【正文】 課程設(shè)計(jì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 評(píng)分項(xiàng)目 得分 報(bào)告書(shū)寫(xiě) 及格式 具有題目、摘要、目錄、正文、參考文獻(xiàn)（ 5 分） 正文格式，圖、表、參考文獻(xiàn)引用等正確，排版美觀（ 5 分） 基礎(chǔ)原理 報(bào)告中是否體現(xiàn)被仿真系統(tǒng)的原理以及原理框圖（ 5 分） 仿真目的，仿真方法，仿真結(jié)果的意義表述清楚（ 5 分） M 文件仿真 做出信源，調(diào)制信號(hào)，解調(diào)信號(hào)波形（ 10 分） 仿真參量豐富（如對(duì)頻譜，信噪比，誤碼率等的分析），仿真波形直觀。（ 10 分） Simulink 仿真 是否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，各 個(gè)模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)是否清晰（ 10 分） 框圖直觀，有對(duì)不同參數(shù)條件下的仿真對(duì)比及結(jié)論（ 10 分） 仿真參量豐富（如對(duì)頻譜，信噪比，誤碼率等的分析），仿真波形直觀。（ 10 分） 答 辯 是否存在抄襲（ 10 分） 對(duì)所仿真系統(tǒng)原理的提問(wèn)回答情況（ 10 分） 對(duì)仿真過(guò)程提問(wèn)的回答情況（ 10 分） 總分 1 課程設(shè)計(jì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) .... 0 基于 MATLAB/SIMULINK 的 PCM 編碼的研究與仿真 ....... 2 摘 要 ......................................................................... 2 ABSTRACT ................................................................... 2 1 背景知識(shí) .................................................................... 3 PCM 原理及仿真 ................................................................. 3 脈沖編碼調(diào)制 .............................................................. 3 PCM 編碼原理 .............................................................. 4 2 M 文件仿真 ................................................................. 8 3 SIMULINK 仿真 ......................................................... 12 原始模擬信號(hào)電路圖及仿真圖 .......................................... 12 PCM 編碼器電路設(shè)計(jì) ......................................................... 14 PCM 解碼器 電路設(shè)計(jì) ......................................................... 20 4 心得體會(huì) ................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ..................................................................... 24 2 基于 MATLAB/simulink的 PCM 編碼的研究與仿真 摘 要 本設(shè)計(jì)結(jié)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(duì)脈沖編碼調(diào)制（ PCM）系統(tǒng)的建模與仿真分析。即 學(xué)習(xí)通過(guò)利用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)模型的基本方法和基本技能，學(xué)習(xí)會(huì)利用仿真的手段對(duì)通信系統(tǒng)的基本理論和基本算法進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)習(xí)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(wèn)題。 關(guān)鍵詞 ：脈沖編碼調(diào)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 pletion of the pulse code modulation (PCM) modeling and simulation analysis basic method is to establish the model of munication system of learning through the use of puter and basic skills, learning by means of simulation of munication system of basic theory and basic algorithm are basic method of using munication system simulation software to learn of the existing, to solve munication problems using Matlab software. Keywords: pulse code modulation (PCM) with uniform and nonuniform quantization in MATLAB simulation 3 1 背景知識(shí) PCM 原理及仿真 脈沖編碼調(diào)制就是把一個(gè)時(shí)間，取值連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散，取值離散的數(shù)字信號(hào)后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對(duì)模擬信號(hào)先抽樣，再對(duì)樣值幅度量化，編碼的過(guò)程。 脈沖編碼調(diào)制 脈沖編碼調(diào)制 (pulse code modulation， PCM)是概念上最簡(jiǎn)單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。 PCM的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù) CCITT 的建議，為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為 A 律和μ律方式，我國(guó)采用了 A律方式，由于 A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼 ,下圖為 PCM 系統(tǒng)的原理框圖： 圖中，輸入的模擬信號(hào) m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成 了數(shù)字信號(hào) (PCM 信號(hào) )，經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號(hào) m(t)。通常，將量化與編碼的組合稱(chēng)為模 /數(shù)變換器（ A/D 變換器 )；而譯碼與低通濾波的組合稱(chēng) 4 為數(shù) /模變換器 (D/A 變換器 )。