根据MATLAB的PCM系统仿真设计与实现.docx

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1、通信系统仿真设计实训报告1.课题名称：基于MATLAB的PCM系统仿真设计与实现学生学号：学生姓名：所在班级：任课教师：2016年10月25日目录1. PCM技术的产生和发展 (3)2课题设计内容 (4)3 PCM基本原理 (4)3.1 抽样 (4)3.2 量化 (4)3.3 编码 (7)3.4时分多路复用 (9)4 PCM系统仿真电路设计 (10)4.1总体设计思想 (10)4.2各模块的设计和仿真图形分析 (10)4.2.1 PCM编码模块设计 (10)4.2.2 PCM解码模块设计 (14)4.2.3 PCM系统总体模块 (15)5 结论 (17)(18)6参考文献1. PCM技术的产生

2、和发展脉冲编码调制，由A.里弗斯于1937年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础， 60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量 扩大2448倍。到70年代中、末期，各国相继把脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、 微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。80年代初，脉码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0码”和“1码”，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽 样、量化和编码产生的，称为 PCM(pulse code

3、modulation )，即脉冲编码调制。这种 电的数字信号称为数字基地信号，由 PCMt端机产生，现在的数字传输系统都是采用脉 冲编码调制(pulse code modulation )体制。PCM最初并非传输计算机数据用的，而是 使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。PCMt两种标准(表现形式)即T1和E1。中国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1.544Mbit/s，E1的速率是2.048Mbit/s 。脉冲编码调制可以向用户提供多种业务，既可以提供从2M到155M速率的数字数据专线业务，也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。特别适用于对数据传输速率要求较高，需要更高

4、带宽的用户使用。脉冲编码调制是70年代末法杖起来的，记录媒体之一的 CD 80年代初由飞利浦和 索尼公司共同推出。脉冲编码调制的音频格式也是被 DVD-A所采用，它支持立体声和5.1 环绕声，1999年由DVD讨论会发布和推出的。脉冲编码调制的比特率，从 14-bit发展 到 16-bit、18-bit、20-bit 直到 24-bit ;采样频率从 44.1kHz 发展到 192kHz PCM永 冲编码调制这项技术可以改善和提高的方面则越来越小。 只是简单的增加PCM永冲编码 调制比特率和采样率，不能根本的改变它的根本问题。其原因是 PCM的主要问题在于：(1) 任何脉冲编码调制数字音频系统

5、需要在其输入端设置急剧升降的滤波器，仅让 20Hz-22.05Hz的频率通过(高端22.05kHz是由于CD44.1kHz的一半频率而确 定)。(2) 在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器(减低采样频率)，在重放时采 用多级的内插的数字滤波器(提高采样频率)，为了控制小信号在编码时的失真，两者又都需要加入重复定量噪声。这样就限制了PCMJ术在音频还原时的保真度。为了全面改善脉冲编码调制数字音频技术，获得更好的声音质量，就需要有 新的技术来替换。飞利浦和索尼公司再次联手，共同推出一种称为直接流数字编 码技术DSD的格式，其记录媒体为超级音频 CD即SACD支持立体声和5.1环绕声。 DSD是

6、 PCM脉冲编码调制的进化版。2课题设计内容本设计研究的内容是利用 MATLA集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM 通信系统。PCM系统主要包括模拟信号的数字化、信道传输和数字信号还原模拟信号三 部分，最后用示波器观察输入信号和输出信号的波形，加上含有噪声的信道，最后运行 结果并通过波形来分析该系统的性能。本设计的研究目的是在学习通信原理基本原理基础上， 学习PCM调制解调方法；掌 握脉冲编码调制技术特点；熟悉 MATLAB件的相关知识；并能够运用 MATLAB件工 具对PCMS统进行辅助设计和仿真。3 PCM基本原理3.1抽样所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连

7、续的信号变成时间上离散 的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢 复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。在一个频带限制在(0，f h)内的时间连续信号f (t)，如果以1/2 f h的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽 样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f (t)的频谱中最高频率不超过fh，当抽样频率fS 2 f h时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。这就是抽样 定理。3.2量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的 有限数集合。如图3.1所示量化器Q输出L个量化值yk，k=1，2，3，L。

