基于Matlab的脉冲编码仿真_课程设计说明书.doc

课程设计说明书课程设计说明书 课程设计名称 课程设计名称 专业课程设计专业课程设计 课程设计题目 课程设计题目 基于基于 MatlabMatlab 的脉冲编码仿真的脉冲编码仿真 学学 院院 名名 称 称 信息工程学院信息工程学院 专业 专业 通信工程通信工程 班级 班级 学号 学号 姓名 姓名 评分 评分 教师 教师 2020 1313 年年 7 7 月月 3 3 日日 专业 课课程程设设计计任任务务书书 2020 1212 2020 1313 学年学年 第第 2 2 学期学期 第第 1717 周 周 1919 周周 题目题目基于 Matlab 的脉冲编码调制 内容及要求内容及要求 1 以 TP3067 为核心设计调制系统 2 设计 PCM 解调系统 3 调制 解调信号必须一致 进度安排进度安排 17 周 查找资料 进行系统软件方案设计 周 查找资料 进行系统软件方案设计 18 周 软件的分模块调试 周 软件的分模块调试 19 周 系统联调 设计结果验收 报告初稿的撰写 周 系统联调 设计结果验收 报告初稿的撰写 学生姓名 李明 指导时间 每周一 二 三 四指导地点 E 楼 610 室 任务下达20 13 年 6 月 17 日任务完成20 13 年 7 月 5 日 考核方式1 评阅 2 答辩 3 实际操作 4 其它 指导教师程宜凡系 部 主任付崇芳 摘摘 要要 本课题结合 MATLAB 软件的 Simulink 仿真功能与 S 函数的仿真扩展功能 完成 了对脉冲编码调制 PCM 系统的仿真与建模分析 课题中主要分为三部分对脉冲编码 调制 PCM 系统原理进行仿真建模与仿真分析 它们分别为采样 量化和编码原理的 仿真建模 同时仿真分析了采样与欠采样的波形 均匀量化与非均匀量化的量化误差 A 律 13 折线和 律 15 折线的量化误差 PCM 与 DPCM 系统的量化噪声 通过对脉冲 编码调制 PCM 系统原理的这些仿真分析 在教学中将会有很大的应用价值 关 键 词 脉冲编码调制 PCM Simulink 仿真 量化误差 目目 录录 前言前言 1 第一章第一章 设计任务设计任务 2 第二章第二章 脉冲编码原理脉冲编码原理概述概述 3 2 1 PCM 过程分析 3 2 2 基于 SIMULINK 的 PCM 仿 4 第三章第三章 采样采样 5 3 1 采样原理 5 3 2 采样仿真及参数 5 第四章第四章 量化量化 7 4 1 量化原理 7 4 2 量化仿真 8 4 3 量化误差 10 第五章第五章 编码编码 18 5 1 编码原理 18 5 2 编码仿真 19 第六章第六章 综合综合 20 6 1 仿真框图及各部分简介 20 6 2 各部分参数设置 21 6 3 示波器的波形显示 23 第七章第七章 体会体会 24 参考文献参考文献 25 0 前前 言言 脉冲编码调制 PCM 包括采样 量化 编码 其中 量化又分为均匀量 化和非均匀量化 PCM 编码技术又分为 A 律 13 折线编码和 律 15 折线编码 主要包括对采样 量化 编码三部分进行仿真 以及对 1 采样与欠采样的波形 比较 2 均匀量化 非均匀量化与 A 律 13 折线比较 本次项目的主要目的是 在通信原理教学上 作为一种更先进的教学手段使学生在学习脉冲编码调制 PCM 技术时更形象更直观 这样不但可以提高教师教学效率 也可以培养 学生对学习通信原理的兴趣 同时 如果学校搭建通信系统实验室将需要很大 的资金投入 但如果采用 MATLAB 的仿真技术直接在计算机上进行通信仿真 实验则可以省去大量资金 另外 实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统 对这个系统作出 的任何改变 如改变了某个参数的设置 改变系统的结构等 都可能影响到整 个系统的性能和稳定 因此 在计算机上直接进行通信系统仿真实验将会很方 便 1 低通 滤波器 第一章第一章 设计任务设计任务 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 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 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 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 PCM 信号输入 译码器 模拟信号输出 b 译码器 图 1 1 1 PCM 原理方框图 要求 1 使用 Simulink 工具箱进行仿真 2 并对模拟信号进行量化处理 观察均匀量化和非均匀量化的波形 2 第二章第二章 脉冲编码原理脉冲编码原理概述概述 2 12 1 PCMPCM 过程分析过程分析 PCM 即脉冲编码调制 在通信系统中完成将模拟信号变成数字信号功能 PCM 的实现主要包括三个步骤完成 抽样 量化 编码 