基于Matlab的脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 信息工程 學(xué)院通信工程 專業(yè) 14-2 班 一、 課程設(shè)計(jì)(論文)題目脈沖編碼調(diào)制(PCM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真二、課程設(shè)計(jì)(論文)工作自2017年 1 月3日起至2017年1月 13日止。三、課程設(shè)計(jì)(論文) 地點(diǎn): 圖書館、寢室、通信實(shí)驗(yàn)室（4-410）。 四、課程設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容要求：1本課程設(shè)計(jì)的目的（1）使學(xué)生掌握通信系統(tǒng)各功能模塊的基本工作原理； （2）培養(yǎng)學(xué)生采用Matlab與Simulink相結(jié)合對(duì)各種編碼與解碼進(jìn)行仿真的方法； （3）培養(yǎng)學(xué)生對(duì)PCM的理解能力；（4）能提高和挖掘?qū)W生對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力即創(chuàng)新能力；（5）提高學(xué)生的科技論文寫作能力。 2課

2、程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求1）基本要求：（1）學(xué)習(xí)Matlab與Simulink仿真軟件的使用；（2）對(duì)PCM，DPCM，M編碼與解碼各功能模塊的工作原理進(jìn)行分析；（3）提出各種編碼與解碼電路的設(shè)計(jì)方案，選用合適的模塊； （4）對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真；（5）并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。a. 采樣定理的原理仿真b. PCM編碼與解碼c. DPCM編碼與解碼；增量調(diào)制（至少選做一種）2）創(chuàng)新要求： 3）課程設(shè)計(jì)論文編寫要求（1）要按照書稿的規(guī)格打印謄寫畢業(yè)論文（2）論文包括目錄、緒論、正文、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、謝辭、附錄等（3）畢業(yè)論文裝訂按學(xué)校的統(tǒng)一要求完成4）答辯標(biāo)準(zhǔn)： （1）完成原理分析（20分） （2）系統(tǒng)方

3、案選擇（30分） （3）仿真結(jié)果分析（30分） （4）論文寫作（20分）5）參考文獻(xiàn)：（1）王俊峰.通信原理MATLAB仿真教程 人民郵電出版社第1版 .2010.11.1（2）趙靜.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真 北京航空航天大學(xué)出版社6）課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排內(nèi)容 天數(shù)地點(diǎn)構(gòu)思及收集資料 2圖書館仿真 5實(shí)驗(yàn)室撰寫論文 3實(shí)驗(yàn)室學(xué)生簽名： 2017年1月3日課程設(shè)計(jì)(論文)評(píng)審意見(jiàn)（1）完成原理分析（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （2）系統(tǒng)方案選擇（30分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （3）仿真結(jié)果分析（30分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）

4、；（4）論文寫作（20分）：優(yōu)（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）格式規(guī)范性及考勤是否降等級(jí)：是（）、否（）評(píng)閱人： 職稱： 副教授 2017年1月 13日目 錄摘 要IAbstractII1 緒論12 PCM脈沖編碼原理22.1 模擬信號(hào)的抽樣及頻譜分析22.1.1 信號(hào)的采樣22.1.2 抽樣定理22.1.3 采樣信號(hào)的頻譜分析32.2 量化32.2.1 量化的定義32.2.2 量化的分類42.2.3 MATLAB的A律13折線量化102.3 PCM編碼102.3.1 編碼的定義102.3.2 碼型的選擇112.3.3 M脈沖編碼的原理113 PCM的MATLAB實(shí)現(xiàn)133.1

5、PCM抽樣的MATLAB實(shí)現(xiàn)133.2 PCM量化的MATLAB實(shí)現(xiàn)163.2.1 PCM均勻量化的MATLAB實(shí)現(xiàn)163.2.2 PCM A律非均勻量化的MATLAB實(shí)現(xiàn)183.3 PCM A律13折線編碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)204結(jié)果分析及總結(jié)23參考文獻(xiàn)24摘 要本設(shè)計(jì)結(jié)合PCM的抽樣、量化、編碼原理，利用MATLAB軟件編程和繪圖功能，完成了對(duì)脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)的建模與仿真分析。課題中主要分為三部分對(duì)脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)原理進(jìn)行建模與仿真分析，分別為采樣、量化和編碼原理的建模仿真。同時(shí)仿真分析了采樣與欠采樣的波形、均勻量化與A律13折線非均勻量化的量化性能及其差異。通過(guò)對(duì)脈

