1、 通信系统仿真设计实训报告1. 课题名称： 基于 MATLAB 的 PCM 系统仿真设计与实现 学生学号： 学生姓名： 所在班级： 任课教师： 2016 年 10 月 25 日 目录1PCM 技术的产生和发展 （3）2 课题设计内容 （4）3 PCM基本原理 （4）3.1 抽样 （4）3.2 量化 （4）3.3 编码 （7）3.4 时分多路复用 （9）4 PCM系统仿真电路设计 （10）4.1 总体设计思想 （10）4.2 各模块的设计和仿真图形分析 （10）4.2.1 PCM编码模块设计 （10）4.2.2 PCM解码模块设计 （14）4.2.3 PCM系统总体模块 （15）5 结 论 （1
2、7）6 参 考 文 献 （18）1PCM 技术的产生和发展脉冲编码调制，由 A.里弗斯于 1937 年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础，60 年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大 2448 倍。到 70 年代中、末期，各国相继把脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。80 年代初，脉码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲“0 码”和“1 码”，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信
3、号进行抽样、量化和编码产生的，称为 PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基地信号，由 PCM 电端机产生，现在的数字传输系统都是采用脉冲编码调制（pulse code modulation）体制。PCM 最初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。PCM 有两种标准（表现形式）即 T1 和 E1。中国采用的是欧洲的 E1 标准。T1 的速率是 1.544Mbit/s， E1 的 速 率 是2.048Mbit/s。 脉 冲 编 码 调 制 可 以 向 用 户 提 供 多 种 业 务 ， 既 可 以 提
4、供 从 2M 到 155M速 率 的 数 字 数 据 专 线 业 务 ， 也 可 以 提 供 话 音 、 图 象 传 送 、 远 程 教 学 等 其 他 业 务 。 特别 适 用 于 对 数 据 传 输 速 率 要 求 较 高 ， 需 要 更 高 带 宽 的 用 户 使 用 。脉冲编码调制是 70 年代末法杖起来的，记录媒体之一的 CD，80 年代初由飞利浦和索尼公司共同推出。脉冲编码调制的音频格式也是被 DVD-A 所采用，它支持立体声和 5.1 环绕声，1999 年由 DVD 讨论会发布和推出的。脉冲编码调制的比特率，从 14-bit 发展到 16-bit、18-bit、20-bit 直到
5、 24-bit；采样频率从 44.1kHz 发展到192kHz。PCM 脉冲编码调制这项技术可以改善和提高的方面则越来越小。只是简单的增加 PCM 脉冲编码调制比特率和采样率，不能根本的改变它的根本问题。其原因是 PCM的主要问题在于：(1) 任何脉冲编码调制数字音频系统需要在其输入端设置急剧升降的滤波器，仅让 20Hz-22.05Hz 的频率通过（高端 22.05kHz 是由于 CD44.1kHz 的一半频率而确定）。(2) 在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器（减低采样频率），在重放时采用多级的内插的数字滤波器（提高采样频率），为了控制小信号在编码时的失真，两者又都需要加入重复定量噪声
6、。这样就限制了 PCM 技术在音频还原时的保真度。为 了 全 面 改 善 脉 冲 编 码 调 制 数 字 音 频 技 术 ， 获 得 更 好 的 声 音 质 量 ， 就 需 要 有新 的 技 术 来 替 换 。 飞 利 浦 和 索 尼 公 司 再 次 联 手 ， 共 同 推 出 一 种 称 为 直 接 流 数 字 编 码技 术 DSD 的 格 式 ， 其 记 录 媒 体 为 超 级 音 频 CD 即 SACD， 支 持 立 体 声 和 5.1 环 绕 声 。DSD 是 PCM 脉 冲 编 码 调 制 的 进 化 版 。2 课题设计内容本设计研究的内容是利用 MATLAB 集成环境下的 Simu
