PCM譯碼器和解碼器系統(tǒng)設計 通信原理課程設計

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1、 南華大學電氣工程學院 《通信原理課程設計》任務書 設計題目： PCM編碼器系統(tǒng)的設計 專 業(yè)： 電子信息工程 學生姓名: 段超 學 號: 20124470323 起迄日期: 2015年12月20日—2016年1月20日 指導教師: 李 圣 系主任： 陳忠澤

2、 《通信原理課程設計》任務書 1．課程設計的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）： （1）技術要求 Matlab語言編程設計PCM編碼器系統(tǒng)的各個功能模塊，并分析該系統(tǒng)的性能。 （2）工作要求： ①查閱參考文獻，利用通信原理基本理論，分析系統(tǒng)工作原理，設計系統(tǒng)方框圖； ②掌握計算機輔助設計方法，利用Matlab/Simulink、Systemview、Multisim、MaxPlusIII、QuartusII等軟件進行仿真設計，具備獨立設計能力； ③熟悉通信系統(tǒng)的調試和測量方法； ④掌握電子

3、電路安裝調試技術，選擇合適的元器件搭接實際電路，掌握電路的測試和故障排除方法，提高分析問題和解決問題的能力。 ⑤不能直接從網(wǎng)上或其他資料下載拷貝，一旦發(fā)現(xiàn)雷同35%以上，則相關雷同設計的成績都為不及格。 ⑥按時完成設計報告；提交的電子稿必須在附錄中含有全套仿真源文件、或設計原圖（電子稿是以“學生學號姓名”為命名的壓縮文件）；并提交紙質設計報告書。 ⑦隨機抽查，并進行最后答辯。 2．對課程設計成果的要求〔包括圖表（或實物）等硬件要求〕： 用Matlab等編程語言實現(xiàn)時，寫出詳細的注釋，并畫出各種信號的時域頻域波形。設計電路，安裝調試或仿真，分析實驗結果，并寫出設計說明書,語言流暢簡

4、潔，文字3500~5000字。仿真設計類要求有仿真流程圖、調試時的電腦屏幕截圖；實物設計類要求圖紙布局合理，符合工程要求，使用Protel軟件繪出原理圖（SCH）和印制電路板(PCB),器件的選擇要有計算依據(jù)。 摘 要 本設計結合PCM的抽樣、量化、編碼原理，利用MATLAB軟件編程和繪圖功能，完成了對脈沖編碼調制（PCM）系統(tǒng)的建模與仿真分析。即學習通過利用計算機建立通信系統(tǒng)模型的基本方法和基本技能，學習會利用仿真的手段對通信系統(tǒng)的基本理論和基本算法進行驗證。學習現(xiàn)有流行的通信系統(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

5、題。 關鍵詞：脈沖編碼調制（PCM） 均勻與非均勻量化 MATLAB仿真 Abstract Combined with the sampling, quantization, coding theory 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 establi

6、sh the model of communication system of learning 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 software to learn of the existing, to solv

7、e communication problems using Matlab software. Keywords: pulse code modulation (PCM) with uniform and non-uniform quantization in MATLAB simulation 目錄 1知識背景...........................................2 1.1 PCM原理及仿真..........................

8、.................2 1.2脈沖編碼調制.............................................2 1.3 PCM編碼原理.............................................3 2 M文件仿真.........................................10 2.1 原信號采樣程序..........................................10 2.2原信號編碼程序.......................................

9、....11 3 SIMULINK.......................................... 15 3.1 原始模擬信號電路圖及仿真圖..............................15 3.2 PCM編碼器電路設計.......................................16 3.3 PCM解碼器電路設計.......................................16 4 心得體會...........................................22 5 參考文獻........

