【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)院（系）：通信與控制工程學(xué)院 專 業(yè)：通信工程 姓 名： 題 目：基于MATLAB的脈沖編碼仿真 日期： 2004年 6月 3日51摘 要：本課題結(jié)合MATLAB軟件的Simulink仿真功能與S函數(shù)的仿真擴(kuò)展功能，完成了對(duì)脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)的仿真與建模分析。課題中主要分為三部分對(duì)脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)原理進(jìn)行仿真建模與仿真分析，它們分別為采樣、量化和編碼原理的仿真建模。同時(shí)仿真分析了采樣與欠采樣的波形、均勻量化與非均勻量化的量化誤差、A律13折線和μ律15折線的量化誤差、PCM與DPCM系統(tǒng)的量化噪聲。通過(guò)對(duì)脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)原理的這些仿真分析，在教學(xué)中將會(huì)有很大的應(yīng)用價(jià)值。關(guān) 鍵 詞：脈沖編碼調(diào)制（PCM）；Simulink仿真；量化誤差A(yù)bstract: In this task, bination the Simulink emulatation function and the S function’s spread function of MATLAB software, have pleted the systematic emulatation and modeling for pulse code modulation( PCM). In this task，divide into 3 parts mainly, emulate to build mould and emulate analysis for the principle of pulse code modulation( PCM) systematic. They are modeling and emulatation of sampling, quantizing and ecoding. At the same time, emulate to analyse the waveform of sampling and owe sampling , the quantizing error of uniform quantizing and nonuniform quantizing, the quantizing error of ALaw and μ Law , the quantizing noise of PCM and DPCM system. Through the emulatation’s analysing for these pulse code modulation( PCM) of systematic principle, it will have a great value of application for teaching in the future. Keywords: Pulse coding modulation ( PCM)。 Simulink emulates 。Quantizing error目 錄 第一章 項(xiàng)目概述 1第二章 MATLAB簡(jiǎn)介 2 MATLAB與通信仿真 2 MATLAB的概述 2 MATLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 2 通信仿真 2 Simulink仿真系統(tǒng) 4 Simulink的簡(jiǎn)介 4 Simulink的工作環(huán)境 5 Simulink擴(kuò)展工具S函數(shù) 6第三章 脈沖編碼仿真 13 模擬信號(hào)采樣的仿真 13 窄脈沖采樣仿真分析 16 量化 18 量化的仿真 18 A律13折線與μ律15折線的量化誤差比較 22 PCM與DPCM系統(tǒng)的量化噪聲 25 29第四章 體會(huì) 34附錄A：源程序 35附錄B：翻譯資料 43參考文獻(xiàn) 52第一章 項(xiàng)目概述數(shù)字通信作為一種新型的通信手段，早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)提出。在1937年，英國(guó)人里費(fèi)（）提出了脈沖編碼調(diào)制（PCM）方式。從此揭開(kāi)了近代數(shù)字傳輸?shù)男蚰弧CM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾性強(qiáng)；失真小；傳輸特性穩(wěn)定，遠(yuǎn)距離再生中繼時(shí)噪聲不累積，而且可以采用有效編碼、糾錯(cuò)編碼和保密編碼來(lái)提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。另外，由于PCM可以把各種消息（聲音、圖像、數(shù)據(jù)等等）都變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，因此可以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換一體化的綜合通信方式，而且還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理一體化的綜合信息處理。故它能較好地適應(yīng)信息化社會(huì)對(duì)通信的要求。