前者完成由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的變換。 PCM 在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能，它的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù) CCITT的建議，為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非 均勻量化，有兩種建議方式，分別為 A 律和μ律方式，我國(guó)采用了 A 律方式，由于 A 律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼 ,采用非均勻量化 PCM 編碼。 PCM 編碼原理 1)抽樣 所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。 在一個(gè)頻帶限制在 （ 0， f h） 內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào) f（ t） ，如果以 1/2 f h 的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣 值就能完全恢復(fù)原信號(hào)?；蛘哒f(shuō)，如果一個(gè)連續(xù)信號(hào) f（ t） 的頻譜中最高頻率不超過(guò) f h，當(dāng)抽樣頻率 f S≥2 f h 時(shí)，抽樣后的信號(hào)就包含原連續(xù)的全部信息。抽樣定理在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意在抽樣前后模擬信號(hào)進(jìn)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 量化，就是把經(jīng)過(guò)抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的 電平 ，把瞬時(shí)抽樣值用最接近 的電平值來(lái)表示。 從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化后，得到已量化的 脈沖 幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。 如下圖所示，量化器輸出 L個(gè)量化值 ky ， k=1， 2， 3，…， L。 ky 常稱(chēng)為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度 x落在 kx 與 1?kx 之間時(shí)，量化器輸出電平為 ky 。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為： ? ?1( ) , 1 , 2 , 3 , ,k k ky Q x Q x x x y k L?? ? ? ? ? ? 5 這里 kx 稱(chēng)為分層電平或判決閾值。通常 kkk xx ??? ?1 稱(chēng)為量化間隔。 圖 11 模擬信號(hào)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(hào)時(shí)，無(wú)論對(duì)大的輸入信號(hào)還是小的輸入信號(hào)一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號(hào)，同時(shí)又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對(duì)話音信號(hào)來(lái)說(shuō)，大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)并不多，增加的樣本位數(shù)就沒(méi)有充分利用。為了克服這個(gè)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(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔 v? 也?。环粗?，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根 值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。 實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是 ? 壓縮律和 A 壓縮律。美國(guó)采用 ? 壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)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： AXAAxy 10,ln1 ???? ， 11,ln1 ln1 ????? XAAAxy 。 模擬入 y x 量化器 量化值 6 由于 A 律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼 , 壓擴(kuò)特性圖如下圖所示： 圖 12 A律函數(shù) 13折線壓擴(kuò)特性圖 這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的 PCM 編碼正是采用這種壓 擴(kuò)特性來(lái)進(jìn)行編碼的。 表 11 13 折線時(shí)的 x 值與計(jì)算 x 值的比較 y 0 81 82 83 84 85 86 87 1 x 0 1281 1 按折線 分段時(shí)的 x 0 1281 641 321 161 81 41 21 1 段落 1 2 3 4 5 6 7 8 斜率 16 16 8 4 2 1 21 41 表 1中第二行的 值是根據(jù) 時(shí)計(jì)算得到的，第三行的 值是 13 折 線分段時(shí)的值?？梢?jiàn)，13 折線各段落的分界點(diǎn)與 曲線十分逼近，同時(shí) 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(hào)變換成代碼，其相反的過(guò)程稱(chēng)為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)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。 7 在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類(lèi)：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類(lèi)。編碼器的種類(lèi)大體上可以歸結(jié)為三類(lèi)：逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無(wú)論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié) 合 13 折線的量化來(lái)加以說(shuō)明。 表 12 段落碼 表 13 段內(nèi)碼 段落序號(hào) 段落碼 量化級(jí) 段內(nèi)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 PCM 編譯碼器的實(shí)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(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時(shí)將 PCM 編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實(shí)現(xiàn)， 在 13 折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按 8 8