是把连续的输入信号 变换为在时间域和振幅域上都离散的量 然后再把它变换为二进制代码进行传 输 其功能是完成模 数转换 实现连续消息数字化 在脉冲编码通信的接收 段 首先由已受噪声干扰的波形中进行检测和再生 从而恢复原来的 PCM 信号 然后由译码设备把代码还原为量化的采样值 最后经过低通滤波器恢复原信号 完成与发送端相反的变换 即实现数 模转换 根据 CCITT 的建议 为改善小 信号量化性能 采用压扩非均匀量化 有两种建议方式 分别为 A 律和 律 方式 我国采用了 A 律方式 由于 A 律压缩实现复杂 常使用 13 折线法编码 采 用非均匀量化 PCM 编码示意图见下图 图 2 1 1 PCM 原理框图 本次课设 我们只研究脉冲编码这一部分 即采样 量化 编码三个过程 译码 采样量化编码 脉冲 再现 f t 噪声A D 变 换 信道 定时D A 变 换 LPF ft 图 2 1 2 脉冲编码调制原理 低通滤波瞬时压缩 抽 样量 化编 码 低通滤波 瞬时扩张解 调解 码 信 道 再 生 话音输入 话音输出 3 2 2 基于基于 SIMULINKSIMULINK 的的 PCMPCM 仿真仿真 Simulink 是 MATLAB 提供的用于对动态系统进行建摸 仿真和分析的 工具包 Simulink 提供了专门用于显示输出信号的模块 可以在仿真过程中随 时观察仿真结果 simulink 具有良好的交互界面 通过分析窗口和示波器模拟 等方法 提供了一个可视的仿真过程 不仅在工程上得到应用 在教学领域也 得到认可 尤其在信号分析 通信系统等领域 其可以实现复杂的模拟 数字 及数模混合电路及各种速率系统 本文主要阐述了如何利用 simulink 实现脉冲 编码调制 PCM 系统的实现通过模块分层实现 模块主要由 PCM 编码模块 PCM 译码模块 及逻辑时钟控制信号构成 通过仿真设计电路 分析电路仿真 结果 为最终硬件实现提供理论依据 在 MATLAB 工作区中输入 Simulink 并回车 或单击 MATLAB 工具栏上的按钮 就进入了 Simulink 模型库 采 用 Simulink 进行建摸和仿真时 一般是从 Simulink 模型库中提供的模块出发 通过组合各种模块来完成模块的设计 Simulink 模型库提供了一种模块的集成 环境 通过它可以快速地开发各种仿真模型 本课题用到 Source Coding 信源编码模块库 其包含各种用于实现抽样 和量化功能的模块 4 第三章第三章 采样采样 3 1 1 抽样抽样 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 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 fS 2fh 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 3 2 2 采样仿真采样仿真 图 3 2 1 采样仿真 图 3 2 2 采样示波器参数设置 通过示波器观察欠采样结果如图所示 采样周期为 1 8000 5 图 3 2 3 采样仿真图 第一幅图为输入周期信号 第二幅图为采样信号 第三幅图为采样后的周期信 号 y t 就是对 f t 采样后的信号或称样值信号 可以用下式表示 y t f t k t 任何情况下 采样都应该满足采样定理 即一个频带限制在 0 fH 赫内的时 间连续信号 m t 如果以 T 1 2fH秒的间隔对它进行等间隔采样 则 m t 将 被所得到的采样值完全确定 6 第四章第四章 量量 化化 4 1 1 量化原理量化原理 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 v 图 4 1 1 模拟信号的量化 模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化 由于均匀量化存在的主要缺 点是 无论抽样值大小如何 量化噪声的均方根值都固定不变 因此 当信号 较小时 则信号量化噪声功率比也就很小 这样 对于弱信号时的量化信 m t 噪比就难以达到给定的要求 通常 把满足信噪比要求的输入信号取值范围定 义为动态范围 可见 均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制 为了克 服这个缺点 实际中 往往采用非均匀量化 非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的 对于信号取值小的 区间 其量化间隔也小 反之 量化间隔就大 它与均匀量化相比 有两个v 突出的优点 首先 当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度 实际中 常常是这样 时 非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功 率比 其次 非均匀量化时 