PCM的缺點(diǎn)是傳輸帶寬寬、系統(tǒng)較復(fù)雜。但是，隨著數(shù)字技術(shù)的飛躍發(fā)展這些缺點(diǎn)也不重要。因此，PCM是一種極有發(fā)展前途的通信方式。脈沖編碼調(diào)制（PCM）包括采樣、量化、編碼。其中，量化又分為均勻量化和非均勻量化；PCM編碼技術(shù)又分為A律13折線編碼和μ律15折線編碼。本項(xiàng)目是結(jié)合MATLAB軟件對(duì)脈沖編碼調(diào)制（PCM）技術(shù)進(jìn)行仿真建模與分析。主要包括對(duì)采樣、量化、編碼三部分進(jìn)行仿真， 。本次項(xiàng)目的主要目的是：在通信原理教學(xué)上，作為一種更先進(jìn)的教學(xué)手段使學(xué)生在學(xué)習(xí)脈沖編碼調(diào)制（PCM）技術(shù)時(shí)更形象更直觀，這樣不但可以提高教師教學(xué)效率，也可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)通信原理的興趣。同時(shí)，如果學(xué)校搭建通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室將需要很大的資金投入，但如果采用MATLAB的仿真技術(shù)直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行通信仿真實(shí)驗(yàn)則可以省去大量資金。另外，實(shí)際的通信系統(tǒng)是一個(gè)功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)作出的任何改變（如改變了某個(gè)參數(shù)的設(shè)置、改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等）都可能影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。因此，在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)將會(huì)很方便。第二章 MATLAB簡(jiǎn)介 MATLAB與通信仿真 MATLAB的概述MATLAB是英文Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，它是一套功能強(qiáng)大的工程技術(shù)數(shù)值運(yùn)算和系統(tǒng)仿真軟件。它的交互式集成界面能夠幫助用戶快速地完成數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能，被譽(yù)為“巨人肩膀上的工具”。綜合起來(lái)MATLAB有如下幾個(gè)特點(diǎn)：編程效率高；使用方便；擴(kuò)充能力強(qiáng)；語(yǔ)句簡(jiǎn)單，內(nèi)涵豐富；高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算；方便的繪圖功能 MATLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 MATLAB提供了一個(gè)集成化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)這個(gè)集成環(huán)境用戶可以方便的設(shè)計(jì)仿真模型，執(zhí)行仿真過(guò)程，并且分析仿真結(jié)果。，其中包括Command Window(命令窗口)、Workspace(工作區(qū)窗口)、Current Directory(當(dāng)前目錄窗口)、Launch Pad（快速啟動(dòng)窗口）以及Command History(歷史命令窗口)。 MATLAB主窗口 通信仿真仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過(guò)仿真模型的仿真結(jié)果來(lái)推斷原系統(tǒng)的性能，從而為新系統(tǒng)的建立或原系統(tǒng)的改造提供可靠的參考。通過(guò)仿真，可以降低新系統(tǒng)失敗的可能性，消除系統(tǒng)中潛在的瓶頸，防止對(duì)系統(tǒng)中某些功能部件造成過(guò)量的負(fù)載，優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能，因此，仿真是科學(xué)研究和工程建設(shè)中不可缺少的方法。一、通信仿真的概念通信仿真是衡量通信系統(tǒng)性能的工具。通信仿真可以分成離散事件仿真和連續(xù)仿真。在對(duì)通信系統(tǒng)實(shí)施仿真之前，首先需要研究通信系統(tǒng)的特性。通信仿真是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，它從當(dāng)前系統(tǒng)出發(fā)，通過(guò)分析建立起一個(gè)能夠在一定程度上描述原通信系統(tǒng)的仿真模型，然后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)的數(shù)據(jù)。當(dāng)前系統(tǒng)仿真建模仿真實(shí)驗(yàn)仿真分析結(jié)論分析改建后的系統(tǒng)年實(shí)際系統(tǒng) 仿真系統(tǒng) 通信系統(tǒng)仿真的流程二、通信仿真的一般步驟通信系統(tǒng)仿真一般分成三個(gè)步驟，即仿真建摸、仿真實(shí)驗(yàn)和仿真分析。應(yīng)該注意的是，通信仿真是一個(gè)螺旋式發(fā)展的過(guò)程，因此這三個(gè)步驟可能需要循環(huán)執(zhí)行多次才能夠獲得令人滿意的仿真結(jié)果。