8、yk常称 为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在Xk与Xk1之间时，量化器输出电平为yk。这个量化过程可以表达为：y Q(x)Q Xk x Xk iyk ,k 1,2,3，,l这里xk称为分层电平或判决阈值。通常k xk 1 xk称为量化间隔图3.1模拟信号的量化量化后的抽样信号于量化前的抽样信号相比较， 当然有所失真，且不再是模拟信号。 这种失真在接收端还原模拟信号是变现为噪声，并称为量化噪声。量化噪声的大小取决 于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化极差或间隔越小，量化噪声也越 小。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无 论抽样值大小如

9、何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号m(t)较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样的话化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足 信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，对于弱信号时，均匀量化时的 信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其 量化间隔v也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首 先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度(实际中常常是这样)时，非均匀 量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量

10、化 噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大 致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。美国采用 压缩律，我国和欧洲各国均采用 A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律:Ax门1y,0 x -1 In AA1 In Ax 1,y, x 11 In A AA律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似

11、于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用电路实现，本设计 中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图3.2示出了这种压扩特性表3.1列出了 13折线时的x值与计算x值的比较。图3.3 A律函数13折线表3.113折线时的x值与计算x值的比较y0182838485868781x01128160.6130.6115.417.7913.9311.981按折线分段时的x011281641321161814121段落12345678斜率161684211214表3.1中第二行的x值是根据A 87.6时计算得到的，第三行的x值是

12、13折线分段 时的值。可见，13折线各段落的分界点与A 87.6曲线十分逼近，同时x按2的幕次分 割有利于数字化。3.3编码所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的 编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度 分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化 样值的绝对值从小到大依次排列，并对应的依次赋予一个十进制数字代码，在码前以“ +”、“一”号为前缀，来区分样值的正负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序 排列的一串十进制数字码流

13、，即十进制数字信号。把量化的抽样信号变换成给定字长的 二进制码流的过程为编码。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速 编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、 折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、 段落码、段内码的顺序排列。下面结合 13折线的量化来加以说明。表3-2段落码段落序号段落码81117110610151004011301020011000表3-3段内码量化级段内码量化级段内码15111170111141110601101311015010112110040100111011

14、300111010102001091001100018100000000在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按 8段折线（8个段落）进行编码。若 用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性， 其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至 第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示 段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理 的结果，8个段落被划分成128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2.2所示; 段内码与16个量化级之间的关系见表2.3。话音PCM

15、的抽样频率为8KHZ每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编 码信号的速率为8bits x 8kHz=64kb/s.量化噪声随级数的增多和极差的缩小而缩小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制 编码的位数增多而减少，即随数字编码信号的速率提高而减少。自然界中的声音非常复 杂,波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。PCMffi过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。3.4时分多路复用时分多路复用（TDM是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的 时间内传送，将整个传输时间分为许多时间间隔（Slot

16、 time ，TS,又称为时隙），每 个时间片被一路信号占用。TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现 一条电路传送多路信号的。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因数字信号是有限个离散值，所以TDM技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通 信系统的传输一般采用FDM如上图电话通信为例说明时分多路复用的过程：发送端的各路话音信号经低通滤波器将带宽限制在3400Hz以内，然后加到匀速旋转的电子开关SA1上，依次接通各路信号，它相当于对各路信号按一定的时间间隙进行抽样。SA1旋转一周的时间为一个抽样周期 T,这样就做到了对每一路信号每隔周期T时间抽样一次，此时间周期

17、称为1帧长。发送端电子开关 SA1不仅起到抽样作用，同时还要起到 复用和合路的作用。合路后的抽样信号送到编码器进行量化和编码，然后，将信 号码流送往信道。在接收端，将各分路信号码进行统一译码，还原后的信号由分 路开关SA2依次接通各分路，在各分路中经低通滤波器将重建的话音信号送往收 端用户。在上述过程中，应该注意的是，发、收双方的电子开关的起始位置和旋 转速率都必须一致，否则将会造成错收，这就是PCM系统中的同步要求。收、发两端的数码率或时钟频率相同叫位同步或称比特同步，也可通俗的理解为两电子 开关旋转速率相同；收、发两端的起始位置是每隔1帧长（即每旋转一周）核对一次的，此称帧同步。这样才一能

