PCM編碼器與PCM解碼器的MATLAB實(shí)現(xiàn)及性能分析

1、pcm編碼器與pcm解碼器的matlab實(shí)現(xiàn)及性能分析一. 課程設(shè)計(jì)目的通過本課程的學(xué)習(xí)我們不僅能加深理解和鞏固理論課上所學(xué)的有關(guān)pcm編 碼和解碼的基本概念、基本理論和基本方法，而且能鍛煉我們分析問題和解決問 題的能力；同時(shí)對(duì)我們進(jìn)行良好的獨(dú)立工作習(xí)慣和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，為今后參加 科學(xué)工作打下良好的基礎(chǔ)。二. 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容利用matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)pcm編碼與解碼系 統(tǒng)用示波器觀察編碼與解碼前后的信號(hào)波形;加上各種噪聲源，用課碼測(cè)試模塊 測(cè)量誤碼率;最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。三. 課程設(shè)計(jì)要求1. 熟悉matlab環(huán)境下的simulink仿真

2、平臺(tái)，熟悉pcm編碼與解碼原理， 構(gòu)建pcm編碼耳解碼電路圖.2. 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、編碼(pcm),將編碼后的信號(hào)輸入信道再進(jìn) 行pcm解碼，還原出原信號(hào).建立仿真模型，分析仿真波形.3. 在編碼與解碼電路間加上噪聲源，或者加入含有噪聲源的信道，并給出 仿真波形。4. 在老師的指導(dǎo)下，要求獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，并按要求編寫課 程設(shè)計(jì)學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。四. 設(shè)計(jì)原理(pcm編碼)現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調(diào)制(pulse code modulation)體制opcm 最初并非傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)用的，而是使交換機(jī)之間有一條中繼線不是只傳送一條 電話信號(hào)。pc

3、m有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即e1和tlo我國(guó)采用的是歐洲的e1標(biāo)準(zhǔn)。t1的速率是1.544mbit/s,el的速率是 2.048mbit/sopcm：相變存儲(chǔ)(phase-change memory,pcm)是由ibm公司的研究機(jī)構(gòu)所 開發(fā)的一種新型存儲(chǔ)芯片，將有望來替代如今的閃存flash和硬盤驅(qū)動(dòng)器hddopcm在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制光脈沖0碼和 1碼，它 由二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號(hào)是對(duì)連續(xù)變化的模擬 信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為pcm (pulse code modulation),即脈沖 編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號(hào)稱為數(shù)字基帶信號(hào)，由pcm電端機(jī)產(chǎn)生

4、。pcm可以向用戶提供多種業(yè)務(wù)，既可以提供從2m到155m速率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 專線業(yè)務(wù)，也可以提供話音、圖象傳送、遠(yuǎn)程教學(xué)等其他業(yè)務(wù)。特別適用于對(duì)數(shù) 據(jù)傳輸速率要求較高，需要更高帶寬的用戶使用。pcm線路的特點(diǎn)：pcm線路可以提供很高的帶寬，滿足用戶的大數(shù)據(jù)量的傳輸。支持從2m開始的各種速率，最高可達(dá)155m的速率。通過sdh設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，線路協(xié)議簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)的ddn技術(shù)相比,pcm具有以下特點(diǎn)：線路使用費(fèi)用相對(duì)便宜。能夠提供較大的帶寬。接口豐富便于用戶連接內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。可以承載更多的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。pcm (動(dòng)力控制模塊)：汽車電控部分，電控單元的動(dòng)力控制模塊，有存儲(chǔ)器、輸入、輸出。圖1 pcm原

5、理方框圖所謂脈沖編碼調(diào)制，就是將模擬信號(hào)抽樣量化，然后將已量化值變換 成代碼。下面將用一個(gè)pcm系統(tǒng)的原理框圖簡(jiǎn)要介紹。原理框圖如圖1所 示在編碼器中由沖激脈沖對(duì)模擬信號(hào)抽樣，得到在抽樣時(shí)刻上的信號(hào)抽樣 值。這個(gè)抽樣值仍是模擬量。在它量化之前，通常由保持電路（holding circuit）將其作短暫保存，以便電路有時(shí)間對(duì)其量化。在實(shí)際電路屮，常 把抽樣和保持電路作在一起，稱為抽樣保持電路。圖中的量化器把模擬抽 樣信號(hào)變成離散的數(shù)字量，然后在編碼器中進(jìn)行二進(jìn)制編碼。這樣，每個(gè) 二進(jìn)制碼組就代表一個(gè)量化后的信號(hào)抽樣值。圖中的譯碼器的原理和編碼 過程相反。其中，量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器（a

