通信工程課程設(shè)計

1、武 夷 學(xué) 院 課程設(shè)計報告課程名稱：通信原理設(shè)計題目：脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計與仿真學(xué)生班級：通信工程一班學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：完成日期：2013-12-13數(shù)學(xué)與計算機(jī)學(xué)院 摘 要PCM是脈沖編碼調(diào)制的簡稱，是現(xiàn)代語音通信中數(shù)字化的重要編碼方式。本課程設(shè)計利用MATLAB集成環(huán)境，對信號進(jìn)行PCM編碼調(diào)制，建立13折線A律PCM編碼器模型，進(jìn)一步繪制出對信號進(jìn)行脈沖編碼調(diào)制時域波形圖，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形分析PCM編碼調(diào)制，加強(qiáng)對這部分內(nèi)容的理解并了解如何運(yùn)用于語音傳輸，光纖傳輸?shù)阮I(lǐng)域在課程設(shè)計中，系統(tǒng)開發(fā)平臺為Windows 2000，使用工具軟件為MATLAB 7.1。本課程設(shè)計主要

2、目的是在信號傳輸過程中，運(yùn)用A律PCM譯碼實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。該設(shè)計運(yùn)用MATLAB的M文件來編寫程序，根據(jù)經(jīng)過抽樣、量化、編碼后收到的碼組（極性碼除外），使用A律譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，從而輸出一個與發(fā)信端抽樣值接近的脈沖，通過計算，得出理論值與實際值近似，成功達(dá)到了設(shè)計效果。在該平臺運(yùn)行程序完成了對脈沖編碼調(diào)制以及對結(jié)果的觀察。通過該課程設(shè)計，達(dá)到了對信號進(jìn)行PCM編碼的目的。課程設(shè)計項目研究報告目錄第一章 項目簡介··············

3、;··················································

4、;··················································

5、;4 1.1 項目開發(fā)················································&

6、#183;·················································&

7、#183;···········4 1.2 開發(fā)人員····································

8、83;·················································

9、83;·······················4 1.3指導(dǎo)老師·························

10、··················································

11、····································4第二章 項目研究意義············&

12、#183;·················································&

13、#183;···········································42.1課程設(shè)計目的····

14、83;·················································

15、83;·················································

16、83;42.2課程設(shè)計要求················································

17、;··················································

18、;·······4第三章 采用的技術(shù)·········································&

19、#183;·················································&

20、#183;··················53.1脈沖編碼調(diào)制·····························

21、83;·················································

22、83;·························53.2 PCM編碼原理······················

23、83;·················································

24、83;································63.3文本輸入法簡介···············

25、3;·················································

26、3;···································103.4系統(tǒng)功能簡介·············

27、;··················································

28、;·········································11第四章 課程設(shè)計進(jìn)度表······

29、3;·················································

30、3;···········································12第五章 課程設(shè)計任務(wù)分配表····&

31、#183;·················································&

32、#183;·······································12第六章 達(dá)到的效果········&#

33、183;·················································&#

34、183;·················································&#

35、183;136.1仿真波形················································

36、;··················································

37、;··············136.3序輸入與輸出結(jié)果·································

38、3;·················································

39、3;···············156.4輸出結(jié)果分析·································

40、;··················································

41、;·······················15第七章 源程序的運(yùn)行與解釋························&#

42、183;·················································&#

43、183;···················15第八章 設(shè)計過程中解決問題····························

44、;··················································

45、;················16第九章 心得體會································&

46、#183;·················································&

47、#183;·····························17第十章 參考文獻(xiàn)··················

48、83;·················································

49、83;···········································18第一章 項目簡介1.1 項目名稱脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計與仿真1.2

50、 開發(fā)人員1.3指導(dǎo)老師第二章 項目研究的意義2.1課程設(shè)計概述該課程設(shè)計的目的是讓我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)PCM編譯碼器原理；在通信系統(tǒng)仿真軟件MATLAB平臺上，采用M文件設(shè)計A律PCM碼譯碼器。對設(shè)計項目進(jìn)行調(diào)試；對譯碼器進(jìn)行仿真；對仿真結(jié)果結(jié)合編譯碼理論進(jìn)行分析等。使學(xué)生在課程設(shè)計過程中能夠理論聯(lián)系實際，在實踐中充分利用所學(xué)理論知識分析和研究設(shè)計過程中出現(xiàn)的各類技術(shù)問題，鞏固和擴(kuò)大所學(xué)知識面，為以后走向工作崗位進(jìn)行設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。2.2課程設(shè)計要求及研究意義隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展,已可將話路濾波器和PCM編碼器集成在同一芯片上,這使PCM在光纖通信,數(shù)字微波通信,衛(wèi)星通信等數(shù)字通信領(lǐng)域

