通信原理课程设计【基于Matlab】

西 南 石 油 大 学 通信原理课程 课 程： 通信原理 题 目：新型模拟调制和数字带通调制技术 院 系： 电子信息学院 专业年级： 通信工程2007级 姓 名： 张 伟 学 号: 0707050133 指导教师： 郑 勉 2010年6月17日 一、课程设计的目的 通过自主设计，加深对PCM编码的了解，巩固课堂所学知识。同时在熟悉MATLAB基础上应用simulink仿真PCM编码器，通过反复调试和理解，基本掌握该仿真软件的使用。更重要的是，在设计中培养自主创新意识和动手能力，建立起良好的工作习惯和科学素养。 二、程设计的的内容 利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM编码器，用示波器观察输入波形和编码波形，最后结合理论对比波形得出结论。 三、课程设计 1、熟悉matlab环境下的Simulink仿真平台，熟悉PCM编码原理，构建PCM编码电路图。 2、对模拟信号进行采样量化编码，建立仿真模型，分析编码仿真波形。 3、技术要求：模拟信号频率最高限制在4KHz内。 基于MATLAB的模拟调制和数字带通调制技术 具体内容: 基于MATLAB的PCM编码器仿真 作者：张伟 (西南石油大学电信院通信工程2007级) 指导教师： 郑 勉 收稿日期： 2010 年 6 月 22 日 【 摘 要】PCM脉冲编码调制是Pulse Code Modulation的缩写。PCM编码广泛应用于数字音频信号的处理。模拟信号数字化必须经过三个过程，即抽样、量化和编码，以实现话音数字化的脉冲编码调制。在熟悉和掌握PCM编码过程及原理基础上，然后利用MATLAB进行具体仿真，并观察分各主要波形。 【关键词 】 MATLAB仿真 PCM 编码器的Simulink实现 Title ：On the basis of matlab and figures with mixed with modulation technology Contents：pcm encoder simulation based on Matlab Author ： zhang wei（SWPU telecom institute communication engineering 2007） Instructor: zheng mian Date of handed up: 22/6/2010 [Abstract]Pcm pulse code modulation, a pulse code modulation the pcm code widely used in the digital audio signal that the analog signals. after three processes must be digitized, sampling, quantizing and coding, to make digital pulse code modulation voice. the encoding process and the pcm and principles, and then using matlab a concrete simulation and observe a major wave. [Key words] Matlab sampling PCM Simulink implementation of the encoder 【正文】 1​ MATLAB仿真简介 利用MATLAB 提供的可视化工具Simulink 可以建立了扩频通信系统仿真模型。Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。 2​ PCM原理 PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化PCM编码。 原理方框图: PCM原理方框图 1）​ 抽样（quantizing） 所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。 2）​ 量化（emulation） 从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号 较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。 非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（实际中常常是这样）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值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量化信噪比。 实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是 压缩律和A压缩律。美国采用 压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。 所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律： ， 。 A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，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。 3）​ 编码（encoding） 所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。 在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。 