通信原理課程設計脈沖編碼調制（PCM）

1、1前言數字通信系統(tǒng)己成為當今通信的發(fā)展方向，然而自然界的許多信息通過傳感器轉換后，絕大部分是模擬量，脈沖編碼調制(pcm)是把模擬信號變換為數字信號的一種調制方式，主要用于語音傳輸，在光纖通信、數字微波通信、衛(wèi)星通信中得到廣泛的應用，借助于matlab軟件，可以直觀、方便地進行計算和仿真。因此可以通過運行結果，分析系統(tǒng)特性。近年來，計算機多媒體教序手段的運用逐步普及，大量優(yōu)秀的科學計算和系統(tǒng)仿真軟件不斷涌現，為我們實現計算機輔助教學和學生上機實驗提供了很好的平臺。通過對這些軟件的分析和對比，我們選擇matlab語言作為輔助教學工具，借助matlab強大的計算能力和圖形表現能力，將通信原理中的概

2、念、方法和相應的結果，以圖形的形式直觀地展現給我們，大大的方便我們迅速掌握和理解老師上課教的有關的知識。matlab 是mathwork 公司于1984 年推出的一套面向工程和科學運算的高性能軟件。它具有強大的矩陣計算能力和良好的圖形可視化功能，為用戶提供了非常直觀和簡潔的程序開發(fā)環(huán)境，因此被稱為第四代計算機語言，matlab 強大的圖形處理功能及符號運算功能，為我們實現信號的可視化及系統(tǒng)分析提供了強有力的工具。matlab 強大的工具箱函數及系統(tǒng)仿真軟件simulink可以分析連續(xù)信號、連續(xù)系統(tǒng)，同樣也可以分析離散信號、離散系統(tǒng)，并可以對信號進行各種分析域計算，如相加、相乘、移位、反折、傅里

3、葉變換、拉氏變換、z 變換等等多種計算。此次課程設計是在matlab軟件下對脈沖編碼調制(pcm)系統(tǒng)及其三過程抽樣、量化及編碼進行了模型構建、系統(tǒng)設計、仿真演示以及結果分析。2工程概況脈沖編碼調制（pcm）是把模擬信號數字化的基本方法之一，它通過抽樣、量化和編碼，把一個時間連續(xù)。取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數字信號，然后再信道中傳輸。其中pcm編碼過程直接把量化包含在內了。差分編碼調制（dpcm）是在pcm編碼調制的基礎上所采用的預測編碼調制，在預測編碼中每個抽樣值不是獨立的編碼而是根據前幾個抽樣值計算出一個預測值，再取當前抽樣值與預測值之差，將此值進行編碼并傳輸。本次課程設

4、計主要是對其三個過程進行仿真及編程分析。由于時間原因，我們就用九天完成該課程設計。3正文3.1設計的目的和意義作為通信工程專業(yè)的一名學生，通信原理課程無疑是我所必修專業(yè)課中的重點，對于我們將來所要從事的領域有著直接的作用，學好這門課是無可厚非的。然而，對于課堂上老師的講解，最多只能做到了解，真正的理論知識顯得枯燥而乏味，沒有得到實用的理論等于一紙空文。在這次課程設計中，旨在讓我們更深入的了解這門科目某些應用方面以及如何應用自己所學知識去做事情。同時，鍛煉我們的動手能力，以及運用軟件來實現通信系統(tǒng)中的的工作模式。這對于我們即將進入大三的學生是很好的歷練，讓我們學會發(fā)現問題，分析問題，解決問題。4

5、. 1dpcm編碼調制設計及其原理通過dpcm編碼和bch碼對語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)進行仿真。根據dpcm編解碼和bch編解碼原理，運用dpcm encoder等模塊，對語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)進行繪制，設置模塊參數，然后運行，最后通過示波器得到相應的仿真波形。通過對仿真波形的觀察，能夠檢驗該系統(tǒng)功能是否正確實現。4.1.1 dpcm原理分析 輸入一個正弦信號，對其進行dpcm編碼后再進行bch編碼，送入二進制對稱信道傳輸，在接收端對其進行bch解碼和dpcm解碼以恢復原信號。觀察傳輸前后波形變化。進行語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)基于dpcm編碼和bch碼的仿真，首先要對輸入信號進行dpcm編碼

6、。dpcm編碼是經過抽樣、量化、編碼等過程，將輸入的模擬信號編程數字信號。dpcm編碼是廣泛運用的預測編碼方法之一。在dpcm編碼中，每個抽樣值不是獨立的編碼，而是將前一個抽樣值當做預測值，然后再取當前抽樣值和預測值之差進行編碼并傳輸。dpcm譯碼同樣是將前一個值當做預測值，然后取當前值與預測值之差進行解碼，將一個個脈沖碼組轉換成對應的量化采樣值，最后經過一個低通濾波器重建原模擬信號。dpcm系統(tǒng)原理方框圖如圖4-1所示。抽樣量化器編碼器信道譯碼器延遲ts延遲ts圖4-1dpcm系統(tǒng)原理方框圖4.1.2bch編碼原理分析在進行完dcpm編碼后，要利用bch碼進行糾錯編解碼。bch碼是一種獲得廣

