1、<通信原理課程設(shè)計(jì)前言1837年，莫爾斯完成了電報(bào)系統(tǒng)，此系統(tǒng)于1844年在華盛頓和巴爾迪摩爾之間試運(yùn)營，這可認(rèn)為是電信或者遠(yuǎn)程通信，也就是數(shù)字通信的開始。數(shù)字化可從脈沖編碼調(diào)制開始說起。1937年里夫提出用脈沖編碼調(diào)制對語聲信號編碼，這種方法優(yōu)點(diǎn)很多。例如易于加密，不像模擬傳輸那樣有噪聲積累等。但在當(dāng)代代價(jià)太大，無法實(shí)用化；在第二次世界大戰(zhàn)期間，美軍曾開發(fā)并使用24路PCM系統(tǒng)，取得優(yōu)良的保密效果。但在商業(yè)上應(yīng)用還要等到20世紀(jì)70年代。才能取代當(dāng)時(shí)普遍采用的載波系統(tǒng)。我國70代初期決定采用30路的一次群標(biāo)準(zhǔn)，80年代初步引入商用，并開始了通信數(shù)字化的方向。數(shù)字化的另一個(gè)動向是計(jì)算機(jī)通

2、信的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)能力的強(qiáng)大，并日益被利用，計(jì)算機(jī)之間的信息共享成為進(jìn)一步擴(kuò)大其效能的必需。60年代對此進(jìn)行了很多研究，其結(jié)果表現(xiàn)在1972年投入使用的阿巴網(wǎng)。由此可見，通信系統(tǒng)中的信息傳輸已經(jīng)基本數(shù)字化。在廣播系統(tǒng)中，當(dāng)前還是以模擬方式為主，但數(shù)字化的趨向也已經(jīng)明顯，為了改進(jìn)質(zhì)量，數(shù)字聲頻廣播和數(shù)字電視廣播已經(jīng)提前到日程上來，21世紀(jì)已經(jīng)逐步取代模擬系統(tǒng)。尤為甚者，設(shè)備的數(shù)字化，更是日新月異。近年來提出的軟件無線電技術(shù)，試圖在射頻進(jìn)行模數(shù)，把調(diào)制解調(diào)和鎖相等模擬運(yùn)算全部數(shù)字化，這使設(shè)備超小型化并具有多種功能，所以數(shù)字化進(jìn)程還在發(fā)展。Simulink工具是MATLAB軟件提供的可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)系

3、統(tǒng)建模和仿真的軟件包，它讓用戶把精力從語言編程轉(zhuǎn)向仿真模型的構(gòu)造，為用戶省去了很多重復(fù)的代碼編寫工作。Simulink中的每個(gè)模塊對我們來說都是透明的，我們只須知道模塊的輸入、輸出和每個(gè)模塊的功能，而不需要關(guān)心模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，留給我們的事情就是如何利用這些模塊來建立仿真模型以完成自己的任務(wù)。至于Simulink中的各個(gè)模塊在運(yùn)行時(shí)是如何執(zhí)行，時(shí)間是如何采樣的，事件是如何驅(qū)動的等問題，我們可以不去關(guān)心。正是由于Simulink具有這些特點(diǎn)，所以它被廣泛應(yīng)用在通信仿真中。1 模擬信號數(shù)字化傳輸原理1.1 模擬信號的數(shù)字化傳輸模擬信號的數(shù)字傳輸是指把模擬信號先變換為數(shù)字信號后，再進(jìn)行傳輸。由于

4、與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸有著抗干擾能力強(qiáng)、差錯(cuò)可控等眾多優(yōu)點(diǎn)，因而此技術(shù)越來越受到重視。模/數(shù)變換是把模擬基帶信號變換為數(shù)字基帶信號，盡管后者的帶寬會比前者大得很多，但本質(zhì)上仍屬于基帶信號。這種傳輸可直接采用基帶傳輸，或經(jīng)過數(shù)字調(diào)制后再做頻帶傳輸。 s(t)mq(kT) m(kT)m(t)抽樣量化編碼樣圖1-1 模擬信號數(shù)字化流程圖數(shù)字化包括抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟，如圖1-1所示：抽樣完成時(shí)間離散量化過程，所得抽樣值m(kT)為PAM信號；量化完成復(fù)制離散化過程，所得量化信號值mq(kT)為多電平PAM信號；編碼完成多進(jìn)制到二進(jìn)制的變化過程，所得s(t)是二進(jìn)制編碼信號。2仿真工具Simul

