基于MATLAB的PCM的PCM编码系统设计与仿真-通讯原理课程设计

河南农业大学课程设计任务书课程设计名称 基于MATLAB的PCM编码系统设计与仿真 院 (系) 机电工程学院 专业 班级 14电子信息工程 学 号 1404101007 姓 名 崔 召 辉 指导 教师 季 宝 杰 摘要数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用，借助于MATLAB软件，可以直观、方便地进行计算和仿真。因此可以通过运行结果，分析系统特性。MATLAB是美国Math Works公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件，Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink 的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于 Simulink 的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于 Simulink 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中，通过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。基于MATLAB的SIMULINK仿真模型，能够反映模拟通信系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。当然理论与实际还会有很大的出入，在设计时还要考虑各种干扰和噪声等因素的影响。 关键词 MATLAB 脉冲编码调制PCM 仿真 目 录1 绪论.11.1 PCM技术的产生和发展.11.2 设计要求.21.3 课题目标及内容.21.3.1 论文课题目标.213.2 论文主要内容.32 MATLAB工具介绍.32.1 MATLAB简介.32.2 MATLAB的功能和特点.43 PCM基本原理.43.1 抽样.43.2 量化.43.3 编码.63.4 时分多路复用.73.5 系统仿真模型.94 系统设计.94.1 通信系统的原理.10 4.2 所设计子系统的原理.114.3 详细设计与编码.114.3.1 设计方案.114.3.2 编码与测试.114.3 .3 运行结果与分析.12心得体会.17致谢.17附录.18参考文献.261 绪论 数字通信系统己经成为现今通信发展的方向，但是经过传感器的转换以后自然界中的很多信息，大多数依旧为模拟量，PCM(脉冲编码调制)它是一种调制方式就是把模拟信号转换作数字信号。重点运用在语音传输，并且在数字微波通信、卫星通信、光纤通信当中得到了广阔的运用，通过凭借MATLAB软件，能够更便捷、直接的来仿真与计算。因此可以通过运行出的结果，分析系统特性。MATLAB是美国Math Works公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件。MATLAB具有强大的图形处理的能力，功能强大的数值运算功能 ，丰富的工具箱，高级且简单的程序环境。它被广泛应用在通信仿真中。1.1 PCM技术的产生和发展脉冲编码调制，是由A.里弗斯在1937年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础。光纤通信系统中，光纤中传送的是“0码”和“1码”二进制光脉冲。而数字信号是需要对持续不断变化的模拟的信号进行抽样、量化和编码所得出来的，称为PCM。此电的数字信号可被称作数字基带信号，通过 PCM电端机所产生的，现在的数字传输系统都是采用脉冲编码调制体制。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。PCM有两种标准（表现形式）即T1和E1。中国采用的是欧洲的E1标准2。T1的速率是1.544Mbit/s，E1的速率是2.048Mbit/s。 脉冲编码调制是七十年代末期发展起来的，记录媒体的CD之一，在八十年代初期由索尼同飞利浦公司联合推出。脉冲编码调制所具有的音频格式同样是被DVD-A所采用的，他支持5.1环绕声与立体声，被DVD讨论会发布且推出在1999年。脉冲编码调制的比特率，从14-bit一直发展直到24-bit；采样的频率也从44.1kHz一直发展达到192kHz3。PCM脉冲编码调制此技术能够提高和改善的部分却一直在变小。仅是单纯的提增PCM脉冲编码调制采样率以及比特率，不能彻底的改换它的根基问题。它的原因是PCM主要的问题所在为：任何的脉冲编码调制数字音频系统必须要在它的输入端置设可以快速降升的滤波器，仅仅让20Hz-22.05Hz的频率通过（22.05kHz是由CD44.1kHz频率的一半所确定的）。录音的时候采用串联抽选或多级数字滤波器（降低采样频率），在重放的时候采纳用有多级内插的数字滤波器（提升采样的频率）8，二者加入重复定量噪声可以控制小信号编码的时候的失真。以此限制了在音频还原时候脉冲编码调制技术的保真度。 1.2设计要求（1） 根据技术指标，理解PCM脉冲编码的原理；（2）根据技术指标，实现各模块的程序代码；（3）连接各模块，运行出系统中的抽样信号和量化信号；（4）测试分析均匀量化和非均匀量化的噪声性能；（5）对测试结果进行分析讨论； 1.3 课题目标及内容13.1 论文课题目标（1） 培养我综合运用多门课程知识的能力。（2） 培养我熟练掌握MATLAB，运用此MATLAB软件工具进行通信系统仿真的能力。（3） 培养我发现问题，解决问题，查阅资料解决问题的能力。（4） 加强我对通信系统各个不同方面的理解。（5）培养我们系统设计和系统开发的良好的思想。1.3.2 论文主要内容数字通信由于具有抗干扰能力强、可靠性好、易保密和廉价格等许多优点，已成为现代通信的主要发展趋势之一。如今通信中的许多业务，其信源信号如语音、图像等都是模拟的，利用数字通信系统传输模拟信号时，首先要将模拟信号数字化。模拟信号数字化的方法有很多，目前采用最多的是信号波形的模-数变换方法，即波形编码。本课题是基于MATLAB的通信系统仿真 PCM系统仿真, 用Matlab软件仿真来实现PCM的编码过程并得出相应的图形。 2 MATLAB工具介绍2.1 MATLAB简介Matlab是由美国的mathworks公司出品的一款商业性数学软件4。可用于数据的可视化、算法的开发、数值的计算和数据分析的交互式的环境和高级的技术计算语言。其主要包括SIMULINK与MATLAB两大部分。其把科学数据可视化、数值计算，数值分析，矩阵计算，及其非线性动态系统的仿真与建模等众多的高级的功用统一于一个比较容易使用地视窗环境当中，它代表了当今的国际科学计算软件的先进水平。