1． 仿真建模仿真建摸是根據(jù)實(shí)際通信系統(tǒng)建立仿真模型的過(guò)程，它是整個(gè)通信仿真過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵步驟，因?yàn)榉抡婺Ｐ偷暮脡闹苯佑绊懼抡娴慕Y(jié)果以及仿真結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。仿真模型是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的一種模擬和抽象，但又不是完全的復(fù)制。仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡(jiǎn)單性。在仿真建模過(guò)程中，可以先建立一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的仿真模型，然后再根據(jù)方針結(jié)果和仿真過(guò)程的需要逐步增加仿真模型的復(fù)雜度。仿真模型一般是一個(gè)數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型有許多種分類方式，包括確定性（Deterministic）模型和隨機(jī)(Stochastic)模型，靜態(tài)(Static)模型和動(dòng)態(tài)(Dynamic)模型。在仿真建模過(guò)程中，首先需要分析實(shí)際系統(tǒng)存在的問(wèn)題或設(shè)立系統(tǒng)改造的目標(biāo)，并且把這些問(wèn)題和目標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)變量和公式。有了這些具體的仿真目標(biāo)之后，下一步是獲取實(shí)際通信系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)。2． 仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)或一系列對(duì)仿真模型的測(cè)試。在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號(hào)的數(shù)值，以觀察和分析仿真模型對(duì)這些輸入信號(hào)的反應(yīng)，以及仿真系統(tǒng)這個(gè)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能。其次，還應(yīng)該明確各個(gè)輸入信號(hào)的初始設(shè)置以及仿真系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)狀態(tài)的初始值。如果需要比較仿真系統(tǒng)在不同參數(shù)設(shè)置下的性能，應(yīng)該使仿真系統(tǒng)在取不同參應(yīng)該一個(gè)需要注意的地方時(shí)，即使仿真過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)中取物，由此得到的仿真結(jié)果并不一定就是準(zhǔn)確的。仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有相同的輸入信號(hào)（或相同的信息輸入信號(hào)），這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。3．仿真分析仿真分析是一個(gè)通信仿真流程中的最后一個(gè)步驟。在仿真分析過(guò)程中，用戶已經(jīng)從仿真過(guò)程中獲得了足夠多的關(guān)于系統(tǒng)性能的信息，但是這些信息只是一些原始數(shù)據(jù)，一般還需要經(jīng)過(guò)數(shù)值分析和處理才能夠獲得衡量系統(tǒng)性能的尺度，從而獲得對(duì)仿真系統(tǒng)性能的一個(gè)總體評(píng)價(jià)。另外一個(gè)需要注意的地方是，即使仿真過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤，由此得到的仿真結(jié)果并不一定就是準(zhǔn)確的。造成這種結(jié)果的原因可能是輸入信號(hào)恰好與仿真系統(tǒng)的內(nèi)部特性相吻合，或者輸入的隨機(jī)信號(hào)不具有足夠的代表性。圖表是最簡(jiǎn)潔的說(shuō)明工具，它具有很強(qiáng)的直觀性，便于分析和比較，因此，仿真分析結(jié)果一般都繪制成圖表形式。以上就是通行仿真的一個(gè)循環(huán)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，仿真分析并不一定意味著通信仿真過(guò)程的完全結(jié)束，如果仿真分析得到的結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，還需要重新修改通信仿真模型，這時(shí)候仿真分析就成為了另外一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始。 Simulink仿真系統(tǒng) Simulink的簡(jiǎn)介Simulink是MATLAB提供的用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建摸、仿真和分析的工具包。Simulink提供了專門用于顯示輸出信號(hào)的模塊，可以在仿真過(guò)程中隨時(shí)觀察仿真結(jié)果。