5、ink美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課和學(xué)習(xí)。從Matlab誕生開始，由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非常快的實(shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大的節(jié)約了科研人員的時(shí)間，受到了大多數(shù)科研人員的支持，經(jīng)過一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.X版本。Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴(kuò)充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中

6、擴(kuò)充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶接口，同時(shí)因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫（工具箱），所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外，Matlab和其它高級語言也具有良好的接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與其它語言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力。可以說，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一，掌握這門工具對學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一。確切的說，Simuli

7、nk是一個(gè)用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境經(jīng)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進(jìn)行簡單的點(diǎn)擊和拖動就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于建模方便、快捷，易于進(jìn)行模型分析，優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方

8、便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink模塊庫（或函數(shù)庫）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）、Linear（線性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其它環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運(yùn)算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型

9、的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或Matlab的命令窗口鍵入命令來對它進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其它的顯示模塊，可以在仿真進(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到Matlab的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和整理工具，Matlab的所有工具及Simulink本身的應(yīng)用工具箱都包含這些工具。由于Matlab和Simulink的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下

10、對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離Matlab而獨(dú)立工作。電子設(shè)計(jì)選擇用Simulink而不是直接用Matlab編程，一定程度上減小了設(shè)計(jì)難度，而且設(shè)計(jì)效果更加直觀。在庫函數(shù)中可以找到相應(yīng)的濾波器，乘法器等等，而且可以通過參數(shù)設(shè)置，近似的實(shí)現(xiàn)實(shí)際中的效果，因此能夠更好地反映實(shí)際通信系統(tǒng)的情況。3模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真3.1 模擬信號的抽樣模擬信號通常是時(shí)間上連續(xù)的信號。在一系列離散點(diǎn)上，對這種信號抽取樣值稱為抽樣，如圖1-1所示。圖中m(t)是一個(gè)模擬信號，在等時(shí)間間隔T上，對它抽取樣值。在理論上，抽樣過程可以看作使用周期性單位沖激脈沖（impulse

11、）和此模擬信號相乘。抽樣結(jié)果得到的是一系列周期性的沖激脈沖，其面積和模擬信號的取值成正比。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有的信息，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。沖激脈沖在圖3-1中用一些箭頭表示，實(shí)際上，是用周期性窄脈沖代替沖激脈沖與模擬信號相乘。抽樣定理指出：設(shè)一個(gè)連續(xù)模擬信號m(t)中的最高頻率<fH，則以間隔時(shí)間為T<1/2fH的周期性沖激脈沖對它抽樣時(shí)，m(t)將被這些抽樣值所完全確定。由于抽樣時(shí)間間隔相等，所以此定理又成為均勻抽樣定理。設(shè)有一個(gè)最高頻率小于的信號m(t)，如圖3-1(a)所示。將這個(gè)信號和周期性單位沖激脈

12、沖相乘。如圖3-1(c)所示，其重復(fù)周期為T，重復(fù)頻率為fs=1/T。乘積就是抽樣信號，它是一系列間隔為T秒的強(qiáng)度不等的沖激脈沖，如圖3-1(e)所示。這些沖激脈沖的強(qiáng)度等于相應(yīng)時(shí)刻上信號的抽樣值ms(t)，故有 （3-1）模擬信號、沖激脈沖和抽樣信號的頻譜如圖3-1(b)，(d)，(f)所示。由圖3-2可知：抽樣信號ms(t)的頻譜就是將原始信號m(t)的頻譜M()在頻率軸上以采樣角頻率s=2fs為周期進(jìn)行周期延拓后的結(jié)果。由抽樣信號ms(t)的頻譜Ms()可以看出，如果s>2H（即fs>2fH），那么各相鄰頻移后的頻譜不會發(fā)生重疊。為此，在抽樣之前，先設(shè)置一個(gè)前置低通濾波器，將

13、模擬信號的帶寬限制在fh以下，如果前置低通濾波器特性不良或者抽樣頻率過低都會產(chǎn)生折疊噪聲。抽樣頻率小于2倍頻譜最高頻率時(shí)，信號的頻譜有混疊。抽樣頻率大于2倍頻譜最高頻率時(shí)，信號的頻譜無混疊。另外要注意的是，采樣間隔的 周期要足夠的小，采樣率要做夠的大，要不然會出現(xiàn)如下圖所示的混疊現(xiàn)象，一般情況下TsWs=2,Wn>2Wm。圖3-1 模擬信號的抽樣過程這里就能設(shè)法（如利用低通濾波器）從抽樣信號的頻譜Ms()中得到原信號的頻譜，即從取樣信號ms(t)中恢復(fù)原信號m(t)，如圖3-2所示。如果s<2H，那么頻移后的各相鄰頻譜將相互重疊，這樣就無法將它們分開，因而也不能再恢復(fù)原信號。頻譜重