10、...................................22 1 背景知識 1.1 PCM原理及仿真 脈沖編碼調制就是把一個時間，取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化，編碼的過程。 1.1.1脈沖編碼調制 脈沖編碼調制PCM的實現(xiàn)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(jù)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

11、方式，分別為A律和μ律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用13折線法編碼,下圖為PCM系統(tǒng)的原理框圖： 抽樣保持 信道 編碼 量化 干擾 低通濾波 譯碼 圖1

12、PCM系統(tǒng)原理框圖 圖中，輸入的模擬信號m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號(PCM信號)，經(jīng)信道傳輸?shù)竭_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(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到數(shù)字信號的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號到模擬信號的變換。 1.1.2 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(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)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

13、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(xù)信號，如果以1/2 f h的時間間隔對它進行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復原信號?；蛘哒f，如果一個連續(xù)信號 f（t）的頻譜中最高頻率不超過f h，當抽樣頻率f S≥2 f h時，抽樣后的信號就包含原連續(xù)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，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 模擬入 量化器 量化值 設模擬信號

14、的抽樣值為，其中是抽樣周期，k是整數(shù)。此抽樣值仍然是一個取值連續(xù)的變量，即它可以有無數(shù)個可能的連續(xù)取值。若我們僅用N個二進制數(shù)字碼元來代表此抽樣值的大小，則N個二進制碼元只能代表個不同的抽樣值。因此，必須將抽樣值的范圍劃分為M個區(qū)間每個區(qū)間用一個電平表示。這樣，共有M個離散電平，它們稱為量化電平。用這M個量化電平表示連續(xù)抽樣的方法稱為量化。 模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。 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(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機會并不多

15、，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，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)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(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，有兩個突出的優(yōu)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。 這里的壓縮是

16、用一個非線性電路將輸入電壓x變換成輸出電壓y： （1-2） 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具有如下特性的壓縮律： 式中：x為壓縮器歸一化輸入電壓；y為壓縮器歸一化輸出電壓；A為常數(shù)，在實用中，選擇它決定壓縮程度

17、.。 由于A律實現(xiàn)復雜，常使用13折線法編碼, 壓擴特性圖如下圖所示： 圖2 A律函數(shù)13折線壓擴特性圖 圖中橫坐標x在區(qū)間中分為不均勻的8段。間的線段；間的線段稱為第7段；間的線段稱為第6段；依此類推，直到間線段稱為第1段。圖中縱坐標y則均勻地劃分做8段。將與這8段相應的坐標點（x，y）相連，就得到了一條折線。由圖可見，除第一段和第二段外，其他各段折線的斜率都各不相同。在表1-1中列出了這些斜率。 表1-1 各段折線斜率 折線段號 1 2 3 4 5 6

18、 7 8 斜 率 16 16 8 4 2 1 1/2 1/4 這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，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1-2 13 折線時的值與計算值的比較 0 1 A律的x值 0 1 按13折線法 分段時的 0 1 折線段落號 1 2 3 4 5 6 7 8 折線斜率 16 16 8 4 2 1

19、 表1-2中第二行的x值是根據(jù)上式 時計算得到的，第三行的 x值是13折線分段時的值。可見，13折線各段落的分界點與A律曲線十分逼近，同時 按2的冪次分割有利于數(shù)字化。 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(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、段內碼的順序排列。下

20、面結合13折線的量化來加以說明。 在A律13折線PCM編碼中，由于正，負各有8段，每段內有16個量化級，共計 個量化級， 因此所需編碼位數(shù)N=8.8位碼的安排如下： 極性碼表示樣值的極性。規(guī)定正極性為“1”，負極性為“0”； 段落碼表示樣值所處的段落。3位段落碼的8種可能狀態(tài)對應8個不同的段落，如表2-1所列。 段內碼的16種可能狀態(tài)對應各段內的16個量化級，見表1-4.編碼器將根據(jù)樣值的幅度所在的段落和量化級，編出相應的幅度碼。 表1-3 段落碼

21、 表1-4 段內碼 量化級序號 段落序號 段落碼 量化級序號 段內碼 8 111 15 1111 14 1110 7 110 13 1101 12 1100 6 101 11 1011 10 1010 5 100 9 1001 8 1000 4 011 7 0111 6 0110 3 010 5 0101 4 0100 2 001 3 0011 2 0010 1 000 1 0001 0 0000 為了確定樣值的幅度所

22、在的段落和量化級，必須知道每個段落的起始電平和各段內的量化間隔。在A律13折線中，由于各段的長度不等，因此各段內的量化間隔也是不同的。第一段，第二段最短，只有歸一化值的1/128，再將它等分16級，每個量化及間隔為 式中表示最小的量化間隔，稱為一個量化單位，它僅有輸入信號歸一化值的1/128.第八段最長，它的每個量化及間隔為 即包含64個最小量化間隔。若以為單位，則各段的起始電平和各段內的量化間隔，如表1-5所列。 表1-5 段落起始電平和段內量化間隔 段落

