1、武 夷 學 院 課程設計報告課程名稱：通信原理設計題目：脈沖編碼調制（PCM）系統設計與仿真學生班級：通信工程一班學生姓名：指導教師：完成日期：2013-12-13數學與計算機學院 摘 要PCM是脈沖編碼調制的簡稱，是現代語音通信中數字化的重要編碼方式。本課程設計利用MATLAB集成環境，對信號進行PCM編碼調制，建立13折線A律PCM編碼器模型，進一步繪制出對信號進行脈沖編碼調制時域波形圖，根據運行結果和波形分析PCM編碼調制，加強對這部分內容的理解并了解如何運用于語音傳輸，光纖傳輸等領域在課程設計中，系統開發平臺為Windows 2000，使用工具軟件為MATLAB 7.1。本課程設計主要

2、目的是在信號傳輸過程中，運用A律PCM譯碼實現數字信號到模擬信號的轉換。該設計運用MATLAB的M文件來編寫程序，根據經過抽樣、量化、編碼后收到的碼組（極性碼除外），使用A律譯碼產生相應的控制脈沖，從而輸出一個與發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，成功達到了設計效果。在該平臺運行程序完成了對脈沖編碼調制以及對結果的觀察。通過該課程設計，達到了對信號進行PCM編碼的目的。課程設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················································&

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

7、#183;···········4 1.2 開發人員····································

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

9、83;·······················4 1.3指導老師·························

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

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

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

13、#183;···········································42.1課程設計目的····

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16、83;42.2課程設計要求················································

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

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20、#183;··················53.1脈沖編碼調制·····························

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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系統功能簡介·············

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28、;·········································11第四章 課程設計進度表······

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

30、3;···········································12第五章 課程設計任務分配表····&

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32、#183;·······································12第六章 達到的效果········&#

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

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37、;··············136.3序輸入與輸出結果·································

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39、3;···············156.4輸出結果分析·································

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

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43、183;···················15第八章 設計過程中解決問題····························

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

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

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49、83;···········································18第一章 項目簡介1.1 項目名稱脈沖編碼調制（PCM）系統設計與仿真1.2

50、 開發人員1.3指導老師第二章 項目研究的意義2.1課程設計概述該課程設計的目的是讓我們進一步學習PCM編譯碼器原理；在通信系統仿真軟件MATLAB平臺上，采用M文件設計A律PCM碼譯碼器。對設計項目進行調試；對譯碼器進行仿真；對仿真結果結合編譯碼理論進行分析等。使學生在課程設計過程中能夠理論聯系實際，在實踐中充分利用所學理論知識分析和研究設計過程中出現的各類技術問題，鞏固和擴大所學知識面，為以后走向工作崗位進行設計打下一定的基礎。2.2課程設計要求及研究意義隨著大規模集成電路的飛速發展,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,數字微波通信,衛星通信等數字通信領域

51、中獲得了更廣泛的應用仿真技術也得到了廣泛的應用?；谛盘栍糜谕ㄐ畔到y的動態仿真軟件MATLAB具有強大的功能，可以滿足從底層到高層不同層次的設計、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，使系統設計更加簡潔明了，便于完成復雜系統的設計。設計譯碼器前，首先以理論作指導，構思設計方案。再用MATLAB語言編寫程序，在MATLAB軟件平臺上運行，得到正確程序，并且進行調試、仿真和分析。然后對結果進行處理，輸出結果和分析結論應該一致，而且應符合理論。最后，獨立完成課程設計并按要求寫課程設計報告書。第三章 采用的技術3.1脈沖編碼調制脈沖編碼調制(pulse code modulation

52、，PCM)是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統，但也是數據量最大的編碼系統。PCM的編碼原理比較直觀和簡單，PCM的實現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、及量化信號的二進制表示。根據CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，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律壓縮實現復雜，常使用 13 折線法編碼,下圖為PCM系統的原理框圖：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)經抽樣、量化、編碼后變成了

53、數字信號(PCM信號)，經信道傳輸到達接收端，由譯碼器恢復出抽樣值序列，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/數變換器（A/D變換器)；而譯碼與低通濾波的組合稱為數/模變換器(D/A變換器)。前者完成由模擬信號到數字信號的變換，后者則相反，即完成數字信號到模擬信號的變換。PCM在通信系統中完成將語音信號數字化功能，它的實現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、及量化信號的二進制表示。根據CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，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律壓縮實現復雜，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，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。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）內的時間連續信號f（t），如果以1/2 f h的時間間隔對它進行抽樣，那么根據這些抽樣值就能完全恢復原信號?；蛘哒f，如果一個連續信號f（t）的頻譜中最高頻率不超過f h，當抽樣頻率f S2 f h時，抽樣后的信號就包含原連續的全部信息。抽樣定理在實際應用中應注意在抽樣前后模擬信號進行濾波