18、保证正确区分收到的哪8位码是属于一个样值的，又是属于哪一路的。为了完成上述同步功能，在接收端还需设有两种装置： 一是同步码识别装置，识别接收的PCM信号序列中的同步标志码的位置；二是调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需在收端进行调整使其两者位 置相对应。以上两种装置统称为帧同步电路。时分多路复用不仅局限于传输数字 信号，也可同时交叉传输模拟信号4 PCM系统仿真电路设计4.1总体设计思想本设计首先设计了 1路PCM信号，然后再根据1路PCM的基本原理设计了 4路 PCM信号，通过不同时隙的信道复用在同一个信道了传输，再根据不同时隙把各个信 号提取出来。由前面的原理介绍我们可以知道

19、PCM系统包括模拟信号转换为数字信号 模块、信道传输模块、数字信号还原模拟信号模块等三个模块。其中模拟信号转换为数 字信号模块把连续的模拟信号转换为用二进制代表的数字信号，它由抽样、量化、编码 三个步骤组成；信道是信号传输的通道，在传输过程中可能会引入噪声而影响信号的质 量；数字信号还原模拟信号解码、低通、放大等过程组成，它把数字信号恢复称连续的 模拟信号。其原理方框图如图4.1所示：图4-1 PCM原理框图4.2各模块的设计和仿真图形分析本设计首先设计了 1路信号的编码模块，模拟信号是幅度为1,频率为200*pi的正 弦信号。根据奈奎斯特抽样定理可知抽样频率应大于等于模拟信号最高频率的2倍。

20、本设计的抽样时间间隔定为0.001s，符合奈奎斯特抽样定理。其中各个模块功能和参数设 置如下：Zero-Order Hold :零阶保持器，它的作用是对输入的一段采样时间进行保持。参数设置中的取样时间间隔为信号的取样时间间隔0.001s。Relay :继电模块，它的作用是实现在两个不同常数值之间进行切换。本设计中此 模块的门限值设为0,其输出即可作为PCM编码输出的最高位，也就是极性码，当抽样 值为正值时就输出1,为负值时就输出0。Saturation :限幅器，它的作用是将输入信号的幅度限制在一定范围内。本设计将 输入信号幅度限制在卜1,+1范围内。Abs :绝对值模块，它的作用是对输入数值

21、取绝对值。A- LawCompressor： A率压缩器，它的作用是对输入信号进行 A率压缩，本设计中 A取 87.6。Gai n：增益模块，它的作用是对数值的大小增加或减小倍数。本设计中由于输入信 号幅度限制在卜1,+1,因此为了便于编码将Gain的增益参数设为127。Quantizer :量化器，它的作用是就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个 离散幅度值。本设计中的量化间隔设为1，可将输入数值根据四舍五入原则量化成相应的离散数值。Integer to Bit Converter:整数点转换器，它的作用是将整数值转换为相应的二进制数值。本设计中由于量化值最大为127,因此此模块参数设为

22、7,即将十进制整数转换为7位二进制数值。Mux复用器，它的作用是将多路信号复用为一路信号。本设计中由于输入信号由1路极值脉冲和1路数值脉冲组成，因此此模块输入参数设为2。To Frame :装帧器。Buffer :缓冲器。Scope：示波器，它的作用是显示输出信号波形。输出波形如图4-3所示：图4-3 PCM信号波形将编码模块封装成子系统后如图4-4所示图4-4 封装之后的PCM编码子系统:F面是本设计的4路PCM言号编码模块:图4-6 4路PCM言号编码模块4路模拟信号是幅度均为1,角频率分别为200*pi , 150*pi , 100*pi和50*pi的正 弦信号，抽样时间间隔设为0.00

23、1s，符合奈奎斯特抽样定理。4个子系统是PCk编码子 系统，Mux模块是信道复用模块，由4路信号输入复用，因此此模块输入参数设为 4。示波器显示的是4路信号复用后的波形，如图4-7所示。4.2.2 PCM解码模块设计图4-913 折线近似的PCM解码器测试模型butlerjriflilog-iltr L!sgn上图是1路信号的解码模块。其中各个模块的功能和参数设置如下:Demux分离器，它的作用是将复用的多路信号分离出来。在此解码模块中信号应 分离成一路极性脉冲和7路数值脉冲，因此输出参数设为&Mux复用器。此模块中输入脉冲由7路二进制数值脉冲组成，因此输入参数设为 7。Relay :继电模块