6、沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)原理的仿真分析，設(shè)計(jì)者對(duì)PCM原理及性能有了更深刻的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步掌握MATLAB軟件的使用。 關(guān) 鍵 詞：脈沖編碼調(diào)制（PCM） 均勻與非均勻量化MATLAB仿真AbstractIn this design, combination the Simulink emulatation function and the S- functions spread function of MATLAB software, have completed the systematic emulatation and modeling for pulse code modulatio

7、n( PCM). In this design，divide into 3 parts mainly, emulate to build mould and emulate analysis for the principle of pulse code modulation( PCM) systematic. They are modeling and emulatation of sampling, quantizing and ecoding. At the same time, emulate to analyse the waveform of sampling and owe sa

8、mpling , the quantizing error of uniform quantizing and nonuniform quantizing. Through this design,the designer has a more profound understanding of PCM principles and performance , and further master the use of MATLAB software.Keywords: Pulse coding modulation ( PCM)uniform and non-uniform quantita

9、tive MATLAB simulationII1 緒論數(shù)字通信作為一種新型的通信手段，早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)提出。在1937年，英國(guó)人里費(fèi)（A.H.Reeves）提出了脈沖編碼調(diào)制（PCM）方式。從此揭開(kāi)了近代數(shù)字傳輸?shù)男蚰弧CM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾性強(qiáng)；失真??；傳輸特性穩(wěn)定，遠(yuǎn)距離再生中繼時(shí)噪聲不累積，而且可以采用有效編碼、糾錯(cuò)編碼和保密編碼來(lái)提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。另外，由于PCM可以把各種消息（聲音、圖像、數(shù)據(jù)等等）都變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，因此可以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換一體化的綜合通信方式，而且還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理一體化的綜合信息處理。故它能較好地適應(yīng)信息化社會(huì)對(duì)

10、通信的要求。PCM的缺點(diǎn)是傳輸帶寬寬、系統(tǒng)較復(fù)雜。但是，隨著數(shù)字技術(shù)的飛躍發(fā)展這些缺點(diǎn)也不重要。因此，PCM是一種極有發(fā)展前途的通信方式。2 PCM脈沖編碼原理2.1 模擬信號(hào)的抽樣及頻譜分析2.1.1 信號(hào)的采樣離散時(shí)間信號(hào)通常是有連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)周期采樣得到的。完成采樣功能的器件稱為采樣器，下圖所示為采樣器的示意圖。圖中Xa(t)表示模擬信號(hào)，Xa(nt)表示采樣信號(hào)，T為采樣周期，n=0，1，2，。一般可以把采樣器視為一個(gè)每隔T秒閉合一次的電子開(kāi)關(guān)S。在理想情況下，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間滿足T。實(shí)際采樣過(guò)程可視為脈沖調(diào)幅過(guò)程，Xa(t)為調(diào)制信號(hào)，被調(diào)脈沖載波p(t)是周期為T、脈寬為的周期脈沖串。

11、當(dāng)0時(shí)的理想采樣情況是實(shí)際采樣的一種科學(xué)的、本質(zhì)的抽象，同時(shí)可使數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到簡(jiǎn)化。下面主要討論理想采樣。圖3.1 采樣器示意圖及波形圖2.1.2 抽樣定理抽樣也稱取樣、采樣，是把時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)變換為時(shí)間離散信號(hào)的過(guò)程。抽樣定理是指：一個(gè)頻帶限制在（0，fH）內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)m(t)，如果以T1/2fH秒的間隔對(duì)它進(jìn)行等間隔抽樣，則m(t)將被所得到的抽樣值完全確定。這意味著，若m(t)的頻譜在某一角頻率H上為零，則m(t)中的全部信息完全包含在其間隔不大于1/2fH秒的均勻抽樣序列里。換句話說(shuō)，在信號(hào)最高頻率分量的每一個(gè)周期內(nèi)起碼應(yīng)抽樣兩次。根據(jù)抽樣脈沖的特性，抽樣分為理想抽樣、自然抽樣（