7、泛應用的能夠糾正多個錯碼的循環(huán)碼。bch碼是一類能夠先確定糾錯能力t，然后設計碼長和生成多項式的碼。對于任意的整數m和可達到的糾錯數t，都可以構造出一個設計距離為的二元本原bch碼滿足：bch碼的碼長n與監(jiān)督位、糾錯個數t之間的關系如下：對于正整數m（m3）和正整數tm/2，必定存在一個碼長為n=2m+1,監(jiān)督位為n-k1，且除得盡(2m-1)，則為非本原bch碼。4.2 基于simulink的dpcm編碼bch碼傳輸系統(tǒng)仿真在模型建立界面中加入正弦信號后，雙擊正弦信號模塊，可對正弦信號進行設置。在frequency欄中填入正弦信號的頻率，本次課程設計中用的是頻率為2*pi的模擬正弦信號。進行

8、完正弦信號模塊參數的設置后，添加一個示波器模塊觀察正弦信號的仿真波形。模擬正弦信號仿真波形圖如圖4-2所示。 圖4-2輸入正弦信號的仿真波形圖完成正弦信號的調用及觀察后，接下來要對產生的模擬信號進行dpcm編碼，調用一個dpcm encoder，雙擊模塊進行參數設置。dpcm模塊的參數設置程序如一下程序段所示： t=0:0.1:10;x=sin(2*pi*t); help dpcmopt predictor,codebook,partition = dpcmopt(x,1,4)依據以上程序可得到dpcm encoder的參數：predictor = 0 0.8172codebook = -0.

9、5129 -0.1816 0.1816 0.5129partition = -0.3473 0.0000 0.3473將計算所得的結果相應的填入dpcm encoder模塊參數設置對話框中，單擊“ok”完成dpcm encoder模塊參數設置。運用示波器觀察dpcm編碼后仿真波形。dpcm編碼模型圖如圖4-3所示。圖4-3dpcm編碼模型圖dpcm編碼仿真波形如圖4-4所示。圖4-4dpcm編碼仿真波形圖進行完模擬信號的dpcm編碼后，就將模擬信號轉化為了數字信號，此時的數字信號是以整數的形式表示的，在進行下一步的糾錯編碼前，要將信號從整數形式轉化為比特形式，因此需要調用一個integer t

10、o bit converter模塊進行數碼轉化。雙擊模塊進行參數設置，在彈出的對話框中填入每個整數所轉換的比特數，單擊“ok”完成設置。本次課程設計中我是將一個數轉化為2 bit，故在參數設置對話框中應填入“2”。用示波器觀察數碼轉換后仿真波形圖。模擬信號dpcm編碼數碼轉換模型圖如圖4-5所示。圖4-5 數碼轉換模型圖數碼轉換仿真波形圖如圖4-6所示。圖4-6數碼轉換仿真波形圖如圖4-6所示，模擬信號經過dpcm編碼、數碼轉換后的波形在示波器中是并行輸出的，為了便于觀察，我們需要進行串并轉換，調用模塊frame conversion、buffer、unbuffer，并在buffer中設置輸入

11、的并聯數據路數，單擊“ok”完成設置。由于要多次運用串并轉換，為了簡化模型建立，我們可以將串并轉換模型打包，作為一個模塊使用。串并轉換模塊如圖4-7所示。圖4-7串并轉換模塊完成串并轉換后用示波器觀察結果。串并轉換后模擬信號dpcm編碼模型如圖4-8所示。圖4-8 串并轉換后dcpm編碼模型圖串并轉換后dpcm仿真波形如圖4-9所示。圖4-9串并轉換后dpcm仿真波形圖根據課程目的，完成模擬信號的dpcm編碼后，要將編碼后的信號調用通信模塊庫中的bch encoder模塊再進行糾錯編碼。bch編碼需要調用buffer、bch encoder及串并轉換模塊。本次課程設計中由于bch encode

12、r采用默認參數，即n=15，k=5，故buffer模塊的參數應設置為5，模擬信號dpcm編碼后進行bch編碼模型圖如圖4-10所示。圖4-10bch編碼模型圖bch編碼后仿真波形圖如圖4-11所示。圖4-11 bch編碼仿真波形圖至此發(fā)射部分處理完畢，通過設置scope通路參數可以將各個波形在一張圖上顯示對比。具體電路連接如圖4-12，對應觀察到的波形如圖4-13。圖4-12發(fā)射部分電路圖4-13 發(fā)射部分電路仿真波形圖完成bch編碼后，將編碼后的信號通過二進制對稱信道，并用示波器觀察輸出的仿真波形圖。本次課程設計的碼元干擾設為0。調制信號經過二進制對稱信道后的仿真模型圖如圖4-14 所示。圖

