PCM編碼器設(shè)計(jì)

1、通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目： PCM編譯碼器設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)：13電信科技2班 姓 名： zmd 學(xué) 號(hào)：1307080714241 指導(dǎo)教師： 彭文娟 【摘要】 脈沖編碼調(diào)制PCM是將模擬信號(hào)變換成二進(jìn)制信號(hào)的最基本和最常用的編碼方式，它不僅用于通信領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、遙控遙測(cè)、數(shù)字儀表、廣播電視等許多領(lǐng)域。利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，仿真實(shí)現(xiàn)一個(gè)PCM編碼與解碼系統(tǒng)。編碼器實(shí)現(xiàn)輸入模擬話音信號(hào)完成PCM技術(shù)的三個(gè)過程：采樣、量化與編碼，解碼器實(shí)現(xiàn)還原原信號(hào)過程。然后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。 關(guān)鍵詞： MATLAB，Simulink仿真平臺(tái)，PCM編

2、譯碼器目錄1 概述11.1課程設(shè)計(jì)的目的11.2課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容11.3課程設(shè)計(jì)的要求12 設(shè)計(jì)原理22.1 硬件框圖22.2 脈沖編碼調(diào)制PCM22.2.1 抽樣32.2.2 量化32.2.3 編碼53 基于Matlab軟件仿真63.1 模擬話音輸入系統(tǒng)框圖63.1.1 部分模塊介紹63.1.2 部分參數(shù)設(shè)置圖73.1.3仿真結(jié)果示意圖133.2 數(shù)字信號(hào)話音輸入系統(tǒng)框圖143.2.1 數(shù)字信號(hào)參數(shù)：143.2.2 仿真結(jié)果：154 性能分析165 結(jié)束語161 概述1.1課程設(shè)計(jì)的目的 脈沖編碼調(diào)制PCM是模/數(shù)變換中最基本和最常用的編碼方式，結(jié)合老師所教學(xué)的通信原理教程課程，培養(yǎng)我們的實(shí)際

3、動(dòng)手能力。通過這次通信原理課程設(shè)計(jì)，對(duì)PCM編碼和譯碼的原理及其性能有更深的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步的了解MATLAB軟件的使用，也鍛煉了我們?cè)趯?shí)際問題的解決中會(huì)更加的細(xì)心。利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái),對(duì)該設(shè)計(jì)中涉及的編碼器和譯碼器中使用到的模塊進(jìn)行調(diào)試、仿真和分析。1.2課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容仿真實(shí)現(xiàn)PCM編碼器和譯碼器。利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)PCM編碼和譯碼系統(tǒng)。要使編碼器實(shí)現(xiàn)輸入模擬話音信號(hào)完成PCM技術(shù)的三個(gè)過程：采樣、量化與編碼，解碼器實(shí)現(xiàn)還原原信號(hào)過程。然后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。1.3課程設(shè)計(jì)的要求 1、學(xué)會(huì)并運(yùn)用MAT

4、LAB集成軟件下的Simulink仿真平臺(tái)，構(gòu)建硬件原理框圖，掌握PCM的編碼和譯碼的原理； 2、掌握PCM編碼的三個(gè)基本過程：抽樣、量化、編碼。將輸入的模擬語音信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字通信系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸。并觀察輸出波形； 3、掌握解碼還原原信號(hào)過程，觀察輸出波形； 3、根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。 2 設(shè)計(jì)原理2.1 硬件框圖編碼量化抽樣低通濾波話音輸入信道編碼量化抽樣低通濾波話音輸入圖2-1 PCM系統(tǒng)原理框圖2.2 脈沖編碼調(diào)制PCM 脈沖編碼調(diào)制PCM主要包括抽樣、量化與編碼3個(gè)過程。抽樣是把連續(xù)時(shí)間的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)；量化是把離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信

5、號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間離散幅度的數(shù)字信號(hào)；編碼是用二進(jìn)制代碼來表示量化后的抽樣信號(hào)。 圖2.2.2 模擬信號(hào)數(shù)字化過程2.2.1 抽樣模擬信號(hào)通常是在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)。在一系列離散點(diǎn)上，對(duì)這種信號(hào)抽取值稱為抽樣。理論上，抽樣過程可以看做周期性單位沖激脈沖和此模擬信號(hào)相乘。抽樣定理：若一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)的最高頻率小于，則以時(shí)間間隔為的周期性沖激脈沖對(duì)其抽樣時(shí)，將被這些抽樣值所完全確定?；謴?fù)原信號(hào)的條件是,即抽樣頻率應(yīng)不小于。這一最低抽樣頻率稱為奈奎斯特抽樣速率。與此相應(yīng)的最小抽樣時(shí)間間隔稱為奈奎斯特抽樣間隔。 2.2.2 量化模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化，由于均勻量化的主要缺點(diǎn)是，無論抽樣值大