7、link 仿真平台，设计一个PCM 通信系统。PCM 系统主要包括模拟信号的数字化、信道传输和数字信号还原模拟信号三部分，最后用示波器观察输入信号和输出信号的波形，加上含有噪声的信道，最后运行结果并通过波形来分析该系统的性能。本设计的研究目的是在学习通信原理基本原理基础上，学习 PCM 调制解调方法；掌握脉冲编码调制技术特点；熟悉 MATLAB 软件的相关知识；并能够运用 MATLAB 软件工具对 PCM 系统进行辅助设计和仿真。3 PCM基本原理3.1 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
8、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。在一个频带限制在（0，f h）内的时间连续信号 f（t） ，如果以 1/2 f h 的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号 f（t）的频谱中最高频率不超过 f h，当抽样频率 f S2 f h 时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。这就是抽样定理。3.2 量化从数学上来看，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。如图 3.1 所示量化器 Q 输出 L 个量化值 ，k=1，2，3，L。 常kyky称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度 落在 与 之
9、间时，量化器输出x1x电平为 。这个量化过程可以表达为：kyLkxQxykk ,.321,)(1这里 称为分层电平或判决阈值。通常 称为量化间隔。k kkx1图 3.1 模拟信号的量化量化后的抽样信号于量化前的抽样信号相比较，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种失真在接收端还原模拟信号是变现为噪声，并称为量化噪声。量化噪声的大小取决于把样值分级“取整”的方式，分的级数越多，即量化极差或间隔越小，量化噪声也越小。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()mt信号量化噪声功率比也就很小，这样的
10、话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，对于弱信号时，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。v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
11、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：yx量化器； Axy10,ln1A 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，又便于用电路实现，本设计中所用到的 P
12、CM 编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图 3.2 示出了这种压扩特性表 3.1 列出了 13 折线时的 值与计算 值的比较。xx图 3.3 A 律函数 13 折线表 3.1 13 折线时的 值与计算 值的比较xy0 812834856871x0 6.0.1.79.13.9.1按折线分段时的 x0 128643216814211段落 1 2 3 4 5 6 7 8斜率 16 16 8 4 2 1 241表 3.1 中第二行的 值是根据 时计算得到的，第三行的 值是 13 折线分段x6.87Ax时的值。可见，13 折线各段落的分界点与 曲线十分逼近，同时 按 2 的幂次分.割有利于数字化。3
13、.3 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。量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应的依次赋予一个十进制数字代码，在码前以“+” 、 “”号为前缀，来区分样值的正负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程为编码。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可
