通信原理之PCM編解碼

1、重慶交通大學信息科學與工程學院綜合性設計性實驗報告專 業(yè) 班 級： 姓 名 學 號： 實驗所屬課程： 通信原理 實驗室(中心)： 語音八樓 指 導 教 師 ： 實驗完成時間： 3 年月1日教師評閱意見： 簽名： 年 月 日實驗成績：一、 設計題目基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真信源編解碼二、實驗目的:1.綜合應用Matlab編程與系統(tǒng)仿真、信號與系統(tǒng)、現(xiàn)代通信原理等多門課程知識，使我們建立通信系統(tǒng)的整體概念；2.培養(yǎng)我們系統(tǒng)設計與系統(tǒng)開發(fā)的思想；3.培養(yǎng)我們利用軟件進行通信仿真的能力。4.培養(yǎng)我發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，查閱資料解決問題的能力。5、培養(yǎng)我熟練掌握MATLAB，運用此matlab軟件工具

2、進行通信仿真的能力三、實驗設備及軟件：PC機一臺，MATBLAB。四、實驗主要內容及要求：1、 對通信系統(tǒng)有整體的較深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基礎，畫出對應的通信子系統(tǒng)的原理框圖2、 提出仿真方案；3、 完成仿真軟件的編制4、 仿真軟件的演示5、 提交詳細的設計報告五、實驗原理1、 PCM基本原理脈沖編碼調制（PCM）簡稱脈碼調制，它是一種用二進制數(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。因此此種通信方式抗干擾能力強，因此在很多領域都得到了廣泛運用。PCM信號的形成主要由三大步驟組成，包括：抽樣、量化和編碼。它們分別完成時間上離散、幅度上離散及量化信號的二進制表示。量化

3、分為均勻量化和非均勻量化，為了減小小信號的量化誤差，我們常使用的是非均勻量化。非均勻量化分為A律和µ律。我國采用的是A律，但由于A律不好實現(xiàn)，所以我們常用近似的13折線編碼。1.1抽樣抽樣即是將時間連續(xù)的模擬信號由一系列時間離散的樣值所取代的過程它實現(xiàn)的是信號在時間上的離散化。抽樣信號要想無失真的恢復出原信號，抽樣頻率必須要滿足抽樣定理。即：如果信號的最高頻率為fH，那么抽樣頻率fs必須要滿足fs>=2fH.1.2量化經(jīng)過抽樣后的信號還并不是數(shù)字信號，它只實現(xiàn)了時間上的離散化。幅值上并不離散。所以我們要對信號進行量化，實現(xiàn)其幅值的離散化。量化分為均勻量化和非均勻量化。本實驗主要

4、用到了非均勻量化中的A律13折線壓縮。下面主要介紹A律13折線。A律壓縮是指壓縮器具有如下的壓縮特性： 由于A律在工程上不好實現(xiàn)，所以我們經(jīng)常用近似的13折線壓縮法去代替A率壓縮下面是13折線時的X值與A律計算得的X的比較202-12-22-32-42-52-62-70X近似值10x準確值17/86/85/84/83/82/81/80z0.250.512481616斜率87654321段號第二行的X值是根據(jù)A=87.6時計算得到的，第三行的X值是13折線分段時的值?？梢姡?3折線各段落的分界點與A=87.6 的曲線非常的接近。而13折線的x按2的冪次分布，計算較方便，也易于實現(xiàn)。1.3編碼編碼

5、即把量化后的新哈變換成二進制代碼，其反過程就叫做譯碼。本實驗中我們用的是折疊二進制碼。我們把一個量化電平數(shù)用一個8位的二進制表示。第1位表示信號的極性，2-4位表示段落碼，5-8位表示段內碼。A律正輸入值編碼表段落碼段落序號12345678段落碼000001010011100101110111段內碼量化級段內碼量化級段內碼15111170111141110601101311015010112110040100111011300111010102001091001100018100000000在13折線中，用8位的折疊二進制碼表示信號量化值的具體步驟為：用第2到4位表示段落碼，8個段落的起點電平

6、由它的8種可能狀態(tài)來分別表示。其他四位表示段內碼，每一個段落它的16個均勻的劃分量化級由它的16種可能狀態(tài)來分別表示。這樣就使得8個段落被劃分為128個量化級。再加上負的，相當于一共有256種量化電平數(shù)。數(shù)字通信系統(tǒng)原理框圖模擬信號抽樣量化信源編碼信道編碼數(shù)字調制模擬信號信源譯碼信道數(shù)字解調加噪抽樣判決濾波信道譯碼本實驗詳細設計方案主函數(shù)產(chǎn)生模擬信源并得到抽樣信號PCM編碼Huffuman編碼漢明編碼信道漢明譯碼Hufuman解壓縮Pcm反變換重建模擬信號Bpsk調制加噪解調濾波抽樣判決各子系統(tǒng)詳細介紹：1、 模擬信號為原始的信源信號2、 抽樣是將上述的時間和幅值都連續(xù)的模擬信號轉換為時間離散

