PCM解码器的MATLAB实现.docx

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1、PCM解码器的MATLAB实现一、实训目的通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关PCM编码和解码的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同 时对我们进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。二、实训任务和要求（一）、实训任务利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个PCM编码与解码系统. 用示波器观察编码与解码前后的信号波形；加上各种噪声源，或含有噪声的信道，最后根 据运行结果和波形来分析该系统性能。（二）、实训要求1 .熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉PCMg码与解码

2、原理，构建 PCMS码与解码电路图.2 .对模拟信号进行采样、量化、编码（PCM）,将编码后的信号输入信道再进行 PCM 解码，还原出原信号.建立仿真模型，分析仿真波形.3 .在编码与解码电路间加上噪声源，或者加入含有噪声源的信道，并给出仿真波 形。4 .在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计 学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。三、实训过程与内容（一）、脉冲编码调制1. PCM简介现在的数字传输系统都是采用脉码调制（Pulse Code Modulation）体制。PCM最 初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信 号。P

3、CMt两个标准即E1和T1。我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率 是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。PCM:相变存储器（Phase-change memory,PCM）l由旧M公司的研究机构所开发 的一种新型存储芯片，将有望来替代如今的闪存Flash和硬盘驱动器HDDPCM在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲 0码和1码，它由 二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为 PCM (pulse code modulation,即脉冲编码调制。这种 电的数字信号称为数字基带信号，由 PCMfe端机产

4、生。PCM可以向用户提供多种业务，既可以提供从 2M到155M速率的数字数据专 线业务，也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。特别适用于对数据传输速 率要求较高，需要更高带宽的用户使用。PCM线路的特点：?PCM线路可以提供很高的带宽，满足用户的大数据量的传输。?支持从2M开始的各种速率，最高可达155M的速率。?通过SDH设备进行网络传输，线路协议简单。与传统的DDN技术相比，PCM具有以下特点：?线路使用费用相对便宜。?能够提供较大的带宽。?接口丰富便于用户连接内部网络。?可以承载更多的数据传输业务。PCM (动力控制模块)：汽车电控部分，电控单元的动力控制模块，有存储器、输入、输

5、出。2. PCM原理所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。下面 将用一个PCM系统的原理框图简要介绍。原理框图如图 2-1所示。图2-1 PCM原理方框图在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。这个抽 样值仍是模拟量。在它量化之前，通常由保持电路(holding circuit)将其作短暂保存,以便电路有时间对其量化。在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保 持电路。图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后在编码器中进行二进制 编码。这样，每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。图中的译码器的原理和 编码过程相反。

6、其中，量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器）；译码与低通 滤波的组合称为数/模变换器（D/A变换器）。抽样是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号，抽样速率的下限由抽样定理确定。Q规定的电平，把抽样信用最量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定 接近的电平表示。实际上量化是在编码过程中同时完编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。成的。图1是PCMI路抽样、量化、 编码波形图A律与A律压缩特性以律：yinU_H).( 1 x 1)(美、日)1n(1)A律： yAx1 1nA

7、0 |x|（我国、欧洲）1 1nA|x|1 1nAA |X| 1式中，x为归一化输入,y为归一化输出，A、仙为压缩系数。数字压扩技术：一种通过大量的数字电路形成若干段折线，并用这些折线来近似A律或以律压扩特性，从而达到压扩目的方法。即对数压扩特性的折线近似法。折线压扩特性：既不同于均匀量化的直线，又不同于对数压扩特性的光滑曲线。总 的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的，但它既有非均匀量化（不同折线有不同斜率），又有均匀量化（在同一折线的小范围内）。两种常用数字压扩技术：（1） A律13折线压扩一一13折线近似逼近A=87.6的A 律压扩特性；（2）以律15折线压扩一一15折线近似逼近仙=255

8、的小律压扩特性。采用折线压扩的特点：基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路的 实现实际中A律常采用13折线近似如图2-2所示图2-2 A律13折线其具体分法如下：先将X轴的区间0, 1一分为二，其中点为1/2,取区间1/2,1作为第八段;区间0,1/2再一分为二，其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段；区间0,1/4再一分为二，其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段；区间0,1/8一分为二，中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段；区间0,1/16一分为二，中点为1/32,取区间1/32,1/16作为第四段；区间0,1/32一分为二，中点为1/64,取区间1

9、/64,1/32作为第三段；区间0,1/64一分为二，中点为1/128，区间1/128,1/64作为第二段；区间0,1/128作为第一段。然后将Y轴的0,1区间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为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。分别与 X轴对应。编码的码字和码型：二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，并易于再生，因此 PCM中一般采用二 进制码。对于Q个量化电平，可以用k位二进制码来表示，称其中每一种组合为一个码 字。在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量要求。而对于

10、干线远程的全网通信，一般要经过多次转接，要有较高的质量要求，目前国际上多采用8位编码PCM设备。码型指的是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各 对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。在PCW常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码(又称格雷码)。码位的安排：目前国际上普遍采用8位非线性编码。例如PCM 30/32路终端机中最大输入信号幅 度对应4 096个量化单位(最小的量化间隔称为一个量化单位)，在4 096单位的输入幅 度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。用于13折线A 律特性的8位非线性编码的码组结构如表 2-1所示：

11、表2-18位非线性编码的码组结构极性码段落码段内码M1M2M3M4M5M6M7M8其中，第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。 从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码M1不同外，其余几位码是完全一样的。因此在编码过程中，只要将 样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。这样 只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。这8段折线共包含128个量 化级，正好用剩下的7位码（M2,，M8）就能表示出来。（二）模块设计与仿真图形分析1. simulink的工作环境熟悉建立一个很

