【正文】 基礎(chǔ)。數(shù)字信號(hào)因其易于存儲(chǔ)和傳輸，并且沒(méi)有累積失真等數(shù)字的高品質(zhì)而被廣泛應(yīng)用。根據(jù)仿真結(jié)果分析找出了相對(duì)最優(yōu)的系統(tǒng)配置方案 ， 為實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)。 5月 21日 —— 6月 15日：撰寫(xiě)、修改畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備并完成答辯。 五、畢業(yè)論文﹙設(shè)計(jì)﹚應(yīng)收集資料及參考文獻(xiàn)： 閱讀和學(xué)習(xí)關(guān)于 PCM系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)資料，參閱的外文文獻(xiàn)不少于 3篇。重點(diǎn)運(yùn)用在語(yǔ)音傳輸，并且在數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信 當(dāng)中得到了廣闊的運(yùn)用。因此，選擇PCM系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。 六、畢業(yè)論文﹙設(shè)計(jì)﹚的進(jìn)度安排： 1月 10日─ 3月 20日：查閱資料，完成外文翻譯原文和開(kāi)題報(bào)告。 指 導(dǎo) 教 師 系 (教 研 室 ) 系 (教研室 )主任簽名 批 準(zhǔn) 日期 接受論 文 (設(shè)計(jì) )任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名 II PCM 系統(tǒng)的仿真與分析 劉龍娟 （陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院 通信工程專(zhuān)業(yè) 2020級(jí) 3班，陜西 漢中 723003） 指導(dǎo)教師：魏瑞 [摘要 ] 脈沖編碼調(diào)制 (PCM)是將模擬語(yǔ)音信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的一種方式。 [關(guān)鍵詞 ] MATLAB； Simulink 仿真平臺(tái)；脈沖編碼調(diào)制（ PCM） Analysis of the PCM system performance Liu Longjuan (Grade 2020,Class3,Major of CommunicationEngineering ,Dept of Electrinics and Information EngineeringShaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi) Tutor:Wei Rui Abstract： Pulse Code Modulation (PCM) is a way of changing the analog voice signal into a digital signal . The PCM system was designed in the Simulink simulation environment, including PCM coding and decoding module, digital modem module. The PCM codec module constructed in three segments inner code was to be the digital modem, A subsystem including BPSK, channel and filter was ,the BER and spectrum of the three coding system was system configuration was to be found based on the simulation results, it provides a theoretical basis for the practical application. Key words： MATLAB。在語(yǔ)音信號(hào)的領(lǐng)域中，數(shù)字化的語(yǔ)音傳輸和存儲(chǔ)，不論其在可靠性，抗干擾性，速交換，易保密和廉價(jià)格等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬語(yǔ)音信號(hào)。 60 年代它開(kāi)始應(yīng)用于市內(nèi)電話網(wǎng)以便擴(kuò)充容量，使已有音頻電纜的大部分芯線的傳輸容量擴(kuò)大 24～ 48 倍。 而數(shù)字信號(hào)是稱(chēng)為 PCM 即脈沖編碼調(diào)制，它對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的。中國(guó)采用的是歐洲的標(biāo)準(zhǔn) E1。脈沖編碼調(diào)制的音頻格式也是被 DVDA 所采用，它支持立體聲和 環(huán)繞聲， 1999 年由 DVD 討論會(huì)發(fā)布和推出。其原因在于以下兩點(diǎn)： (1) 任何脈沖編碼調(diào)制數(shù)字音頻系統(tǒng)都需要在輸入端設(shè)置急劇升降的濾波器，僅僅讓 20Hz 到 的頻率通過(guò)（高端 是由于 的一半頻率而確定）。與模擬通信相比，數(shù)字通信具有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為了現(xiàn)在通信的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。第一步為 ―抽樣 ‖，就是對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行離散化，通常是以相等的時(shí)間間隔來(lái)抽取模擬信號(hào)的樣值。 數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字網(wǎng)進(jìn)行傳輸。