51、中獲得了更廣泛的應(yīng)用仿真技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用?；谛盘栍糜谕ㄐ畔到y(tǒng)的動態(tài)仿真軟件MATLAB具有強(qiáng)大的功能，可以滿足從底層到高層不同層次的設(shè)計、分析使用，并且提供了嵌入式的模塊分析方法，形成多層系統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計更加簡潔明了，便于完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計譯碼器前，首先以理論作指導(dǎo)，構(gòu)思設(shè)計方案。再用MATLAB語言編寫程序，在MATLAB軟件平臺上運(yùn)行，得到正確程序，并且進(jìn)行調(diào)試、仿真和分析。然后對結(jié)果進(jìn)行處理，輸出結(jié)果和分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且應(yīng)符合理論。最后，獨立完成課程設(shè)計并按要求寫課程設(shè)計報告書。第三章 采用的技術(shù)3.1脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation

52、，PCM)是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM的編碼原理比較直觀和簡單，PCM的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,下圖為PCM系統(tǒng)的原理框圖：抽樣量化編碼信道干擾m(t)ms(t)msq(t)A/D變換譯碼低通濾波msq(t)m(t)圖中，輸入的模擬信號m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了

53、數(shù)字信號(PCM信號)，經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號m(t)。通常，將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器（A/D變換器)；而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A變換器)。前者完成由模擬信號到數(shù)字信號的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號到模擬信號的變換。PCM在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能，它的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使

54、用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼。3.2 PCM編碼原理(1) 抽樣所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。在一個頻帶限制在（0，f h）內(nèi)的時間連續(xù)信號f（t），如果以1/2 f h的時間間隔對它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號?；蛘哒f，如果一個連續(xù)信號f（t）的頻譜中最高頻率不超過f h，當(dāng)抽樣頻率f S2 f h時，抽樣后的信號就包含原連續(xù)的全部信息。抽樣定理在實際應(yīng)用中應(yīng)注意在抽樣前后模擬信號進(jìn)行濾波

55、，把高于二分之一抽樣頻率的頻率濾掉。這是抽樣中必不可少的步驟。(2) 量化量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。如下圖所示，量化器輸出L個量化值，k=1，2，3，L。常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號幅度x落在與之間時，量化器輸出電平為。這個量化過程可以表達(dá)為： 這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。3模擬入量化器量化值模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化

56、。均勻量化： 用這種方法量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機(jī)會并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。非均勻量化：非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪

57、聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律： ， 。由于A律壓縮實現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼, 壓擴(kuò)特性圖如下圖所示： A律函數(shù)13折線壓擴(kuò)特性圖這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，本設(shè)計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。 表1 13

58、折線時的值與計算值的比較0101按折線分段時的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的 值是根據(jù) 時計算得到的，第三行的 值是13折線分段時的值?？梢姡?3折線各段落的分界點與 曲線十分逼近，同時 按2的冪次分割有利于數(shù)字化。5 (3) 編碼所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采

59、用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來加以說明。 段落序號段落碼量化級段內(nèi)碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000表2 段落碼 表3 段內(nèi)碼6PCM編譯碼器的實現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時只需給出外圍的時序電路即可實現(xiàn)，考慮到實現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實現(xiàn)，在13折線法中，

60、無論輸入信號是正是負(fù)，均按8段折線（8個段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結(jié)果，8個段落被劃分成27128個量化級。段落碼和8個段落之間的關(guān)系如表2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關(guān)系見表3。（4）譯碼PCM譯碼器是實現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。其中各模塊功能如下：D/A轉(zhuǎn)換器：用來實現(xiàn)與A/D轉(zhuǎn)換相反的過程，實

61、現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達(dá)到譯碼最基本的要求，也就是最起碼的步驟。瞬時擴(kuò)張器：實現(xiàn)與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用A律瞬時擴(kuò)張器。 低通濾波器：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會引入孔徑失真，量化時也會帶來量化噪聲，及信號再生時引入的定時抖動失真，需要對再生信號進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償，同時濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。3.3文本輸入法簡介MATLAB 語言是當(dāng)今國際上科學(xué)界 (尤其是自動控制領(lǐng)域) 最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運(yùn)算，并已經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計算機(jī)語言。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計流程、高質(zhì)量的圖形可

62、視化與界面設(shè)計、便捷的與其他程序和語言接口的功能。MATLAB 語言在各國高校與研究單位起著重大的作用。    MATLAB的含義是矩陣實驗室（MATRIX LABORATORY），主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無須定義維數(shù)的矩陣。MATLAB自問世以來,就是以數(shù)值計算稱雄。MATLAB進(jìn)行數(shù)值計算的基本單位是復(fù)數(shù)數(shù)組（或稱陣列），這使得MATLAB高度“向量化”。經(jīng)過十幾年的完善和擴(kuò)充，現(xiàn)已發(fā)展成為線性代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。由于它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時，顯得大

