基于MATLAB的PCM脉冲编码调制仿真--课程设计报告.docx

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1、基于MATLAB的PCM脉冲编码调制仿真-课程设计报告 通信工程专业 通信原理课程设计 题目基于MATLAB的PCM脉冲编码调制仿真学生姓名 学号 所在院(系)物理与电信工程学院 专业班级通信工程专业 班 指导教师 完成地点物理与电信工程学院实验室 2022年 3 月 18 日 通信原理课程设计任务书 院(系) 物理与电信工程学院专业班级通信工程专业 班学生姓名 一、课程设计题目基于MATLAB的PCM脉冲编码调制仿真 二、课程设计工作自 2022 年 2 月 27 日起至 2022 年 3 月 18 日止 三、课程设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、课程设计的内容要求： 通信系统的

2、计算机仿真设计课程设计目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在 实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。 课程设计的任务是： （1）掌握一般通信系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法；掌握用计算机仿真 通信系统的方法，对PCM系统的了解掌握。 （2）掌握MATLAB语言的函数调用，提高编程编程能力。 （3）掌握量化信噪比的基本概念。 （4）学习均匀量化和非均匀量化的基本原理，加深对非均匀量化的理解。 （5）训练学生项目设计能力，训练学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设 计的

3、能力。 指导教师系(教研室)通信工程系 接受任务开始执行日期2022年2月27日学生签名 基于MATLAB的PCM脉冲编码调制仿真 （物理与电信工程学院通信班，） 指导教师： 摘要本设计结合PCM的抽样、量化、编码和译码原理，利用MA TLAB软件编程，完成了对脉冲编码调制PCM系统的编译与仿真分析。课题中主要分为五部分对脉冲编码调制PCM系统原理进行编译与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的程序仿真，同时仿真分析了采样的波形、均匀量化与A律13折线非均匀量化的量化性能及其差异，最后进行PCM编码和译码从而分析PCM系统的特性以及最后的误码率。通过对脉冲编码调制PCM系统原理的仿真分析，对P

4、CM原理及性能有更深刻的认识，并进一步掌握MA TLAB软件的使用。 关键词脉冲编码调制；均匀与非均匀量化；MA TLAB 仿真 Simulation of PCM pulse code modulation based on MATLAB ) Tutor: # Abstract：This design combined with PCM sampling, quantization, coding and decoding principle, the use of MATLAB software programming, completed the pulse code modulatio

5、n PCM system compiler and simulation analysis. The simulation and simulation analysis of the principle of sampling, quantization and coding are carried out. At the same time, the waveforms of the samples are simulated and analyzed, and the non-uniform quantization of the A-law 13-fold lines is carri

6、ed out. And the difference between the quantization performance and the final PCM encoding and decoding to analyze the characteristics of the PCM system and the final bit error rate. Through the simulation analysis of the principle of pulse code modulation PCM system, the PCM principle and performan

7、ce have a more profound understanding, and further grasp the use of MATLAB software. Key words：Pulse code modulation; uniform and non - uniform quantization; MATLAB simulation 目录 1. 绪论 (1) 2. PCM脉冲编码设计原理 (2) 2.1 信号的采样 (2) 2.1.1 抽样定理 (2) 2.1.2 抽样过程 (2) 2.2 信号的量化 (2) 2.2.1 量化的定义 (2) 2.2.2 量化的分类 (2) 2.

8、3 信号的编码 (4) 2.3.1 码型的选择 (5) 2.3.2 数字调制/解调 (5) 2.4 PCM脉冲编码的原理 (5) 2.5 MATLAB 简介 (6) 3. PCM的MATLAB实现 (9) 3.1 原始信号的抽样 (9) 3.2 PCM均匀量化 (12) 3.3 PCM非均匀量化 (13) 3.4 A律13折线压缩 (14) 3.5 非均匀量化PCM编码 (15) 3.6非均匀量化PCM译码 (16) 3.7仿真分析系统误码律 (17) 4. 系统性能分析 (18) 4.1 PCM通信系统的性能指标 (18) 4.2 PCM系统中噪声的影响 (18) 5. 小结 (20) 致谢