14、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。表 3-2 段落码段落序号 段落码8 1117 1106 1015 1004 0113 0102 0011 000表 3-3 段内码量化级 段内码 量化级 段内码15 1111 7 011114 1110 6 011013 1101 5 010112 1100 4 010011 1011 3 001110 1010 2 00109 1001 1 00018
15、 1000 0 0000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 128 个量化级。段落码和 8 个段落之间的关系如表2.2 所示；段内码与 16 个量化级之间的关系见表 2.3。话音 PCM 的抽样频率
16、为 8KHZ，每个量化样值对应一个 8 位二进制码，故话音数字编码信号的速率为 8bits8kHz=64kb/s.量化噪声随级数的增多和极差的缩小而缩小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减少，即随数字编码信号的速率提高而减少。自然界中的声音非常复杂,波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即 PCM 编码。PCM 通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。3.4 时分多路复用时分多路复用（TDM）是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传送，将整个传输时间分为许多时间间隔（Slot tim
17、e，TS，又称为时隙），每个时间片被一路信号占用。TDM 就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号的。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因数字信号是有限个离散值，所以 TDM 技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通信系统的传输一般采用 FDM。如 上 图 电 话 通 信 为 例 说 明 时 分 多 路 复 用 的 过 程 ： 发 送 端 的 各 路 话 音 信 号 经 低通 滤 波 器 将 带 宽 限 制 在 3400Hz 以 内 ， 然 后 加 到 匀 速 旋 转 的 电 子 开 关 SA1 上 ， 依次 接 通 各 路 信 号 ， 它 相
18、当 于 对 各 路 信 号 按 一 定 的 时 间 间 隙 进 行 抽 样 。 SA1 旋 转 一周 的 时 间 为 一 个 抽 样 周 期 T， 这 样 就 做 到 了 对 每 一 路 信 号 每 隔 周 期 T 时 间 抽 样 一次 ， 此 时 间 周 期 称 为 1 帧 长 。 发 送 端 电 子 开 关 SA1 不 仅 起 到 抽 样 作 用 ， 同 时 还 要起 到 复 用 和 合 路 的 作 用 。 合 路 后 的 抽 样 信 号 送 到 编 码 器 进 行 量 化 和 编 码 ， 然 后 ，将 信 号 码 流 送 往 信 道 。 在 接 收 端 ， 将 各 分 路 信 号 码 进
19、 行 统 一 译 码 ， 还 原 后 的 信 号 由分 路 开 关 SA2 依 次 接 通 各 分 路 ， 在 各 分 路 中 经 低 通 滤 波 器 将 重 建 的 话 音 信 号 送 往 收端 用 户 。 在 上 述 过 程 中 ， 应 该 注 意 的 是 ， 发 、 收 双 方 的 电 子 开 关 的 起 始 位 置 和 旋 转速 率 都 必 须 一 致 ， 否 则 将 会 造 成 错 收 ， 这 就 是 PCM 系 统 中 的 同 步 要 求 。 收 、 发 两端 的 数 码 率 或 时 钟 频 率 相 同 叫 位 同 步 或 称 比 特 同 步 ， 也 可 通 俗 的 理 解 为 两
20、 电 子 开 关旋 转 速 率 相 同 ； 收 、 发 两 端 的 起 始 位 置 是 每 隔 1 帧 长 （ 即 每 旋 转 一 周 ） 核 对 一 次的 ， 此 称 帧 同 步 。 这 样 才 一 能 保 证 正 确 区 分 收 到 的 哪 8 位 码 是 属 于 一 个 样 值 的 ，又 是 属 于 哪 一 路 的 。 为 了 完 成 上 述 同 步 功 能 ， 在 接 收 端 还 需 设 有 两 种 装 置 ： 一 是 同步 码 识 别 装 置 ， 识 别 接 收 的 PCM 信 号 序 列 中 的 同 步 标 志 码 的 位 置 ； 二 是 调 整 装 置 ，当 收 、 发 两 端
