增量调制编码和解码的设计与仿真

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学通信综合设计通信综合设计课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：增量调制编码和解码的设计与仿真增量调制编码和解码的设计与仿真院（系）：院（系）： 电子与信息工程学院电子与信息工程学院专业班级：专业班级： * 学学 号：号： * 学生姓名：学生姓名： * 指导教师：指导教师： * 起止时间：起止时间：2013.12.27-2014.01.10 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）I通信综合设计（论文）任务及评语通信综合设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：通信工程教研室学 号*学生姓名*专业班级*课程设计（论 文

2、）题 目增量调制编码和解码的设计与仿真增量调制编码和解码的设计与仿真课程设计（论文）任务技术参数：已知输入信号为 x(t)=sin(250t)+0.5sin(2150t)增量调制器的采样间隔为 1ms，量化间距4 . 0，单位延迟起初始值为0。试用编程和 Simulink 仿真两种方法建立仿真模型并求出前 20 个采样点时刻上的编码输出序列以及解码样值波形。具体任务：1.给出增量调制原理，设计增量调制编码解码方框图。2、并建立数学关系，用编程方法实现。3、用 Simulink 的 DSP 基本模块库和采用 DPCM 编解码模块实现各个部分电路设计及构成总体电路设计图。仿真步长 0.001s。给

3、出设计过程、设计图、相关仿真波形和设定的参数等。4、打印输出结果，并进行结果分析。若效果不理想可进行分析和更改参数。5、按照要求完成设计报告。指导教师评语及成绩平时成绩（20%）： 论文成绩（50%）： 答辩成绩（30%）： 总成绩 ： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）II 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）III摘 要增量调制简称 M 或增量脉码调制方式（DM） ，它是继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字化的方法。1946 年由法国工程师 De Loraine 提出，目的在于简化模拟信号的数字化方

4、法。主要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有时也作为高速大规模集成电路中的 A/D 转换器使用，本实验即用增量调制的编码方式来处理语音信号。差分脉冲编码调制（DPCM）是一种广泛使用的语音编码方式，它利用相邻抽样值之间的相关性减少编码的数据率。增量调制（M）是差分脉冲编码调制的一种简化形式，它具有结构简单、编码效率高、抗误码性能好等特点。本实验用 Matlab 软件 Simulink 仿真增量调制编码与解码系统，读取事先录制在硬盘上的语音数据，送到M 发送模块，再送到M 接收模块，最后送到语音输出设备。关键词：编码调制（DPCM） ； Matlab 软件；增量调制；Simulink 仿真 辽 宁

5、 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）IV目 录第 1 章 绪论 .11.1 增量调制的意义 .11.2 MATLAB 简介 .11.3 总体系统设计方案 .3第 2 章 调制与解调的实现 .42.1 M 的调制方案 .42.2 M 解调方式 .6第 3 章 仿真与结果 .73.1 增量调制 SIMULINK仿真 .73.2 增量调制 MATLAB 的仿真与结果 .93.3 存在的问题及解决分析 .103.3.1 增量调制存在的问题.103.3.2 解决方案思考.11第 4 章 课程设计总结 .12参考文献 .13 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）1

6、第 1 章 绪论1.1 增量调制的意义语音是人类最重要、最有效、最常用和最方便的通信形式。自 1874 年贝尔发明电话以来语音通信一直是通信的主角。为了充分利用有限的频率资源，语音编码一直是通信领域的重要课题。语音信号处理是研究用数字信号处理技术队语音信号进行处理的一门科学。它是在多门学科基础上发展起来的综合性技术，涉及到语音学、语言学、认知科学、数字信号处理、模式识别和人工智能等许多学科领域。同时语音信号处理也是目前发展最为迅速的信息科学之一，其研究涉及一系列前沿课题。增量调制简称 M 或增量脉码调制方式（DM） ，它是继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字化的方法。1946 年由法国工程师

7、 De Loraine 提出，目的在于简化模拟信号的数字化方法。主要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有时也作为高速大规模集成电路中的 A/D 转换器使用，本实验即用增量调制的编码方式来处理语音信号。1.2 MATLAB 简介MATLAB 的名称源自 Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用 MATLAB 产品的开放式结构，可以非常容易地对 MATLAB 的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识

8、的同时，不断完善 MATLAB 产品以提高产品自身的竞争能力 Matlab 的数据分析和处理功能十分强大，运用它来进行语音信号的分析、处理和可视化相当便捷，本文介绍了在 Matlab 环境中如何采集语音信号和语音信号采集后的文档处理方法，并通过实例分析了经过 Mat1ab 处理的语音信号。MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案

9、，并在很大程度上摆脱 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）2了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB 和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点，使MATLAB

10、 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。在 PCM 系统中，为了得到二进制数字序列，要对量化后的数字信号进行编码，每个抽样量化值用一个码组（码字）表示其大小。码长一般为 7 位或 8 位，码长越大，可表示的量化级数越多，但编、解码设备就越复杂。我们看一下图 1。图中在模拟信号 f(t)的曲线附近，有一条阶梯状的变化状曲线 f(t),f(t)与 f(t)的形状相似。显然

