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1、1 / 10 引言数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM 是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用，借助于MATLAB 软件，可以直观、方便地进行计算和仿真。因此可以通过运行结果，分析系统特性。MATLAB 是美国 Math Works 公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件， Simulink是 MATLAB 提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Sim
2、ulink 的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于 Simulink 的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于 Simulink 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中，通过仿真展示了PCM 编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。基于 MATLAB 的 SIMULINK仿真模型，能够反映模拟通信系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供强有力的工
3、具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。当然理论与实际还会有很大的出入，在设计时还要考虑各种干扰和噪声等因素的影响。系统介绍1、脉冲编码调制脉冲编码调制 (pulse code modulation，PCM 是概念上最简单、理论上最完善的编码系统，是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统，但也是数据量最大的编码系统。PCM的编精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 10 页2 / 10 码原理比较直观和简单，下图为PCM 系统的原理框图：图中，输入的模拟信号m(t经抽样、量化、编码后变成了数字信号(PCM信号，经信道传输到
4、达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟基带信号m(t。通常，将量化与编码的组合称为模/ 数变换器 ；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器 (D/A 变换器 。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号的变换。PCM在通信系统中完成将语音信号数字化功能，它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表示。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
5、 PCM 编码。2、PCM 编码原理(1 抽样所谓抽样，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。抽样量化编码信道干扰m(t ms(tmsq(t A/D 变换译码低通滤波msq(t m(t 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 10 页3 / 10 (2 量化量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。从数学上来看，量化就是
6、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。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。如下图所示，量化器输出 L个量化值，k=1，2，3， L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为：这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化：用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增
7、加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。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 编码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
8、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 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页6 / 10 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 2
9、 段落码表 3 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27128 个量化级。段落码和8 个段落之间的关系如表 2 所示；段内码与 16 个量化级之间的关系见表3。系统仿真模型以 MATLAB的 Simulink
10、为工具平台，根据PCM 系统的组成原理，在Simulink 模块库中找出相应的模块，选择合适的模块以及设置适当的参数，建立了 PCM 通信系统仿真模型，图示如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页7 / 10 仿真波形信号源的波形PCM 编码的波形精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 10 页8 / 10 PCM 译码时经过 D/A转化并用 A律扩张后的输出波形译码后恢复源信号的输出波形由以上数据波形可以看出在PCM 编码的过程中，译码输出的波形具
11、有一定的延迟现象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢复，传输的过程中实现了数字化的传输过程。总结利用 MATLAB 软件完成了一个完整的PCM 通信系统设计，充分发挥了SIMULINK 功能强大，建模简单，参数易于调整的特点。结果表明，基于SIMULINK仿真模型，能够反映模拟通信系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供了强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。在通信原理的教案过程中,一直注重理论的教案 ,但是深奥的理论难以理解,很有必要以某种可见的、图形化的形式来加深对理论的理解。MATLAB 的引入带来了直观的感受 ,提供了完整的动态
12、系统设计、仿真和可视化的分析环境,可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页9 / 10 统以及各种速率的系统 ,主要用于电路与通信系统的设计和仿真。通过MATLAB 语言对 PCM调制系统的采样、量化、编码的仿真与计算，使得分析PCM 调制系统变得直观简单。参考文献1 徐素妍曹坤梅基于 MATLAB 语言的现代通信仿真分析2 孙学军通信原理教程人民邮电出版社3 李建新刘乃安现代通信系统分析与仿真-MATLAB 通信工具箱西安电子科技大学出版社4 邓华 MATLAB 通信仿真及应用实
13、例讲解人民邮电出版社5 孙屹李妍 MATLAB 通信仿真开发手册国防工业出版社6 邱晓林基于 MATLAB 的动态模型与系统仿真工具西安交通大学出版社设计过程中需解决的问题1、运用 MATLAB 仿真抽样信号的频谱，分析满足不同条件下的抽样情况、验证奈奎斯特抽样定理。不同量化电平情况下的信噪比的计算，对PCM调制系统中的非均匀量化的压扩技术和编码进行仿真与计算。2、必须根据实际情况合理的设计采样频率和抽样脉冲的参数，以防波形的失真，采样频率fs 一定要大于等于2fH 条件。由于在信道传输过程中，各种因素影响，会引起译码波形有一定的延时现象。3、在设计滤波器时 , 要看系统信号源输出信号频率到底
14、是处于在哪个频率范围, 再根据其他参考参数和系统各项技术要求, 决定是要设计哪种类型的滤波器。心得体会本次课程设计在刚开始的过程中由于主要知识掌握不熟透，时间又紧，做起来有些棘精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 10 页10 / 10 手，之后通过向同学询问与去图书馆以及互联网查找资料，我开始慢慢地了解其工作原理, 最终决定用学过的 MATLAB 软件来仿真实现 PCM 的编码过程。通过这次课程设计，充分掌握了PCM 编码的工作原理及PCM系统的工作过程，学会了使用仿真软件 MATLAB的 SIMULINK ，并学会通过应用软件仿真来实现PCM系统的设计，对以后的学习和工作都起到了一定的作用，加强了实践动手能力和学习新知识的技能。总体来说，这次课程设计使我受益匪浅。在摸索该如何设计系统使之实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了系统设计的艰辛同时，更让我体会到成功的喜悦。我想也许时间会让我们忘记我们现在所学的知识，可是我不会忘记这种学习的方法和思维。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 10 页