13、4-14 調制信號通過二進制對稱信道模型圖調制信號通過二進制對稱信道仿真波形如圖4-15所示。圖4-15 調制信號通過二進制對稱信道仿真波形圖完成dpcm編碼、bch編碼后，就要進行相應的解碼，并用低通濾波器還原出原始波形。首先進行的是bch糾錯解碼。調用bch decoder模塊，進行串并轉換后用示波器觀察仿真波形圖。本次課程設計采用bch decoder的默認參數。bch解碼模型圖如圖4-16所示。圖4-16bch解碼模型圖接下來進行dpcm解碼。因為dpcm解碼只能針對數字信號而言，故先要將信號進行數碼轉換，將二進制碼元轉化為數字。因為必須要使碼元的延時為數字轉換為碼元數值的整數倍，即為

14、2的整數倍，故需在數碼轉換模塊前加入一個數值為奇數的碼元的延時模塊。bch解碼后信號進行數碼轉換的模型圖如圖4-17所示。圖4-17碼數轉換模型圖碼數轉換后仿真波形如圖4-18所示。圖4-18 碼數轉換仿真波形圖進行完信號的碼數轉換，即可調用dpcm decoder模塊對信號進行dpcm解碼。使用dpcm模塊首先要雙擊進行模塊的參數設置。dpcm decoder?？斓膮翟O置與dpcm encoder模塊的參數設置應當一致。進行完參數設置后，可通過示波器觀察dpcm解碼后的仿真波形圖。dpcm解碼的模型如圖4-19所示。圖4-19dpcm解碼模型圖dpcm解碼仿真波形如圖4-20所示，此處對比

15、解碼前波形。圖4-20dpcm解調仿真波形圖最后還原出原始信號，需要通過一個低通濾波器。本課程設計選擇的是巴特沃茲低通濾波器。在通信模塊庫中選擇一個低通濾波器模塊，雙擊設置模塊參數，在passband edge frequency一欄中填入與輸入正弦波信號相同的頻率，單擊“ok”完成設置。因為剛開始輸入的模擬正弦信號的頻率設定為2*pi，故巴特沃茲低通濾波器的頻率也應當設置為2*pi。用示波器觀察還原信號。通過低通濾波器模型如圖4-21所示。圖4-21通過低通濾波器模型圖通過低通濾波器還原出來的信號如圖4-22所示。圖4-22通過低通濾波器還原出的信號仿真波形圖最后調用一個error rate

16、 calculation模塊和一個display觀察糾錯編碼前后的誤碼率。雙擊error rate calculation模塊設置參數。因為前面已經求出碼元延遲個數為7個，所以應當在error rate calculation模塊設置對話框中的receive delay一欄中填入接收碼元延時數目7，單擊“ok”完成設置。檢驗誤碼率模型圖如圖4-23所示。圖4-23 檢驗誤碼率模型圖根據圖4-23所示，接收碼元的誤碼率為0 ，故表明正弦信號的dpcm調制解調、bch調制解調正確，基帶信號傳輸系統(tǒng)得以實現。容易理解，由于此課程設計設置信道無串擾，故傳輸前后誤碼率為0，若對二進制對稱信道，即bsc模

17、塊中參數作相應修改，再次運行后，可發(fā)現誤碼率改變，假如設置誤碼概率為0.2（實際中應小于此數值），運行后可看到顯示結果如圖4-24所示。圖4-24誤碼率顯示4.3 結果分析正弦信號系帶傳輸通信系統(tǒng)仿真結果如圖4-25所示。圖4-25正弦信號基帶傳輸系統(tǒng)仿真結果從上圖可以看出輸入的模擬正弦信號經過dpcm編解碼、bch編解碼后，通過一個巴特沃茲低通濾波器成功的還原出了正弦信號，說明該正弦信號基帶通信傳輸系統(tǒng)是正確的，它的結果符合理論結論，故該系統(tǒng)的功能成功實現。我們再來考慮下本次課設中出現的問題及解決方法。在查閱了書籍以及相關資料的基礎上，我基本上設計出了模擬正弦信號基帶通信傳輸系統(tǒng)，并且在同學

18、的幫助下設置好了所用模塊的參數，但是還是在延時單元設置是出現了錯誤。在對比bch編碼前的仿真波形和bch解碼后的仿真波形，進行延時碼元的計算時，一定要仔細觀察，以免出錯。在本次課程設計中，一開始我沒注意到bch編碼前與解碼后的時延問題，所以我沒有加延時單元，結果在碼數轉換是我發(fā)現碼數轉換后的仿真波形圖與數碼轉換前的波形圖有很大的誤差。后來經過仔細的觀察，發(fā)現bch編碼前的仿真波形和bch解碼后的仿真波形相比實際上有7個碼元的延時，不是2 的整數倍，故必須加一個延時模塊延時一個碼元，使總體延時變成2的整數倍，在進行碼數轉換時才不會出現錯誤。沒有加入延時模塊時出現的錯誤如圖4-26所示。圖4-26 沒有加入延時單元的錯誤波形當加入一個碼元單位的延時后，就得到了正確的結果。其正確結果如圖4-38所示。圖4-38加入延時單元后正確波形5 實驗總結通過本次課程設計，讓我更深入的了解了pcm脈沖編碼調制原理以及dpcm編碼、bch編碼及實現過程，使我對通信系統(tǒng)原理這門科目產生