7、，幅值連續(xù)的信號。3、 量化是將上述信號轉換為時間和幅值均離散的數(shù)字信號4、 Pcm編碼是將量化后的信號轉換為01比特流5、 Huffuman編碼是為了減少冗余，提高傳輸效率6、 漢明編碼是通過增加冗余位來提高傳輸效率7、 Bpsk調制式將上述0、1比特流轉換成適合在信道中傳輸?shù)牟ㄐ?、 加噪是模仿信號傳輸過程中噪聲的干擾，解調、濾波是為了恢復原信號。抽樣判決是把信號恢復成0 、1比特流的形式9、 漢明譯碼、huffuman解壓縮、pcm反變換分別是漢明編碼，huffuman 編碼，pcm編碼的反過程。10、 最后還原成模擬信號六、主要代碼及必要說明：主函數(shù)function PCMmain()

8、close all;clc;clear;A=3;t1=0:0.1:6*pi;a1=sin(t1);figure;subplot(2,1,1);plot(t1,a1);title('原始信號');t2=0:2*pi/32:6*pi;a=sin(t2);subplot(2,1,2);stem(t2,a);title('抽樣信號');res=pcm(a);%-datastream,huff,n=hfencodingmain(res);bit2=hanmencoding(datastream); panjue=channel(bit2,5);bit22=hamyima(

9、panjue);bit3=huffdecoding(bit22,huff,n);S=ipcm(bit3);figure;title('經(jīng)過信道的重建信號');t=linspace(0,6*pi,length(S);plot(t,S,'r');hold on;plot(t,S,'.b');pcm編碼function res=pcm(s)z=sign(s);maxs=max(abs(s);s=abs(s/maxs);%歸一化Q=2048*s;%一個量化單位為1/2048;code=zeros(length(s),8);w(1)=0;for k=2:8

10、 w(k)=2(k+2);%段起始值0,16,32,64,128,256,512,1024endres=;for i=1:length(s) if(z(i)>0) code(i,1)=1; else code(i,1)=0; end for k=8:-1:1 if Q(i)>=w(k) a=dec2bin(k-1,3); code(i,2:4)=a;%段落碼的判斷 break; end end if k>=2 t=fix(Q(i)-w(k)/(2(k-2); else t=fix(Q(i)-w(k); end code(i,5:8)=dec2bin(t,4); %段內碼的判斷

11、 res=res,code(i,:);endendhuffuman編碼的主函數(shù)function datastream,huff,n=hfencodingmain(code)p,h1,h=aa(code);c,n=hufftree(p,h1);datastream,huff=hufencoding(c,p,h,h1,n);EndHuffuman編碼子函數(shù)1、統(tǒng)計各電平出現(xiàn)概率function p,h1,h=aa(x)m=length(x)/8;for i=1:256 chars(i).data=dec2bin(i-1,8); chars(i).num=0;endh=;for j=1:m temp

12、=x(j-1)*8+1:j*8); h=h;temp; for k=1:256 if sum(temp=chars(k).data)=8 chars(k).num=chars(k).num+1; break; end endendh1=;l=0;for i=1:256 if chars(i).num=0 h1=h1,chars(i); l=l+1; endendfor y=1:l p(y)=h1(y).num/m;endend2、構建huffuman樹function c,n=hufftree(p,h1)n=length(p);for i=1:n-1for j=i:nif p(i)>=p

13、(j)P=p(i);p(i)=p(j);p(j)=P;T=h1(i);h1(i)=h1(j);h1(j)=T;endendendQ=sort(p);c=-ones(2*n-1,6);c(:,1)=1:2*n-1;c(1:n,2)=Q;q=Q;m=zeros(1,2*n-1);for i=n+1:2*n-1 c(i,2)=q(1)+q(2); temp1=find(c(:,2)=q(1)&c(:,6)=1,1); c(temp1,6)=1; temp2=find(c(:,2)=q(2)&c(:,6)=1,1); c(temp2,6)=1; c(i,4)=temp1; c(i,5)