21、同 步 标 志 码 位 置 不 对 应 时 ， 需 在 收 端 进 行 调 整 使 其 两 者 位 置 相 对 应 。以 上 两 种 装 置 统 称 为 帧 同 步 电 路 。 时 分 多 路 复 用 不 仅 局 限 于 传 输 数 字 信 号 ， 也 可 同时 交 叉 传 输 模 拟 信 号4 PCM系统仿真电路设计4.1 总体设计思想本设计首先设计了 1 路 PCM 信号，然后再根据 1 路 PCM 的基本原理设计了 4 路PCM 信号，通过不同时隙的信道复用在同一个信道了传输，再根据不同时隙把各个信号提取出来。 由前面的原理介绍我们可以知道 PCM 系统包括模拟信号转换为数字信号模块、信
22、道传输模块、数字信号还原模拟信号模块等三个模块。其中模拟信号转换为数字信号模块把连续的模拟信号转换为用二进制代表的数字信号，它由抽样、量化、编码三个步骤组成；信道是信号传输的通道，在传输过程中可能会引入噪声而影响信号的质量；数字信号还原模拟信号解码、低通、放大等过程组成，它把数字信号恢复称连续的模拟信号。其原理方框图如图 4.1 所示：图 4-1 PCM原理框图4.2 各模块的设计和仿真图形分析4.2.1 PCM编码模块设计低通滤波 瞬时压缩 抽 样 量 化 编 码低通滤波 瞬时扩张 解 调 解 码信道再 生话音输入话音输出图 4-2 13 折线近似的 PCM 编码器测试模型本设计首先设计了
23、1 路信号的编码模块，模拟信号是幅度为 1，频率为 200*pi 的正弦信号。根据奈奎斯特抽样定理可知抽样频率应大于等于模拟信号最高频率的 2 倍。本设计的抽样时间间隔定为 0.001s，符合奈奎斯特抽样定理。其中各个模块功能和参数设置如下：Zero-Order Hold ：零阶保持器，它的作用是对输入的一段采样时间进行保持。参数设置中的取样时间间隔为信号的取样时间间隔 0.001s。Relay：继电模块，它的作用是实现在两个不同常数值之间进行切换。本设计中此模块的门限值设为 0，其输出即可作为 PCM 编码输出的最高位，也就是极性码，当抽样值为正值时就输出 1，为负值时就输出 0。Satur
24、ation：限幅器，它的作用是将输入信号的幅度限制在一定范围内。本设计将输入信号幅度限制在-1,+1范围内。Abs：绝对值模块，它的作用是对输入数值取绝对值。A- Law Compressor：A 率压缩器，它的作用是对输入信号进行 A 率压缩，本设计中A 取 87.6。Gain：增益模块，它的作用是对数值的大小增加或减小倍数。本设计中由于输入信号幅度限制在-1,+1,因此为了便于编码将 Gain 的增益参数设为 127。Quantizer：量化器，它的作用是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。本设计中的量化间隔设为 1，可将输入数值根据四舍五入原则量化成相应的离散数值。In
25、teger to Bit Converter：整数点转换器，它的作用是将整数值转换为相应的二进制数值。本设计中由于量化值最大为 127，因此此模块参数设为 7，即将十进制整数转换为 7 位二进制数值。Mux：复用器，它的作用是将多路信号复用为一路信号。本设计中由于输入信号由1 路极值脉冲和 1 路数值脉冲组成，因此此模块输入参数设为 2。To Frame：装帧器。Buffer：缓冲器。Scope：示波器，它的作用是显示输出信号波形。输出波形如图 4-3 所示：图 4-3 PCM 信号波形将编码模块封装成子系统后如图 4-4 所示图 4-4 封装之后的 PCM 编码子系统：图 4-5 封装之后的
26、 PCM 编码子系统图标下面是本设计的 4 路 PCM 信号编码模块：图 4-6 4 路 PCM 信号编码模块4 路模拟信号是幅度均为 1，角频率分别为 200*pi，150*pi，100*pi 和 50*pi 的正弦信号，抽样时间间隔设为 0.001s，符合奈奎斯特抽样定理。 4 个子系统是 PCM 编码子系统，Mux 模块是信道复用模块，由 4 路信号输入复用，因此此模块输入参数设为4。示波器显示的是 4 路信号复用后的波形，如图 4-7 所示。图 4-8 4 路信号复用后波形4.2.2 PCM解码模块设计图 4-9 13 折线近似的 PCM 解码器测试模型上图是 1 路信号的解码模块。其