6、小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。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，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(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u壓縮律和A壓縮律。A律具有如下特性： 由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，常使用13折線法編碼。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

7、用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。圖2-3示出了這種壓擴(kuò)特性。圖2-3 13折線曲線下表是13折線法和A=87.6時(shí)的A律壓縮法的比較表2-1i87654321001/82/83/84/85/86/87/81A律x值01/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.98113折線法01/1281/641/321/161/81/41/21折線段號(hào)12345678折線斜率161684211/21/42.2.3 編碼編碼是用二進(jìn)制代碼來表示量化后的抽樣信號(hào)，編碼的逆過程稱為譯碼。理論上，任何一種從量化電平值到二進(jìn)制碼組的一一映射都可以作為一種編碼。有不同的編碼方法可以將量化電

8、壓編碼。常用的編碼有兩種，即自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼。由于折疊二進(jìn)制碼可以大大簡(jiǎn)化編碼電路和編碼過程，且誤碼對(duì)于小電壓的影響較小，對(duì)小信號(hào)有利；另外，語音信號(hào)小電壓的出現(xiàn)概率較大，所以采用折疊碼有利于減小語音信號(hào)的平均量化噪聲。在13折線法中，采用的折疊碼有8位,分別為：第一位:表示量化值的極性正負(fù)。第二四位（）：表示段落碼，共計(jì)3位?？梢员硎?種斜率的段落；最后4位（）為段內(nèi)碼，可以表示每一段落內(nèi)的16種量化電平。段內(nèi)代表的16個(gè)量化電平是均勻劃分的。所以，最后7位碼總共能表示27=128種量化值。表2-2和表2-3給出了段落碼和段內(nèi)碼的編碼規(guī)則。段落序號(hào) 段落碼 811171106101

9、51004011301020011000 量化間隔段內(nèi)碼15111114111013110112110011101110101091001810007011160110501014010030011200101000100000 表2-2 段落碼的編碼規(guī)則 表2-3 段內(nèi)碼的編碼規(guī)則在上述編碼中，雖然段內(nèi)碼是按量化間隔均勻編碼的，但是因?yàn)楦鱾€(gè)段落的斜率不等，長(zhǎng)度不等，故不同段落的量化間隔是不一樣的。其中第1段和第2段最短，斜率最大，其橫坐標(biāo)x的歸一化動(dòng)態(tài)范圍只有1/128；再將其等分為16小段后，每一小段的動(dòng)態(tài)范圍只有(1/128)*(1/16)=1/2048。這就是最小量化間隔。第8段最長(zhǎng)，

10、其橫坐標(biāo)x的動(dòng)態(tài)范圍為1/2；將其16等分后，每段長(zhǎng)度為1/32。假若采用均勻量化而仍希望對(duì)于小電壓保持有同樣的動(dòng)態(tài)范圍1/2048，則需要用11位的碼組才行?，F(xiàn)在采用非均勻量化，只需要7位就夠了。3 基于Matlab軟件仿真3.1 模擬話音輸入系統(tǒng)框圖3.1.1 部分模塊介紹1.信源(Chirp)：把消息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備；2.模擬低通濾波器(Analog Filter Design)：低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過的電子濾波裝置；3.矩形脈沖序列(Pulse Generator)：用來發(fā)生信號(hào)的系統(tǒng)。由于產(chǎn)生和傳輸單位沖激函數(shù)難以實(shí)現(xiàn)，因此采用矩形脈

11、沖抽樣。4.相乘器(Product)：一種完成兩個(gè)互不相關(guān)的模擬信號(hào)相乘作用的電子器件。通過相乘器使語音信號(hào)與矩形脈沖序列相乘，從而獲得時(shí)域離散信號(hào)，這個(gè)過程就是信號(hào)抽樣。5.A律壓縮器(A-Law Compressor)：用以減少數(shù)字信號(hào)的冗余度，提高數(shù)字信號(hào)的有效性。由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，常使用13折線法編碼近似表示A壓縮律。6. 量化器 (Quantizer)：將抽樣值的范圍劃分為M個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間用一個(gè)電平去表示。這樣，共有M個(gè)離散電平，稱為量化電平，用這M個(gè)量化電平表示連續(xù)抽樣值的方法稱為量化。7. 編碼器 (Uniform Encoder)：將量化后的信號(hào)編成適合于信道傳輸?shù)男盘?hào)

