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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 目 錄 課程設(shè)計(jì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)- 1 -</p><p> 基于MATLAB/simulink的PCM編碼的研究與仿真- 3 -</p><p> 摘 要- 3 -</p><p> Abstract- 3 -</p><p> 1 背景知識(shí)- 4
2、 -</p><p> 1.1 PCM原理及仿真- 4 -</p><p> 1.1.1脈沖編碼調(diào)制- 4 -</p><p> 1.1.2 PCM編碼原理- 5 -</p><p> 2 M文件仿真- 10 -</p><p> 3 Simulink仿真- 15 -</p><
3、p> 3.1原始模擬信號(hào)電路圖及仿真圖- 15 -</p><p> 3.2 PCM編碼器電路設(shè)計(jì)- 17 -</p><p> 3.3 PCM解碼器電路設(shè)計(jì)- 24 -</p><p> 4心得體會(huì)- 28 -</p><p> 參考文獻(xiàn)- 28 -</p><p> 基于MATLAB/s
4、imulink的PCM編碼的研究與仿真</p><p><b> 摘 要</b></p><p> 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。即學(xué)習(xí)通過利用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)模型的基本方法和基本技能,學(xué)習(xí)會(huì)利用仿真的手段對(duì)通信系統(tǒng)的基本理論和基本算法進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)習(xí)現(xiàn)有流行的通
5、信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法,利用Matlab軟件解決通信中存在的問題。</p><p> 關(guān)鍵詞:脈沖編碼調(diào)制(PCM) 均勻與非均勻量化MATLAB仿真</p><p><b> Abstract</b></p><p> Combined with the sampling, quantization, coding theory
6、 of PCM, using MATLAB software programming and graphics, the completion of the pulse code modulation (PCM) modeling and simulation analysis system.The basic method is to establish the model of communication system of lea
7、rning through the use of computer and basic skills, learning by means of simulation of communication system of basic theory and basic algorithm are verified.The basic method of using communication system simulation softw
8、are t</p><p> Keywords: pulse code modulation (PCM) with uniform and non-uniform quantization in MATLAB simulation</p><p><b> 1 背景知識(shí)</b></p><p> 1.1 PCM原理及仿真 </p&g
9、t;<p> 脈沖編碼調(diào)制就是把一個(gè)時(shí)間,取值連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散,取值離散的數(shù)字信號(hào)后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對(duì)模擬信號(hào)先抽樣,再對(duì)樣值幅度量化,編碼的過程。 </p><p> 1.1.1脈沖編碼調(diào)制</p><p> 脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation,PCM)是概念上最簡(jiǎn)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
10、的編碼系統(tǒng),但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成:抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議,為改善小信號(hào)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μ律方式,我國(guó)采用了A律方式,由于A律壓縮實(shí)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:</p><p> 圖中,輸入的模擬信號(hào)m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成
11、了數(shù)字信號(hào)(PCM信號(hào)),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(hào)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(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換,后者則相反,即完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的變換。</p><p> PCM在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能,它的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成:抽樣、量化、
12、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議,為改善小信號(hào)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μ律方式,我國(guó)采用了A律方式,由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼。</p><p> 1.1.2 PCM編碼原理</p><p><b> 1)抽樣</b></p>
13、;<p> 所謂抽樣,就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描,把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息,也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。</p><p> 在一個(gè)頻帶限制在(0,f h)內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t),如果以1/2 f h的時(shí)間間隔對(duì)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(hào)?;蛘哒f,如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)&l