我最終選擇了 在利用 matlab下進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。 第三部分是 PCM系統(tǒng)仿真模塊的總體設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)了在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題及最終解決辦法，感謝老師在整個(gè)過(guò)程中對(duì)自己的督促及幫助。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求： ? 實(shí)現(xiàn)三種不同段內(nèi)碼的 PCM 系統(tǒng)的仿真并觀測(cè)調(diào)制解調(diào)過(guò)程中觀察各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)域和頻域的波形； ? 結(jié)合三種不同信道環(huán)境對(duì)比三種不同段內(nèi)碼的 PCM 系統(tǒng)的頻譜特點(diǎn)與誤碼率情況； ? 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。經(jīng)實(shí)踐表明， FPGA 可以有效地運(yùn)用于 PCM 高碼速率場(chǎng)合。 ? FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／ O 引腳。 FPGA 設(shè)置其工作狀態(tài)是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM 進(jìn)行編程。 FPGA 的編程不需要專(zhuān)用的編程器，只須用通用的EPROM、 PROM 編程器即可。 利用 FPGA 開(kāi)發(fā)時(shí)，所用軟件 為 Quartus II。在 Quartus II上可以完成設(shè)計(jì)輸入、布線布局（適配）、 HDL 綜合、仿真、下載和硬件測(cè)試等流程，它提供了一種與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。該環(huán)境具有良好的交互界面，通過(guò)分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個(gè)可視的仿真過(guò)程，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅在工程上得到應(yīng)用，在教學(xué)領(lǐng)域也得到認(rèn)可，尤其在信號(hào)分析、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。仿真基本框圖如圖 所示： 圖 PCM 原理框圖 軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn) PCM 系統(tǒng)仿真 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)仿真技術(shù)在電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，而信號(hào)級(jí)系統(tǒng)仿真軟件 SystemView 的出現(xiàn)則標(biāo)志著仿真技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用達(dá)到了一個(gè)新的水平。不用寫(xiě)一行代碼即可建立用戶的子系統(tǒng)庫(kù)（ MetaSystem）。 由 PCM 編譯碼原理框圖可知，輸入端經(jīng)過(guò)一個(gè)晶振和一個(gè)分頻器 1 得出的 信號(hào)在經(jīng)過(guò)一個(gè)分頻器 2，然后進(jìn)行信號(hào)抽樣后輸出，此后，幀同步信號(hào)進(jìn)入幀同步產(chǎn)生器然后進(jìn)入復(fù)接器，正弦信號(hào)源 ＡＢ 分別進(jìn)入兩個(gè) PCM 編碼器進(jìn)行編譯得到源基帶信號(hào) ]7[ 。 Simulink 用其可以建立動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，以直觀的方式建模比較，分層次的表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)，不受軟件本身的影響。 軟件介紹 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 是一種具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能的解釋性執(zhí)行語(yǔ)言。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 FORTRAN， C 等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)便的多，并且 Mathworks 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。 MATLAB 被稱(chēng)為第四代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來(lái)。 Simulink 介紹 Simulink 工具是 MATLAB 軟件提供的可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的軟件包， Matlab 重點(diǎn)運(yùn)用在控制設(shè)計(jì)、工程的計(jì)算、金融建模分析和設(shè)計(jì)、檢測(cè)信號(hào)、處理圖像、信號(hào)通訊和處理等方面。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink 是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。 Simulink 的特點(diǎn)： ? 豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)。 ? 圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為。 ? 可訪問(wèn) MATLAB 從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定義信號(hào)參數(shù)，定制建模環(huán)境和測(cè)試數(shù)據(jù)。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。這個(gè)抽樣值仍是模擬量。這樣，每個(gè)二進(jìn)制碼組就代表一個(gè)量化后的信號(hào)抽樣值?？梢?jiàn)，如果讓開(kāi)關(guān)受一個(gè)窄脈沖串（序列）的控制，則脈沖出現(xiàn)時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，則脈沖消失時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此輸出 y(t)就是一個(gè)幅值變化的脈沖串（序列），每個(gè)脈沖的幅值就是該脈沖出現(xiàn)時(shí)刻輸入信號(hào) f(t)的瞬時(shí)值，因此， y(t)就是對(duì) f(t)抽樣后的信號(hào)或稱(chēng)樣值信號(hào)。常稱(chēng)為重建電平或量化電平。這種失真在接收端還原模擬信號(hào)是表現(xiàn)為噪聲，稱(chēng)為量化噪聲。因此，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣的話化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。對(duì)于信號(hào)取值大的區(qū)間，其量化間隔也大；反之，量化間隔就小。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。在實(shí)際中，往往采用近似于 A 律函數(shù)規(guī)律的 13 折線（ A=）的壓擴(kuò)特性。表 列出了 13 折線時(shí)的 x 值與計(jì)算 x 值的比較 ]9[ 。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。 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。下面結(jié)合 13折線的量化來(lái)加以說(shuō)明。其于四位表示段內(nèi)碼，它的 16 種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的 16 個(gè)均勻劃分的量化級(jí)。目前最常見(jiàn)的二進(jìn)制碼組有三類(lèi)，分別為：二進(jìn)制自然碼（ NBC）、格雷二進(jìn)制碼（ RBC）和折疊二進(jìn)制碼組（ FBC）。 格雷碼的特點(diǎn)是任何相鄰電平的碼組，只有一位碼發(fā)生變化。如果第一位碼發(fā)生變化，自然碼解碼后，引起的幅度誤差是信號(hào)最大幅度的一半，這樣會(huì)使恢復(fù)出的模擬電話信號(hào)出現(xiàn)明顯的誤碼噪聲，在小信號(hào)時(shí)這種噪聲尤為突出。由于語(yǔ)音信號(hào)中小信號(hào)出現(xiàn)的概率大，所以從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看，折疊碼產(chǎn)生的均方誤差功率小。 譯碼 譯碼也就是 將 8 位二進(jìn)制還原為原來(lái)的十進(jìn)制的量化電壓，過(guò)程剛好與編碼相反。 7/12 變換電路：將 7 位非線性碼轉(zhuǎn)換為 12 位線性碼，在編碼器的本地譯碼器中采用 7/11 位碼變換，使得量化誤差有可能大于本段落量化間隔的一半。 信源的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始的電信號(hào)，比如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可以看成是信源。 在接收端，接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理可知抽樣頻率應(yīng)大于等于模擬信號(hào)最高頻率的 2 倍。參數(shù)設(shè)置中的取樣時(shí)間間隔為信號(hào)的取樣時(shí)間間隔 。本設(shè)計(jì)中此模塊的門(mén)限值設(shè)為 0，其輸出即可作為 PCM 編碼輸出的最高位，也就是極 性碼，當(dāng)抽樣值為正值時(shí)就輸出 1，為負(fù)值時(shí)就輸出 0。本設(shè)計(jì)中由于輸入信號(hào)幅度限制在 [1,+1],因此為了便于編碼將 Gain 的增益參數(shù)設(shè)為 127。本設(shè)計(jì)中由于量化值最大為 127，因此此模塊參數(shù)設(shè)為 7，即將十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為 7 位二進(jìn)制數(shù)值。 Buffer：緩沖器。 圖 13 折線近似的 PCM 解碼器測(cè)試模型 其中各個(gè)模塊的功能和參數(shù)設(shè)置如下： Demux：分離器，它的作用是將復(fù)用的多路信號(hào)分離出來(lái)。 Relay：繼電模塊，它的作用是確定信號(hào)的極性。 ALaw Expander： A 率擴(kuò)展器，它的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行 A 率擴(kuò)展，此模塊中 A 設(shè)為 。它的作用是得到回復(fù)原始的模擬信號(hào)。自然二進(jìn)制在高斯信道下總體搭建模塊如圖 所示： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 自然二進(jìn)制 PCM 系統(tǒng)總體模塊 首先觀察無(wú)噪音影響下的波形輸出，高斯信道設(shè)置參數(shù)， 讓誤碼率顯示為 0 即可。 仿真后的頻譜圖如圖 所示： （ a）原始波形