PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析

1、PCM编译码器设计及应用 摘 要：利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM编码与解码系统。在给定信号的前提下用经过理论计算分析的数据、图形与用虚拟的示波器、display器件所得到的图形、数据相比较;得出系统的性能。关键词：MATLAB7.0 ；Simulink仿真平台；PCM编码器与解码器； 1 引言1.1 课程设计目的通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关 PCM编码和解码的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力。体会了做一些简单理论验证的经验。1.2 课程设计内容利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真

2、平台,设计一个 PCM编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形，最后根据运行的数据和波形来分析该系统性能。1.3 课程设计要求1用Simulinlk对系统建模并搭建一个Pcm编译码器。 2. 输入模拟话音信号观察其输出波形。3. 再输入数字波形观察一码波形4. 对所设计的系统进行仿真分析。5. 对其应用阐述举例。 2 脉冲编码调制2.1 PCM简介现在的数字传输系统都是采用脉码调制（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

3、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。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

4、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。2.2 PCM原理&#

5、160;  所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。下面将用一个PCM系统的原理框图简要介绍。原理框图如图2-1所示。图2-1 PCM原理方框图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。这个抽样值仍是模拟量。在它量化之前，通常由保持电路（holding circuit）将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。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。图中的译码器的原理和编码过程相反。其中，量化

6、与编码的组合称为模/数变换器(A/D变换器)； 译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。 抽样是对模拟信号进行周期性的扫描， 把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息， 即能无失真地恢复出原模拟信号， 抽样速率的下限由抽样定理确定。 量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。 编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。图1是PCM单路抽样、量化、 编码波形图。 律与A律压缩特性律： （美、日）A律： （我国、欧洲） 式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A

7、、为压缩系数。 数字压扩技术：一种通过大量的数字电路形成若干段折线， 并用这些折线来近似A律或律压扩特性，从而达到压扩目的方法。即对数压扩特性的折线近似法。折线压扩特性：既不同于均匀量化的直线，又不同于对数压扩特性的光滑曲线。总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的， 但它既有非均匀量化(不同折线有不同斜率)， 又有均匀量化(在同一折线的小范围内)。 两种常用数字压扩技术：（1）A律13折线压扩13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性；（2） 律15折线压扩15折线近似逼近=255的律压扩特性。采用折线压扩的特点：基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路的实现实际中A律常采用13折线

8、近似如图2-2所示图2-2 A律13折线其具体分法如下:先将X轴的区间0，1一分为二，其中点为1/2,取区间1/2,1作为第八段;区间0,1/2再一分为二，其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段;区间0,1/4再一分为二，其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段;区间0,1/8一分为二，中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段;区间0,1/16一分为二，中点为1/32,取区间1/32,1/16作为第四段; 区间0,1/32一分为二，中点为1/64,取区间1/64,1/32作为第三段;区间0,1/64一分为二，中点为1/128,区间1/128,1/64作为第二段;区间0,1

9、/128作为第一段。然后将Y轴的0,1区间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分别与X轴对应。编码的码字和码型:二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，并易于再生，因此PCM中一般采用二进制码。对于Q个量化电平，可以用k位二进制码来表示，称其中每一种组合为一个码字。在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量要求。而对于干线远程的全网通信，一般要经过多次转接， 要有较高的质量要求，目前国际上多采用8位编码PCM设备。码型指的是把量化后的所有量化

10、级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。在PCM中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码(又称格雷码)。 码位的安排:目前国际上普遍采用8位非线性编码。例如PCM 30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4 096个量化单位(最小的量化间隔称为一个量化单位)， 在4 096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表2-1所示：表2-1 8位非线性编码的码组结构极性码段落码段内码M1M2M3M4M5M6M7M8其中，第1位码M1的数值“1”或“0”分别代

11、表信号的正、负极性，称为极性码。从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码M1不同外，其余几位码是完全一样的。因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位码(M2，, M8)就能表示出来。 3 模块设计与仿真图形分析3.1 PCM编码器电路设计图3-1 13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图3-4所示。其中以constant作为数字信号源，产生一个恒定的数字脉冲信

12、号；Gain1作为一个线性变换器将输入的绝对值不大于2048的数据变换为-1,1的区间之内，保证输入的信号满足A律压缩器的要求；saturation限幅器使得绝对值大于2048的数值经过限幅器后输出依然为一；Abs取绝对值；以A-Law Compressor作压缩器，进行A律压缩。Relay模块的门限值为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位极性码；Gain用做增益模块将样值放大到0-127，这样输出7位码； Quantizer对放大的数据进行间隔为1的量化，并进行进行四舍五入取整；Inter to Bit Converter将量化后的整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位；Dis