6、/d變換器）；譯碼 與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器（d/a變換器）。抽樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性的掃描，把吋間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間 上離散的信號(hào)。我們要求經(jīng)過抽樣的信號(hào)應(yīng)包含原信號(hào)的所有信息，即能 無失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)，抽樣速率的下限由抽樣定理確定。量化是把經(jīng)抽樣得到的瞬時(shí)值進(jìn)行幅度離散，即指定q規(guī)定的電平，把抽 樣值用最接近的電平表示。編碼是用二進(jìn)制碼組表示有固定電平的量化值。實(shí)際上量化是在編碼過程中同時(shí) 完成的。圖1是pcm單路抽樣、量化、編碼波形圖。u律式1與a律式2壓縮特性"律:±1譽(yù):呷（_1*1）（美、日）（式1）丄匚 0<|x|<丄a律：,=1

7、 + lnaa （我國(guó)、歐洲） （式2）土些也丄1 + lna a式屮，x為歸一化輸入，y為歸一化輸出，a、u為壓縮系數(shù)。數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)：一種通過大量的數(shù)字電路形成若干段折線，并用這些折線來近 似a律或卩律壓擴(kuò)特性，從而達(dá)到壓擴(kuò)目的方法。即對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的折線近似 法。折線壓擴(kuò)特性：既不同于均勻量化的直線，又不同于對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的光滑曲線。 總的來說用折線作壓擴(kuò)特性是非均勻量化的，但它既有非均勻量化（不同折線有 不同斜率），乂有均勻量化（在同一折線的小范圍內(nèi)）。兩種常用數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)：（da律13折線壓擴(kuò)13折線近似逼近a=87.6的a 律壓擴(kuò)特性；（2） 律15折線壓擴(kuò)15折線近似逼近u =255的

8、u律壓擴(kuò)特 性。采用折線壓擴(kuò)的特點(diǎn)：基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于數(shù)字電路 的實(shí)現(xiàn)實(shí)際中a律常采用13折線近似如圖2所示圖2 a律13折線其具體分法如下：先將x軸的區(qū)間0, 1-分為二，其中點(diǎn)為1/2,取區(qū)間1/2,1作為第八段;區(qū)間0,1/2再一分為二，其中點(diǎn)為1/4,取區(qū)間1/4,1/2作為第七段；區(qū)間0,1/4再一分為二，其中點(diǎn)為1/8,取區(qū)間1/8,1/4作為第六段；區(qū)間0,1/8-分為二，中點(diǎn)為1/16,取區(qū)間1/16,1/8作為第五段；區(qū)間0,1/16分為二，屮點(diǎn)為1/32,取區(qū)間1/32,1/16作為第四段；區(qū)間|0,1/32|一分為二，中點(diǎn)為1/64,取區(qū)間1/64

9、,1/32作為第三段；區(qū)間0,1/64分為二,中點(diǎn)為1/12&區(qū)間1/128,1/64作為第二段；區(qū)間0,1/128作為第一段。然后將y軸的0,1區(qū)間均勻地分成八段，從第一段到第八段分別為0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,&6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分別與 x 軸對(duì)應(yīng)。編碼的碼字和碼型：二進(jìn)制碼可以經(jīng)受較高的噪聲電平的干擾，并易于再生，因此pcm中一般 采用二進(jìn)制碼。對(duì)于q個(gè)量化電平，可以用k位二進(jìn)制碼來表示，稱其中每一 種組合為一個(gè)碼字。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)z間通信或短距離通信中，采用k=7位碼已基本能 滿足質(zhì)量要求。而對(duì)于

