项目:基于MATLAB的PCM通信系统仿真.docx
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电子与信息工程学院
课程设计报告
(2013—2014学年第二学期)
课程名称:
课程设计3
班 级:
浦电子1103,1104
学 号:
P1402110305,P1402110404
姓 名:
吴欣欣,谢玲
指导教师:
武晓光、毛钱萍、胡方强、包亚萍
2014年 6 月
目录
6.1基本原理 4
6.1.1PCM原理简介 4
6.1.213折线图 5
6.2PCM编解码程序实现仿真 6
6.2.1PCM编码........................................6
6.2.2A律程序........................................7
6.2.3PCM解码........................................8
6.2.4仿真出图.......................................10
6.3采用simulink进行PCM编码仿真 11
6.3.1解码器.........................................11
6.3.2编码器.........................................13
6.3.3串行编解码 14
6.3.4仿真图像.......................................15
6.4噪声影响与性能分析 16
6.4.1PCM通信系统的主要参数设置 16
6.4.2PCM系统中噪声的影响 16
6.5实验小结............................................18
6.1基本原理
6.1.1PCM原理简介
脉冲编码调制(PCM)是一种模拟信号的数字化方法。
PCM系统将信号按照其强度依照同样的间距分成数段,然后每段用独特的数码(通常是二进制)来量化。
PCM常被用于数字电信系统上,也是计算机和CD红皮书中的标准形式。
在数字视频通信系统中,它也是标准。
PCM的主要优点是:
抗干扰能力强;失真小;传输特性稳定,尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积,而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。
PCM调制主要经过3个过程:
抽样、量化和编码。
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。
抽样速率采用信号最大频率分量的频率的3倍到5倍。
量化,也叫分层,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。
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(PAM)信号,它仅为有限个数值。
量化后的信号和抽样信号的差值称为量化误差。
量化误差在接收端表现为噪声,称为量化噪声。
量化级数越多误差越小,相应的二进制码位数越多,要求传输速率越高,频带越宽。
为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多,通常采用非均匀量化的方法进行量化。
非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔,幅度小的区间量化间隔取得小,幅度大的区间量化间隔取得大。
编码,由于量化电平的数目是有限的,所以对于每一个量化电平可以用一定
位数的二进制或者多进制码元来表示。
一般情况下,如果一个信号被量化成N个电平,则必须使用一个n位u进制的编码使得un≥N。
然而,实际上量化是在编码过程中同时完成的,故编码过程也称为模/数变换,可记作A/D。
此外,在PCM通信系统中,除了以上几个部分外,还必须有同步设备。
这不仅是由于时分复用的需要,而且即使单路通信业需要同步码组。
因为对于一个二进制码来说,码字中的每一位码,当她在码字中所处的位置不同时,它所代表的量化电平值是不同的。
所以在接收端收到PCM信号后,必须能区分每一组码字及每一位码在码字中的位置,这样才能正确译码,这是同步设备所需要完成的任务。
此外,在进行多路传输时,还需要利用同步设备来区分“帧”和“路”,所以,同步也是时分多路复用不可缺少的一环。
PCM解调时进行与调制相反操作即可。
PCM系统框图如下:
在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样,得到在抽样时刻上的信号抽样值。
这个抽样值仍是模拟量。
在它量化之前,通常由保持电路(holdingcircuit)将其作短暂保存,以便电路有时间对其量化。
在实际电路中,常把抽样和保持电路作在一起,称为抽样保持电路。