同時(shí)，通過(guò)Simulink的存儲(chǔ)模塊，仿真數(shù)據(jù)可以方便地以各種形式保存到工作區(qū)或文件中，供用戶在仿真結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。根據(jù)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系，Simulink提供3種類型的模塊：連續(xù)模塊、離散模塊和混合模塊。連續(xù)模塊是指輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)發(fā)生連續(xù)變化的模塊，離散模塊則是輸出信號(hào)以固定間隔變化的變化的模塊。混合模塊是根據(jù)輸入信號(hào)的類型來(lái)確定輸出信號(hào)類型的，它既能夠產(chǎn)生連續(xù)輸出信號(hào)，也能夠產(chǎn)生離散輸出信號(hào)。 Simulink的工作環(huán)境當(dāng)采用Simulink進(jìn)行建摸和仿真時(shí)，一般是從Simulink模型庫(kù)中提供的模塊出發(fā)，通過(guò)組合各種模塊來(lái)完成模塊的設(shè)計(jì)。Simulink模型庫(kù)提供了一種模塊的集成環(huán)境，通過(guò)它可以快速地開(kāi)發(fā)各種仿真模型。一、 Simulink模塊庫(kù) 在MATLAB工作區(qū)中輸入“Simulink”并回車，或單擊MATLAB工具欄上的按鈕，就進(jìn)入了Simulink模型庫(kù)。Simulink模型庫(kù)中的仿真模塊組織成一個(gè)三級(jí)樹(shù)型結(jié)構(gòu)，最末級(jí)的每一個(gè)模塊都可以直接加入到自己的仿真模型中。Simulink中的通信仿真模塊庫(kù)由13個(gè)子模塊庫(kù)組成，如下圖所示： 通信仿真模塊庫(kù)其中，本課題用到Source Coding（信源編碼模塊庫(kù)），其包含各種用于實(shí)現(xiàn)抽樣和量化功能的模塊，包括A律壓縮和擴(kuò)展模塊、μ率壓縮和擴(kuò)展模塊、量化編碼器模塊以及差分脈沖編碼調(diào)制模塊等。二、 設(shè)計(jì)仿真模型在MATLAB主窗口或Simulink模型庫(kù)的菜單欄中依次選擇“File”|“New”|“Model”，MATLAB生成一個(gè)空白的仿真模型窗口。在設(shè)計(jì)仿真模型的過(guò)程中，如果Simulink模型庫(kù)中包含了仿真模型所需的模塊，直接把模塊拖到仿真模型中即可。Simulink模型庫(kù)中的模塊一般具有各種才參數(shù)設(shè)置。在仿真窗口再雙擊模塊，彈出該模塊的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，這時(shí)候可以修改模塊中各個(gè)參數(shù)的數(shù)值。通常情況下，仿真模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程就是對(duì)Simulink模型庫(kù)中各個(gè)模塊的一種組合。如果Simulink模型庫(kù)中沒(méi)有所需的模塊，這時(shí)候可以通過(guò)S函數(shù)構(gòu)造自己的模塊，并且把這個(gè)模塊與其它Simulink模塊組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真功能。三、建立子系統(tǒng)在Simulink中，若干個(gè)仿真模塊可以組合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)（Subsystem）,以減少每個(gè)仿真模型窗口中顯示的仿真模塊的數(shù)目。采用子系統(tǒng)的另外一個(gè)好處是可以把復(fù)雜的仿真模型按照功能關(guān)系組織成等級(jí)結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能實(shí)體，這些子系統(tǒng)組合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)功能更強(qiáng)的子系統(tǒng)。Simulink子系統(tǒng)可以按照自底向上的方式進(jìn)行構(gòu)造。即先在同一個(gè)窗口中添加各個(gè)Simulink模塊，當(dāng)模塊的數(shù)目增加到一定的限度時(shí)，可以選中其中若干個(gè)模塊（按住Shift鍵后單擊各個(gè)需要組合的模塊），然后單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出式菜單中選擇Create Subsystem，這時(shí)候就創(chuàng)建了一個(gè)子系統(tǒng)，并且Simulink自動(dòng)為這個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置了輸入輸出端口。在Simulink中，子系統(tǒng)和輸入輸出端口的名稱都可以由我們自行設(shè)置。 Simulink擴(kuò)展工具S函數(shù)一、 什么是S函數(shù)S函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)(System Function) 的簡(jiǎn)稱，是指采用非圖形化的方式（即計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，區(qū)別于Simulink的系統(tǒng)模塊）描述的一個(gè)功能塊。在很多情況下，Simulink模型庫(kù)（Simulink