13、play输出编码后的八位序列。测试结果如表：输入原码理论编码输出编码误差值000000000000000000-10000000100000001012100011001000110001001011100110111001010701111000011110000015001111011111111000118001111110011111100020481111111111111111050001111111111111111输入错误，不存在误差-50000111111101111111输入错误，不存在误差说明： 此编码模型在-2048，2048内基本工作正常；当输入数据的绝对值大于204

14、8时由于输入端加了一个幅值为一的限幅器，使得绝对值大于2048的信号在量化器的输入端的值依然为一，即量化结果为11111111。当输入的数据比较大的时候开始出现了编码误差（此误差值不是与真实值的差距，而是与理论编码的差距，A律压缩本身就存在着编码）。由此说明此编码模型基本正确。其中各模块的具体参数设置如下： 图3-2 A-Law Compressor图3-3 Abs 图3-4 Relay图3-5 Gain图3-6 Quantizer图3-7 Integer to Bit Converter图3-8 Display图3-9 Gain1图3-10 封装后的PCM编码子系统：（加上限幅器主要考虑到了

15、系统的不出错运行，但也导致了输出结果时会造成错误）图3-11封装之后的PCM编码子系统图标3.2 PCM解码器电路设计 图3-12 封装之后的13折线近似的PCM解码器测试模型此图是在做完整个编译码器后的子系统点开的电路结构（因为输入端应为7位的二进制数列，没有找到这种信源），所以没有做成真正的独立的译码器。PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和7位数据，然后将7位数据转换位整数值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。即此系统基本上是编码的相反过程。其中各个模块的参数如图：图3-13 Relay图3-14 Bit to Integer Converter图3-15

16、 Gain图3-16 A-Law Expander图3-17 Product图3-18 封装之后的PCM解码子系统图标3.3 无干扰信号的PCM编码与解码（模拟话音信号）图3-19 PCM编码器和解码器（无噪声）测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图3-26所示，其中PCM编码与解码子系统已经封装好了。经过编码与解码之后，然后通过低通滤波器，最后在示波器Scope上得出输出波形，示波器上还显示了原信号，以便与输出信号进行比较。在编码器之后通过Display和Scope1显示出PCM数字信号，注意：在通过示波器前需经过To Frame和Buffer，其中To Frame是用来形成帧信号，Buf

17、fer是缓冲器；Display没有特别的用处，就是显示出编码值的不断跳动与精确的显示出编码结果。示波器显示结果如下:图3-20 Scope图3-21 Scope1说明在输入正弦波的情况下，系统经过了正确的解码波形，编码后得到了正确的解码波形。其中各模块的具体参数设置如下：图3-22 Sine Wave图3-23 Display图3-24 To Frame图3-25 Buffer图3-26 Scope1图3-27 Analog Filter Design图3-28 Scope图3-29系统总的仿真参数3.4 无干扰信号的PCM编码与解码（数字波形信号）图3-30 输入数字波形时检验系统性能图测试

18、模型和仿真结果如图3-29所示，其中PCM编码与解码子系统已经封装好了。经过编码与解码之后，输入的为一个矩形脉冲序列，最后在示波器Scope1上得出输出波形，在示波器scope上显示原波形信号，以便与输出信号进行比较。在编码器之后通过Display和显示出PCM解调后的数字信号。 示波器显示结果如下：图3-31 scope2的图形 以上的波形说明： 在输入数字波形的时候，系统得到了正确的解码。（以为输入的数小于16，所以量化误差不存在，即得到了没有误差的波形）。 系统的主要具体参数设置如下图： ：图3-32 Sine Wave图3-33 Zero-Order Hold图3-34 scope3.

19、5 无干扰信号的PCM编码与解码（数字信号）图3-35 输入数字时检验系统编译码性能图具体测试结果如下表：输入数字解码数字误差值000-1-1.0070.0077877.50.55004946-500-494-61500151515-1700-1724-241900187921204820480-3000-2048输入错误，不存在误差通过数据分析可以得到： 当输入的数据比较大的时候，系统的误差就会变大。此误差是量化的必然结果，因为数据进行A律压缩时必然存在误差，并且数据越大，输出的结果误差就会越大，因为量化的间隔越来越大。我们可以得出结论：系统的解码能力还是正确的。其中各模块的具体参数设置如下：图3-36 Display图3-37 scope图3-38 pulse generator3.4系统的抗噪声性能分析此课程设计不足之处就是我所有的编码系统都是在无噪声的环境下运行的，对于系统的抗噪声性能的估计手段不完备。主要的原因有一：我不清楚整个系统在实际环境