12、。8. 環(huán)滯比較器 (Relay)：將高低電平固定，使其波形波動(dòng)不要過大，影響最后輸出的波形。9. 譯碼器 (Uniform Decoder)：將從信道傳輸出來的信號(hào)進(jìn)行解碼；10.A律擴(kuò)展器 (A-Law Expander)：將解碼后的信號(hào)量化值進(jìn)行擴(kuò)展。11.零階保持器 (Zero-Order Hold)：還原原信號(hào)，轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號(hào)。3.1.2 部分參數(shù)設(shè)置圖Chirp模塊：Analog Filter Design 模塊： Pulse Generator 模塊：Product 模塊：A-Law Compressor 模塊：Quantizer 模塊：Uniform Encoder 模塊：Un

13、iform Decoder 模塊：Relay 模塊：A-Law Expander 模塊：Zero-Order Hold 模塊：3.1.3仿真結(jié)果示意圖編碼結(jié)果：譯碼結(jié)果：3.2 數(shù)字信號(hào)話音輸入系統(tǒng)框圖3.2.1 數(shù)字信號(hào)參數(shù)：3.2.2 仿真結(jié)果：編碼結(jié)果：譯碼結(jié)果：4 性能分析通過仿真軟件構(gòu)建的框圖中的示波器可直觀觀察到，模擬信號(hào)的PCM編碼和數(shù)字信號(hào)的PCM編碼、譯碼的波形光滑，與理想狀態(tài)相比較，基本無誤差。而觀察到的模擬話音信號(hào)的PCM譯碼波形圖，可看出經(jīng)PCM編譯碼后的模擬信號(hào)與原信號(hào)存在較小誤差，波形不夠光滑，波峰出現(xiàn)少許平緩。產(chǎn)生誤差的原因：由于無窮內(nèi)插公式和許多高頻分量而混入了

14、輸入噪聲，導(dǎo)致輸出波形不夠光滑，出現(xiàn)少許平緩。5 結(jié)束語 這次通信原理的課程設(shè)計(jì)歷時(shí)很長(zhǎng)，在這個(gè)過程中，讓我感到忙碌與緊張。不過讓我收獲良多，首先讓我更清楚的了解到脈沖編碼調(diào)制PCM編碼器與譯碼器的原理。脈沖編碼調(diào)制PCM是模/數(shù)變換中最基本和最常用的編碼方式，結(jié)合老師所教學(xué)的通信原理課程，掌握了PCM技術(shù)的三個(gè)過程：抽樣、量化、編碼，同時(shí)還培養(yǎng)了我們的實(shí)際動(dòng)手能力。也讓我們小組從開始的完全沒有頭緒和沒有思路，到通過圖書館查閱書籍，經(jīng)過小組的討論，慢慢了解了這次課程設(shè)計(jì)的思路。另一方面，我們還自學(xué)了MATLAB軟件，剛開始下載了這個(gè)軟件讓我們很頭疼，因?yàn)樗怯⑽陌姹荆耙矝]有接觸過。我們通過書籍和咨詢了了解該軟件的同學(xué)，慢慢摸索了該軟件的使用方法，以及如何利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái)去構(gòu)建框圖。這次學(xué)習(xí)過程中，我們遇到了很多小問題，但是并沒有打擊到我們小組的信心，我們?cè)俳釉賲柤由闲〗M成員之間的團(tuán)結(jié)，一一解決了這些小的問題。提高了我們對(duì)遇到問題時(shí)的理解能力、分析能力和解決能力。然后在團(tuán)隊(duì)合作中，我們分工明確，有自己的定位。讓自己在這次的團(tuán)隊(duì)合作中更加的認(rèn)識(shí)自己，加強(qiáng)和鞏固自己知識(shí)點(diǎn)；也讓自己充分的融入集體，展示自己更優(yōu)秀的方面。感謝通信原理老師給我們這次鍛煉自己的機(jī)會(huì)，更加的理解課本知識(shí)，將所學(xué)