27、中各个模块的功能和参数设置如下：Demux：分离器，它的作用是将复用的多路信号分离出来。在此解码模块中信号应分离成一路极性脉冲和 7 路数值脉冲，因此输出参数设为 8。Mux：复用器。此模块中输入脉冲由 7 路二进制数值脉冲组成，因此输入参数设为 7。Relay：继电模块，它的作用是确定信号的极性。Bit to Integer Convertert：位转换器，它的作用是将二进制脉冲转换为十进制数。同编码模块中的 Integer to Bit Convertert，此模块参数也设为 7。Gain：增益模块，和编码模块相反，此模块增益参数设为 1/127。A-Law Expander：A 率扩展器
28、，它的作用是对输入信号进行 A 率扩展，此模块中A 设为 87.6。Product：相乘器，它的作用是将极性脉冲和正值数值脉冲相乘以得到有极性的数值。此模块的输入参数设为 2。Analog Filter Design ：模拟低通滤波器。它的作用是得到回复原始的模拟信号。此滤波器的最高频率设为 250*pi，符合条件，可以恢复原始的模拟信号。将此解码系统封装成子系统后如图 4-10 所示：图 4-10 封装之后的 PCM 解码子系统图 4-11 封装之后的 PCM 解码子系统图标下面是本设计的 4 路 PCM 解码模块：图 4-12 4 路 PCM 信号解码模块解码模块是复用信号经过信道后通过
29、Demux 模块把各路信号分离出，然后分别进行解码，4 个子系统是 4 路信号的解码模块。由于此复用信号是由 4 路信号复用而成，因此 Demux 的输出参数设为 4。42. 3 PCM 系统总体模块图 4-13 PCM 系统总体模块由于信道中存在噪声可能会影响信号的质量，因此要尽可能增加信道的信噪比降低来降低误码率，本设计中信道误码率概率设为 0.01，属于正常的误码率，符合条件。最后输出信号和输入信号通过示波器如图 4-14 和图 4-15 所示。图 4-14 1 路 PCM 信号仿真结果图 4-14 中的示波器的波形由两路信号组成，一路是经过编码、信道传输和解码等恢复的模拟信号波形，另一
30、路是原始输入的模拟信号波形，通过观察可知，输出波形和输入波形误差较小，该系统设计正确。图 4-15 4 路 PCM 信号仿真结果图 4-15 中的示波器中，上面 4 路是 4 路经过编码、信道传输和解码等恢复的 4 路信号，下面 4 路是原始的 4 路输入模拟信号。由图可知，不同频率的信号，所产生的误差用数字信号来传输时误差基本相同。综上可知，输出信号和输入信号相比，误差较小，因此在正常信噪比的条件下，该通信系统各个模块使用正确，参数设置适当，可以达到预期的目的。结 论本论文运用 MATLAB 中的动态仿真工具箱 Simulink 仿真实现了 PCM 系统的全部过程。根据 PCM 系统的组成原
31、理，在 Simulink 模块库中找到相应的模块，然后选择合适的模块以及设置适当的参数，建立了 PCM 通信系统的仿真模型，最后在给定仿真的条件下，运行了仿真系统。仿真结果表明：1.在正常的信噪比条件下，该通信系统失真较小，达到了预期的目的。2.Simulink 仿真工具箱操作简单方便、调试直观，为通信系统的软件仿真实现提供了极大的方便。参 考 文 献1 王立宁，乐光新，詹菲.MATLAB 与通信仿真M.人民邮电出版社，20002 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.国防工业出版社，20063 李环，任波，华宇宁.通信系统仿真设计与应用M.电子工业出版社，20094 青松，程岱松，武建华.数字通信系统
32、的 matlab 仿真与分析M.北京航空航天大学出版社，20015 罗卫兵，孙桦，张婕.matlab 动态系统分析及通信系统仿真设计M.西安电 子科技大学出版社，20016 曹志刚，钱亚生现代通信原理 清华大学出版社，19927 苗长云现代通信原理及应用 电子工业出版社，20058 张圣勤.MATLAB 70 实用教程机械工业出版社，20069 桑林，郝建军，刘丹数字通信北京邮电大学出版社，200210 吴伟陵,续大我,庞沁华通信原理北京邮电大学出版社，200511 邵玉斌 Matlab/Simulink 通信系统建模与仿真实例分析清华大学出版社，200812 Roger L.Freeman . Fundamentals of Telecommunications ,199913 SILICON TRANSISTOR 2sc33565 DATASHEET. NEC,1996.514 （美）拉帕波特.无线通信原理与应用：Pinciple and practiceM.电子工业出版社，2006