图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量,然后在编码器中进行二进制编码。
这样,每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。
图中的译码器的原理和编码过程相反。
其中,量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D变换器);译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。
6.1.213折线图
用折线实现压扩特性,它既不同于均匀量化的直线,又不同于对数压扩特性的光滑曲线。
虽然总的来说用折线作压扩持性是非均匀量化,但它既有非均匀(不同折线有不同斜率)量化,又有均匀量化(在同一折线的小范围内)。
有两种常用的数字压扩技术,一种是13折线A律压扩,它的特性近似A=87.6的A律压扩特性。
另一种是15折线μ律压扩,其特性近似μ=255的μ律压扩特性。
下面将主要介绍13折线A律压扩技术,简称13折线法
从上图中可以看到,先把轴的0~1分为8个不均匀段,其分法是:
将0~1之间一分为二,其中点为1/2,取1/2~1之间作为第八段;剩余的0~1/2再一分为二,中点为1/4,取1/4~1/2之间作为第七段,再把剩余的0~1/4一分为二,中点为1/8,取1/8~1/4之间作为第六段,依此分下去,直至剩余的最小一段为0~1/128作为第一段。
而轴的0~1均匀地分为八段,它们与轴的八段一一对应。
从第一段到第八段分别为,0~1/8,1/8~2/8,„,7/8~1。
这样,便可以作出由八段直线构成的一条折线。
该折线与式(6-22)表示的压缩特性近似
至于当在-1~0及在-1~0的第三象限中,压缩特性的形状与以上讨论的第一象限压缩待性的形状相同,且它们以原点奇对称,所以负方向也有八段直线,合起来共有16个线段。
由于正向一、二两段和负向一、二两段的斜率相同,这
四段实际上为一条直线,因此,正、负双向的折线总共由13条直线段构成,故
称其为13折线
6.2PCM编解码程序实现仿真
6.2.1PCM编码
functiony=ADecode(code,n)codesize=size(code);cr_len=codesize
(1);cl_len=codesize
(2);c1=zeros(1,cl_len-1);fori=1:
cr_len
c1=code(i,2:
n);s=0;
forj=1:
n-1s=s+c1(j)*2^(n-1-j);
enda=code(i,1);
y(i)=s*((-1)^(a+1));end
y=y/(2^(n-1));
A=87.65;
A1=1+log(A);
forj=1:
length(y)if(y(j)>0)
if(y(j)<1/A1)
y(j)=y(j)*A1/A;else
y(j)=exp(y(j)*A1-1)/A;end
elsetemp=-y(j);
if(temp<=1/A1)y(j)=-temp*A1/A;else
y(j)=-exp(temp*A1-1)/A;end
end
end
6.2.2A律程序
dx=0.01;
x=0:
dx:
1;
A=87.6;
fori=1:
length(x)ifabs(x(i))<1/A
ya(i)=A*x(i)/(1+log(A));else
ya(i)=sign(x(i))*(1+log(A*abs(x(i))))/(1+log(A));end
endfigure
(1)
plot(x,ya,'k.:
')title('ALaw')
xlabel('x');
ylabel('y');gridon;holdon;
xx=[0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1];yy=[0,1/8,2/8,3/8,4/8,5/86/8,7/8,1];
plot(xx,yy);
stem(xx,yy);
6.2.3PCM解码
functioncode=APCM(x,n)
%xmax=max(abs(x));
%x=x/xmax;xlen=length(x);y=zeros(1,xlen);A=87.65;A1=1+log(A);
fori=1:
xlen
ifx(i)>=0
ifx(i)<=1/Ay(i)=(A*x(i))/A1;else
y(i)=(1+log(A*x(i)))/A1;end
else
x1=-x(i);
ifx1<=1/A
y(i)=-(A*x1)/A1;else
y(i)=-(1+log(A*x1))/A1;
end
end
end
y1=y*(2^(n-1)-1);
y1=round(y1);code=zeros(length(y1),n);c2=zeros(1,n-1);fori=1:
length(y1)