三大数学软件包括MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE。MATLAB能够进行绘制函数与数据、运算矩阵、用户界面的创建、算法的实现、matlab的开发工作界面连到其它编程语言程序等等。它重点运用在控制设计、工程的计算、金融建模分析和设计、检测信号、处理图像、信号通讯和处理等方面。2.2 MATLAB的功能和特点 我这次所要选用的软件是MATLAB，因为这款软件的功能很是强大，学习起来也很方便，仿真也比较容易实现。MATLAB具有以下六个特点：（1） 较高的编程效率（2） MATLAB把连接、编辑、编译及其执行融合为一体。可以使用户方便的使用。（3） 具有很强扩充能力，数学运算可以直接调用丰富得库函数用户文件也能调用当做库函数。（4） matlab的语句很简单，内涵也是十分的丰富（5） 在matlab中矩阵和数组运算是十分高效十分方便的（6） 有一系列绘图命令可调用，能够更加方便的进行绘图，自变量可调。 最主要的是MATLAB软件学习起来方便容易，以前有学习C、VB语言的基础，MATLAB与C、VB语言有类似之处，编程流程大概差不多，但要注意的是MATLAB与C、VB语言在程序代码上也有细微的差别，MATLAB是一种解释性的语言，在写程序代码时相对容易方便些，与C、VB语言相比较来说它的运算速度慢，但是它功能强大。3 PCM基本原理 脉冲编码调制（PCM）简称脉码调制，它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。因为此种通信方式抗干扰能力强，因此在光钎通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的运用1。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。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。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2。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。3.1 抽样 抽样，即是对模拟的信号所进行的周期性的扫描，将在时间上连续的信号变为在时间上离散的信号1。这个模拟信号经过抽样以后还应要包含原有信号当中所有信息，也就是说能够无失真的恢复原有模拟信号。抽样定理可确定其抽样速率下限。于一个频带限制在(0，fh )内的时间连续信号f(t)，若以1/2 fh的时间间隔对它进行抽样，以此能完全恢复有原信号依靠这些个抽样值。也就是说，要是一个连续信号f(t)的频谱当中其最高的频率不大于fh，在抽样的频率fs2fh时候，原有连续的所有信息也就包含于抽样后的信号1。这就是抽样定理。3.2 量化 从数学上来看，量化是将一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合5。像图 3.1所展现出来的量化器Q传输出来M个量化的值yk，k=1，2，3，M。yk常被称作量化电平或者是重建电平。在量化器所要输进去的信号的幅度值x落在xk和xk+1当中的时候，量化器就传送输出的电平是yk。此量化过程就可写成表达式为： Y=Q(x)=QXkx0)&(x(i)=1/64)&(x(i)=1/32)&(x(i)=1/16)&(x(i)=1/8)&(x(i)=1/4)&(x(i)=1/2)&(x(i)=1) y(i)=1/4*x(i)+3/4; end; end; end; end; end; end; end;end;y1=z.*y;End此子函数的功能是将抽样后得到的值用13折线转换成对应的值.子函数2：function bit=bianma(y4,n)m=2/n;for i=1:n+1 q(i)=min(y4)+(i-1)*m;end%量化过程 t=length(q); ttt=; %存放将抽样信号量化后的值 tt=; e=1; tt(1)=-1; for x=2:length(q) tt(x)=(q(x-1)+q(x)/2; %存放第几个电平段的电平值 end tt=tt,max(y4); b_duan=; %存放电平段for x=1:length(y4) if y4(x)=q(t) b_duan(x)=length(tt); else if y4(x)=min(q) b_duan(x)=1; else for y=1:t-1 if (q(y)=y4(x)& (y4(x)q(y+1) b_duan(x)=y+1; end end end endendnu=ceil(log2(n); %编码 code=zeros(length(y4),nu); for i=1:length(y4) for j=nu:-1:0 if (fix(b_duan(i)/(2j)=1) code(i,(nu-j+1)=1; b_duan(i)=b_duan(i)-2j; else code(i,(nu-j+1)=0; end end endbit=;for i=1:length(y4) bit=bit,code(i,:);End此函数的功能是将抽样后的值量化后进行自然二进制编码。第个值采用8位二进制编码。子函数3：function bit2=xianxi(m)H= 0 1 1 1 1 0 0; 1 0 1 1 0 1 0; 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 1 1 1 ; %生成矩阵C=rem(m*G,2); c,z=size(C); bit2=; for i=1:c bit2=bit2,C(i,1:7); End此函数的功能是进行信道编码即：将每四位二进制后加三位监督位，比特流的总长度除以四余下的则不进行加监督位。子函数4：function bit3=xianxiyima(gg) p=gg;R=;S=;for i=1:length(p)/7 R(i,1:7)=p(i-1)*7 +1:i*7);endH= 0 1 1 1 1 0 0; 1 0 1 1 0 1 0; 1 1 0 1 0 0 1; c,z=size(R); S=rem(R*H,2);for i=1:c %伴随式的行次 for j=1:7 b=all(S(i,:)=H(:,j); if b=1 R(i,j)= R(i,j); break; end endendR(:,5:7)=; c,z=size(R); bit3=; for i=1:c bit3=bit3,R(i,1:4); end子函数5：function bb=BPSK(bit)fs = 30000;Ts = 0.1;m = fs * Ts; %一个码无