10、干線遠(yuǎn)程的全網(wǎng)通信，一般要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)接，要有較高 的質(zhì)量要求，目前國(guó)際上多采用8位編碼pcm設(shè)備。碼型指的是把量化后的所有量化級(jí)，按其量化電平的大小次序排列起來，并 列出各對(duì)應(yīng)的碼字，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的整體就稱為碼型。在pcm中常用的碼型有 自然二進(jìn)制碼、折疊二進(jìn)制碼和反射二進(jìn)制碼(又稱格雷碼)。碼位的安排：目前國(guó)際上普遍釆用8位非線性編碼。例如pcm 30/32路終端機(jī)中最大輸 入信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)4 096個(gè)量化單位(最小的量化間隔稱為一個(gè)量化單位)，在4 096 單位的輸入幅度范圍內(nèi)，被分成256個(gè)量化級(jí)，因此須用8位碼表示每一個(gè)量化級(jí)。用于13折線a律特性的8位非線性編碼的碼組結(jié)構(gòu)如表1所示:表

11、1 8位非線性編碼的碼組結(jié)構(gòu)極性碼段落碼段內(nèi)碼mlm2m3m4m5m6m7m8其中，第i位碼ml的數(shù)值“v或“(t分別代表信號(hào)的正、負(fù)極性，稱為極 性碼。從折疊二進(jìn)制碼的規(guī)律可知，對(duì)于兩個(gè)極性不同，但絕對(duì)值相同的樣值脈 沖，用折疊碼表示時(shí)，除極性碼ml不同外，其余幾位碼是完全一樣的。因此在 編碼過程中，只要將樣值脈沖的極性判出后，編碼器便是以樣值脈沖的絕對(duì)值進(jìn) 行量化和輸出碼組的。這樣只要考慮13折線屮對(duì)應(yīng)于正輸入信號(hào)的8段折線就 行了。這8段折線共包含128個(gè)量化級(jí)，正好用剩下的7位碼(m2, .,m8)就能 表示出來。五.模塊設(shè)計(jì)與仿真圖形分析1.pcm編碼器電路設(shè)計(jì)封裝的測(cè)試模型如圖所示

12、。其屮以saturation作為限幅器，將輸入信號(hào)幅 度值限制在pcm編碼的定義范圍內(nèi)，以a-law compressor作壓縮器，relay模塊 的門限值設(shè)置為0,其輸出即可作為pcm編碼輸出的最高位一一極性碼。樣值 取值絕對(duì)值后，用增益模塊將樣值放大到0-127,然后用間隔為1的quantizer 進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列，作為pcm編碼的低7 位。用一采樣值測(cè)試模塊結(jié)果如圖3所示。圖3將上圖中constant和display (不含)之間的模塊封裝一個(gè)pcm編碼子系統(tǒng)備用。如圖4所示。infejeftobitcmater圖4封裝模塊及參數(shù)設(shè)置如圖5所示：inlou

13、tl子系統(tǒng)部分參數(shù)設(shè)置如圖6：2. pcm解碼器電路設(shè)計(jì)測(cè)試模型如圖，其中pcm編碼子系統(tǒng)是3.2中編碼器封裝之后的。pcm解碼 器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位（極性碼）和7位數(shù)據(jù)，然后將7位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 位整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化，擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值。用一采樣值測(cè)試模塊結(jié)果如圖7所示。圖7將該模型中ini outl右端和display左端的部分封裝為一個(gè)pcm解碼子系統(tǒng)備 用。如圖8所示。封裝模塊及參數(shù)設(shè)置如圖9所示:. inlout!pcm?<c5圖9子系統(tǒng)部分參數(shù)設(shè)置如圖10：圖103.無干擾信號(hào)的pcm編碼與解碼sire wave> inloutlinloutld

14、iscrete butterworth filtersee pelpcmjbcspcms?5disolayfran- statusconversionbuffer>ns8p«圖11測(cè)試模型如圖11所示，其屮pcm編碼與解碼子系統(tǒng)已經(jīng)封裝好了。經(jīng)過編 碼與解碼之后，然后通過低通濾波器，最后在示波器scope ±得出輸出波形，示 波器上還顯示了原信號(hào)，以便與輸出信號(hào)進(jìn)行比較。在編碼器之后通過display 和scopel顯示出pcm數(shù)字信號(hào)，注意：在通過示波器前需經(jīng)過to frame和 buffer,其中to frame是用來形成幀信號(hào)，buffer是緩沖器。仿真結(jié)果如圖