11、，只要阶梯“台阶” 和时间间隔 t 足够小，则 f(t)与 f(t)的相似程度就会提高。对 f(t)进行滤波处理，去掉高频波动，所得到的曲线将会很好地与原曲线重合，这意味着 f(t)可以携带 f(t)的全部信息（这一点很重要） 。因此，f(t)可以看成是用一个给定的“台阶” 对 f(t)进行抽样与量化后的曲线。我们把“台阶”的高度 称为增量，用“1”表示正增量，代表向上增加一个 ；用“0”表示负增量，代表向下减少一个 。则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、 “1”数字序列来表示（如图（1.1）所示） ，也就是说，对 f(t)的编码只用一位二进制码即可。此时的二进制码序列不是代表某一时刻的抽样值，

12、每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化趋势。缩写为DM 或 M 调制。增量调制最早由法国人 De Loraine 于 1946 年提出，目的是简化模拟信号的数字化方法。其主要特点是：（1）在比特率较低的场合，量化信噪比高于 PCM。（2）抗误码性能好。能工作在误比特率为 102103 的信道中，而 PCM 则要求信道的误比特率为 104106。（3）设备简单、制造容易。（4）它与 PCM 的本质区别是只用一位二进制码进行编码，但这一位码不表示信号抽样值的大小，而是表示抽样时刻信号曲线的变化趋向。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）3图 1.1 增量调制波形示意示1.3

13、 总体系统设计方案增量调制（DM）系统的设计，由 M 的调制方案和 M 的解调方案两个子方案组成。通过发送端形成 f(t)信号并编制成相应的二元码序列, 比较在每个抽样时刻 t 处的 f(t)和 f(t)的值, 用一个比较电路（减法器）来完成 f(it)和f(it_)的差值的比较；通过分析f(t)的波形，阶梯波形象地说明增量调制原理，实际积分器的输出波形可以相应得到，最后完成设计与仿真。t111111111000000ttf (t)f (t) 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）4第 2 章 调制与解调的实现2.1 M 的调制方案如何在发送端形成 f(t)信号并编制成相

14、应的二元码序列呢？仔细分析一上图（1） ，比较在每个抽样时刻 t 处的 f(t)和 f(t)的值可以发现, 当 f(it)f(it_)时，上升一个 ，发“1”码； 当 f(it)0，则 Po(0)=1 (1)t=t 时， e(t)=f(t)-f(t_)0，则 Po(t)=1 (2)t=2t 时，e(2t)=f(2t)-f(2t_)0，则 Po(3t)=1; (4)t=4t 时，e(4t)=f(4t)-f(4t_)0，则 Po(5t)=1; (6)t=6t 时，e(6t)=f(6t)-f(6t_)0，则 Po(6t)=1; (7)以此类推，即可得到如图 1.3 所示的波形。会发现图 2.2 中的

15、 f(t)和图 2.2的波形不一样。其实，图 1.1 的阶梯波只是为了形象地说明增量调制原理，而实际积分器的输出波形如图 2.2d 所示。 (C)数字量输出图 2.2 增量调制过程示意图tt02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tT(t)(a) (b) tt02t3t4t5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tf (t)f (t)(d) t110101111110000t02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tPo(t)t0f (t) 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）62.

16、2 M 解调方式为了完成整个通信过程，发送端调制出的信号必须在接收端通过解调恢复出原始模拟信号。M 信号的解调比较简单，用一个和本地解码器一样的积分器即可。在接收端和发送端的积分器一般都是一个 RC 积分器。解调过程就是图 43中的积分过程。当积分器输入“1”码时，积分器输出产生一个正斜变的电压并上升一个量化台阶 ；而当输入“0”码时，积分器输出电压就下降一个量化台阶 。为了保证解调质量，对解码器有两个要求：（1）每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率大小一样。（2）解码器应具有“记忆”功能，即输入为连续“1”或“0”码时，输出能连续上升或下降。对积分器的输出信号进行低通滤波，滤除波形中的高频

17、成分，即可得到与原始模拟信号十分近似的解调信号，如图 2.3 所示图 2.3 增量调制译码(解调)示意示Po(t)f (t)fo(t)(a) ()t0f (t)(b) fo(t) 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）7第 3 章 仿真与结果3.1 增量调制 Simulink 仿真采用 Simulink 基本模块实现和采用 DPCM 编解码模块实现。仿真测试模型如图 3.1 所示。仿真步进设置为 0.001s，模型中所有需要设置采样时间的地方均设置采样时间为 0.001s。在增量调制部分，Relay 模块作为量化器适应，其门限设置为 0，输出值分别设置为 0.4 和-0.