12、小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图 3-1所示系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块,图3-1 正弦仿真电路图正弦波参数如下：图3-2正弦波参数设置系统内的示波器显示的波形如图:图3-3单正弦波与平方波的对比结论：两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2，频度是原频度的2倍2. PCM编码器电路设计图3-4 13折线近似的PCMg码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图3-4所示。其中以Saturation作为限幅器，将输入信号幅度值 限制在PCM码的定义范围内，以A-Law Compressor作压缩器，Relay模块的门限值设置为 0,其输出即可作为PCM编码输出的最高位

13、一一极性码。样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127,然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为 7位 二进制序列，作为PCM编码的低7位。可以将上图中Constant和Display （不含）之间的模 块封装一个PCM码子系统备用。其中各模块的具体参数设置如下：图 3-5 A-Law CompressorFunction Block Paraacters: Abs| X ggajH |g; nuggita ; iLaiigia：Ba sjpiawj| | i&aigm1 11 1 jiip, ta ; iibub|guaJ j Saturate an dn

14、u-e ger、 1 * iuai1 *: ma hi ，* ubibi;b aniHin Mill0 Enabt zeic crejEinf dtcticnSenple t:口干 -1 foj inherited 二20图 3-6 Abs图 3-7 RelayFunction Slock faraaeters;&ainSainE二y 忒一阴：“ Elin y - K. or 毗工ix sain (y - K*u qi 7 = u*Kh-ain-Wm匚3工;工三Farq片；片:t丁匚营三图 3-8 Gain图 3-9 Quantizer2 Function Blocl P 旦raute 工，；

15、 Integer 4。Bit Convert exJnt&s&r Eit 二口nvsrtWH ；二-5工）（linkMap a vector c-f inteetrfi to a sector of biti. 7he first hit o-f the ou.tpiit v*2tor i th* sc-st sienificant fait MSB. . Tht Nuater i&fliMeds F.-f-rTiiciftEHu4MITa 工H；Ain 期二 * *二 K ht n : i. -1 二 三七三：一二二二E 叩:：TM二二。51who 11 : 3：= Cd. Ecz JEPC

16、M解码器的MATLAB实现3.5有干扰信号的PCM码与解码图3-37 PCM编码器和解码器（有噪声）测试模型和仿真结果仿真模型如图3-37所示，其中PCM编码和解码子系统内部结构参见 3.2, 3.3, PCM 编码输出经过并用转换后得到二进制码流送入二进制对称信道（BSC）。在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入 PCM解码，之后输出解码结果并显示波形。仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍，这里模型中信道速率最高， 为71kbps故仿真步长设置为1/710004信道错误比特率为0.05,以观察信道误码对PCM 传输的影响。仿真结果见下文。传输信号为100*pi的正弦波，解码输出存

17、在延迟。对于 信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中 错误比特位于一个PCM编码字串中的位置，位于最高位（极性）时将导致解码值极性 错误，这是引起的干扰最大，而位于最低位的误码引起的干扰最轻微。示波器显示结果如下：34图 3-38 Scope图 3-39 Scopel其中各模块的具体参数设置如下:图 3-40 Sine Wave图 3-41 Zero-Oroder-Holder图 3-42 Frame Status Conversion图 3-43 Buffer图 3-44 Binary Symmetric Channel图 3-45 Buffer1图 3

18、-46 Scopel图 3-47 Reshape7 Scope7 p&rasetersGeneral Data historyTip: try right clicking on axesAxesNumber of axe5: 2floating scopeTime range; 0.02Tick labels:bottom axisonly 二|SamplingDeciiriationCancelApply图 3-48 Scope回 口口口0口二刖iffTirafl- jnn Paf”才firps PCTr5inpfr/Cnnf i forftt i raw图3-49系统总的仿真参数四、实训

19、总结与心得体会通过本次课程设计，我了解了 PCM编码与解码原理以及PCM编码与解码（包括加 噪声和不加噪声）电路原理框图的Simulink的实现与调制性能的分析，把本学期所学的 通信原理和MATLAB等内容应用到本课程设计中来，以达到融会贯通。为进一步学习 今后的课程打下坚实的基础。经过两个星期的努力，课程设计终于设计了。在完成设计的过程中，我的收获很大， 不仅仅是对我自己所学的专业知识加深了解， 同时还熟练地掌握了 MATLAB和Simulink 软件的操作，而且还锻炼了自己独立处理问题的能力。我总是想追求完美，可总不那么完美。但是我比较骄傲的是我用了三天的时间就把 我的课程设计的原理框图连

20、接好，也从中学到了更深远的知识。我能够理解电路框图中 每个元件的意义，以及参数的设置问题。这是值得庆幸的事。在这里我非常感谢蔡老师 一直辛勤的指导我们，认真给我们解答疑惑。正是在您的指导下，我们的课程设计才会 更好更快的完成。谢谢老师！五、参考文献1王亚芳，滑玉，董楠，MATLAB仿真及电子信息应用，20132樊昌信，曹丽娜.通信原理.国防工业出版社，20083吴伟陵,续大我，庞沁华.通信原理.北京邮电大学出版社，20054青松，程岱松，武建华.数字通信系统的SystemView仿真与分析.北京航空航 大大学出版社，20015曹志刚，钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社，19926苗长云等主编.现代通信原理及应用.电子工业出版社，20057桑林，郝建军，刘丹.数字通信.北京邮电大学出版社，20028张圣勤.MATLAB 7 . 0实用教程.机械工业出版社，2006