15、12所示圖2pcm編碼結(jié)果如上圖13：scope 1e回區(qū)q爐理b a圖13 （a為正弦波輸入信號(hào)，b為濾波器輸出信號(hào)） 在無擾的信道下pcm脈沖調(diào)制解調(diào)兒乎能讓信號(hào)無失真的傳輸。其中顯示模塊的具體參數(shù)設(shè)置如圖14：圖14 （左圖為圖13示波器設(shè)置，右圖為圖12示波器設(shè)置4.有干擾信號(hào)的pcm編碼與解碼圖15仿真模型如圖15所示，其中pcm編碼和解碼子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見圖4,圖8, pcm編碼輸出經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱信道（bsc）。 在解碼端信道輸出的碼流經(jīng)過吊并轉(zhuǎn)換后送入pcm解碼，之后輸岀解碼結(jié)果并 顯示波形。仿真采樣率必須是仿真模型中最高信號(hào)速率的整數(shù)倍，這里模型中信

16、道速率 最高，為71kbps,故仿真步長(zhǎng)設(shè)置為l/71000so信道錯(cuò)誤比特率為0.05,以觀察 信道誤碼對(duì)pcm傳輸?shù)挠绊?。仿真結(jié)果見下文。傳輸信號(hào)為loopi的止弦波， 解碼輸出存在延遲。對(duì)于信道產(chǎn)生誤碼的位置，解碼輸岀波形中岀現(xiàn)了干擾脈沖, 干擾脈沖的大小取決于信道屮錯(cuò)誤比特位于一個(gè)pcm編碼字串屮的位置，位于 最高位（極性）u寸將導(dǎo)致解碼值極性錯(cuò)誤，這是引起的干擾最大，而位于最低位 的誤碼引起的干擾最輕微。輸入信號(hào)設(shè)置如圖16：圖16信道設(shè)置如圖17：圖17濾波器設(shè)置如圖18：圖18pcm編碼二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過信道的輸入輸出信號(hào)如圖19：scope傷皆 ppp abb 0 i圖19 (a為

17、信道輸入信號(hào)，b為信道輸出信號(hào)從圖中可看出二進(jìn)制信號(hào)在局部出現(xiàn)可誤碼。采樣后的信號(hào)和恢復(fù)后的信號(hào)如圖20o從圖中可見恢復(fù)的信號(hào)出現(xiàn)了部分失真。ah20 為解碼器輸出信號(hào)，b為采樣器輸出信號(hào)pcm編解碼系統(tǒng)輸入輸出如圖21:圖21 (a為濾波器輸出信號(hào)，b為正弦發(fā)生器輸入信號(hào)從圖21中可見輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。輸出信號(hào)的幅度有所失真，但不嚴(yán)重。 六.結(jié)束語編碼、傳輸、存儲(chǔ)和譯碼是語音數(shù)字傳輸和數(shù)字存儲(chǔ)的必要過程。隨 著語音通信技術(shù)的發(fā)展，壓縮語音信號(hào)的傳輸帶寬，降低信道的傳輸速率， 一直是人們追求的目標(biāo)。語音編碼在實(shí)現(xiàn)這一冃標(biāo)的過程中擔(dān)當(dāng)重要的角 色。語咅編碼就是使表達(dá)語咅信號(hào)的比特?cái)?shù)目最小。

18、pcm通信系統(tǒng)采用基帶傳輸?shù)膒cm通信系統(tǒng)發(fā)送端通簾由抽樣！量化和編碼 三部分組成，其中量化和編碼共同完成模擬)到數(shù)字(a/d變換)功能信源 f(t)經(jīng)脈沖序列p(t)抽樣產(chǎn)生零階抽樣保持信號(hào)fso(t),它是pam信號(hào)，具 有離散時(shí)間，連續(xù)幅度量化過程就是將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間，離散幅度的多 電平數(shù)字信號(hào)從數(shù)學(xué)角度理解，量化是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射到 一個(gè)離散幅度值有限的集合fd(l)為編碼后pcm信號(hào)zzfd(t)經(jīng)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換 (d/a變換)后恢復(fù)為pam信號(hào)fso(t),再經(jīng)1/sa(x)低通補(bǔ)償濾波器即可重 建 f(t)。通過本次方向設(shè)計(jì)，我了解了 pcm編碼與解碼原理以及pcm編碼與解碼(包 括加噪聲和不加噪聲)電路原理框圖的simulink的實(shí)現(xiàn)與調(diào)制性能的分析，把 本學(xué)期所學(xué)的通信原理和matlab等內(nèi)容應(yīng)用