if(y1(i)>0)c1=1;
elsec1=0;
y1(i)=-y1(i);endforj=1:
n-1
r=rem(y1(i),2);
y1(i)=(y1(i)-r)/2;c2(j)=r;
end
c2=fliplr(c2);code(i,:
)=[c1c2];
end
主程序:
%showthepcmencodeanddecodeclearall
closeall
t=0:
0.01:
10;%1001个数
vm1=-70:
1:
10; %输入正弦信号幅度不同dBvm=10.^(vm1/20);%dB---10进制figure
(1)
fork=1:
length(vm)form=1:
2
x=vm(k)*sin(2*pi*t+2*pi*rand
(1));v=1;
xx=x/v;%normalizesxx=floor(xx*4096);y=ADecode(code,n);yy=APCM(x,n);
nq(m)=sum((x-yy).*(x-yy))/length(x);% 噪声功率sq(m)=mean(yy.^2);% 信号功率snr(m)=(sq(m)/nq(m));% 信噪比
drawnowsubplot(211)plot(t,x);
title('samplesequence');subplot(212)
plot(t,yy);
title('pcmdecodesequence');endsnrq(k)=10*log10(mean(snr));
endfigure
(2)
plot(vm1,snrq);axis([-600060]);
grid;
调用PCM编码和PCM解码程序。
6.2.4仿真出图
6.3采用simulink进行PCM编码仿真
6.3.1解码器
PCM解码器首先分离并进行数据中的最高位极性和7位数据,然后将7位数据转换为整数值,再进行归一化,扩张后与双极性码相乘得到解码值
部分模块参数设置
设置常数为0.77,Interpretvectorparametersas1-D选项打钩
设置7位码,当编码后的信号出来时取出低七位码
将信号归一化,还原原来的信号
显示模块
6.3.2编码器
部分模块参数设置
设置上幅度为1,下幅度为-1
常数设置为1/2,勾选Interpretvectorparametersas1-D
设置7位码
显示模块
6.3.3串行编解码
APCM为编码器的封装;
Subsystem1为解码器的封装
6.3.4仿真图像
Scope的图像:
下图中上面一幅图为编码后有噪声信号,下面一幅图为编码后无噪声信号
Scope1图像:
下图中上面一幅图为解码后有噪声信号,下面一幅图为原信号
6.4噪声影响与性能分析
6.4.1PCM通信系统的主要参数设置
信噪比(SNR)范围:
dB=[-25:
5:
25];
信源模块:
我们设定原始信号的幅值A为3.5,频率f为2KHZ;
信源编码/译码:
取样时间间隔t:
0.000001s,范围T是-0s-0.04s;抽样频率
fs=8K,抽样数量n=100,进行非均匀量化
6.4.2PCM系统中噪声的影响
PCM系统的噪声主要有两种:
量化噪声和加性噪声。
在图1中的PCM系统的低通滤波器的输出信号为
由量化引起的输出噪声成分;
由信道加性噪声引起的输出噪声成分。
在接收端输出信号的总信噪比为
其中m(t):
接收端输出的信号成分;
Nq:
量化噪声的平均功率;Ne:
信道加性噪声的平均功率;
(1)量化噪声对系统的影响
PCM系统输出端的量化信号与量化噪声的平均功率比为
对于二进制编码,设其编码位数为N,则上式又可写为
(2)加性噪声对系统的影响
仅考虑信道加性噪声时PCM系统的输出信噪比为
从上式可以看出,由于误码引起的信噪比与误码率成反比
在接收端输入大信噪比的情况下,误码率Pe将极小,于是
,所以
(3)PCM系统接收端输出信号的总信噪比
总信噪比近似为
在接收端输入小信噪比的情况下,有
,则又可近似为
与只考虑噪声干扰时系统的输出信噪比是相同的。
与只考虑量化噪声情况下的系统输出信噪比是相同的。
由于在基带传输时误码率降到
,以下是不难的,所以此时通常用式
(1)来
估算PCM系统的性能
6.5实验小结
通过本次实验,我们这组有了巨大的收获。
复习了以前课堂所学的知识,将其和实践相结合,更好的掌握了通信原理和数字信号处理,掌握了MATLAB和simulink的使用方法。
进一步掌握和理解运用simulink仿真对PCM调制系统的抽样,量化,编码。
对PCM的编码和解码有了一定的了解,对今后的学习和生活有巨大帮助。
1.刘学勇《详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真》[M.]电子工业出版社出版
2.樊昌信曹丽娜《通信原理》[M.]国防工业出版社出版
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- 项目 基于 MATLAB PCM 通信 系统 仿真