9、 (21) 参考文献 (22) 附录源程序： (23) 1. 绪论 数字通信作为一种新型的通信手段，早在20 世纪30 年代就已经提出。在1937 年，英国人里费（A.H.Reeves）提出了脉冲编码调制（PCM）方式。从此揭开了近代数字传输的序幕。随着数字化e时代，我们身边的数字产品越来越多，像数码相机，手机，数字电视等等。我们重点关注的是这些现代无线通信系统有一个共同的特点，那就是它们采用的都是数字制式。在现阶段，数字通信系统相对模拟通信系统有着巨大的优势。现代移动通信系统的发展是以多种先进的通信技术为基础发展起来的。移动通信的主要基本技术包括调制技术、移动信道中颠簸的传播特性、多址方式、

10、抗干扰技术以及组网技术。在移动通信中，数字调制解调技术是关键技术，其中数字调相信号具有数字通信的诸多优点，在数字移动通信中广泛使用它来传送各种控制信息。 脉冲编码（PCM）调制是一种将模拟信号转变成数字信号的编码方式，主要运用与语音传输。于20世纪40年代，在通信技术中就已经实现了这一编码技术，并迅速在光纤通信、卫星通信、数字微波通信中得到广泛应用，目前它不仅运用于通信领域，还广泛运用于计算机、遥控遥测、数字仪表广播电视等许多领域。借助于MATLAB软件，可以直观方便的进行计算和仿真。 PCM 系统的优点是：抗干扰性强、失真小、传输特性稳定、远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠

11、错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。另外，由于PCM 可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合通信方式，而且还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。PCM的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。因此，PCM 是一种极有发展前途的通信方式。 本次课设项目主要分五个部分，分为原始信号的抽样采集，信号均匀与非均匀量化，A律压缩，非均匀量化的编译码以及最后的误码率表示，都是用MATLAB软件来实现的，每一部分都分为一个小块来实现的。 2.

12、 PCM脉冲编码设计原理 2.1 信号的采样 2.1.1 抽样定理 抽样也称取样、采样，是把时间连续的模拟信号变换为时间离散信号的过程。抽样定理是指：在一个频带限制在（0，f h）内的时间连续信号f（t），如果以小于等于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。 根据乃奎斯特抽样定理：若频带宽度有限的，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。 2.1.2 抽样过程 抽样的过程是将输入的模拟信号与抽样信号相乘，通常抽样信号是一个周期为Ts的周期脉冲信号，抽样后得到的信号称为抽样序列。 对幅度A频率f的信号进行的周期性扫描即是对信号的

13、抽样。话音信号频率在4kHZ以内，实际中话音的抽样频率采用的是8kHZ，此次课程设计也是采用fs=8kHZ的抽样频率,抽样周期T=1/fs。所以由音频信号和抽样函数可得抽样后的信号为：S=Asin(w*n*T)，抽n个值。每隔时间t（时间t 要尽量小,如0.001s）对低通连续的语音信号进行取样。 2.2 信号的量化 2.2.1 量化的定义 所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅值离散，即用一组规定的电平，把瞬时值用最接近的电平值来表示。抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号，量化则是将取值连续的抽样变换成取值离散的抽样。 通常，量化器的输入是随机模拟信号。可以用适当速率对此随机信号

14、m(t)进行抽样，并按照预先规定，将抽样值m(kT)变换成M个电平q1，q2，qM之一，有mq(kTs)=qi，若mi-1m(kTs)mi，则量化器的输出是一个数字序列信号。 2.2.2 量化的分类 量化可分为均匀量化、非均匀量化。 均匀量化：把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平在各区间的中点。其量化间隔v取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。主要缺点是，无论抽样值的大小如何，量 化噪声的均方根都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的信号量噪比就很难

15、达到给定的要求。对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。 非均匀量化：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，量化噪声功率的均方根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信号量噪比。 常见的非均匀量化有A律和率等，它们的区别在于量化曲线不同。由于A律压

16、缩实现复杂，常使用A压缩律编码, 压扩特性图如图2.1所示： 图2.1 13折线法 A压缩律通常近似用13折线法实现：图中先把轴的0,1区间分为8个不均匀段。 其具体分法如下: a.将区间0，1一分为二，其中点为1/2,取区间1/2,1作为第八段； b.将剩下的区间0,1/2再一分为二，其中点为1/4,取区间1/4,1/2作为第七段； c.将剩下的区间0,1/4再一分为二，其中点为1/8,取区间1/8,1/4作为第六段； d.将剩下的区间0,1/8再一分为二，其中点为1/16,取区间1/16,1/8作为第五段； e.将剩下的区间0,1/16再一分为二，其中点为1/32,取区间1/32,1/16