23、序號 段落碼 段落范圍 （量化單位） 段落起始電平 （量化單位） 段內量化間隔 （量化單位） 8 1 1 1 1024 64 7 1 1 0 512 32 6 1 0 1 256 16 5 1 0 0 128 8 4 0 1 1 64 4 3 0 1 1 32 2 2 0 0

24、 1 16 1 1 0 0 0 0 1 以上是非均勻量化的情況。若以為量化間隔進行均勻量化，則13正極性的8個段落所包含的均勻量化級數(shù)分別為16，16，32，64，128，256，512，1024， 共計個量化級數(shù)或量化電平，需要進行11位（線性）編碼。而非均勻量化只有128個量化電平，只要編7位（非線性）碼。由此可見，在保證小信號量化間隔相同的條件下，非均勻量化的編碼位數(shù)少，所需傳輸系統(tǒng)帶寬減小。 PCM編譯碼器的實現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時只需給出外

25、圍的時序電路即可實現(xiàn)，考慮到實現(xiàn)細節(jié)，仿真時將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實現(xiàn)，在13折線法中，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(tài)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(tài)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27＝128個量化級。 4）譯碼 PCM譯碼器是實現(xiàn)PCM編碼的逆系統(tǒng)。其中各模塊功能如

26、下： D/A轉換器：用來實現(xiàn)與A/D轉換相反的過程，實現(xiàn)數(shù)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(xiàn)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(shù)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。 2 MATLAB文件仿真 2.1 原信號采樣程序如下： clear; t = -0.1:0.001:0.1;

27、 %該參數(shù)用于畫原信號圖形 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個值 subplot(3,1,1) %matlab矩陣區(qū)域設置 plot(t, f); %畫出采原函數(shù)序列圖 title(原信號); xlabel(時間t(s)); T= 1/500; %抽樣周期，500是抽樣頻率，可以調整抽樣頻率 gs = -0.1:T:0.1; fg = sin(2*pi*60*gs)+cos(2*pi*25

28、*gs); %對信號進行以T周期抽樣 subplot(3,1,2) stem(gs, fg) %畫圖 title(采樣信號); xlabel(時間t(s))； 圖3 原信號采樣圖 2.2 原信號編碼程序如下： close all; %建立原信號 T=0.002; %取時間間隔為0.01 t=-0.1:T:0.1; %時域間隔dt為間隔從0到10畫圖

29、 xt=sin(3*pi*90*t)+cos(3*pi*37*t); %xt方程%采樣：時間連續(xù)信號變?yōu)闀r間離散模擬信號 fs=800; %抽樣fs>=2fc，每秒鐘內的抽樣點數(shù)目將等于或大于2fc個 sdt=1/fs; %頻域采樣間隔0.002 t1=-0.1:sdt:0.1; %以sdt為間隔從-0.1到0.1畫圖 st=sin(2*pi*60*t1)+cos(2*pi*25*t1); % 離散的抽樣函數(shù) figure(1); subplot(3,1,1); plot(

30、t1,st); title(原始信號); %畫出原始的信號圖,以好對比 grid on %畫背景 subplot(3,1,2); stem(t1,st,.); %這里畫出來的是抽樣后的離散圖 title(抽樣信號); grid on %畫背景%量化過程 n=length(st); %取st的長度為n M=max(st); A=(st/M)*2048;

31、 %a1(極性碼) a2a3a4（段落碼）a5a6a7a8（段內電平碼） code=zeros(10,8); %產生10*8的零矩陣 %極性碼a1 for i=1:n %if循環(huán)語句 if A(i)>=0 code(i,1)=1; %代表正值 else code(i,1)=0; %代表負值 end if abs(A(i))>=0&&abs(A(i

32、))<16 code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=1;start=0; elseif 16<=abs(A(i))&&abs(A(i))<32 code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=1;start=16; elseif 32<=abs(A(i))&&abs(A(i))<64 code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=2;start=32; elseif 64<=abs(A(i))&&abs(A(i)

33、)<128 code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=4;start=64; elseif 128<=abs(A(i))&&abs(A(i))<256 code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=8;start=128; elseif 256<=abs(A(i))&&abs(A(i))<512 code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=16;start=256; elseif 512<=abs(A(i))&

