PCM解碼器的MATLAB實(shí)現(xiàn)

1、PCM解碼器的MATLAB實(shí)現(xiàn)一、 實(shí)訓(xùn)目的通過(guò)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(wèn)題和解決問(wèn)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、實(shí)訓(xùn)任務(wù)和要求（一）、實(shí)訓(xùn)任務(wù)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,或含有噪聲的信道，最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能。（二）、實(shí)訓(xùn)要求1熟悉MATLAB環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，熟悉PCM編碼與解碼原理

2、，構(gòu)建PCM編碼與解碼電路圖.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。三、實(shí)訓(xùn)過(guò)程與內(nèi)容（一）、脈沖編碼調(diào)制1. PCM簡(jiǎn)介現(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。PCM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)。PCM有兩個(gè)標(biāo)

3、準(zhǔn)即E1和T1。我國(guó)采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn)。T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。 PCM：相變存儲(chǔ)器(Phase-change memory,PCM)是由IBM公司的研究機(jī)構(gòu)所開(kāi)發(fā)的一種新型存儲(chǔ)芯片,將有望來(lái)替代如今的閃存Flash和硬盤驅(qū)動(dòng)器HDD。PCM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

4、基帶信號(hào)，由PCM電端機(jī)產(chǎn)生。 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(kāi)始的各種速率,最高可達(dá)155M的速率。 通過(guò)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

5、模塊，有存儲(chǔ)器、輸入、輸出。2. PCM原理所謂脈沖編碼調(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2-1所示。抽 樣 保 持量化器編碼器信道譯碼器低通濾波器模擬信號(hào)輸入PCM信號(hào)輸出干擾PCM信號(hào)輸入模擬信號(hào)輸出沖激脈沖圖2-1 PCM原理方框圖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)際電路中，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

6、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(guò)程相反。其中，量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器(A/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， 把時(shí)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(guò)抽樣的信號(hào)應(yīng)包含原信號(hào)的所有信息， 即能無(wú)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(guò)程中同時(shí)完成的。圖1是P

7、CM單路抽樣、量化、 編碼波形圖。 律與A律壓縮特性律： （美、日）A律： （我國(guó)、歐洲） 式中，x為歸一化輸入，y為歸一化輸出，A、為壓縮系數(shù)。 數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)：一種通過(guò)大量的數(shù)字電路形成若干段折線， 并用這些折線來(lái)近似A律或律壓擴(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(lái)說(shuō)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)， 又有均勻量化(在同一折線的小范圍內(nèi))。 兩種常用數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)：（1）A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

8、線近似逼近=255的律壓擴(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2-2所示圖2-2 A律13折線其具體分法如下:先將X軸的區(qū)間0，1一分為二，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0,1/8一分為二，中點(diǎn)為1/16,取區(qū)間1/16,1/8作為第五段;區(qū)間0,1/16一分為二，中點(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/

9、64,取區(qū)間1/64,1/32作為第三段;區(qū)間0,1/64一分為二，中點(diǎn)為1/128,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,(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(lái)表示，稱其中每一種組合為一個(gè)碼字。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之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。

10、而對(duì)于干線遠(yuǎn)程的全網(wǎng)通信，一般要經(jīng)過(guò)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(lái)，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)際上普遍采用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2-1所

11、示：表2-1 8位非線性編碼的碼組結(jié)構(gòu)極性碼段落碼段內(nèi)碼M1M2M3M4M5M6M7M8其中，第1位碼M1的數(shù)值“1”或“0”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M1不同外，其余幾位碼是完全一樣的。因此在編碼過(guò)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折線中對(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(lái)。(二) 模塊設(shè)計(jì)與仿真圖形分析1. simulink的工作環(huán)境熟悉建立一個(gè)

12、很小的系統(tǒng)，用示波器觀察正弦信號(hào)的平方的波形，如圖3-1所示系統(tǒng)中所需的模塊：正弦波模塊，示波器模塊，圖3-1 正弦仿真電路圖正弦波參數(shù)如下：圖3-2 正弦波參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)的示波器顯示的波形如圖：圖3-3 單正弦波與平方波的對(duì)比結(jié)論：兩正弦波疊加之后的周期是原周期的1/2,頻度是原頻度的2倍。2. PCM編碼器電路設(shè)計(jì)圖3-4 13折線近似的PCM編碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)果測(cè)試模型和仿真結(jié)果如圖3-4所示。其中以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