14、疊的這種現(xiàn)象常稱為混疊現(xiàn)象。可見，為了不發(fā)生混疊現(xiàn)象，必須滿足s2H。圖3-2 模擬信號的恢復(fù)3.1.2模擬信號抽樣的設(shè)計(jì)圖3-3 模擬信號抽樣設(shè)計(jì)圖根據(jù)抽樣定理的內(nèi)容，對抽樣過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。輸入信號為一頻率為10Hz的正弦波，觀察對于同一輸入信號有不同的抽樣頻率時(shí)，恢復(fù)信號的不同形態(tài)。雙擊示波器設(shè)置示波器的參數(shù)，單擊示波器Scope界面左上角第二個(gè)Parameters鍵，在彈出的對話框中設(shè)置參數(shù)：在General頁面的Numbers of Axes項(xiàng)中設(shè)置需要觀察的波形路數(shù)。基帶信號的采樣定理是指，對于一個(gè)頻譜寬度限制于BHz的基帶連續(xù)時(shí)間信號，可惟一地被均勻間隔不大于12

15、B秒的樣值序列所確定。采樣定理表明，如果以不小于2B次/秒的速率對基帶仿真信號均勻采樣，那么所得到的樣值序列就包含了基帶信號的全部信息，換句話說，就是通過該序列可以無失真地重建對應(yīng)的基帶仿真信號。如果采樣率低于基帶信號最高頻率的2倍，那么采樣輸出序列的頻譜就會發(fā)生交迭，從而無法恢復(fù)原基帶仿真信號。此時(shí)令輸入信號為一頻率為10Hz的正弦波，使抽樣頻率分別為1/30、0.05、0.2時(shí)，使恢復(fù)信號出現(xiàn)在示波器上，在示波器上觀察恢復(fù)信號的不同形態(tài)，得到的結(jié)果如下:（1）當(dāng)抽樣頻率大于信號頻率的兩倍（2）當(dāng)抽樣頻率等于信號頻率的兩倍（3）當(dāng)抽樣頻率小于信號頻率兩倍3.2 抽樣信號的量化3.2.1 抽樣

16、信號量化原理量化就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，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。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)集合映像成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)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(gè)數(shù)值。如公式3-2所示，量化器輸出L個(gè)量化值yk，k=1，2，3，L。yk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xk與xk+1之間時(shí)，量化器輸出電平為yk。這個(gè)量化過程可以表達(dá)為：（3-2）模擬入量化器量化值圖3-4 量化器這里xk稱為分層電平或判決閾值。通常k=xk+1-xk稱為量化間隔。模擬信號的量化分為均勻量化和

17、非均勻量化。均勻量化：采用相等的量化間隔對采樣得到的信號作量化，那么這種量化稱為均勻量化。均勻量化就是采用相同的“等分尺”來度量采樣得到的幅度，也稱為線性量化。量化后的樣本值Y和原始值X的差E=Y-X稱為量化誤差或量化噪聲。均勻量化示意圖，如圖3-5所示：圖3-5 均勻量化示意圖用這種方法量化輸入信號時(shí)，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(shí)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(gè)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

18、確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔v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)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（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(shí)的量化信噪比。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

19、具有如下特性的壓縮律：（1-2）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：圖3-6 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(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)， 表3-1 13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較y01/82/83/84/85/86/87/81A律的x值01/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.98113折線法的x01/1281/641/321/161/81/41/21折線段號12345678折線斜率161684211/21/4表1-1中第二行的x值是根據(jù)A=87.6時(shí)計(jì)算得到的，第三行的x值是13折線分段時(shí)的值

20、。可見，13折線各段落的分界點(diǎn)與A律曲線十分逼近，同時(shí)A律按2的冪次分割有利于數(shù)字化。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(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。把量化的電平值表示成二進(jìn)制碼組的過程稱為編碼。將模擬信號的經(jīng)過在現(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。表3-2 段落碼段落序號段

21、落碼段落序號段落碼81114011711030106101200151001000在13折線法中，無論輸入信號是正是負(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(gè)段落的起點(diǎn)電平，如表1-2所示。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(gè)均勻劃分的量化級，如表1-3所示。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級。 表1-3 段內(nèi)碼量化級段內(nèi)碼量化級段內(nèi)碼15111