34、&abs(A(i))<1024 code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=32;start=512; elseif 1024<=abs(A(i))&&abs(A(i))<2048 code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=64;start=1024; End B=floor((abs(A(i))-start)/step); %段內碼編碼floor取整(四舍五入) t=dec2bin(B,4)-48; %dec2bin定義將B變?yōu)?/p>

35、4位2進制碼，-48改變格式 code(i,5:8)=t(1:4); %輸出段內碼 end code=reshape(code,1,8*n); %reshape代表從新塑形 code subplot(3,1,3); stem(code,.);axis([1 64 0 1]); %這里我們先取前面八個點編碼輸出,輸出時候有64個點 title(編碼信號); grid on 圖4 原信號采樣編碼圖

36、 3 Simulink仿真 3.1原始模擬信號電路圖及仿真圖 圖5 原始模擬信號電路圖 圖6 正弦波參數(shù)設置圖 圖7 仿真波形圖 3.2 PCM編碼器電路設計 圖8 13折線近似的PCM編碼器測試模型和仿真結果 測試模型和仿真結果

37、如上圖所示。其中以Saturation作為限幅器，將輸入信號幅度值限制在PCM編碼的定義范圍內，以A-Law Compressor作壓縮器，Relay模塊的門限值設置為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位——極性碼。樣值取值絕對值后，用增益模塊將樣值放大到0-127，然后用間隔為1的Quantizer進行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進制序列，作為PCM編碼的低7位?？梢詫⑸蠄D中Constant和Display（不含）之間的模塊封裝一個PCM編碼子系統(tǒng)備用。 其中各模塊的具體參數(shù)設置如下： 圖9 Constant參數(shù)設置圖

38、 圖10 Saturation參數(shù)設置圖 圖11 Abs 參數(shù)設置圖 圖12 A-Law Compressor參數(shù)設置圖 圖13 Gain參數(shù)設置圖 圖14 Quantizer參數(shù)設置圖

39、 圖15 Integer to Bit Converter參數(shù)設置圖 將該系統(tǒng)進行封裝： 圖16 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng) 圖17 封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)圖標 3.3 PCM解碼器電路設計 圖18 13折線近似的PCM解碼器測試模型和仿真結 測試模型和仿真結果如上圖所示，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)轉換位整數(shù)值，再進行歸一化，擴張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值?？梢詫⒃撃Ｐ椭蠭n

40、1 Out1右端和Display左端的部分封裝為一個PCM解碼子系統(tǒng)備用。其中各模塊的具體參數(shù)設置如下： 圖19 Relay參數(shù)設置圖 圖20 Demux參數(shù)設置圖 圖21 Demux參數(shù)設置圖 圖22 A-Law Expander參數(shù)設置圖

41、 圖23 Integer to Bit Converter參數(shù)設置圖 圖23 Gain參數(shù)設置圖 4 心得體會 設計過程中，我弄懂了A律13折線和PCM編碼的原理，了解這些后總個設計思路就呈現(xiàn)在眼前，自己的信心也倍增。通過這次課程設計，充分掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過程，學會了使用仿真軟件 MATLAB的SIMULINK，并學會通過應用軟件仿真來實現(xiàn)PCM系統(tǒng)的設計，對以后

42、的學習和工作都起到了一定的作用，加強了實踐動手能力和學習新知識的技能。總體來說，這次實習讓我受益匪淺。打破了一直局限于課本知識的學習方式，增加了我們的興趣，并且體會到成功給大家?guī)淼南矏偂Ｗ屛颐靼祝簾o論遇到什么困難，只要對自己有信心，認真思考，悉心求教，自然會找到解決的辦法。相信在以后的日子里，大家會做得更好。在摸索該如何設計系統(tǒng)使之實現(xiàn)所需功能的過程中，培養(yǎng)了我的設計思維，增加了實際操作能力。在讓我體會到了系統(tǒng)設計的艱辛同時，更讓我體會到成功的喜悅。 5 參考文獻 1]樊昌信.通信原理（第6版）[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012,12. [2]樊昌信,曹麗娜 .通信原理教程(第3版)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006,9. [3]劉學勇 .詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011,11. [4]張水英 ,徐偉強 .通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M].北京：人民郵電出版社,2012,9. [5]趙鴻圖,茅艷 .通信原理MATLAB仿真教程[M].北京：人民郵電出版社,2010,11. [6]趙靜 ,張瑾 .基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社,2010,1. 25