量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成 比例 因此量化噪声对大 小信号的影响大致相同 即改善了小信号时的量化 信噪比 量化则是将取值连续的采样变成取值离散的采样 实际中 非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化 通常使用的压缩器中 大多采用对数式压缩 广泛采用的两种对数压缩律是 压缩律和 A 压缩律 美国采用压缩律 我国和欧洲各国均采用 A 压缩律 7 因此 PCM 编码方式采用的也是 A 压缩律 4 24 2 量化仿真量化仿真 图 4 2 1 量化仿真图 量化过程是由采样量化编码器 Scalar quantizer 来完成的 如图所示 为 一个采样量化编码器模块 它有三个输出端口 第一个输出端口输出均匀量化 第二个输出端口输出信号的非均匀量化 第三个输出端口输出 A 压缩律量化 采样量化编码器模块及其参数设置对话框如下图所示 图 4 2 2 均匀量化参数 图 4 2 3 非均匀量化参数 图 4 2 4 A 律量化参数 8 4 2 5 量化仿真图 根据以上参数得出仿真图形如上图所示 第一幅图为均匀量化仿真图 第二 幅图为输入的正弦信号 第三幅图为非均匀量化仿真图 第一幅图为 A 律量化 仿真图 当均匀量化时 每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点 其量化间 隔 量化台阶 v 取决于输入信号的变化范围和量化电平数 当信号的变化范 围和量化电平数确定后 量化间隔也被确定 假如输入信号的最小值和最大值 分别用 a 和 b 表示 量化电平数为 M 那么 均匀量化时的量化间隔为 ba v M 量化器输出 mq为 mq qi 当 mi 1 m mi 式中 mi为第 i 个量化区间的终点 可以写成 mi a i v qi为第 i 个量化区间的量化电平 可以表示为 i 1 2 M 1 2 ii i mm q 量化间隔设置为 0 75 0 25 0 25 0 75 量化码本设置为 0 825 0 5 0 0 5 0 825 当非均匀量化时 对于信号取值小的区间 其量化间隔 v 也小 反之 量 化间隔就大 正如 A 律压缩 也就是压缩器具有如下特性的压缩律 9 0 x 1 A 1 ln Ax y A 1 A x 1 1 ln 1 ln Ax y A 式中 x 为归一化的压缩器输入电压 y 为归一化的压缩器输出电压 A 为压扩 参数 表示压缩程度 量化间隔设置为 1 2 1 4 1 8 1 16 1 32 1 64 1 128 0 1 128 1 64 1 32 1 16 1 8 1 4 1 2 1 量化码本设置为 1 7 8 6 8 5 8 4 8 3 8 2 8 1 8 0 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 1 由数学模型知道它能将小信号放大 将大信号压缩 将采用 13 折线计算出 的 y 与 x 的对应关系列于表 3 2 中 注 表中只列出了第一象限 x 与 y 的值 第三象限的值与第一象限完全对称 表 3 2 采用 13 折线计算出的 y 与 x 的对应关系 y 值01 82 83 84 85 86 87 81 x 值 A 律 13 折线 01 1281 641 321 161 81 41 21 经比较可以看到 A 律量化效果很好 因非均匀量化为近似的 A 律量化 非均 匀量化效果明显比均匀量化好 下图为单独提出均匀量化和非均匀量化比较 图 4 2 6 均匀量化和非均匀量化比较 从该图中可以看到 均匀量化后的信号无论大信号还是小信号其量化间隔 10 都相同 而非均匀量化后的信号 对大信号进行压缩而对小信号进行较大的放 大 这就相当于把信号的动态范围扩展了 4 34 3 量化误差量化误差 1 均匀量化 曲线名称见各自曲线图 1 n 8 图 4 3 1 原始信号及量化曲线 11 4 3 2 量化值及编码显示 2 n 16 图 4 3 3 原始信号及量化曲线 4 3 4 量化值及编码显示 3 n 64 12 图 4 3 5 原始信号及量化曲线 4 3 6 量化值及编码显示 2 非均匀量化 u 率对数量化 1 n 8 13 图 4 3 7 原始信号及量化曲线 4 3 8 量化值及编码显示 14 1 n 16 图 4 3 9 原始信号及量化曲线 4 3 10 量化值及编码显示 15 2 n 64 图 4 3 11 原始信号及量化曲线 图 4 3 12 量化值及编码显示 16 2 数据分析与说明 数据分析与说明 1 n 8 16 64 的均匀量化曲线 对于均匀量化 量化级数越大 量化值与原始值约接近 量化 误差越小 即量化效果越好 2 n 8 16 64 的均匀量化信噪比 对于均匀量化 量化级数越大 量化信噪比越大 3 n 8 16 64 的非均匀量化曲线 对于非均匀量化 量化级数越大 量化值与原始值约接近 量 化误差越小 即量化效果越好 