22、1701111411106011013110150101121100401001110113001110101020010910011000181000000003.2.2模擬信號量化的設(shè)計(jì)圖13折線法模型圖A律模型圖A律PCM數(shù)字電話系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)中，參數(shù)A=87.6。Simulink通信模塊庫中提供了A-Law Compressor、A-Law Expander來實(shí)現(xiàn)A律壓縮擴(kuò)張計(jì)算。仿真模型如圖2-2所示，其中量化器的量化級為8，級數(shù)值設(shè)為1/8。A-Law Compressor模塊和A-Law Expander模塊的A律壓縮系數(shù)為87.6。輸入信號為0.5Hz的鋸齒波，幅度為1。增益Ga

23、in為-1。壓縮系數(shù)為87.6的A律壓縮擴(kuò)張曲線可以用折線來近似。其中靠近原點(diǎn)的4段折線的斜率相等，可視為一段，因此總折線數(shù)為13段，故稱13段折線近似。用Simulink中的Lookup Table查表模塊可以實(shí)現(xiàn)對13段折線近似的壓縮擴(kuò)張計(jì)算的建模，其中，壓縮模塊的輸入值向量設(shè)置為-1，-1/2，-1/4，-1/8，-1/16，-1/32，-1/64，-1/128，0，1/128，1/64，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2，1，輸出值向量設(shè)置為-1，-7/8，-6/8，-5/8，-4/8，-3/8，-2/8，-1/8，0，1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8，1

24、，擴(kuò)張模塊的設(shè)置與壓縮模塊的設(shè)置相反。13折線法仿真波形A律仿真波形觀察上面兩圖波形，可以得到如下結(jié)論：A律與13折線仿真結(jié)果相似。3.3 PCM3.3.1 PCM原理 脈沖編碼調(diào)制（PCM）簡稱脈碼調(diào)制，它是一種用二進(jìn)制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值，從而實(shí)現(xiàn)通信的方式。由于這種通信方式抗干擾能力強(qiáng)，因此在光釬通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中均獲得了極為廣泛的運(yùn)用。脈沖編碼調(diào)制就是把一個(gè)時(shí)間連續(xù)，取值連續(xù)的模擬信號變換成時(shí)間離散，取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化，編碼的過程。抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號變成時(shí)間上離散

25、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。抽樣速率采用8Kbit/s。量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，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。一個(gè)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(gè)數(shù)值。編碼，就是用一組二進(jìn)制碼組來表示每一個(gè)有固定電平的量化值。然而，實(shí)際上量化是在編碼過程中同時(shí)完成的，故編碼過程也稱為模/數(shù)變換，可記作A/D。PCM信號的形成是模擬信號經(jīng)過“抽樣、量化、編碼”三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進(jìn)制表示。根

26、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(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼。由前面的原理介紹我們可以知道PCM系統(tǒng)包括模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號模塊、信道傳輸模塊、數(shù)字信號還原模擬信號模塊等三個(gè)模塊。其中模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號模塊把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為用二進(jìn)制代表的數(shù)字信號，它由抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟組成；信道是信號傳輸?shù)耐ǖ溃趥鬏斶^程中可能會引入噪聲而影響信號的質(zhì)量；數(shù)字信號還原模擬信號解碼、低通、放大等過程組成，它把數(shù)字信號恢復(fù)稱連續(xù)的模擬信號。其原理方框圖如圖3-7所示：話音輸入低通濾波瞬時(shí)壓縮抽

27、樣量 化編 碼低通濾波瞬時(shí)擴(kuò)張解 調(diào)解 碼信道再 生話音輸出圖3-7 PCM原理方框圖3.3.2 PCM編譯碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖3-8 PCM解碼器、解碼器設(shè)計(jì)圖限制信號變化范圍，設(shè)置Saturation的參數(shù)-1到1。設(shè)置繼電器，在兩個(gè)常數(shù)中選出一個(gè)作為輸出，Output when on設(shè)為1，Output when on設(shè)為0，Sample time值設(shè)為0.001，以后此值也如此設(shè)置。輸入輸出絕對值，Sample time值設(shè)為0.001。增益設(shè)置，即將模塊的輸入乘以一個(gè)數(shù)值，為127。比特輸出設(shè)置輸出為7bit，混合器mux設(shè)為7。其中以Saturation作為限幅器，講輸入信號幅值限定在P