段落序号 段落码 量化级 段内码 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 表1段落码 表2 段内码 在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成27＝128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表1所示；段内码与16个量化级之间的关系见表2。 数字压扩技术：一种通过大量数字电路形成的若干折线，并用这些折线来近似A律或u律压扩特性，从而达到压扩目的方法，即对数压扩特性的折线近似法。 折线压扩特性：既不同于均匀量化直线，又不同于数压扩特性的光滑曲线。总的来说用折线压扩特性是非均匀量化的，但他既有均匀量化，又有非均匀量化。 常用的两种数字压扩技术：（1）A律13折线压扩------13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性；（2）u律15折线压扩-----15折线近似逼近u=255的u律压扩特性。 采用折线压扩的特点：基本上保持了连续压扩特性的优点，又便于数字电路的实现。 实际中常用A律13折线近似。 二进制码可以经受较高噪声电平扰，并易于再生，因此PCM中一般采用二进制码。对于Q个量化电平，可用K位二进制表示，其中每一种组合称为一个码字。对于点对点间的通信或近距离通信，采用K=7位码已基本能满足要求。而对于干线远程的全网通信，有较高的质量要求，目前国际上多采用K=8位的二进制码。 码型是指量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出对应码字，这种对应关系就称为码型。在PCM中国常用的码字有自然二进制码，折叠二进制码和格雷码。 3​ PCM 编码器的Simulink实现 Matlab的Simulink工具箱是本文所使用的Simulink环境下的PCM通信系统图，各个功能器件简单介绍如下： PCM通信编码原理图 1）信源 在通信系统中假定我们仅用来传送语音信号，因语音信号的频带范围为300Hz．3400Hz，为了更好的体现人的语音的频率的变化以及观察所采用的系统对语音频带范围内的信号恢复程度，我们采用了Chirp函数。Chirp函数是其频率时间线性增长的函数，在雷达系统中 这样的信号称为线性调频信号，并用专用词汇Chirp表示。 2）矩形脉冲序列 由于产生和传输单位冲激函数难以实现，因此实际中通常采用矩形脉冲抽样，根据CCITT标准，留一定的防卫带则采样频率f =8000Hz，T=1／8000=125μs用占空比为50％ 的矩形脉冲序列。 3）相乘器 通过相乘器使语音信号与矩形脉冲相乘从而获得时域离散信号，此即信号的抽样过程。 4) A律压缩 我国和欧洲采用目前CCITT建议的A律曲线： ， 。 式中：x为输入信号幅度，归一化成一1≤x≤1；sgn(x)为x的极性。通常取A =87．6。由于实现困难，因此工程上通常用十三折曲线来近似地表示A律曲线。 5)均匀量化和编码 根据语音信号的统计结果：在信号动态范围≥40dB的情况下信噪比不应低于26dB。因此用8位量化器，量化间隔为125μs。 6) 编码器 编码器是将量化后信号编成适合信道传输的信号。 按照采样定理的要求选择采样频率，即fs ≥2fh ，但考虑到信号的频谱不是锐止的，最高截止频率以上还有较小的高频分量，为此可选 fs=(3-4)fc 。本课题中要求模拟信号的最高限制在4KHz 内，假定信号的最高频率为4000Hz。 设计内容： （1）​ 正弦波模块和示波器模块 正弦仿真电路 正弦波参数设置如下： 系统内示波器显示波形： 单正弦波与平方波的对比 结论：两正弦波叠加后周期减半，频率加倍。 （2）​ PCM编码器设计 13折线的近似PCM编码器测试模型和仿真结果 测试模型和仿真结果如上所示，其中以saturation作为限幅器，将输入信号幅度限制在定义范围内，以A-Low Compressor作为压缩器，Relay模板的门限值设为0，其输出即可作为PCM编码的最高位—极性码。样值取绝对值后，用增益模块将其扩大到0—127，然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取舍，最后将其编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。 具体设置如下： a. A-Low Compresso b.Abs c. Relay d.Gain e.Quantizer f.Integer to bit converter g.Display h.Mux i.Saturation 封装后的PCM子系统 图标为： (3)波形观察 在上述PCM通信编码原理图中的A.B处分别添加示波器Scope2和 Scope1.按要求（通带截止频率 fp=4000Hz，通带最大衰减αp=0．1dB，阻带截止频率αp=12KHz，阻带最小衰减αs=60dB。经计算滤波器的阶数是5阶）设置参数后，对各点波形进行观察。图示如下： A点 B点 4​ 设计总结 本次课程设计中，主要问题是MATLAB的Simulink仿真平台的应用。因为采用的事matlab7.0英文版，所以在操作时遇到很多困难，很多时候采用百度对其进行翻译和功能了解，并且在参数设置上也遇到了很多问题，解决办法是反复修改、调试。虽然结果亦不甚完美，但总体上还算比较成功。通过本次设计，我们不仅加深理解和巩固了理论课上所学习的有关PCM编码的基本概念、基本理论和基本方法，而且锻炼了分析和解决问题的能力；同时对位我们进行了良好工作习惯和科学素质的培养，为以后参加科学工作打下基础。 【参考文献】 《MATLAB 仿真应用详解 》 人民邮电出版社 《 通信原理》 （第6版） 樊昌信 曹丽娜 国防工业出版社 《电子技术基础》 数字部分（第五版）康光华 邹寿彬 等 高等教育出版社