1、目 录摘 要 .1ABSTRACT.2第一章 绪论 .1第二章 PCM 脉冲编码 .22.1 模拟信号的抽样及频谱分析 .22.1.1 信号的采样 .22.1.2 抽样定理 .32.1.3 采样信号的频谱分析 .42.2 量化 .42.2.1 量化的定义 .42.2.2 量化的分类 .52.2.3 A 律 13 折线量化特性曲线 .112.3 PCM 编码 .122.3.1 编码的定义 .122.3.2 码型的选择 .132.3.3 M 脉冲编码的原理 .13第三章 M 调制 .143.1 增量调制原理 .143.2 M 的性能 .163.3 增量调制的实现 .17第四章 PCM 与 M 的
2、MATLAB 实现 .184.1 PCM 抽样的 MATLAB 实现 .184.2 PCM 量化的 MATLAB 实现 .204.2.1 PCM 均匀量化的 MATLAB 实现 .204.2.2 PCM A 律非均匀量化的 MATLAB 实现 .214.3 PCM A 律 13 折线编码的 MATLAB 实现 .224.4M 的 MATLAB 实现 .22第五章 总结 .25参考文献 .26致 谢 .27附 录 .28山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文）0摘 要脉冲编码调制是将模拟信号变换成二进制信号的常用方法。于 20 世纪 40 年代，在通信技术中就已经实现了这种编码技术。增
3、量调制可以看成是一种最简单的 DPCM，当DPCM 系统中量化器的量化 电平数取为 2 时，此 DPCM 系统就成为增量调制系统。增量调制（M ）是一个微分脉冲码调制的简化形式，它具有结构简单，高效率的编码，误码性能特点。本论文结合 PCM 与 M 的抽样、量化、 编码原理，利用 MATLAB 软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调 制（PCM ）系统与增量调 制系统（M）的建模与仿真分析。论文中主要讲述了对脉冲编码调制（PCM ）与增量调制（ M ）系统原理进行建模与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的建模仿真。同时仿真分析了采样与欠采样的波形差异、均匀量化与 A 律 13 折线非均匀量化
4、的量化性能及其差异。通过对脉冲编码调制（PCM）与增量调制系统（M）系统原理的仿真分析，对 PCM 原理与 M 原理及性能有了更深刻的认识，验证了数字传输技术的优越性。 关键词：脉冲编码调制 增量调制 均匀量化 非均匀量化 MATLAB 仿真山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文）1AbstractPulse code modulation converting analogue signal into a binary signal method. In the 1940s, in communications have realized this coding technique
5、. Delta modulation can be regarded as one of the most simple DPCM, when DPCM system quantizer quantizing level to 2, the DPCM system become delta modulation system. Delta modulation (M) is a differential pulse code modulation of a simplified form, it has a simple structure, high efficiency coding, e
6、rror resilient performance characteristics. In this design, combination the simulink emulatation function and the S- functions spread function of MATLAB software, have completed the systematic emulatation and modeling for pulse code modulation( PCM)and Delta modulation. In this design，divide into 3
7、parts mainly, emulate to build mould and emulate analysis for the principle of pulse code modulation( PCM) and Delta modulation systematic. They are modeling and emulatation of sampling, quantizing and encoding. At the same time, emulate to analyse the waveform of sampling and owe sampling , the qua
8、ntizing error of uniform quantizing and nonuniform quantizing. Through this design, the designer has a more profound understanding of PCM and M principles and performance , and validation of digital transmission technology superority.Keywords: Pulse coding modulation ( PCM); uniform quantitative; no
9、n-uniform quantitative; MATLAB simulation Delta modulation.山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文）0第一章 绪论数字通信作为一种新型的通信手段，早在 20 世纪 30 年代就已经提出。在1937 年，英国人里费（A.H.Reeves）提出了脉冲编码调制（PCM）方式。从此揭开了近代数字传输的序幕。增量调制简称 M 或增量脉码调制方式（DM） ，它是继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字化的方法。1946 年由法国工程师 De Loraine 提出，目的在于简化模拟信号的数字化方法。主要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有时也作
10、为高速大规模集成电路中的 A/D 转换器使用。脉冲编码调制（PCM）与增量调制（M）是现代语音通信中数字化的重要编码方式。脉冲编码调制是将模拟信号变换成二进制信号的常用方法。于 20 世纪 40 年代，在通信技术中就已经实现了这种编码技术。由于当时是从信号调制的观点研究这种技术的，所以称为脉码调制。目前，它不仅用于通信领域，还广泛应用于计算机、遥控遥测、数字仪表、广播电视等领域。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表示。根据 CCITT 的建议，为改善小信号量化性能
11、，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PCM 编码。PCM 系统的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。另外，由于 PCM 可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合通信方式，而且还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。M 即增量调制，可以看成是一种最简单的 DPCM
12、。当 DPCM 系统中量化器的量化电平数取为 2 时，此 DPCM 系统就称为增量调制系统。PCM 的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。因此，PCM 是一种极有发展前途的通信方式。增量调制的基本原理是于 1946 年提出的，它是一种最简单的差值脉冲编码。早期的语言增量调制编码器是由分立元件组成的。随着模拟集成电路技术的发展，70 年代末出现了音节压扩增量调制集成单片，80 年代出现了瞬时压扩集成单片，单片内包括了开关电容滤波器与开关电容积分器，集成度不断提高，使增量调制的编码器的体积减小，功耗降低。对模拟信号采样，并用每个样值与它的预测值的差值对周期脉
13、冲序列进行调制，简称墹 M 或 DM。已调脉冲序列以山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文）1脉冲的有、无来表征差值的正负号，也就是差值只编成一位二进制码。M 增量调制技术是在脉码调制技术接近成熟的基础上，作为模拟信号数字化的另一种调制方式而提出来的。这种调制方式为模拟信号变成二进制数码，提供一种简单的编译码技术。M 增量调制是模拟信号数字化的一种方式，目前性能比较好又比较容易实现的一种形式是数字检测音节压扩总和增量调制，在数字通信系统中已开始采用。增量调制尽管有前面所述的不少优点，但它也有两个不足：一个是一般量化噪声问题；另一个是过载噪声问题。两者可统一称为量化噪声。本论文为实现基
14、于脉冲编码调制（PCM）与增量调制（M）的波形编码仿真，下文为具体介绍。第二章 PCM 脉冲编码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编码表示。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 PCM 编码。下文为具体介绍。2.1 模拟信号的抽样及频谱分析2.1.1 信号的采样离散时间信号通常是由连续时间信号经周期采样得到的。完成采样功能的器件称为采样器，图 2-1 所示为采样器的示意
15、图。图中 表示模拟信号，)(tXa表示采样信号，T 为采样周期，n=0，1，2，。一般可以把采样器视)(nXa为一个每隔 T 秒闭合一次的电子开关 S。在理想情况下，开关闭合时间 满足100 秒；由采样时间 和采样频st st率 即可决定采样数据量，即采样总点数 。这就从理论上对采样时sf stfN*间 和采样总点数 N 提出了要求，以保证频谱分析的精准度。st2.2 量化2.2.1 量化的定义模拟信号进行抽样以后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，即抽样值可以取无穷多个可能值，如果用 N 个二进制数值信号来代表该样值的大)(kTm小，以便利用数字传输系统来传输该样值的信息，那么 N 个二进制
16、信号只能同个电平样值相对应，而不能同无穷多个电平值相对应。这样一来，抽NM2样值必须被划分成 M 个离散电平，此电平被称作量化电平。或者说，采用量化抽样值的方法才能够利用数字传输系统来实现抽样值信息的传输。山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文）4利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变换成取值离散的抽样。通常，量化器的输入是随机模拟信号。可以用适当速率对此随机信号 m(t)进行抽样，并按照预先规定，将抽样值 变换成 M 个电平 ， ，)(kTm1q2之一，可以得到：Mq，若 -1 ,量化器的输
17、出是一个数字序列信号。iqkTsm)(i)(ksi2.2.2 量化的分类（1）按照量化级的划分方式分，有均匀量化和非均匀量化。均匀量化：把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平在各区间的中点。其量化间隔 V 取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。上述均匀量化的主要缺点是，无论抽样值的大小如何，量化噪声的均方根都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的信号量噪比就很难达到给定的要求。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，均匀量化是的信
18、号动态范围将受到较大的限制。为了克服这一个缺点，实际中往往采用非均匀量化。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信号量噪比。常见的非均匀量化有 A 律和 率等，它们的区别在于量化曲线不同。 压缩律：所谓 压缩律就是压缩器的压缩特性具有如下关系的压缩律
19、：式中 y 为归一化的压缩器输出电压，x 为归一化的压缩器输入电压， 为压扩参数，表示压缩的程度。山东轻工业学院 2012 届本科生毕业设计（论文）5由于上式表示的是一个近似对数关系，因此这种特性也称为近似对数压扩律，其压缩特性曲线如图 2-3 所示。由图 2-3 可知，当 =0 时，压缩特性是通过原点的一条直线，故没有压缩效果；当 值增大时，压缩作用明显，对改善小信号的性能也有利。一般当 =100 时，压缩器的效果就比较理想了。另外，需指出， 律压缩特性曲线是以原点奇对称的，图中只画出了正向部分。图 2-3 压 缩 律 特 性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：其中，A 为压缩系数；y 为归一化的压缩器输出电压；x 为归一化的压缩器输入电压。图 2-3 画出了 A 为某一取值的归一化压缩特性。A 律压缩特性是以原点奇对称的，为了简便，图中只给出了正半轴部分。图 2-4 A 压 缩 律 特 性图 2-4 中，x 和 y 都在-1 和+1 之间，取量化级数为 N(在 y 方向上从-1 到+1 被均匀划分为 N 个量化级)，则量化间隔为