18、4；Relay 作为编码器使用，其门限设置为0，输出值设置为 1 和 0；解码端 Relay2 模块作为解码器使用，其门限设置为0.5，输出值分别为 0.4 和-0.4；使用单位延时器 Unit Delay 作为预测滤波器，初始状态均设置为零。使用 DPCM 编解码模块进行等价实现，DPCM 编码模块的设置是，预测器分子系数为0,1，分母系数是 1，量化分割值为 0，码书为-0.4,0.4，解码器与编码器设置相同。仿真时间设置为 0.02s，即仿真前 20 个采样点。仿真结果如图（7）所示，采用 Simulink 基本模块实现的解码结果与编程法得到的波形相同。但是，由于初始值设置问题，采用 D

19、PCM 编解码模块得出的解码结果与采用 Simulink基本模块实现的解码结果在起始部分稍有不同，随着仿真时间的增加，两者输出结果相同。图 3.1 增量调制编码仿真测试模型 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）8其中 f(u)=sin(2*pi*50*u)+0.5*sin(2*pi*150*u)图 3.2 增量调制编码解码波形仿真结果（一） 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）93.2 增量调制 MATLAB 的仿真与结果程序执行结果如图 3.2 所示。从图中原信号和解码结果对比看，在输入信号变化平缓的部分，编码器输出 1、0 交替码，相应的解码

20、结果以正负阶距交替变化，形成颗粒噪声，称空载失真；在输入信号变化过快的部分，解码信号因不能跟踪上信号的变化而引起斜率过载失真。量化阶距越小，则空载失真就越小，但是容易发生过载失真；反之，量化阶距增大，则斜率过载失真减小，但空载失真增大。如果量化阶距能根据信号的变化缓急自适应调整，则可以兼顾优化空载失真和过载失真，这就是自适应增量调制的意思。图 3.2 增量调制编码解码波形仿真结果（二） 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）10结果分析：第一个图形是原信号及离散样值第二个图形是编码输出二进制序列的波形第三个图形解码结果和信号波形对比0.0040.006 为空载失真部分0.

21、0090.012 为过载失真部分3.3 存在的问题及解决分析3.3.1 增量调制存在的问题增量调制尽管有前面所述的不少优点，但它也有两个不足：一个是一般量化噪声问题;另一个是过载噪声问题。两者可统一称为量化噪声。观察图 1.1 可以发现，阶梯曲线（调制曲线）的最大上升和下降斜率是一个定值，只要增量 和时间间隔 t 给定，它们就不变。那么，如果原始模拟信号的变化率超过调制曲线的最大斜率，则调制曲线就跟不上原始信号的变化，从而造成误差。我们把这种因调制曲线跟不上原始信号变化的现象叫做过载现象，由此产生的波形失真或者信号误差叫做过载噪声。另外，由于增量调制是利用调制曲线和原始信号的差值进行编码，也就

22、是利用增量进行量化，因此在调制曲线和原始信号之间存在误差，这种误差称为一般量化误差或一般量化噪声。两种噪声示意图如图 3.3 所示。 图 3.3 两种量化噪声示意图 仔细分析两种噪声波形我们发现，两种噪声的大小与阶梯波的抽样间隔 t和增量 有关。我们定义 K 为阶梯波一个台阶的斜率 式中,fs 是抽样频率。该斜率被称为最大跟踪斜率。当信号斜率大于跟踪斜率时，称为过载ttf (t)f (t)n(t)n(t)f (t)f (t)sKft 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）11条件，此时就会出现过载现象；当信号斜率等于跟踪斜率时，称为临界条件；当信号斜率小于跟踪斜率时，称为

23、不过载条件。可见，通过增大量化台阶（增量） 进而提高阶梯波形的最大跟踪斜率，就可以减小过载噪声；而降低 则可减小一般量化噪声。显然，通过改变量化台阶进行降噪出现了矛盾，因此， 值必须两头兼顾，适当选取。不过，利用增大抽样频率（即减小抽样时间间隔 t） ，却可以“左右逢源”，既能减小过载噪声，又可降低一般量化噪声。因此，实际应用中，M 系统的抽样频率要比 PCM 系统高得多（一般在两倍以上，对于话音信号典型值为 16kHz 和 32kHz） 。3.3.2 解决方案思考增量调制中增量的幅值是固定的。若幅值选得过大，粒状噪声过大；若选得过小，超载噪声增加，这给增量的幅度选择带来了一定的困难。为了解决

24、这一问题，可让增量的幅值在调制的过程中随着声音信号的变化自动地进行调制、变化，这就是自适应调制 ADM(Adaptive Delta Modulation)。ADM 调制的基本原理是：在声音信号变化不大的情况下，取较小的增量幅值以抑制粒状噪声。在声音信号变化较大的情况下，预测信号跟不上声音信号的变化，应采取一定的算法增加增量的幅值，以此抑制超载噪声。调制过程中，增量的幅值随声音信号的变化自适应地变化。ADM 调制虽然能较好地克服超载噪声，解决粒状噪声和超载噪声的矛盾，但在声音信号从高速变化转向平坦处时，容易出现由于增量幅值过大而产生的噪声。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）12第 4 章 课程设计总结如果说任何机会都是需要去创造出来的话，那么那个创造者，其实就是你自己。时间过得真快，转眼间已经有两个星期了，现