14、t;/p><p> f(t)的頻譜中最高頻率不超過f h,當(dāng)抽樣頻率f S≥2 f h時(shí),抽樣后的信號(hào)就包含原連續(xù)的全部信息。抽樣定理在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意在抽樣前后模擬信號(hào)進(jìn)行濾波,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。</p><p><b> 2) 量化</b></p><p> 量化,就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅
15、度離散,即用一組規(guī)定的電平,把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來表示。</p><p> 從數(shù)學(xué)上來看,量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣量化后,得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào),它僅為有限個(gè)數(shù)值。</p><p> 如下圖所示,量化器輸出L個(gè)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(hào)幅度x落在與之間時(shí),量化
16、器輸出電平為。這個(gè)量化過程可以表達(dá)為:</p><p> 這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。</p><p><b> 圖1-1</b></p><p> 模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。</p><p> 均勻量化:用這種方法量化輸入信號(hào)時(shí),無論對(duì)大的輸入信號(hào)還是小的輸入信號(hào)一律都采用相同的
17、量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號(hào),同時(shí)又要滿足精度要求,就需要增加樣本的位數(shù)。但是,對(duì)話音信號(hào)來說,大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)并不多,增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個(gè)不足,就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。</p><p> 非均勻量化:非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先,當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的
18、概率密度(實(shí)際中常常是這樣)時(shí),非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比;其次,非均勻量化時(shí),量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同,即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。</p><p> 實(shí)際中,非均勻量化的實(shí)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(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國(guó)采用壓縮律,
19、我國(guó)和歐洲各國(guó)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:</p><p><b> , 。</b></p><p> 由于A律壓縮實(shí)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:</p><p> 圖1-2 A律函數(shù)13折線壓擴(kuò)特性圖</p><p> 這樣,它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)
20、特性曲線的優(yōu)點(diǎn),又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),本設(shè)計(jì)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。 </p><p> 表1-1 13 折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較</p><p> 表1中第二行的 值是根據(jù) 時(shí)計(jì)算得到的,第三行的 值是13折線分段時(shí)的值??梢姡?3折線各段落的分界點(diǎn)與 曲線十分逼近,同時(shí) 按2的冪次分割有利于數(shù)字化。</p><p><b&
21、gt; 3) 編碼</b></p><p> 所謂編碼就是把量化后的信號(hào)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(cuò)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。</p><p> 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(jí)聯(lián)型、混合型
22、。在逐次比較型編碼方式中,無論采用幾位碼,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。</p><p> 表1-2 段落碼 表1-3 段內(nèi)碼</p><p> PCM編譯碼器的實(shí)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(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn),考慮
23、到實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),仿真時(shí)將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實(shí)現(xiàn),在13折線法中,無論輸入信號(hào)是正是負(fù),均按8段折線(8個(gè)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(hào)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(duì)大小。</p><p> 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(gè)段落的起點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi)碼,它的16種可能狀態(tài)