13、高位極性碼。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?？梢詫⑸蠄D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。其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下：圖3-5 A-Law Compressor圖3-6 Abs圖3-7 Relay圖3-8 Gain圖3-9 Quantizer圖3-10 Integer to Bit Converter圖3-11 Display圖3-12 Mux圖3-13 Saturation圖3-14 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)：圖3-

14、15封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)圖標(biāo)3. PCM解碼器電路設(shè)計(jì)圖3-16 13折線近似的PCM解碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)果測(cè)試模型和仿真結(jié)果如圖3-5所示，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?？梢詫⒃撃Ｐ椭蠭n1 Out1右端和Display左端的部分封裝為一個(gè)PCM解碼子系統(tǒng)備用。其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下：圖3-17 Demux圖3-18 Mux1圖3-19 Relay1圖3-20 Bit to Integer Converter圖3-21

15、Gain1圖3-22 A-Law Expander圖3-23 Product封裝之后的PCM解碼子系統(tǒng)：圖3-24 封裝之后的PCM解碼子系統(tǒng)圖3-25 封裝之后的PCM解碼子系統(tǒng)圖標(biāo)4. 無(wú)干擾信號(hào)的PCM編碼與解碼圖3-26 PCM編碼器和解碼器（無(wú)噪聲）測(cè)試模型和仿真結(jié)果測(cè)試模型和仿真結(jié)果如圖3-26所示，其中PCM編碼與解碼子系統(tǒng)已經(jīng)封裝好了。經(jīng)過(guò)編碼與解碼之后，然后通過(guò)低通濾波器，最后在示波器Scope上得出輸出波形，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(guò)Display和Scope1顯示出PCM數(shù)字信號(hào)，注意：在通過(guò)示波器前需經(jīng)過(guò)To Frame和Buffe

16、r，其中To Frame是用來(lái)形成幀信號(hào)，Buffer是緩沖器。示波器顯示結(jié)果如下：圖3-27 Scope圖3-28 Scope1其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下：圖3-29 Sine Wave圖3-30 Display圖3-31 To Frame圖3-32 Buffer圖3-33 Scope1圖3-34 Analog Filter Design圖3-35 Scope圖3-36系統(tǒng)總的仿真參數(shù)3.5 有干擾信號(hào)的PCM編碼與解碼圖3-37 PCM編碼器和解碼器（有噪聲）測(cè)試模型和仿真結(jié)果仿真模型如圖3-37所示，其中PCM編碼和解碼子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見(jiàn)3.2，3.3，PCM編碼輸出經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后得到

17、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(guò)串并轉(zhuǎn)換后送入PCM解碼，之后輸出解碼結(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，這里模型中信道速率最高，為71kbps,故仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1/71000s。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(jiàn)下文。傳輸信號(hào)為100*pi的正弦波，解碼輸出存在延遲。對(duì)于信道產(chǎn)生誤碼的位置，解碼輸出波形中出現(xiàn)了干擾脈沖，干擾脈沖的大小取決于信道中錯(cuò)誤比特位于一個(gè)PCM編碼字串中的位置，位于最高位（極性）時(shí)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。示波器顯示結(jié)果

18、如下：圖3-38 Scope圖3-39 Scope1其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下：圖3-40 Sine Wave圖3-41 Zero-Oroder-Holder圖3-42 Frame Status Conversion圖3-43 Buffer圖3-44 Binary Symmetric Channel圖3-45 Buffer1圖3-46 Scope1圖3-47 Reshape圖3-48 Scope圖3-49 系統(tǒng)總的仿真參數(shù)四、實(shí)訓(xùn)總結(jié)與心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(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)用到本課程設(shè)計(jì)中來(lái)，以達(dá)到融會(huì)貫通。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)今后的課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)兩個(gè)星期的努力，課程設(shè)計(jì)終于設(shè)計(jì)了。在完成設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我的收獲很大，不僅僅是對(duì)我自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)加深了解，同時(shí)還熟練地掌握了MATLAB和Simulink軟件的操作，而且還鍛煉了自己獨(dú)立處理問(wèn)題的能力。我總是想追求完美，可總不那么完美。但是我比較驕傲的是我用了三天的時(shí)間就把我的課程設(shè)計(jì)的原理框圖連接好，也從中學(xué)到了更深遠(yuǎn)的知識(shí)。我能夠理解電路框圖中每個(gè)元件的意義，以及參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題。這是值得慶幸的事。在這里我非常感謝蔡老師一直辛勤的指導(dǎo)我們，認(rèn)真給