12、亦稱曲頂取樣）、瞬時(shí)抽樣（亦稱平頂抽樣）；根據(jù)被抽樣信號(hào)的性質(zhì)，抽樣又分為低通抽樣和帶通抽樣。雖然抽樣種類很多，但是間隔一定時(shí)間，抽樣連續(xù)信號(hào)的樣值，把信號(hào)從時(shí)間上離散，這是各種抽樣共同的作用，抽樣是模擬信號(hào)數(shù)字化及時(shí)分多路的理論基礎(chǔ)。我們考察一個(gè)頻帶限制在(0,fH)赫的信號(hào)m(t)。假定將信號(hào)m(t)和周期性沖擊函數(shù)(t)相乘，如圖所示，乘積函數(shù)便是均勻間隔為T秒的沖激序列，這些沖激的強(qiáng)度等于相應(yīng)瞬時(shí)上的m(t)值，它表示對(duì)函數(shù)m(t)的抽樣。我們用ms(t)表示此已抽樣的函數(shù)，即有ms(t)=m(t)(t)上述關(guān)系如下圖所示。 圖3.2 抽樣示意圖2.1.3 采樣信號(hào)的頻譜分析頻譜分析自

13、然要使用快速傅里葉變換FFT了，對(duì)應(yīng)的命令即 fft ，簡(jiǎn)單使用方法為：Y=fft(b,N)，其中b即是采樣數(shù)據(jù)，N為fft數(shù)據(jù)采樣個(gè)數(shù)。一般不指定N，即簡(jiǎn)化為Y=fft(b)。Y即為FFT變換后得到的結(jié)果，與b的元素?cái)?shù)相等，為復(fù)數(shù)。以頻率為橫坐標(biāo)，Y數(shù)組每個(gè)元素的幅值為縱坐標(biāo)，畫圖即得數(shù)據(jù)b的幅頻特性；以頻率為橫坐標(biāo)，Y數(shù)組每個(gè)元素的角度為縱坐標(biāo)，畫圖即得數(shù)據(jù)b的相頻特性。對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的情況，采樣頻率fs一般都是由采樣儀器決定的，即fs為一個(gè)給定的常數(shù)；另一方面，為了獲得一定精度的頻譜，對(duì)頻率分辨率F有一個(gè)人為的規(guī)定，一般要求F100秒；由采樣時(shí)間ts和采樣頻率fs即可決定采樣數(shù)據(jù)量，即采樣總

14、點(diǎn)數(shù)N=fs*ts。這就從理論上對(duì)采樣時(shí)間ts和采樣總點(diǎn)數(shù)N提出了要求，以保證頻譜分析的精準(zhǔn)度。2.2 量化2.2.1 量化的定義模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣以后，其抽樣值還是隨信號(hào)幅度連續(xù)變化的，即抽樣值m(kT)可以取無(wú)窮多個(gè)可能值，如果用N個(gè)二進(jìn)制數(shù)值信號(hào)來(lái)代表該樣值的大小，以便利用數(shù)字傳輸系統(tǒng)來(lái)傳輸該樣值的信息，那么N個(gè)二進(jìn)制信號(hào)只能同M=2N個(gè)電平樣值相對(duì)應(yīng)，而不能同無(wú)窮多個(gè)電平值相對(duì)應(yīng)。這樣一來(lái)，抽樣值必須被劃分成M個(gè)離散電平，此電平被稱作量化電平?；蛘哒f(shuō)，采用量化抽樣值的方法才能夠利用數(shù)字傳輸系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)抽樣值信息的傳輸。利用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平來(lái)表示模擬抽樣值的過(guò)程稱為量化。抽樣是把一個(gè)時(shí)間