24、，它的作用是确定信号的极性。Bit to In teger Co nvertert:位转换器，它的作用是将二进制脉冲转换为十进制数。同编码模块中的Integer to Bit Convertert，此模块参数也设为7。Gain :增益模块，和编码模块相反，此模块增益参数设为1/127。A-Law Expander： A率扩展器，它的作用是对输入信号进行A率扩展，此模块中A设为87.6。Product:相乘器，它的作用是将极性脉冲和正值数值脉冲相乘以得到有极性的数值。此模块的输入参数设为2。Analog Filter Design :模拟低通滤波器。它的作用是得到回复原始的模拟信号。 此滤波器的

25、最高频率设为250*pi，符合条件，可以恢复原始的模拟信号。将此解码系统封装成子系统后如图4-10所示:COIniHurrarl图4-11 封装之后的PCM1解码子系统图标F面是本设计的4路PCM解码模块：图4-12 4 路PCMM言号解码模块解码模块是复用信号经过信道后通过 Demux模块把各路信号分离出，然后分别进 行解码，4个子系统是4路信号的解码模块。由于此复用信号是由 4路信号复用而成, 因此DemuX的输出参数设为4。4. 2. 3 PCM系统总体模块由于信道中存在噪声可能会影响信号的质量， 因此要尽可能增加信道的信噪比降低来降 低误码率，本设计中信道误码率概率设为 0.01，属于

26、正常的误码率，符合条件。最后输 出信号和输入信号通过示波器如图 4-14和图4-15所示。图4-14 1路PCM信号仿真结果图4-14中的示波器的波形由两路信号组成，一路是经过编码、信道传输和解码等 恢复的模拟信号波形，另一路是原始输入的模拟信号波形，通过观察可知，输出波形和 输入波形误差较小，该系统设计正确。图4-15 4路PCM言号仿真结果图4-15中的示波器中，上面4路是4路经过编码、信道传输和解码等恢复的4路信号，下面4路是原始的4路输入模拟信号。由图可知，不同频率的信号，所产生的误 差用数字信号来传输时误差基本相同。综上可知，输出信号和输入信号相比，误差较小，因此在正常信噪比的条件下

27、，该通信系统各个模块使用正确，参数设置适当，可以达到预期的目的本论文运用MATLAB的动态仿真工具箱Simulink仿真实现了 PCM系统的全部过 程。根据PCM系统的组成原理，在Simulink模块库中找到相应的模块，然后选择合适 的模块以及设置适当的参数，建立了 PCM通信系统的仿真模型，最后在给定仿真的条件 下，运行了仿真系统。仿真结果表明：1.在正常的信噪比条件下，该通信系统失真较小，达到了预期的目的。2.Simuli nk仿真工具箱操作简单方便、调试直观，为通信系统的软件仿真实现提 供了极大的方便。参考文献1王立宁，乐光新，詹菲.MATLABW通信仿真M.人民邮电出版社，20002樊

28、昌信，曹丽娜.通信原理M.国防工业出版社，20063李环，任波，华宇宁通信系统仿真设计与应用M.电子工业出版社，20094青松，程岱松，武建华.数字通信系统的matlab仿真与分析M.北京航空航天大学 出版社，20015罗卫兵，孙桦，张婕.matlab动态系统分析及通信系统仿真设计M.西安电 子科技大学出版社，20016曹志刚，钱亚生现代通信原理M 清华大学出版社，19927苗长云现代通信原理及应用M 电子工业出版社，20058 张圣勤.MATLAB 7. 0实用教程.机械工业出版社，20069桑林，郝建军，刘丹.数字通信.北京邮电大学出版社，200210吴伟陵,续大我,庞沁华.通信原理.北京邮电大学出版社，200511邵玉斌Matlab/Simuli nk通信系统建模与仿真实例分析.清华大学出版社，200812 Roger L.Freema n . Fun dame ntals of Telecom muni cati ons ,199913 SILICON TRANSISTOR 2sc33565 DATASHEET. NEC,1996.514 （美）拉帕波特.无线通信原理与应用：Pinciple and practiceM.电子工业出版社，2006