2022年通信原理实验二ZSTU .pdf

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1、通信原理实验二：模拟信号数字化传输系统的建模与分析信息电子学院名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 一实验目的1. 进一步掌握Simulink 软件使用的基本方法；2. 熟悉信号的压缩扩张；3. 熟悉信号的量化；4. 熟悉 PCM 编码与解码。二实验仪器带有 MATLAB 和 SIMULINK 开发平台的微机三实验原理3.1 信号的压缩和扩张非均匀量化等价为对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量化。中国和欧洲的 PC

2、M 数字电话系统采用 A 律压扩方式，美国和日本则采用律方式。设归一化的话音输入信号为 1, 1x，则 A 律压缩器的输出信号y是：11lnsgn1(1 ln)11lnAxxAAyxA xxAA其中， sgn(x)为符号函数。 A 律 PCM 数字电话系统国际标准中，参数A=87.6。Simulink 通信库中提供了“ A-Law Compressor”、“A-Law Expander”以及“Mu-Law Compressor”和“ Mu-Law Expander”来实现 A 律和 ?律压缩扩张计算。压缩系数为 87.6的 A 律压缩扩张曲线可以用折线来近似。16 段折线点坐标是1111111

3、11111 1 11,0,1248163264128128 64 32 16 8 4 276543211 2 3 4 5 6 71,0,188888888 8 8 8 8 8 8xy其中靠近原点的 4 段折线的斜率相等， 可视为一段， 因此总折线数为 13 段，故称 13 段折线近似。用 Simulink 中的“Look-Up Table”查表模块可以实现对13 段折线近似的压缩扩张计算的建模，其中，压缩模块的输入值向量设置为-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 名师资料总

4、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 输出值向量设置为-1:1/8:1 扩张模块的设置与压缩模块相反。3.2 PCM 编码与解码PCM 是脉冲编码调制的简称， 是现代数字电话系统的标准语音编码方式。A律 PCM 数字电话系统中规定：传输话音信号频段为300Hz 到 3400Hz，采样率为 8000 次/秒，对样值进行 13 折线压缩后编码为8bit 二进制数字序列。因此，PCM 编码输出的数码速率为64Kbps。PCM 编码输出

5、的二进制序列中，每个样值用8 位二进制码表示，其中最高比特位表示样值的正负极性， 规定负值用“ 0”表示，正值用“ 1”表示。接下来3 位比特表示样值的绝对值所在的8 段折线的段落号， 最后 4 位是样值处于段落内 16 个均匀间隔上的间隔序号。 在数学上， PCM 编码的低 7 位相当于对样值的绝对值进行 13 折线近似压缩后的7bit 均匀量化编码输出。四实验内容1. 设计一 PCM 编码器，要求该编码器能够对取值在-1；1内的归一化信号样值进行编码；2. 设计一个对应于以上编码器的PCM 解码器；3. 在以上两项内容的基础上，建立PCM 串行传输系统，并在传输信道中加入指定错误概率的随机

6、误码。五、实验结果PCM 是一种用一组二进制数字代码来代替联系信号的抽样值，从而实现通信的方式。采用 PCM 的模拟信号数字传输系统如图1 所示。 按照图 1 所示框图，我们可以基本理清PCM 编码和解码的思路：首先，对模拟信息源发出的模拟信号进行抽样， 使其成为一系列离散的抽样值；然后，将这些抽样值进行量化并编码，变成数字信号， 这时信号便可用数字通信方式传输。经信道传送到接收端的译码器，由译码器还原出抽样值，再经低通滤波器滤出模拟信号。图 1 PCM 的模拟信号数字传输系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师

7、精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 5.1 PCM 编码器PCM 编码器模型如图2所示。其中 Saturation作为限幅器， 将输入信号幅度限制在 PCM 编码的定义范围内，用Lookup Table 作为压缩器（此处由于后来我找到了可以直接作为A 律压缩和解压的 A-Law Compressor 和 A-Law Expander，因此我在系统中直接使用A-Law Compressor 和 A-Law Expander 进行压缩和解压，而非直接使用 Lookup Table 这个通用的压缩解压模块。），将Relay 模块的门限值设

8、为 0，其输出即可作为PCM 编码输出的极性码。样值经过绝对值后，用增益模块将样值放大到0127 （即 0 （127），然后用间隔为 1 的 Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7 位二进制序列作为PCM 编码的低七位，通过 Display 即可看到 PCM 编码低七位的具体值图 2 PCM 编码系统由于 PCM 编码是整个 PCM 的模拟信号数字传输系统的一部分，因此可以将其封装为一个子系统，该子系统如图3 所示。图 3 PCM 编码系统子系统封装通过观察示波器可以看到如图4 所示的各个步骤的波形图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -

9、 - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 4 PCM 编码过程中各个步骤产生的波形图由图 4 可以看到 : 通道 1 为模拟信号源输入信号数字化之后的波形；通道 6 是通过限幅器之后的波形， 由于在此系统中输入信号为非常好的正弦波，且限幅器允许通过值的范围为-1,1，因此通道 6 和通道 1 的波形一致；通道 5 是将通道 6 的信号取绝对值，即将通道6 中的信号值为 -1,0的信号取反，因此信号波形范围为0,1。通道 4 是将通道 5 中的信号通过 A 律压缩（其压缩系数为87.6 的 A

10、律压缩扩张曲线可以用折线来近似）之后的信号。通道 3 是将通道 4 的信号增大 127 倍之后的信号。通道 2 是通道 3 信号整数转化为比特之后的信号，该值通过示波器难以观察到，因此需要通过display 来显示低 7 位的值。至此， PCM 编码部分完成。5.2 PCM 解码器PCM 解码是 PCM 的逆过程， 因此主要流程差不多将PCM 编码的过程取反就可以了。其系统如图4 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - -

11、 - 图 4 所示的系统中， PCMN 解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和 7 位数据，然后将 7 位数据转换为整数值，再进行归一化（即缩小127 倍）。扩张（ A律解压）后与双极性的极性码相乘得出解码值。图 5 PCM 解码系统图同理，需要将该系统封装为一个子系统，如图6 所示。图 6 PCM 解码系统子系统封装图在此需要注意的是， PCM 编码系统中的 Integer to Bit Converter和 PCM解码系统中的 Bit to Integer Converter两个模块由于都是转换PCM 系统的低7 位，因此两者的Number of bits per integer均

12、取 7。至此， PCM 解码部分完成。5.3 PCM 串行系统其系统总体框图如图7 所示， 其中 PCM 编码系统和 PCM 译码系统如图 2 和图5 所示。正弦波信号源通过一个zero-order hold 零阶保持器进行抽样之后， 将信号输入 PCM 编码系统，然后通过一个buffer将并行改为串行，将PCM 编码后的二进制码流一个一个送入二进制对称信道（BSC 信道），再经过一次串并转换后，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - -

13、- - - - 通过一个 Reshape伪转换模块， 即将信号再成型， 然后送入解码器。 在解码信道输出的码流通过一个示波器显示波形。另外，由于 Buffer是将 PCM 编码之后的信号从并行转换为串行，因此，其Output buffer size (per channel）为 1，而 Buffer进行的串并转换则刚好相反，因此其 Output buffer size (per channel）为 8。图 7 模拟信号数字化传输系统图该模拟信号数字化传输系统图中，由于传输话音信号频段为3003400Hz ，因此此处正弦信号源频率取1000Hz 。 采样频率为 8000次/ 秒， 即 Zero-

14、order Hold的 Sample time (-1 for inherited)为 1/8000；对样值进行 13 折线压缩后编码为 8bit二进制数字序列。 PCM 编码输出的数码速率为64Kbps，即设置仿真步长为 1/64000s。信道错误比特率设置为0.05 以观察信道误码对PCM 传输的影响，其仿真结果如图 8 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 8 模拟信号数字化传输系统仿真结果从图 8 可

15、以看到：通道 1 为模拟信号数字化之后的波形。通道 2 为 PCM 数字信号，注意， 在通过示波器前需通过To Frame和 Buffer ，其中 To Frame 是用来形成帧信号， Buffer是缓冲器。通道 3 为经过 PCM 编码和解码之后的信号波形。通道 4 为由二进制对称信道（ BSC信道）产生的错误干扰。六心得体会通过本次实验，我掌握了PCM 编码与解码的原理以及其电路原理框图的Simulink 的实现与调制性能的分析，熟并且悉了信号的压缩与扩张，信号的量化。在本实验中，由二进制对称信道（BSC 信道）产生的误码率（ Error probability）越大，则最后通过编码解码之

16、后的波形失真越大；反之则越小。由图 8 分析可以发现， 每一个通道 4 的错误干扰均在通道3 中表现出来，即通道 3 的数字化正弦信号出现错误。 同时，同样是出现了脉冲干扰， 对解码产生的信号的波形产生的干扰也是不同的，有的干扰小， 几乎可以忽略； 而有的干扰则非常大，对信号影响非常大。这是因为：对于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个PCM编码字符串中的位置， 位于极性码时将导致解码极性错误， 这时引起的干扰最大，而位于最低位的误码引起的干扰最轻微。由于在 A律 PCM 数字电话系统国际标准中，参数A=87.6。因此在本实验中国，A律压缩和解码模块的A值均取 87.6 。但是 A值只是一个压缩参数，当A=1时无压缩， A值越大则压缩效果越明显。A律压缩和解压模块的A值必须一致，否则会产生畸变。总而言之，通过本次实验，我将通信原理所学的理论知识运用到simulink仿真中，深刻理解了PCM 编码解码的过程以及干扰对解码的影响。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -