四川大学通信原理实验报告

1、通信原理实验基于Simulink的PCM编解码仿真学校：四川大学学院：电子信息学院专业：电子信息科学与技术姓名：笔墨东韵一实验目的1 掌握PCM编解码的原理及应用2 掌握Matlab平台的基本知识3 掌握基于Matlab的Simulink模块的调试与仿真4 掌握Simulink对PCM编解码进行仿真二 实验内容利用Matlab平台的Simulink进行PCM编解码的仿真，要求设计一个PCM编码模块，一个PCM解码模块，以及一个串行PCM编解码模块。三 实验器材1 WIN7系统PC机一台2 Matlab 2014a及Simulink平台四 实验原理1. PCM简介现在的数字传输系统都是采用脉冲编

2、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。PCM有两个标准即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)是由IBM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HDD。PCM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

3、。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PCM电端机产生。 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

4、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、输出。2. PCM原理框架PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。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。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编码示意图见图1。话音输入低通滤波抽

5、 样量 化编 码话音输出低通滤波解 调解 码信道再 生图1: PCM原理框图3. PCM编码的抽样量化及编码原理抽样：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。量化：从数学上来看，量化就是把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。如图1-2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为： 模拟入量化器量化值这里称为分

6、层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。图2: 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，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有

7、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。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，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相

8、当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线(A=87.6)的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行未压缩（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0编码的。图1-3示出了这种压扩特性。图3: 13折线示意图表1： 13折线的值与计算值的比较。0101按折线分段时的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。编码：所谓编码就是把量化后的信号变换

9、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。下面结合13折线的量化来加以说明。表2： 段落码 表3： 段内码段落序号段落码量化级段内码81111511111411107110131101121100610111101110101051009100181000401170111601

10、10301050101401002001300112001010001000100000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27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表1-3。五Sim

11、ulink设计及仿真1.PCM编码器设计：（PCM编码器设计模型及仿真结果显示）修改参数，设置常数为1：设置常数为0时设计步骤及思路如下：1.) 设计一个输入器为Constant且输入为一个常数1270/2048(当然这里也可以用归一化后的任意数字进行测试)。2.) 然后将输入通过-1,1的限幅器(Saturation)，其主要作用是将输入信号的幅度限制在PCM编码的定义范围内。3.) PCM编码输出的二进制序列中，每个值都用8位的二进制码进行表示，其中最高的比特位表示的是值得正负性质，并且负值用0表示，正值用1表示。所以这里用RELAY模块将门限设置为0，使其输出即可做PCM编码二进制序列的

12、最高位来表示正负极性。4.) 已经用RRLAY模块取得输入值得极性之后，则将输入信号做取绝对值处理。输入值取绝对值之后，用Look-Up Table模块进行13折线压缩。5.) 用Gain增益模块将输入值放大到0127，然后用间距为1的Quantizer进行四舍五入取整。6.) 最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位，再用MUX模块将输入值的极性和PCM编码低7为组合成8位二进制输出，这里用Display模块来表示输出。PCM编码器参数设置：（saturation参数设置）（look-at table 参数设置）(增益模块Gain的具体参数设置)（Quantizer参数设置）这

13、个时候再通过一个整数转Bit的模块即Integer to Bit Converter，在将极性参数结合就可以得到完整的PCM的二进制编码了，在这个测试模型中我采用了一个Display模块来暂时显示二进制编码的具体内容。（Integer to bit converter参数设置）2. PCM解码器设计（PCM解码器模块设计及仿真结果）（PCM解码器子模块设计，其实就是镶入一个编码器）如图所示，这就是一个PCM编码器的Simulink仿真示意图，将PCM解码器封装到一个Simulink的子系统中去，所以就是先对constant模块中的归一化的数字进行编码，然后再进行解码，通过计算可以得知1270/