28、CM定義的范圍內(nèi)，Relay模塊的門限設(shè)置為0，其輸出可作為PCM編碼輸出的最高位極性碼。樣值取絕對值后，以上圖所示的查表模塊進(jìn)行13折線壓縮，并用增益模塊將樣值范圍放大到0到127內(nèi)，然后用間距為1的量化器進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7bit二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位。可以將該模型中虛線所圍部分封裝為一個(gè)PCM編碼子系統(tǒng)備用。PCM譯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7bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(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。可以將該模型中虛線所圍部分封裝為一個(gè)PCM譯碼子系統(tǒng)備用。3.3.3 PCM編碼模塊設(shè)計(jì)將編碼模塊封裝成子系統(tǒng)

29、后如圖3-9所示：圖3-9 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)：圖3-10 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)圖標(biāo)3.3.4 PCM解碼模塊設(shè)計(jì) 將此解碼系統(tǒng)封裝成子系統(tǒng)后如圖3-11所示：圖3-11 封裝之后的PCM解碼子系統(tǒng)圖3-12 封裝之后的PCM解碼子系統(tǒng)圖標(biāo)3.3.5 PCM系統(tǒng)總體模塊圖3-13 PCM系統(tǒng)總體模塊 PCM編碼波形原波形（上）與恢復(fù)波形（下）綜上可知，輸出信號和輸入信號相比，誤差較小，因此在正常信噪比的條件下，該通信系統(tǒng)各個(gè)模塊使用正確，參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，可以達(dá)到預(yù)期的目的。3.4 預(yù)測編碼 預(yù)測編碼（Prediction Coding）：是指利用前面的一個(gè)或多個(gè)信號對下一

30、個(gè)信號進(jìn)行預(yù)測，然后對實(shí)際值和預(yù)測值的差進(jìn)行編碼。預(yù)測編碼主要是減少了數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，因而對于時(shí)間序列數(shù)據(jù)有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，例如語音的分析與合成，圖像的編碼與解碼，預(yù)測編碼已得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。兩種典型的預(yù)測編碼：差分脈碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM）。預(yù)測編碼方法分線性預(yù)測和非線性預(yù)測編碼方法。線性預(yù)測編碼方法，也稱差值脈沖編碼調(diào)制法，簡稱DPCM（differential Pulse Code Modulation）。 3.4.1 DPCM的基本原理 DPCM編碼，簡稱差值編碼，是對模擬

31、信號幅度抽樣的差值進(jìn)行量化編碼的調(diào)制方式。這種方式是用已經(jīng)過去的抽樣值來預(yù)測當(dāng)前的抽樣值，對它們的差值進(jìn)行編碼。差值編碼可以提高編碼頻率，這種技術(shù)已應(yīng)用于模擬信號的數(shù)字通信之中。 舉例說明DPCM編碼原理：設(shè)DPCM系統(tǒng)預(yù)測器的預(yù)測值為前一個(gè)樣值，假設(shè)輸入信號已經(jīng)量化，差值不再進(jìn)行量化。若系統(tǒng)的輸入為0 1 2 1 1 2 3 3 4 4 ，則預(yù)測值為0 0 1 2 1 1 2 3 3 4 ，差值為0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 ，差值的范圍比輸入樣值的范圍有所減小，可以用較少的位數(shù)進(jìn)行編碼。 差分脈沖編碼調(diào)制方式的主要特點(diǎn)是把增量值分為多個(gè)等級，然后把多個(gè)不同等級

32、的增量值編為位二進(jìn)制代碼m(t )再送到信道傳輸，因此，它兼有增量調(diào)制和PCM的各自特點(diǎn)。設(shè)這個(gè)誤差電壓經(jīng)過量化后變?yōu)閭€(gè)電平中的一個(gè)，電平間隔可以相等，也可以不等，這里認(rèn)為它是間隔相等的均勻量化。量化了的誤差電壓經(jīng)過脈沖調(diào)制器變?yōu)镻AM脈沖序列，這個(gè)PAM信號一方面經(jīng)過PAM編碼器編碼后得到DPCM信號發(fā)送出去。另一方面把它經(jīng)過積分器后變?yōu)榕c輸入信號x(t)進(jìn)行比較，通過相減器得到誤差電壓e(t)。   實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過DPCM調(diào)制后的信號，其傳輸?shù)谋忍芈室萈CM的低，相應(yīng)要求的系統(tǒng)傳輸帶寬也大大地減小了。此外，在相同比特速率條件下，DPCM比PCM信噪