24、來分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級(jí)。這樣處理的結(jié)果,8個(gè)段落被劃分成27=128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表2所示;段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表3。</p><p><b> 4)譯碼</b></p><p> PCM譯碼器是實(shí)現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。其中各模塊功能如下:</p><p> D/A轉(zhuǎn)換器:用來實(shí)現(xiàn)與
25、A/D轉(zhuǎn)換相反的過程,實(shí)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。</p><p> 瞬時(shí)擴(kuò)張器:實(shí)現(xiàn)與瞬時(shí)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(shí)擴(kuò)張器。 </p><p> 低通濾波器:由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會(huì)引入孔徑失真,量化時(shí)也會(huì)帶來量化噪聲,及信號(hào)再生時(shí)引入的定時(shí)抖動(dòng)失真,需要對(duì)再生信號(hào)進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償
26、,同時(shí)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。</p><p><b> 2 M文件仿真</b></p><p><b> 程序如下:</b></p><p><b> clear;</b></p><p> t = -0.1:0.001:0.1;
27、 %該參數(shù)用于畫原信號(hào)圖形</p><p> f = sin(3*pi*90*t)+cos(3*pi*37*t);%原函數(shù), 由t的取值可得f有201個(gè)值</p><p> subplot(3,1,1) %matlab矩陣區(qū)域設(shè)置</p><p> plot(t, f);
28、 %畫出采原函數(shù)序列圖</p><p> title('原信號(hào)');</p><p> xlabel('時(shí)間t(s)');</p><p> T= 1/500; %抽樣周期,500是抽樣頻率,可以調(diào)整抽樣頻率</p><p> gs = -0.1:T:0.1;</p&g
29、t;<p> fg = sin(2*pi*60*gs)+cos(2*pi*25*gs); %對(duì)信號(hào)進(jìn)行以T周期抽樣</p><p> subplot(3,1,2) </p><p> stem(gs, fg) %畫圖</p><p> title('采樣信號(hào)');</p&
30、gt;<p> xlabel('時(shí)間t(s)');</p><p><b> 2-1</b></p><p> clear all; </p><p> close all; </p><p><b> %建立原信號(hào)</b></p>&
31、lt;p> T=0.002; %取時(shí)間間隔為0.01</p><p> t=-0.1:T:0.1; %時(shí)域間隔dt為間隔從0到10畫圖</p><p> xt=sin(3*pi*90*t)+cos(3*pi*37*t);%xt方程%采樣:時(shí)間連續(xù)信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間離散模擬信號(hào)
32、 </p><p> fs=800; %抽樣fs>=2fc,每秒鐘內(nèi)的抽樣點(diǎn)數(shù)目將等于或大于2fc個(gè)</p><p> sdt=1/fs; %頻域采樣間隔0.002</p><p> t1=-0.1:sdt:0.1; %以sdt為間隔從-0.1到0.1畫圖</p>
33、<p> st=sin(2*pi*60*t1)+cos(2*pi*25*t1); % 離散的抽樣函數(shù)</p><p> figure(1); </p><p> subplot(3,1,1);</p><p> plot(t1,st);</p><p> title('原始信號(hào)');
34、 %畫出原始的信號(hào)圖,以好對(duì)比</p><p> grid on %畫背景</p><p> subplot(3,1,2);</p><p> stem(t1,st,'.'); %這里畫出來的是抽樣后的離散圖</p><p&g
35、t; title('抽樣信號(hào)');</p><p> grid on %畫背景%量化過程</p><p> n=length(st); %取st的長(zhǎng)度為n</p><p> M=max(st);</p><p> A=(
36、st/M)*2048;</p><p> %a1(極性碼) a2a3a4(段落碼)a5a6a7a8(段內(nèi)電平碼) </p><p> code=zeros(i,8); %產(chǎn)生i*8的零矩陣</p><p> %極性碼a1 </p><p> for i=1:n
37、 %if循環(huán)語(yǔ)句</p><p> if A(i)>=0</p><p> code(i,1)=1; %代表正值</p><p><b> else</b></p><p> code(i,1)=0; %代表負(fù)值</p><p>&
38、lt;b> end </b></p><p> if abs(A(i))>=0&&abs(A(i))<16</p><p> code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=1;start=0;</p><p> elseif 16<=abs(A(i))&
39、&abs(A(i))<32</p><p> code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=1;start=16;</p><p> elseif 32<=abs(A(i))&&abs(A(i))<64</p><p> code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,
40、4)=0;step=2;start=32;</p><p> elseif 64<=abs(A(i))&&abs(A(i))<128</p><p> code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=4;start=64;</p><p> elseif 128<=abs(A(i))&
41、&abs(A(i))<256</p><p> code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=8;start=128;</p><p> elseif 256<=abs(A(i))&&abs(A(i))<512</p><p> code(i,2)=1;code(i,3)=0;cod