14、2048的4位有效数字为0.6201，将数字通过PCM编码器个解码器之后可以发现Display模块中显示的数字为0.9764，之间的差值的绝对值为0.3563。分析可以得知差值的主要原因是由于在PCM编码进行的过程中只进行了128位的划分，小数部分进行了四舍五入，精度不够大，所以导致了误差，同时对PCM编码的数据压缩方法分析可以知道，当被压缩的数字值越大的时候，产生的误差越小，而被压缩的数字越小的时候，产生的误差越大。因为位于高位的数字单位数字所占据的压缩码更多，所以产生的误差越小，反之亦然，同时参数设置的不同也会导致误差的增大。PCM解码器的设计思路及步骤如下:1.) 设计一个输入器为Con

15、stant且输入为一个常数1270/2048(当然这里也可以用归一化后的任意数字进行测试)。同时将1270/2048的小数用另一个constant模块在其下显示，用来和之后的结果进行对比。2.) 然后把输入信号输入进一个Subsystem,即一个封装的PCM编码器，然后再把编码后的信号输出3.) 利用一个DEMUX模块将Subsystem的信号进行分录，使得极性符号和内容分离，对内容用一个MUX模块将其组合，再传输到随后的模块当中去，以完成剩余的解码功能。4.) 用Bit to Integer Converter模块将输入进来的7位二进制编码进行转换，转换成为0127之间的整数。通过gain模

16、块将样值范围缩小到01之间。 5.) 对从gain模块中出来的小数利用Look-up Table进行解压缩，然后利用从Relay模块中出来的正负极性进行相乘处理，以获得最终结果，将最终结果输出到Display模块中进行显示。参数设置： (Constant模块参数设置)（product参数设置）3. PCM编解码串行传输设计（A律PCM编解码串行传输模型）将前两个模型进行结合，即把PCM编码器和PCM解码器分别做成两个子模块，然后进行测试。本次的串行传输模型分三个模型进行：l 第一个模型是没有噪声没有延迟的PCM编解码串行传输模型，该模型使用scope1显示器进行波形显示，具体实现的是在信号经过

17、Zero-Order Hold零阶采样保持器模块之后直接进入PCM编码器再进入PCM解码器后输出，并与源信号波形进行对比。l 第二个模型是加入基于帧处理的Frame Conversion模块,Reshape模块及buffer模块模拟实际传输过程中的数据缓冲区帧的模型，该模型使PCM编解码的串行传输更加真实，并且在Scope2波形显示器上显示出了两个波形的延迟。l 第三个模型是在第二个模型的基础上，利用BSC模块对输入信号进行随机误差产生，使输出的信号产生一定的误差，模拟真实情况下的传输过程。运行结果：此时加入误差为0.01示波器1运行结果：示波器1上面的波形为加入噪声后与源波形的对比，此时加入

18、误差为0.01，产生的毛刺比较明显加入误差为0.001时：此时可以看出误差对比，毛刺几乎不存在，产生的误差较小。示波器2：示波器2为加入基于帧处理的Frame Status Conversion模块,Reshape模块及buffer模块模拟实际传输过程中的数据缓冲区帧的模型，该模型使PCM编解码的串行传输更加真实，并且在Scope2波形显示器上显示出了两个波形的延迟。示波器3：示波器3代表的是不加入噪声时，直接由源、编码器和解码器构成的；此时影响波形的为编码器和解码器的参数、算法的设置和系统误差。本次的串行传输模型分三个模型进行：第一个模型是没有噪声没有延迟的PCM编解码串行传输模型，该模型使用scope3显示器进行波形显示，具体实现的是在信号经过Zero-Order Hold模块之后直接进入PCM编码器再进入PCM解码器后输出，并与源信号波形进行对比。第二个模型是加入基于帧处理的Frame Status Conversion模块,Reshape模块及buffer模块模拟实际传输过程中的数据缓冲区帧的模型，该模型使PCM编解码的串行传输更加真实，并且在Scope2波形显示器上显