4 n 8 16 64 的非均匀量化信噪比 对于非均匀量化 量化级数越大 量化信噪比越大 5 对于相同量化级的均匀与非均匀量化特性 均匀量化的量化误差分布比较均匀 而非均匀量化的量化误差 随信号幅度变化 在大幅度处大 在小幅度处小 当 n 较小时 均 匀量化的量化信噪比大于非均匀量化 但是当 n 较大时 均匀量化 的量化信噪比小于非均匀量化 17 第五章第五章 编编 码码 5 15 1 编码原理编码原理 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 就是把量化后的信号变换成代码 其相反的过程称为译码 当然 这里的编码 和译码与差错控制编码和译码是完全不同的 前者是属于信源编码的范畴 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 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 下面结合 13 折线的量化来加以 说明 表 1 1 段落码 表 1 2 段内码 段落序号段落码量化级段内码 151111 8111 141110 131101 7110 121100 111011 6101 101010 91001 5100 81000 70111 4011 60110 50101 3010 40100 30011 2001 20010 10001 1000 00000 18 在 13 折线法中 无论输入信号是正是负 均按 8 段折线 8 个段落 进行 编码 若用 8 位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值 其中用第一位表 示量化值的极性 其余七位 第二位至第八位 则表示抽样量化值的绝对大小 具体的做法是 用第二至第四位表示段落码 它的 8 种可能状态来分别代表 8 个段落的起点电平 其它四位表示段内码 它的 16 种可能状态来分别代表每一 段落的 16 个均匀划分的量化级 这样处理的结果 8 个段落被划分成 27 128 个量化级 5 2 编码仿真编码仿真 图 5 2 1 编码仿真 验证 输入数字 120 输出数值 120 对应的折叠码为 10111101 设 C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0为 8 位码的 8 个比特 其安排如下 极性码 段落码 段内码 C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 根据这种安排 段落码及段内码所对应的段落及电平值如表 3 14 所示 表 1 3 段落电平关系 段落码段内码对应电平 段落序号 C6 C5 C4 段落起点电平 C3 C2 C1 C0 段落长度 10 0 008 4 2 116 20 0 1168 4 2 116 30 1 03216 8 4 232 40 1 16432 16 8 464 51 0 012864 32 16 8128 61 0 1256128 64 32 16256 71 1 0512256 128 64 32512 19 81 1 11024512 256 128 641024 第六章第六章 综综 合合 6 1 仿真框图及各部分的简介 图 6 1 1 Simulink PCM 编码和解码组成的框图 1 信源 在通信系统中假定我们仅用来传送语音信号 因语音信号的频带范围为 300Hz23400Hz 为了更好的体现人的语音的频率的变化以及观察所采用的系统 对语音频带范围内的信号恢复程度 我们采用了Chrip 函数 Chrip 函数是其频 率时间线性增长的函数 在雷达系统中这样的信号称为线性调频信号 并用专用 词汇Chrip 表示 2 模拟低通滤波器 按照采样定理的要求选择采样频率 即 s 2 c 但考虑到信号的频谱不 是锐止的 最高截止频率以上还有较小的高频分量 为此可选 s 324 c 另外可以在采样之前加一保护性的低通滤波器 滤去高于 s 2 的一些无用 的高频分量 以及其他的一些杂散信号 因此在采样前加入一低通滤波器 20 3 矩形脉冲序列 由于产生和传输单位冲激函数难以实现 因此实际中通常采用矩形脉冲抽样 根 据CCITT 标准 留一定的防卫带则采样频率f s 8000Hz T 1 8000 125 s 用占空比为50 的矩形脉冲序列 4 相乘器 通过相乘器使语音信号与矩形脉冲相乘从而获得时域离散信号 此即信号的 抽样过程 5 A率压缩 由于实现困难 因此工程上通常用十三折曲线来近似地表示A 律曲线 6 均匀量化和编码 根据语音信号的统计结果 在信号动态范围 40dB 的情况下信噪比不应低 于26dB 因此用8 位 量化器 量化间隔为125 s 7 编码器 编码器是将量化后信号编成适合信道传输的信号 8 解码器 将从信道接受到信息进行解码 9 A率解压 对解码后的信号量化值进行扩展 得到重建信号 10 零阶保持 零阶保持完成将