14、=temp2; c(temp1,3)=i; c(temp2,3)=i; Q=Q,q(1)+q(2); q=q(1)+q(2),q(3:end); q=sort(q);endend根據(jù)構建的huffuman樹進行編碼function datastream,huff=hufencoding(c,p,h,h1,n)for i=1:n huffcode=; p=c(i,3); j=i; while(p=-1) if(c(p,4)=j) huffcode=0,huffcode; else huffcode=1,huffcode; end j=p; p=c(j,3); end huff(i).ch=h1(

15、i).data; huff(i).code=huffcode;endl,k=size(h);datastream=;for i=1:l for j=1:n if sum(h(i,:)=huff(j).ch)=8 datastream=datastream,huff(j).code; break; end endendend（7、4）漢明編碼function bit2=hanmencoding(m)H=0 1 1 1 1 0 0; 1 0 1 1 0 1 1; 1 1 0 1 0 0 1;G=1 0 0 0 0 1 1; 0 1 0 0 1 0 1; 0 0 1 0 1 1 0; 0 0 0 1

16、 1 1 1;bit2=;n=fix(length(m)/4);for i=1:n t=m(i-1)*4+1:i*4); bit2=bit2,rem(t*G,2);endbit2=bit2,m(4*n+1:end);end通過信道的子函數(shù)function panjue=channel(bit2,SNR)%-調制-cs=bit2*2-1;de=;t=linspace(0,1,16);carrier=cos(2*pi*t);for i=1:length(cs) de=de,cs(i)*carrier;endfigure;subplot(4,1,1);plot(de);axis(0,length(d

17、e)/10,-1,1);title('調制信號');%-加噪-de=awgn(de,SNR,'measured');%-解調-designal=;for i=1:16:length(de)-15 designal=designal,de(i:i+15).*carrier;endsubplot(4,1,2);plot(designal);axis(0,length(designal)/10,-1,1);title('解調信號');%-濾波-load lowpass;l=fix(length(lowpass)/2);designal=designal

18、,zeros(1,l);b=filter(lowpass,1,designal);b=b(l+1:end);subplot(4,1,3);plot(b);axis(0,length(b)/10,-1,1);title('濾波后的信號');%-抽樣判決-panjue=;panjue1=;for i=1:length(b)/16; sum1=b(i-1)*16+4); if sum1>=0 panjue=panjue,1; panjue1=panjue1,ones(1,16); else panjue=panjue,0; panjue1=panjue1,zeros(1,16)

19、; endendsubplot(4,1,4);plot(panjue1);axis(0,length(panjue1)/10,-1,1);title('抽樣判決信號');end漢明碼譯碼函數(shù)function bit3=hamyima(bit2)H=0 1 1 1 1 0 0; 1 0 1 1 0 1 1; 1 1 0 1 0 0 1;j=fix(length(bit2)/7);bit3=;for k=1:j R=bit2(k-1)*7+1:k*7); S=rem(R*H',2); for i=1:7 if sum(S=H(:,i)')=3 break; end

20、end R(i)=R(i); bit3=bit3,R(1:4);endbit3=bit3,bit2(j*7+1:end);endhuffuman譯碼function transcode=huffdecoding(datastream,huff,n)k=datastream;transcode=;len=0;max=1;for u=1:n temp=length(huff(u).code); if temp>max max=temp; endendwhile(length(k)=0) d=k(1);for L=1:length(k) symbol=0; for i=1:n if (leng

21、th(d)=length(huff(i).code) if(length(find(d=huff(i).code)=length(d) transcode=transcode,huff(i).ch; k=k(length(d)+1:end); symbol=1; end end if symbol=1 break; end end if symbol=1 break; else if length(k)-length(d)>0 d=d,k(length(d)+1); else transcode=transcode,k; break; end endendendpcm譯碼function

22、 S=ipcm(code)len=length(code)/8;w(1)=0;for k=2:8 w(k)=2(k+2);%段起始值0,16,32,64,128,256,512,1024endfor i=1:7 b(i)=(w(i+1)-w(i)/16;%每段的最小量化間隔endb(8)=1024/16;S=;for i=1:len s=code(i-1)*8+1:(i-1)*8+8); t=bin2dec(s(2:4)+1;%判斷段落位置 y=bin2dec(s(5:8);%判斷段內地址 m=w(t)+(y+0.5)*b(t); m=m/2048; if s(1)=0%判斷極性 m=-m; end S=S,m;endfunction a=bin2dec(x)%二進制轉十進制n=length(x);sum=0;for i=1:n sum=sum+x(i)*2(n-i);enda=sum; function a=dec2bin(x,n)%將x轉換為n位的二進