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，就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。從數學上來看，量化就是把一個連續幅度值的無限數集合映射成一個離散幅度值的有限數集合。一個模擬信號經過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調制信號，它僅為有限個數值。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。但是，對話音信號來說，大信號出現的機會并不多，增加的樣本位數就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現了非均勻量化的方法。非均勻量化：非均勻量化是根據信號的不同區間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區間，其量化間隔也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優點。首先，當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行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數式壓縮。廣泛采用的兩種對數壓縮律是壓縮律和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律壓縮實現復雜，常使用 13 折線法編碼, 壓擴特性圖如下圖所示： A律函數13折線壓擴特性圖這樣，它基本上保持了連續壓擴特性曲線的優點，又便于用數字電路實現，本設計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。 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 時計算得到的，第三行的 值是13折線分段時的值?？梢?，13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為三類：逐次比較型、折疊級聯型、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、段內碼的順序排列。下面結合13折線的量化來加以說明。 段落序號段落碼量化級段內碼8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000表2 段落碼 表3 段內碼6PCM編譯碼器的實現可以借鑒單片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，考慮到實現細節，仿真時將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實現，在13折線法中，

60、無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進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種可能狀態來分別代表8個段落的起點電平。其它四位表示段內碼，它的16種可能狀態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個段落之間的關系如表2所示；段內碼與16個量化級之間的關系見表3。（4）譯碼PCM譯碼器是實現PCM編碼的逆系統。其中各模塊功能如下：D/A轉換器：用來實現與A/D轉換相反的過程，實

61、現數字量轉化為模擬量，從而達到譯碼最基本的要求，也就是最起碼的步驟。瞬時擴張器：實現與瞬時壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴張也必須采用A律瞬時擴張器。 低通濾波器：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數會引入孔徑失真，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，需要對再生信號進行幅度及相位的補償，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 語言是當今國際上科學界 (尤其是自動控制領域) 最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運算，并已經發展成一種高度集成的計算機語言。它提供了強大的科學運算、靈活的程序設計流程、高質量的圖形可

62、視化與界面設計、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的矩陣。MATLAB自問世以來,就是以數值計算稱雄。MATLAB進行數值計算的基本單位是復數數組（或稱陣列），這使得MATLAB高度“向量化”。經過十幾年的完善和擴充，現已發展成為線性代數課程的標準工具。由于它不需定義數組的維數，并給出矩陣函數、特殊矩陣專門的庫函數，使之在求解諸如信號處理、建模、系統識別、控制、優化等領域的問題時，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。美國許多大學的實驗室都安裝有MATLAB供學習和研究之用。在那里,MATLAB是攻讀學位的大學生碩士生、博士生必須掌握的基本工具。MATLAB中包括了被稱作工具箱（TOOLBOX）的各類應用問題的求解工具。工具箱實際上是對MATLAB進行擴展應用的一系列MATLAB函數（稱為M文件），它可用來求解各類學科的問題，包括信號處理、圖象處理、控制系統辨識、神經網絡等。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，應用范圍也越來越廣泛，成為涉及數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(SIMULINK) 窗口。以往十分困難的系統仿真問題，用SIMULINK只需拖動鼠標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系統功能簡介該系統主要是通過A律PCM譯碼，在信號傳輸過程中，運用A律PCM譯碼實現數字信號到模擬信號的轉換。該設計運用MATLAB的M文件來編寫程序，根據經過抽樣、量化、編碼后收到的碼組（極性碼除外），使用A律譯碼產生相

65、應的控制脈沖，從而輸出一個與發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，成功達到了設計效果。在通信系統中完成將語音信號數字化功能。PCM的實現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、及量化信號的二進制表示。PCM 編碼通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續變化的模擬信號轉換為數字編碼。采用均勻量化時，其抗噪聲性能與量化級數有關，每增加一位編碼，其信噪比增加約6dB，但實現的電路復雜程度也隨之增加，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張技術來實現非均勻量化。在保持信號固有的動態范圍前提下，在量化前將小信號進行放大而對

66、大信號進行壓縮。通常的壓縮方法有13折線A律和律兩種標準，本課程設計采用的是A律13折線。從而成功實現了該課程設計。第四章 課程設計項目進度表表4日期完成的工作2013-12.9確定課設題目，查找并收集有關材料2013-12.10理解PCM編碼原理及相關知識，確定表格，數據類型，系統開發技術，運行環境2013-12.11子模塊的程序設計和調試2013-12.12系統聯合調試，撰寫課程設計總結報告2013-12.13交課程設計紙質和電子版材料第五章 課程設計任務分配表表5成員座號項目內容序號韋觀琴49號1、“刪除”模塊的制作 2、編寫段落表（表2），段內表（表3）3、編寫項目進度表（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、制作壓擴特性表（表1）3、“仿真波形”模塊制作4、編寫任務分配表（表5）5、調試程序02第六章 達到的效果以MATLAB的Simulink為工具平臺，根據PCM系統的組成原理，在Simulink模塊庫中找出相應的模塊，選擇合適的模塊以及設置適當的參數，建立了 PCM 通信系統仿真模型，圖示如下：6.1仿真波形信號源的波形PCM編碼的波形9PCM譯碼時經過D/A轉化并用A律擴張后的輸出波形譯碼后恢復源信號的輸出波形由以上數據波形可以看出在PCM編碼的過程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復，傳輸的過程中實現了數字化的傳輸過程?？偨Y利用MATLAB軟件完成了一個完整的PCM通信系統設計，充分發揮了SIMULINK功能強大，建模簡單，參數易于調整的特點。結果表明，基于SIMULINK仿真模型，能夠反映模擬通信系統的動態工作過程，其可視化界面具有很好的演示效果，為通信系統的設計和研究提供了強有力的工具，也為學習通信系統理論提供了一條非常好的途徑。在通信原理的教學過程中,一直注重理論的教學,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,提供了完整的動態系統設計、仿