17、作为第四段; f.将剩下的区间0,1/32再一分为二，其中点为1/64,取区间1/64,1/32作为第三段； g.将剩下的区间0,1/64再一分为二，其中点为1/128,取区间1/128,1/64作为第二段； h.最后剩下的区间0,1/128作为第一段。 然后将y轴的0,1区间均匀地分成八段，从第一段到第八段分别为0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分别与x轴的八段一一对应。 这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路实现，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

18、。 图2.1中的八段线段的斜率分别为: 表2.1 各段落的斜率 段落 1 2 3 4 5 6 7 8 斜率16 16 8 4 2 1 1/2 1/4 2.3 信号的编码 编码定义：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，并对应地依次赋予一个十进制数字代码（例如，赋予样值0的十进制数字代码为0），在码前以“”、“”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，即十进制数字信号。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此

19、，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。 话音PCM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8bits8kHz64kb/s。量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。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小，即随数字编码信号的速率提高而减小。13折线编码码位的安排按照极性码、段落码、段内码的顺序。 A律PCM编码规则： 表2.2 A律13规则 极性码段落码段内码 C1 C2

20、C3C4 C5C6C7C8 C1:极性码，1为正；0为负，表示信号的正负极； C2C3C4：段落码，表示信号绝对值处在8个区间中的哪个区间，为000111共有8种组合，分别表示对应的8个分段，即第1至8段； C5C6C7C8:段内码，表示区间中的16个均匀量化级，00001111共有16中组合，表示每段的16个分级。 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。 信道编码/译码：信道编码的目的就是增强数字信号的抗干扰能力。数字信号在信道中传输容易受到噪声干扰，为了减少差错，我们对传输信息的码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓的抗干扰编码。主

21、要实现方法是增加冗余位。常见的纠错编码有线性分组码、循环码、卷积码等等。本课程采用了线性分组码中的典型编码方式（7,4）汉明码和A率13编码。程序（见附录）中这两种编码方式;对收到的信号还要进行译码,信道译码是信道编码的逆过程。 2.3.1 码型的选择 常用的二进制码型有自然二进制码和折叠二进制码两种。 折叠码优点：只需对单极性信号进行，再增加最高位来表示信号的极性；小信号的抗噪性能强，大信号的抗噪性能弱。 2.3.2 数字调制/解调 编码完成后的信息序列还不能再信道中传输，必须经过调制后才能发射出去，数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。 对数字信号调

22、制的方式有很多种，基本的调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、差分相移键控（DPSK）等,本课程设计中则采用的是振幅键控（ASK）。 数字解调：在接收端可以采用相干解调或者非相干解调还原数字基带信号。 2.4 PCM脉冲编码的原理 若信源输出的是模拟信号，如电话机传送的话音信号，模拟摄象机输出的图像信号等，要使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A。对语音信号最典型的数字编码就是脉冲编码调制(PCM)。 所谓脉冲编码调制:就是将模拟信号的抽样量化值转换成二进制码组的过程。下图给出了脉冲编码调制的一个

23、示意图。 图2.2 脉冲编码调制示意图 假设模拟信号m(t)的求值范围为-4V,+4V,将其抽样值按8个量化级进行均匀量化，其量化间隔为1s，因此各个量化区间的端点依次为-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4V，8个量化级的电平分别为-3.5、-2.5、-1.5、-0.5、0.5、1.5、2.5和3.5V。 PCM系统的原理方框图如图5.2所示。图中，输入的模拟信号m(t)经抽样、量化、编码后变换成数字信号，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m(t)。其中，量化与编码的组合通常称为A/D变换器;而译码与低通滤波的组合称为D/A变换。 图2.3 P

24、CM通信系统方框图 PCM系统的原理框图，本次课程设计应用Matlab进行仿真，仿真基本框图如图2.2所示。 PCM主要优点是：抗干扰能力强；传输性能稳定，远距离信号再生中继时噪声不累积，且可以使用压缩编码和纠错编码和保密编码等来提高系统有效性、可靠性、保密性。 2.5 MATLAB 简介 MATLAB 软件简介：MATLAB 和Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 来解算问题要比用C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork 也吸收了像Maple 等软件的优点,使MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB