1、题 目 PCM 系 统 的 性 能 分 析 学生姓名 刘 龙 娟 学号 1113024093 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 03 班 指导教师 魏 瑞 完成地点 物理与电信工程学院 实验室 2015 年 6 月 4 日毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信 03 班 学生姓名 刘 龙 娟 一、毕业论文设计题目 PCM 系统的性能分析 二、毕业论文设计工作自 2015 年 1 月 10 日 起 至 2015 年 6 月 15 日 止三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业论文设计的内容
2、要求：数字通信系统己经成为现今通信发展的方向，但是经过传感器的转换以后自然界中的很多信息，大多数依旧为模拟量，PCM(脉冲编码调制)它是一种调制方式就是把模拟信号转换作数字信号。重点运用在语音传输，并且在数字微波通信、卫星通信、光纤通信当中得到了广阔的运用。因此，选择 PCM 系统进行仿真研究。本次毕业设计运用仿真软件对 PCM 系统进行性能分析。 本次毕业设计要求： 1.运用仿真软件实现三种不同段内码的 PCM 系统的仿真并观测调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形； 2.结合三种不同信道环境对比三种不同段内码的 PCM 系统的频谱特点与误码率情况； 3. 对仿真结果进行分析。 五、毕业
3、论文设计应收集资料及参考文献：阅读和学习关于 PCM 系统和计算机仿真技术方面的专业资料，参阅的外文文献不少于 3 篇。六、毕业论文设计的进度安排：1 月 10 日3 月 20 日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3 月 21 日4 月 20 日：完成 PCM 系统的基本仿真设计并提交中期检查报告。 4 月 21 日5 月 20 日：进一步完善 PCM 系统的仿真设计，准备作品验收。 5 月 21 日6 月 15 日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 系 (教 研 室 ) 系(教研室) 主任签名 批 准 日 期 接 受 论 文 (设 计 )任 务 开 始 执 行
4、 日 期 学 生 签 名 IPCM 系统的仿真与分析刘龙娟（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 2011 级 3 班，陕西 汉中 723003）指导教师：魏瑞摘要 脉冲编码调制(PCM)是将模拟语音信号变换成数字信号的一种方式。本次设计建立了基于 Simulink 的PCM 仿真系 统，系 统包括 PCM 编译码模块、数字调制解调模块。详细介绍了三种不同段内码的编码方式下 PCM 编译码模块的构建；针对数字调制解调，构建了含 BPSK、信道以及 滤 波器在内的子系统；最后通过仿真得出三种编码方式下系统的误码率和频谱图。根据仿真结果分析找出了相对最优的系 统配置方案， 为实际应用提供
5、了一定的参考依据。关键词 MATLAB；Simulink 仿真平台；脉冲编码调制（PCM）Analysis of the PCM system performance Liu Longjuan(Grade 2011,Class3,Major of CommunicationEngineering ,Dept of Electrinics and Information EngineeringShaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shanxi)Tutor:Wei RuiAbstract：Pulse Code Modulation (PC
6、M) 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 introduced.For the digit
7、al modem, A subsystem including BPSK, channel and filter was built.Finally,the BER and spectrum of the three coding system was derived.Optimal system configuration was to be found based on the simulation results, it provides a theoretical basis for the practical application.Key words：MATLAB;Simulink
8、 simulation platform;Pulse Code Modulation (PCM)目录引言 .11 研究方案 .31.1 研究目标 .31.2 方案选择 .31.2.1 基于 FPGA 的 PCM 系统仿真 .31.2.2 基于 Simulink 的 PCM 系统仿真 .41.2.3 软硬件结合实现 PCM 系统仿真 .41.3 方案比较 .51.4 软件介绍 .61.4.1 MATLAB 简介 .61.4.2 Simulink 介绍 .62 PCM 基本原理 .82.1 抽样 .82.2 量化 .92.3 编码 .102.4 译码 .123 PCM 系统仿真 .133.1 总体
9、设计思想 .133.2 各模块的设计和仿真 .133.2.1 PCM 编码模块设计 .133.2.2 PCM 解码模块设计 .143.2.3 PCM 系统总体模块 .153.3 格雷码编译码设计 .183.3.1 格雷码的程序实现 .183.3.2 格雷码的仿真设计 .193.4 折叠码编译码设计 .223.4.1 折叠码的程序实现 .223.4.2 折叠码的仿真设计 .233.5 性能分析 .254 结束语 .27致谢 .28参考文献 .29附录 A 英文文献 .30附录 B 格雷码系统总体设计 .39附录 C 折叠二进制系统总体设计图 .40陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 40 页引言
10、当今社会，人们无处不享受着数字通信网络和系统给我们带来的便利和数字化多媒体产品带给我们的多彩的生活娱乐。数字信号因其易于存储和传输，并且没有累积失真等数字的高品质而被广泛应用。在语音信号的领域中，数字化的语音传输和存储，不论其在可靠性，抗干扰性，速交换，易保密和廉价格等方面都远远高于模拟语音信号。但是，数字化的语音信号也有它的的缺点，就是数字语音信号的带宽要远远高于模拟语音信号的带宽， 因此要求传输数字语音信号的信道更大才能够传输数字语音信号，为了来降低这种高成本从而促使发展了一种新的技术既压缩编码。PCM 通信系统就是采用了这种技术。脉冲编码调制，由 A.里弗斯在 1937 年提出的，这一概
11、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便扩充容量，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，在同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统中，都相继采用了脉码调制。到了 80 年代初，脉码调制已成功应用在市话中继传输、大容量干线传输以及数字程控交换机中，并且在用户话机中采用。 在光纤通信系统中，光纤传输的是由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生的二进制光脉冲“0 码”和“1 码 ”。而数字信号是称为 PCM 即脉冲编码调制，它对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的。现在的数字传输系统都是采用脉冲编码调制（p
12、ulse code modulation）体制，这种电的数字信号称为数字基地信号，由 PCM 电端机产生。 PCM 最初并不是用来传输计算机数据的，而是使交换机之间有一条中继线不只传送一条电话信号。PCM 有 T1 和 E1 两种标准（表现形式）。中国采用的是欧洲的标准 E1。E1 的速率是 2.048Mbit/s，而 T1 的速率是 1.544Mbit/s。脉冲编码调制可以向用户提供多种业务，既可以提供从 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 。1脉冲编码调制是 70 年代末法发展起来的，记录媒体之一的 CD。脉冲编码调制的音频格式也是被
13、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。脉冲编码调制的比特率，从 14-bit 发展到 16-bit、18-bit、20-bit 一直到 24-bit；而采样频率从 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。但是只是增加了 PCM 脉冲编码调制比特率和采样率，没有解决它的根本问题。其原因在于以下两点： (1) 任何脉冲编码调制数字音频系统都需要在输入端设置急剧升降的滤波器，仅仅让 20Hz 到22.05Hz 的频率通过（高端 22.05kHz 是由于 CD44.1kHz 的一半频率而确定
14、）。 (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。这就限制了 PCM 技术在音频还原时的保真度。 本次设计是利用 Simulink 强大的工具箱和其建模的优势建立了 PCM 通信系统的仿真模型。与模拟通信相比，数字通信具有很多明显的优点，现已成为了现在通信的主要发展趋势之一。可靠性好、抗干扰能力强、廉价格、易保密、便于加密处理和便于实现通信网的管理等都是它主要的特点。实现数字通信，必须使发送端发出的模拟信号变为数字信号，既“模拟信号数字化”。模拟信号数字化有三个
15、基本步骤。第一步为“抽样”，就是对连续的模拟信号进行离散化，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟信号的样值。第二步是“量化”，将模拟信号样值变换到最接近的数字值。因抽样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅度上连续的抽样也变为离散的。第三步是“ 编码” ，就是把量化后的样值信号用一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号的数字化。 数字信号送入数字网进行传输。接收端则是一个还原过程，把收到的数字信号变为模拟信号，即“数字信号还原模拟信号”，从而再现声音或图像。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 40 页论文的主要内容安排如下： 第一部分为设计方案的选择。在综合了不同软件
16、及硬件的分析优缺点后，综合自己的能力选择合适的方案。我最终选择了在利用 matlab 下进行设计仿真。Simulink 是 MATLAB 软件提供的可以实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它操作简单方便、调试直观，为通信系统的软件仿真实现提供了很大的方便。 第二部分为 PCM 系统基本原理的阐述。PCM 系统包括模拟信号的数字化、调制解调和数字信号还原为模拟信号三个模块，其中，模拟信号的数字化是把连续的模拟信号转化为用二进制代表的数字信号，分为抽样、量化和编码三个步骤；信道是信号传输的通道，在传输过程中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、低通等过程组成，它把数字信号恢复成连续
17、的模拟信号。 第三部分是 PCM 系统仿真模块的总体设计。包括总体设计思想和编码、解码、调制解调等子模块的设计。首先进行自然二进制的模块搭建，在运行分析之后，将其转换为折叠二进制和格雷码的模型，分析加入噪音前后波形输出的变化，并且分析编码时三种不同码型的优缺点。 第四部分是结束语。总结了在设计过程中遇到的各种问题及最终解决办法，感谢老师在整个过程中对自己的督促及帮助。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 40 页1 研究方案1.1 研究目标数字通信系统现己成为现今通信发展的主要方向，但是经过传感器的转换以后，自然界中的很多信息仍旧为模拟量，PCM 它是一种将模拟信号转换作数字信号的调制方式。重点
18、运用在语音传输之中，并且在数字微波通信、卫星通信、光纤通信当中得到了广阔的运用。因此，选择 PCM 系统进行仿真研究。 本次毕业设计要求： 实现三种不同段内码的 PCM 系统的仿真并观测调制解调过程中观察各个环节时域和频域的波形； 结合三种不同信道环境对比三种不同段内码的 PCM 系统的频谱特点与误码率情况； 对仿真结果进行分析。1.2 方案选择分析 PCM 系统可以有多种手段，最常用的就是基于单片机的硬件电路实现、基于 FPGA 的软件仿真和 MATLAB 环境下的 Simulink 仿真实现，方案选择时对以上几种方法都进行分析，综合确定自己的方案。1.2.1 基于 FPGA 的 PCM 系
19、统仿真FPGA（ FieldProgrammable Gate Array）：既现场可编程门阵列，它是在 PAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展后的产物。作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现，FPGA 不仅解决了定制电路在设计中的不足，而且改善了原有可编程器件门电路数有限的缺点。经实践表明，FPGA 可以有效地运用于 PCM 高码速率场合。FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）的概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、内部连线（Interconnect）和输出输入模块 IOB（Inp
20、ut Output Block）三个部分。它的基本特点主要有： 采用 FPGA 设计电路，用户不需要投片生产就可以得到合用的芯片。 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。 FPGA 内部有丰富的触发器和 IO 引脚。 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。 FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA 设置其工作状态是由存放在片内 RAM 中的程序来实现的，因此，工作时需要对片内的RAM 进行编程。我们可以根据不
21、同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，等配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够重复使用。FPGA 的编程不需要专用的编程器，只须用通用的EPROM、PROM 编程器即可。当我们需要修改功能时，只需要更换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，就可以产生不同的电路功能 。因此，FPGA 的使用是非常灵活的。2利用 FPGA 开发时，所用软件为 Quartus II。Quartus II 是 Altera 提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境。Alte
22、ra 是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。 Quartus II 在 21 世纪初推出，是 Altera前一代 FPGA/CPLD 集成开发环境 MAX+plus II 的更新换代产品，它界面友好，使用便捷。在Quartus II 上可以完成设计输入、布线布局（适配）、HDL 综合、仿真、下载和硬件测试等流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。下图 1.1 所示的上排是 Quartus II 的编译设计主控界面，它显示了 Quartus II 自动设计的各主要处理环节和设计流程，包括设计输入编辑、设计分析与综合、适配、编程文件汇编（装配）、
23、时序参数提陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 40 页取和编程下载等几个步骤。下排的流程框图，是与上面的 Quartus II 设计流程相对照的标准的EDA。开发流程其设计流程图 如图 1.1 所示：12图 1.1 Quartus II 设计流程1.2.2 基于 Simulink 的 PCM 系统仿真Simulink 是 matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。该环境具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一个可视的仿真过程，无需大量书写程序，只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认
24、可，尤其在信号分析、通信系统等领域。其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，并提供了内容丰富的基本库和专业库 。14本次设计系统可以通过模块分层来实现。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，在编码模块采用三种不同的段内码进行编码，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。仿真基本框图如图 1.2 所示：图 1.2 PCM 原理框图1.2.3 软硬件结合实现 PCM 系统仿真随着计算机技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用已越来越广泛，而信号级系统仿真软件 SystemVie
25、w 的出现则标志着仿真技术在通信领域的应用达到了一个新的水平。根据 PCM编码基本原理，设计出 Systemview 仿真模型，然后对仿真的结果加以分析，最终根据仿真的模型建立以及仿真结果设计出 PCM 编码的硬件实现电路。信源 抽样 量化 信道编码PCM 编码性能分析信道译码解调 信道 调制噪声图形或 HDL编辑Analysis synthesis（分析与综合）Filter（适配器）Assembler（编程文件汇编）编程器设计输入 综合或编辑仿真适配器件 下载时序分析器陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 40 页SystemView 可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，修
26、改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建 DSP 滤波器、连续线性系统，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户的子系统库（MetaSystem）。PCM 编译码器的实现可以借鉴单片如 MC14550 的 PCM 编码器集成芯片。单芯片工作时只需给出外围的时序电路即可实现，它把编译码器（Codec）和滤波器（Filter）集成在一个芯片上，这样它的功能比较强，不仅可以进行 A 律变换，也可以进行 u 律变换；它的数据既可用固定速率传送，也可用变速率传送；它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态，到底使用它的什么功能可由用户通过一些
27、控制来选择。MC145503 可以组成模拟用户线与程控交换设备间的接口，包含有话音 A 律编解码器、自调零逻辑、话音输入放大器、RC滤波器、开关电容低通滤波器、话音推挽功放等功能单元。由 PCM 编译码原理框图可知，输入端经过一个晶振和一个分频器 1 得出的信号在经过一个分频器 2，然后进行信号抽样后输出，此后，帧同步信号进入帧同步产生器然后进入复接器，正弦信号源分别进入两个 PCM 编码器进行编译得到源基带信号 。PCM 编译码框图如图 1.3 所示：7图 1.3 PCM 编译码电路图1.3 方案比较目前 FPGA 的品种很多，有 XILINX 的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、A
28、LTERA 公司的 FIEX系列等，这三者有重叠，也有互补。但在编程中，需设计 HDL 源代码，可以使 VHDL 语言或Verilog 语言，在大学期间，我们接触最多的是 C 语言，所以利用 FPGA 分析时会面临最大的编程问题。利用单片机进行测试时，系统的可行性较好，成本低，但在实验过程中的精度不高，而且在利用单片机进行实验时，需要给单片机下载很正确的程序，相比较利用软件搭建来说，太过麻烦而且最后的结果比较不时很直观。Simulink 用其可以建立动态的系统模型并进行仿真，以直观的方式建模比较，分层次的表达复杂系统，不受软件本身的影响。而且 Simulink 的示波器可以动画和图像显示数据，
29、运行中可调整模S3SL5SRB SRA4690KHz晶振分频器1分频器 2帧同步信号产生器正弦信号源 A抽样信号产生信号PCM 编码器 APCM 编码器 B复接器正弦信号源 BS1S2SL7SL3SL0SLBSTASRB SRA2048KHz CLKS1S2S3S4陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 40 页型参数进行 What-if 分析，能够在仿真运算进行时监视动态仿真结果。这种交互式的特征可以帮助我们快速的评估不同的算法，进行参数优化。基于上述三种方案的优缺点及自己在大学过程中对各种软件的熟悉程度，我最终选择了第二种方案，利用 Simulink 来做。1.4 软件介绍1.4.1 MATL
30、AB 简介MATLAB 是一种具有强大的计算、仿真、绘图等功能的解释性执行语言。由于它使用简单，扩充方便，特别是世界上有成千上万不同领域的科研工作者在自己的科研过程中不停的扩充MATLAB 的功能，使它成为了巨大的知识宝库。目前的 MATLAB 版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像 VB 等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，MATLAB 和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了 MATLAB 的应用潜力。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学
31、、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 FORTRAN，C 等语言完成相同的事情简便的多，并且 Mathworks也吸收了像 Maple 等软件的优点，使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C+ 、FORTRAN、C、JAVA 的支持。不仅可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载使用。MATLAB 有着强大的功能且应用范围非常广，可以用来进行多种工作，具体如下： 数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的
32、设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。 MATLAB 被称为第四代计算机语言，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB 的最突出的特点就是简洁。 MATLAB 用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了 C 和 FORTRAN 语言的冗长代码。MATLAB 给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境 。71.4.2 Simulink 介绍Simulink 工具是 MATLAB 软件提供的可以实现动态系统建模和仿真的软件包，Matlab 重点运用在控制设计、工程的计算、金融建模分析和设计、检测信号、处理图像、信号通讯
33、和处理等方面。而 simulink 提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统，它让用户把精力从语言编程转向仿真模型的构造，为用户省去了很多重复的代码编写工作。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用与控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink 的功能和特点如下：Simulink 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动
34、态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被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。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理等系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库对其进行设计、仿真、执行和测试。
