波形');subplot(212)plot(t,y2)axis(0 0.7 -1 1);title('編譯碼后得到的信號(hào)波形');figure(3)plot(m1,snrq);axis(-60 0 0 60);title('xulie的量化信噪比

20、9;)grid;PCM編碼函數(shù)程序：functionout=pcm_encode(x)%x encode to pcm code n=length(x);%-4096<x<4096for i = 1:nif x(i)>0out(i,1)=1;elseout(i,1)=0;endif abs(x(i)>=0 & abs(x(i)<32out(i,2)=0;out(i,3)=0;out(i,4)=0;step=2;st=0;elseif 32<=abs(x(i)&abs(x(i)<64out(i,2)=0;out(i,3)=0;out(i,

21、4)=1;step=2;st=32;elseif 64<=abs(x(i)&abs(x(i)<128out(i,2)=0;out(i,3)=1;out(i,4)=0;step=4;st=64;elseif 128<=abs(x(i)&abs(x(i)<256out(i,2)=0;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=8;st=128elseif 256<=abs(x(i)&abs(x(i)<512out(i,2)=1;out(i,3)=0;out(i,4)=0;step=16;st=256;elseif 512<=abs(x(i)&abs(x(i)<1024out(i,2)=1;out(i,3)=0;out(i,4)=1;step=32;st=512;elseif 1024<=abs(x(i)&abs(x(i)<2048out(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=0;step=64;st=1024;elseif 2048<=abs(x(i)&abs(x(i)<4096out(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=128;st=2048;elseout(i,2)=1;out(i,