基于Matlab的脉冲编码仿真课程设计说明书.docx

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基于Matlab的脉冲编码仿真课程设计说明书

课程设计说明书

课程设计名称：

专业课程设计

课程设计题目：

基于Matlab的脉冲编码仿真

学院名称：

信息工程学院

专业：

通信工程班级：

学号：

：

评分：

教师：

2013年7月3日

专业课程设计任务书

2012－2013学年第2学期　第17周－19周

题目

基于Matlab的脉冲编码调制

容及要求

1．以TP3067为核心设计调制系统；

2．设计PCM解调系统；

3．调制、解调信号必须一致。

进度安排

17周：

查找资料，进行系统软件方案设计；

18周：

软件的分模块调试；

19周：

系统联调；设计结果验收，报告初稿的撰写。

学生：

明

指导时间：

每周一、二、三、四

指导地点：

E楼610室

任务下达

2013年6月17日

任务完成

2013年7月5日

考核方式

1.评阅□　2.答辩□3.实际操作□　4.其它□

指导教师

程宜凡

系（部）主任

付崇芳

摘要

本课题结合MATLAB软件的Simulink仿真功能与S-函数的仿真扩展功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的仿真与建模分析。

课题中主要分为三部分对脉冲编码调制（PCM）系统原理进行仿真建模与仿真分析，它们分别为采样、量化和编码原理的仿真建模。

同时仿真分析了采样与欠采样的波形、均匀量化与非均匀量化的量化误差、A律13折线和μ律15折线的量化误差、PCM与DPCM系统的量化噪声。

通过对脉冲编码调制（PCM）系统原理的这些仿真分析，在教学中将会有很大的应用价值。

关键词：

脉冲编码调制（PCM）；Simulink仿真；量化误差

前言....1

第一章设计任务...2

第二章脉冲编码原理概述...............................................................................................3

2.1PCM过程分析....................................................................................................3

2.2基于simulink的PCM仿...................................................................................4

第三章采样5

3.1采样原理5

3.2采样仿真及参数5

第四章量化7

4.1量化原理7

4.2量化仿真8

4.3量化误差......10

第五章编码18

5.1编码原理18

5.2编码仿真19

第六章综合20

6.1仿真框图及各部分简介.....................................................................................20

6.2各部分参数设置..................................................................................................21

6.3示波器的波形显示..............................................................................................23

第七章体会......................................................................................................................24

参考文献..............................................................................................................................25

前言

脉冲编码调制（PCM）包括采样、量化、编码。

其中，量化又分为均匀量化和非均匀量化；PCM编码技术又分为A律13折线编码和μ律15折线编码。

主要包括对采样、量化、编码三部分进行仿真，以及对1.采样与欠采样的波形比较2.均匀量化、非均匀量化与A律13折线比较。

本次项目的主要目的是：

在通信原理教学上，作为一种更先进的教学手段使学生在学习脉冲编码调制（PCM）技术时更形象更直观，这样不但可以提高教师教学效率，也可以培养学生对学习通信原理的兴趣。

同时，如果学校搭建通信系统实验室将需要很大的资金投入，但如果采用MATLAB的仿真技术直接在计算机上进行通信仿真实验则可以省去大量资金。

另外，实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统作出的任何改变（如改变了某个参数的设置、改变系统的结构等）都可能影响到整个系统的性能和稳定。

因此，在计算机上直接进行通信系统仿真实验将会很方便。

第一章设计任务

根据系统的工作原理，利用MATLAB软件工具实现脉冲编码调制（PCM）系统的设计与仿真，观察仿真波形，并绘制相关的图形；通过编程设置对参数进行调整，可以调节输出信号的显示效果。

PCM即脉冲编码调制，是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。

PCM系统的原理方框图如图1所示。

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，此抽样值仍为模拟量。

在它量化之前，通常用保持电路将其作短暂保存，以便电路有时间对其进行量化。

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。

译码器的原理和编码过程相反。

模拟信号输入抽样保持量化器编码器PCM信号输出

冲激脉冲

（a）编码器

PCM信号输入译码器模拟信号输出

（b）译码器

图1-1-1PCM原理方框图

要求：

1．使用Simulink工具箱进行仿真；

2．并对模拟信号进行量化处理，观察均匀量化和非均匀量化的波形。

第二章脉冲编码原理概述

2.1PCM过程分析

PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将模拟信号变成数字信号功能。

PCM的实现主要包括三个步骤完成：

抽样、量化、编码。

是把连续的输入信号变换为在时间域和振幅域上都离散的量，然后再把它变换为二进制代码进行传输。

其功能是完成模-数转换，实现连续消息数字化。

在脉冲编码通信的接收段，首先由已受噪声干扰的波形中进行检测和再生，从而恢复原来的PCM信号。

然后由译码设备把代码还原为量化的采样值。

最后经过低通滤波器恢复原信号，完成与发送端相反的变换，即实现数-模转换。

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，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我用了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编码示意图见下图。

图2-1-1PCM原理框图

本次课设，我们只研究脉冲编码这一部分，即采样、量化、编码三个过程。

图2-1-2脉冲编码调制原理

2.2基于simulink的PCM仿真

Simulink是MATLAB提供的用于对动态系统进行建摸、仿真和分析的工具包。

Simulink提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。

simulink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，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，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。

本文主要阐述了如何利用simulink实现脉冲编码调制（PCM）。

系统的实现通过模块分层实现，模块主要由PCM编码模块、PCM译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。

通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。

在MATLAB工作区中输入“Simulink”并回车，或单击MATLAB工具栏上的按钮，就进入了Simulink模型库。

采用Simulink进行建摸和仿真时，一般是从Simulink模型库中提供的模块出发，通过组合各种模块来完成模块的设计。

Simulink模型库提供了一种模块的集成环境，通过它可以快速地开发各种仿真模型。

本课题用到SourceCoding（信源编码模块库），其包含各种用于实现抽样和量化功能的模块。

第三章采样

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。

它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。

如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过fh，当抽样频率fS≥2fh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采样仿真

图3-2-1采样仿真

图3-2-2采样示波器参数设置

通过示波器观察欠采样结果如图所示，采样周期为1/8000。

图3-2-3采样仿真图

第一幅图为输入周期信号，第二幅图为采样信号，第三幅图为采样后的周期信号。

y（t）就是对f（t）采样后的信号或称样值信号，可以用下式表示：

y（t）=f（t）·k（t）

任何情况下，采样都应该满足采样定理，即一个频带限制在（0，fH）赫的时间连续信号m（t），如果以T≤1/2fH秒的间隔对它进行等间隔采样，则m（t）将被所得到的采样值完全确定。

第四章量化

4.1量化原理

抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但仍然是模拟信号，其样值在一定的取值围，可有无限个值。

为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值围的样值由无限多个值变为有限个值。

这一过程称为量化。

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。

实际中，往往采用非均匀量化。

在非均匀量化时，量化间隔是随信号抽样值的不同而变化的。

信号抽样值小时，其量化间隔

也小；反之，量化间隔就大。

图4-1-1模拟信号的量化

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，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量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围定义为动态围，可见，均匀量化时的信号动态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。

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化信噪比。

量化则是将取值连续的采样变成取值离散的采样

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