15、連續(xù)信號(hào)變換成時(shí)間離散的信號(hào)，而量化則是將取值連續(xù)的抽樣變換成取值離散的抽樣。通常，量化器的輸入是隨機(jī)模擬信號(hào)。可以用適當(dāng)速率對(duì)此隨機(jī)信號(hào)m(t)進(jìn)行抽樣，并按照預(yù)先規(guī)定，將抽樣值m(kT)變換成M個(gè)電平q1，q2，qM之一,有mq(kTs)=qi，若mi-1m(kTs)V,h(i)=V;end if f(i)=-V,h(i)=-V;end flag=0; for j=2:L/2+1 if(flag=0) if(f(i)p(j) h(i)=p(j-1); flag=1; end; end; end; for j=L/2+2:L+1 if(flag=0) if(f(i)=0 if(x(i)=-t

16、) y(i)=-(a*-x(i)/(1+log(a); else y(i)=-(1+log(a*-x(i)/(1+log(a); end endend仿真結(jié)果：圖4.5 A律量化波形3.3 PCM A律13折線編碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)PCM均勻量化的MATLAB程序設(shè)計(jì)按如下步驟進(jìn)行：（1）確定輸入模擬信號(hào)；（2）根據(jù)給均勻量化的原理確定非均勻量化的算法程序；（3）將上述編碼的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成8位二進(jìn)制數(shù)。PCM抽樣的MATLAB實(shí)現(xiàn)源程序如下：function a_13code()t=0:0.000025:0.00025;y=sin(8000*pi*t)z=line13(y)c=pcmcode(

17、z)function y=line13(x)x=x/max(x);z=sign(x);x=abs(x);for i=1:length(x) if(x(i)=0)&(x(i)=1/64)&(x(i)=1/32)&(x(i)=1/16)&(x(i)=1/8)&(x(i)=1/4)&(x(i)=1/2)&(x(i) a_13codey = Columns 1 through 7 0 0.5878 0.9511 0.9511 0.5878 0.0000 -0.5878 Columns 8 through 11 -0.9511 -0.9511 -0.5878 -0.0000z = Columns 1 t

18、hrough 7 0 0.9045 1.0000 1.0000 0.9045 0.0000 -0.9045 Columns 8 through 11 -1.0000 -1.0000 -0.9045 -0.0000c = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 04結(jié)果分析及總結(jié)根據(jù)仿真的波形

19、圖和輸出地量化、編碼值可以得到以下結(jié)論：當(dāng)抽樣頻率大于或等于輸入連續(xù)信號(hào)的頻率2倍時(shí)，就可以無(wú)失真恢復(fù)原始信號(hào)；當(dāng)不滿足上述條件時(shí)就會(huì)出現(xiàn)頻率混疊失真，不能恢復(fù)原始信號(hào)。均勻量化輸出波形圖清晰地顯示處均勻量化的特征，每個(gè)量階都是均勻分布的，每個(gè)間隔都是相等的。由于量化級(jí)數(shù)是64，所以從圖中看到的結(jié)果不是那么明顯，和輸入波形相比幾乎沒(méi)什么變化。將A律非均勻量化的結(jié)果和A律13折線近似量化進(jìn)行比較，兩者壓縮特性很接近。13折線輸出的碼組序列也符合要求。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我較系統(tǒng)地掌握有關(guān)PCM脈沖編碼調(diào)制的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，主要對(duì)MATLAB的仿真方法，開(kāi)發(fā)環(huán)境等有了一定的了解并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和加以應(yīng)用的知識(shí)得到學(xué)習(xí)。掌握了用程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析的基本方法，并畫出波形圖。以前對(duì)PCM編碼的方法只是在理論上，經(jīng)過(guò)這次課設(shè)，加深了對(duì)PCM編碼的基本原理理解，并對(duì)其在實(shí)際