63、為簡捷、高效、方便，這是其它高級語言所不能比擬的。美國許多大學(xué)的實驗室都安裝有MATLAB供學(xué)習(xí)和研究之用。在那里,MATLAB是攻讀學(xué)位的大學(xué)生碩士生、博士生必須掌握的基本工具。MATLAB中包括了被稱作工具箱（TOOLBOX）的各類應(yīng)用問題的求解工具。工具箱實際上是對MATLAB進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用的一系列MATLAB函數(shù)（稱為M文件），它可用來求解各類學(xué)科的問題，包括信號處理、圖象處理、控制系統(tǒng)辨識、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。隨著MATLAB版本的不斷升級，其所含的工具箱的功能也越來越豐富，因此，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，成為涉及數(shù)值分析的各類工程師不可不用的工具。 MATLAB5.3中包括了圖形界面編輯GUI，

64、改變了以前單一的“在指令窗通過文本形的指令進(jìn)行各種操作”的狀況。這可讓使用者也可以象VB、VC、VJ、DELPHI等那樣進(jìn)行一般的可視化的程序編輯。在命令窗口（matlab command window）鍵入simulink，就出現(xiàn)(SIMULINK) 窗口。以往十分困難的系統(tǒng)仿真問題，用SIMULINK只需拖動鼠標(biāo)即可輕而易舉地解決問題，這也是近來受到重視的原因所在。3.4系統(tǒng)功能簡介該系統(tǒng)主要是通過A律PCM譯碼，在信號傳輸過程中，運(yùn)用A律PCM譯碼實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。該設(shè)計運(yùn)用MATLAB的M文件來編寫程序，根據(jù)經(jīng)過抽樣、量化、編碼后收到的碼組（極性碼除外），使用A律譯碼產(chǎn)生相

65、應(yīng)的控制脈沖，從而輸出一個與發(fā)信端抽樣值接近的脈沖，通過計算，得出理論值與實際值近似，成功達(dá)到了設(shè)計效果。在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能。PCM的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。PCM 編碼通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼。采用均勻量化時，其抗噪聲性能與量化級數(shù)有關(guān)，每增加一位編碼，其信噪比增加約6dB，但實現(xiàn)的電路復(fù)雜程度也隨之增加，占用帶寬也越寬。因此實際采用的量化方式多為非均勻量化，通常使用信號壓縮與擴(kuò)張技術(shù)來實現(xiàn)非均勻量化。在保持信號固有的動態(tài)范圍前提下，在量化前將小信號進(jìn)行放大而對

66、大信號進(jìn)行壓縮。通常的壓縮方法有13折線A律和律兩種標(biāo)準(zhǔn)，本課程設(shè)計采用的是A律13折線。從而成功實現(xiàn)了該課程設(shè)計。第四章 課程設(shè)計項目進(jìn)度表表4日期完成的工作2013-12.9確定課設(shè)題目，查找并收集有關(guān)材料2013-12.10理解PCM編碼原理及相關(guān)知識，確定表格，數(shù)據(jù)類型，系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，運(yùn)行環(huán)境2013-12.11子模塊的程序設(shè)計和調(diào)試2013-12.12系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，撰寫課程設(shè)計總結(jié)報告2013-12.13交課程設(shè)計紙質(zhì)和電子版材料第五章 課程設(shè)計任務(wù)分配表表5成員座號項目內(nèi)容序號韋觀琴49號1、“刪除”模塊的制作 2、編寫段落表（表2），段內(nèi)表（表3）3、編寫項目進(jìn)度表（表4）4、整

67、理目錄5、編寫實驗心得01張惠靈47號1、“修改”模塊的制作 2、制作壓擴(kuò)特性表（表1）3、“仿真波形”模塊制作4、編寫任務(wù)分配表（表5）5、調(diào)試程序02第六章 達(dá)到的效果以MATLAB的Simulink為工具平臺，根據(jù)PCM系統(tǒng)的組成原理，在Simulink模塊庫中找出相應(yīng)的模塊，選擇合適的模塊以及設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，建立了 PCM 通信系統(tǒng)仿真模型，圖示如下：6.1仿真波形信號源的波形PCM編碼的波形9PCM譯碼時經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴(kuò)張后的輸出波形譯碼后恢復(fù)源信號的輸出波形由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復(fù)，傳輸?shù)倪^程中實現(xiàn)了數(shù)字化的傳輸過程?？偨Y(jié)利用MATLAB軟件完成了一個完整的PCM通信系統(tǒng)設(shè)計，充分發(fā)揮了SIMULINK功能強(qiáng)大，建模簡單，參數(shù)易于調(diào)整的特點。結(jié)果表明，基于SIMULINK仿真模型，能夠反映模擬通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，其可視化界面具有很好的演示效果，為通信系統(tǒng)的設(shè)計和研究提供了強(qiáng)有力的工具，也為學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)理論提供了一條非常好的途徑。在通信原理的教學(xué)過程中,一直注重理論的教學(xué),但是深奧的理論難以理解,很有必要以某種可見的、圖形化的形式來加深對理論的理解。MATLAB的引入帶來了直觀的感受,提供了完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)