33、比也有很大的改善。與增量脈沖編碼調(diào)制（M）相比，由于它增多了量化級，因此，在改善量化噪聲方面優(yōu)于M系統(tǒng)。DPCM的缺點(diǎn)是易受到傳輸線路上噪聲的干擾，在抑制信道噪聲方面不如M。 DPCM編碼是廣泛運(yùn)用的預(yù)測編碼方法之一。在DPCM編碼中，每個(gè)抽樣值不是獨(dú)立的編碼，而是將前一個(gè)抽樣值當(dāng)做預(yù)測值，然后再取當(dāng)前抽樣值和預(yù)測值之差進(jìn)行編碼并傳輸。DPCM譯碼同樣是將前一個(gè)值當(dāng)做預(yù)測值，然后取當(dāng)前值與預(yù)測值之差進(jìn)行解碼，將一個(gè)個(gè)脈沖碼組轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的量化采樣值，最后經(jīng)過一個(gè)低通濾波器重建原模擬信號。DPCM系統(tǒng)原理方框圖如圖1-8所示：3.4.2 DPCM編碼與解碼系統(tǒng)簡介預(yù)測編碼方法是一種較為實(shí)

34、用被廣泛采用的一種壓縮編碼方法。預(yù)測編碼方法原理，是從相鄰像素之間有強(qiáng)的相關(guān)性特點(diǎn)考慮的。比如當(dāng)前像素的灰度或顏色信號，數(shù)值上與其相鄰像素總是比較接近，除非處于邊界狀態(tài)。那么預(yù)測編碼(predictive coding)是統(tǒng)計(jì)冗余數(shù)據(jù)壓縮理論的三個(gè)重要分支之一，它的理論基礎(chǔ)是現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)和控制論。由于數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)不時(shí)滲透到這些領(lǐng)域，在這些理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了一個(gè)專門用作壓縮冗余數(shù)據(jù)的預(yù)測編碼技術(shù)。預(yù)測編碼主要是減少了數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，因而對于時(shí)間序列數(shù)據(jù)有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，例如語音的分析與合成，圖像的編碼與解碼，預(yù)測編碼已得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)

35、用。預(yù)測編碼是根據(jù)某一模型利用以往的樣本值對于新樣本值進(jìn)行預(yù)測，然后將樣本的實(shí)際值與其預(yù)測值相減得到一個(gè)誤差值，對于這一誤差值進(jìn)行編碼。如果模型足夠好且樣本序列在時(shí)間上相關(guān)性較強(qiáng)，那么誤差信號的幅度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始信號，從而可以用較少的電平類對其差值量化得到較大的數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果。如果能精確預(yù)測數(shù)據(jù)源輸出端作為時(shí)間函數(shù)使用的樣本值的話，那就不存在關(guān)于數(shù)據(jù)源的不確定性，因而也就不存在要傳輸?shù)男畔ⅰQ句話說，如果我們能得到一個(gè)數(shù)學(xué)模型完全代表數(shù)據(jù)源，那么在接收端就能依據(jù)這一數(shù)學(xué)模型精確地產(chǎn)生出這些數(shù)據(jù)。然而沒有一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)能找到其完整的數(shù)據(jù)模型，我們能找到的最好的預(yù)測器是以某種最小化的誤差對下一個(gè)采樣

36、進(jìn)行預(yù)測的預(yù)測器。當(dāng)前像素的灰度或顏色信號的數(shù)值，可用前面已出現(xiàn)的像素的值，進(jìn)行預(yù)測（估計(jì)），得到一個(gè)預(yù)測值（估計(jì)值），將實(shí)際值與預(yù)測值求差，對這個(gè)差值信號進(jìn)行編碼、傳送，這種編碼方法稱為預(yù)測編碼方法。預(yù)測編碼方法分線性預(yù)測和非線性預(yù)測編碼方法。線性預(yù)測編碼方法，也稱差值脈沖編碼調(diào)制法，簡稱DPCM（differential Pulse Code Modulation）。預(yù)測編碼方法在圖像數(shù)據(jù)壓縮和語音信號的數(shù)據(jù)壓縮中都得到廣泛的應(yīng)用和研3.4.3 DPCM編碼及解碼過程和原理 DPCM編、解碼原理圖系統(tǒng)包括，發(fā)送、接收和信道傳輸三個(gè)部分。發(fā)送端由編碼器、量化器、預(yù)測器和加減法器組成；接收端包括解碼器和預(yù)測器等；信道傳送以虛線表示。由圖可見DPCM系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，