42、e(i,4)=1;step=16;start=256;</p><p> elseif 512<=abs(A(i))&&abs(A(i))<1024</p><p> code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=32;start=512;</p><p> elseif 1024<=abs
43、(A(i))&&abs(A(i))<2048</p><p> code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=64;start=1024; </p><p><b> end</b></p><p> B=floor((abs(A(i))-start)/step)
44、; %段內(nèi)碼編碼floor取整(四舍五入)</p><p> t=dec2bin(B,4)-48; %dec2bin定義將B變?yōu)?位2進(jìn)制碼,-48改變格式</p><p> code(i,5:8)=t(1:4); %輸出段內(nèi)碼</p><p><b> end</b></p><p>
45、; code=reshape(code',1,8*n); %reshape代表從新塑形</p><p><b> code</b></p><p> subplot(3,1,3);</p><p> stem(code,'.');axis([1 64 0 1]); %這里我們先取前面八個(gè)點(diǎn)編碼輸
46、出,輸出時(shí)候有64個(gè)點(diǎn)</p><p> title('編碼信號(hào)');</p><p> grid on </p><p><b> 2-2</b></p><p> 3 Simulink仿真</p><p> 3.1原始模擬信號(hào)電路圖及仿真圖</p>
47、<p> 3-1 原始模擬信號(hào)電路圖</p><p> 兩個(gè)正弦波的參數(shù)設(shè)置分別為:</p><p> 3-2正弦波參數(shù)設(shè)置</p><p> 3-3正弦波參數(shù)設(shè)置</p><p><b> 所得波形為</b></p><p><b> 3-4</b>&
48、lt;/p><p> 3.2 PCM編碼器電路設(shè)計(jì)</p><p> 3-4 13折線近似的PCM編碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)果</p><p> 測(cè)試模型和仿真結(jié)果如上圖所示。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編碼輸出的最高
49、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。可以將上圖中Constant和Display(不含)之間的模塊封裝一個(gè)PCM編碼子系統(tǒng)備用。</p><p> 其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下:</p><p> 3-5 Constant</p>&
50、lt;p> 3-6 Saturation</p><p><b> 3-7 Abs</b></p><p> 3-8 A-Low Compressor</p><p><b> 3-9 Gain</b></p><p> 3-10 Quantizer</p>
51、<p> 3-11 Integer to Bit Converter</p><p> 3-12 Display</p><p> 3-13 Relay</p><p><b> 將該系統(tǒng)進(jìn)行封裝</b></p><p> 3-14封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)</p><p&
52、gt; 3-15 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)圖標(biāo)</p><p> 3.3 PCM解碼器電路設(shè)計(jì)</p><p> 3-16 13折線近似的PCM解碼器測(cè)試模型和仿真結(jié)</p><p> 測(cè)試模型和仿真結(jié)果如上圖所示,其中PCM編碼子系統(tǒng)是編碼器封裝之后的。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
53、,擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值。可以將該模型中In1 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。</p><p> 其中各模塊的具體參數(shù)設(shè)置如下:</p><p> 3-17 Constant</p><p> 3-18 Demux</p><p><b> 3-19 Mux<
54、/b></p><p> 3-20 Relay</p><p> 3-21 Bitto Integer Converter</p><p> 3-22 Gain</p><p> 3-23 A-Low Expander </p><p><b> 4 心得體會(huì)</b&
55、gt;</p><p> 設(shè)計(jì)過程中,我弄懂了A律13折線和PCM編碼的原理,了解這些后總個(gè)設(shè)計(jì)思路就呈現(xiàn)在眼前,自己的信心也倍增。通過這次課程設(shè)計(jì),充分掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過程,學(xué)會(huì)了使用仿真軟件 MATLAB的SIMULINK,并學(xué)會(huì)通過應(yīng)用軟件仿真來實(shí)現(xiàn)PCM系統(tǒng)的設(shè)計(jì),對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作都起到了一定的作用,加強(qiáng)了實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)新知識(shí)的技能。總體來說,這次實(shí)習(xí)讓我受益匪淺。打破
56、了一直局限于課本知識(shí)的學(xué)習(xí)方式,增加了我們的興趣,并且體會(huì)到成功給大家?guī)淼南矏偂W屛颐靼祝簾o論遇到什么困難,只要對(duì)自己有信心,認(rèn)真思考,悉心求教,自然會(huì)找到解決的辦法。相信在以后的日子里,大家會(huì)做得更好。在摸索該如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中,培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維,增加了實(shí)際操作能力。在讓我體會(huì)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的艱辛同時(shí),更讓我體會(huì)到成功的喜悅。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b>
57、;</p><p> [1]樊昌信,曹麗娜.通信原理.國(guó)防工業(yè)出版社,2008</p><p> [2]陳懷琛.數(shù)字信號(hào)處理教程——matlab釋義與實(shí)現(xiàn) . 電子工業(yè)出版社</p><p> [3]李賀冰.SIMULINK通信仿真教程[M] .國(guó)防工業(yè)出版社 ,2006年</p><p> [4]曹志剛,錢亞生.現(xiàn)代通信原理.清華大
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