脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真 MATLABE.doc

2008级学生数字通信原理课程设计 通信原理课程设计报告书课题名称脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真姓 名学 号院 系物理与电信工程系专 业 通信工程指导教师 2010年 12月 29日 一、设计任务及要求： 1、利用MATLAB软件完成脉冲编码调制(PCM)系统的设计与仿真，观察输出波形，并绘制相关图形。2、要求有各种需要的信号输出，并记录。3、通过编程设置对参数进行调整，可以调节输出信号的显示效果。指导教师签名： 年 月 日 二、指导教师评语：指导教师签名： 年 月 日 三、成绩验收盖章 年 月 日 脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真一、设计目的通过此次设计，加深对通信原理和MATLAB课程的学习，熟练掌握脉冲编码调制的方法，同时了解和掌握通信原理课程设计中各种原理程序的设计技巧；掌握MATLAB软件的使用方法及在MATLAB中程序编程的方法，加深对实验设备的了解及对硬件设备的正确使用；加强对电路图的描绘技能，提高实践动手能力。二、设计要求 根据系统的工作原理，利用MATLAB软件工具实现脉冲编码调制(PCM)系统的设计与仿真，观察仿真波形，并绘制相关的图形；通过编程设置对参数进行调整，可以调节输出信号的显示效果。三、设计原理PCM即脉冲编码调制，是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。PCM系统的原理方框图如图1所示。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，此抽样值仍为模拟量。在它量化之前，通常用保持电路将其作短暂保存，以便电路有时间对其进行量化。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。译码器的原理和编码过程相反。9模拟信号输入 抽样保持 量化器 编码器 PCM信号输出 冲激脉冲 （a）编码器低通滤波器PCM信号输入 译码器 模拟信号输出 （b）译码器 图1 PCM原理方框图下面将介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理：1.1 抽样 所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。如果一个连续信号f(t)的频谱中最高频率不超过fh，当抽样频率fS2fh时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。这就是抽样定理。1.2量化抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可有无限个值。为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。这一过程称为量化。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。实际中，往往采用非均匀量化。在非均匀量化时，量化间隔是随信号抽样值的不同而变化的。信号抽样值小时，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。1.3编码 所谓编码就是把量化后的抽样信号变换成给定字长的二进制代码的过程。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。话音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bits8kHz=64kb/s。量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小，量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常采用脉冲代码调制编码，即PCM编码。PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将模拟连续信号转换为数字编码。四、具体设计步骤和程序 4.1设计步骤 1、输出时钟和帧同步时隙信号观测用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和输出时钟信号（TP503），观测时以TP504作为同步信号。2、抽样时钟信号与PCM编码数据测量 将跳线开关K501设置在T位置，用函数信号发生器产生一个频率为100Hz，电平为2V的正弦波测试信号，送入信号测试端口J005和J006. 用示波器同时观测抽样时钟信号（TP504）和编码输出数据信号（TP502），观测时以TP504作为同步信号。 4.2具体设计程序 %show the pcm encode and decode clear all t=0:0.01:10; vm1=-70:1:10; %输入正弦信号幅度不同 dB vm=10.(vm1/20); %dB-10进制 figure(1) for k=1:length(vm) for m=1:2 x=vm(k)*sin(2*pi*t+2*pi*rand(1); v=1; xx=x/v; %norrmalize sxx=floor(xx*4096); y=pcm_encode(sxx); yy=pcm_decode(y,v); nq(m)=sum(x-yy).*(x-yy)/length(x); %噪声功率 sq(m)=mean(yy.*2); %信号功率 snr(m)=(sq(m)/nq(m); %信噪比 drawnow subplot(211) plot(t,x); title(sample sequence); subplot(212) plot(t,yy); title(pcm decode sequence); end snrq(k)=10*lg(mean(snr); end figure(2) plot(vm1,snrq); axis(-60 0 0 60); grid; pcm_encode,m function out=pcm_encode(x) %x encode to pcm code n=length(x); %-4096x0 out(i,1)=1; %符号位 elseout(i,1)=0; %符号位 end if abs(x(i)=0&abs(x(i)=32&abs(x(i)=64&abs(x(i)=128&abs(x(i)=256&abs(x(i)=512&abs(x(i)=1024&abs(x(i)=2048&abs(x(i)=4096) out(i,2:8)=1 1 1 1 1 1 1; else tmp=floor(abs(x(i)-st)/step); t=dec2bin(tmp,4)-48; %函数dec2bin输出的是ASCII字符串，48对应0 out(i,5:8)=t(1:4); end out=reshape(out,1,8*n); %行变列 pcm_decode,m function out=pcm_decode(in,v) %decode the input pcm code%in:input the pcm code 8 bits sample %v:quantized level n=length(in); in=reshape(in,8,n/8); %列变行 slot（1）=0；slot（2）=32；slot（3）=64；slot（4）=128； slot（5）=256； slot（6）=512； slot（7）=1024； slot（8）=2048； step（1）=2； step（2）=2； step（3）=4； step（4）=8；step（5）=16；step（6）=32；step（7）=64；step（8）=128； for i=1:n/8 ss=2*in(i,1)-1; %+1 -1 tmp=in(i,2)*4+in(i,3)*2+in(i,4)+1; %二进制转换十进制 st=slot(tmp);dt=(in(i,5)*8+ in(i,6)*4+ in(i,7)*2+ in(i,8)*step(tmp)+0.5*step(tmp);out(i)=ss*(st+dt)/4096*v;end五、设计结果 图2 输入正弦信号图 图3 实验结果图总结：通过利用MATLAB软件实现了题目的要求，完成了PCM脉冲编码调制。六、主要仪器与设备系统开发平台为Windows XP，装有MATLABR2010a版的PC机一台七、设计心得 本次课程设计我们花了很多时间查阅资料、设计程序、安装MATLAB软件，通过与老师的交流和指导下，最终在MATLAB软件上将程序运行出来，实现PCM脉冲编码调制。通过这次设计，我掌握了PCM编码的工作原理及PCM系统的工作过程，进一步学习仿真软件 MATLAB的使用方法，并学会通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了动手能力和学业技能。参考文献1 王兴亮,寇宝明.数字通信原理与技术M. 西安电子科技大学出版社，2009年5月第3版：32-38.2 张志涌,杨祖樱. MATLAB教程M. 北京航空航天大学出版社，2009年6月第7次出版：187-194、297-310.3 程佩青. 数字信号处理教程M. 清华大学出版社，2009年12月第三版：82-84.4 刘树棠. 信号与系统M. 西安交通大学出版社，2005年4月：65-68.5 刘毅敏. 基于MATLAB的调制解调器的设计M. 武汉