PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析.docx
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析
PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析
学生姓名：
指导老师：
摘要：
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个PCM编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。
关键词：
MATLAB7.1；Simulink仿真平台；PCM编码器与解码器；
1引言
1.1课程设计目的
通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关PCM编码和解码的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时对我们进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加科学工作打下良好的基础。
1.2课程设计内容
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个PCM编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形;加上各种噪声源,或含有噪声的信道，最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。
1.3课程设计要求
1．熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉PCM编码与解码原理，构建PCM编码与解码电路图.
2.对模拟信号进行采样、量化、编码（PCM）,将编码后的信号输入信道再进行PCM解码，还原出原信号.建立仿真模型,分析仿真波形.
3.在编码与解码电路间加上噪声源，或者加入含有噪声源的信道，并给出仿真波形。
4.在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程设计学年论文，能正确阐述和分析设计和实验结果。
2脉冲编码调制
2.1PCM简介
现在的数字传输系统都是采用脉码调制（PulseCodeModulation）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有两个标准即E1和T1。
我国采用的是欧洲的E1标准。
T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。
PCM：
相变存储器（Phase-changememory,PCM）是由IBM公司的研究机构所开发的一种新型存储芯片,将有望来替代如今的闪存Flash和硬盘驱动器HDD。
PCM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号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulsecodemodulation），即脉冲编码调制。
这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。
PCM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。
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。
PCM线路的特点：
•PCM线路可以提供很高的带宽，满足用户的大数据量的传输。
•支持从2M开始的各种速率,最高可达155M的速率。
•通过SDH设备进行网络传输，线路协议简单。
与传统的DDN技术相比,PCM具有以下特点：
•线路使用费用相对便宜。
•能够提供较大的带宽。
•接口丰富便于用户连接内部网络。
•可以承载更多的数据传输业务。
PCM（动力控制模块）：
汽车电控部分，电控单元的动力控制模块，有存储器、输入、输出。
2.2PCM原理
所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。
下面将用一个PCM系统的原理框图简要介绍。
原理框图如图2-1所示。
图2-1PCM原理方框图
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）。
抽样是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号，抽样速率的下限由抽样定理确定。
量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。
编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。
实际上量化是在编码过程中同时完成的。
图1是PCM单路抽样、量化、编码波形图。
μ律与A律压缩特性
μ律：
（美、日）
A律：
（我国、欧洲）
式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、μ为压缩系数。
数字压扩技术：
一种通过大量的数字电路形成若干段折线，并用这些折线来近似A律或μ律压扩特性，从而达到压扩目的方法。
即对数压扩特性的折线近似法。
折线压扩特性：
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。
总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的，但它既有非均匀量化（不同折线有不同斜率），又有均匀量化（在同一折线的小范围内）。
两种常用数字压扩技术：
（1）A律13折线压扩——13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性；
（2）μ律15折线压扩——15折线近似逼近μ=255的μ律压扩特性。
采用折线压扩的特点：
基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路的实现
实际中A律常采用13折线近似如图2-2所示
图2-2A律13折线
其具体分法如下:
先将X轴的区间[0，1]一分为二，其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段;
区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段;
区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段;
区间[0,1/8]一分为二，中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段;
区间[0,1/16]一分为二，中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段;
区间[0,1/32]一分为二，中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段;
区间[0,1/64]一分为二，中点为1/128,区间[1/128,1/64]作为第二段;
区间[0,1/128]作为第一段。
然后将Y轴的[0,1]区间均匀地分成八段，从第一段到第八段
分别为[0,1/8],（1/8,2/8],（2/8,3/8],（3/8,4/8],（4/8,5/8],（5/8,6/8],
（6/8,7/8],（7/8,1]。
分别与X轴对应。
编码的码字和码型:
二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，并易于再生，因此PCM中一般采用二进制码。
对于Q个量化电平，可以用k位二进制码来表示，称其中每一种组合为一个码字。
在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量要求。
而对于干线远程的全网通信，一般要经过多次转接，要有较高的质量要求，目前国际上多采用8位编码PCM设备。
码型指的是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。
在PCM中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码（又称格雷码）。
码位的安排:
目前国际上普遍采用8位非线性编码。
例如PCM30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4096个量化单位（最小的量化间隔称为一个量化单位），在4096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。
用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表2-1所示：
表2-18位非线性编码的码组结构
极性码
段落码
段内码
M1
M2M3M4
M5M6M7M8
其中，第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。
从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码M1不同外，其余几位码是完全一样的。
因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。
这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。
这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位码（M2，…,M8）就能表示出来。
3模块设计与仿真图形分析
3.1simulink的工作环境熟悉
建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图3-1所示
系统中所需的模块：
正弦波模块，示波器模块，
图3-1正弦仿真电路图
正弦波参数如下：
图3-2正弦波参数设置
系统内的示波器显示的波形如图：
图3-3单正弦波与平方波的对比
结论：
两正弦波叠加之后的周期是原周期的1/2,频度是原频度的2倍。
3.2PCM编码器电路设计
图3-413折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果
测试模型和仿真结果如图3-4所示。
其中以Saturation作为限幅器，将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内，以A-LawCompressor作压缩器，Relay模块的门限值设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位——极性码。
样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127，然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。
可以将上图中Constant和Display（不含）之间的模块封装一个PCM编码子系统备用。
其中各模块的具体参数设置如下：
图3-5A-LawCompressor
图3-6Abs
图3-7Relay
图3-8Gain
图3-9Quantizer
图3-10IntegertoBitConverter
图3-11Display
图3-12Mux
图3-13Saturation
图3-14封装之后的PCM编码子系统：
图3-15封装之后的PCM编码子系统图标
3.3PCM解码器电路设计
图3-1613折线近似的PCM解码器测试模型和仿真结果
测试模型和仿真结果如图3-5所示，其中PCM编码子系统是3.2中编码器封装之后的。
PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和7位数据，然后将7位数据转换位整数值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。
可以将该模型中In1Out1右端和Display左端的部分封装为一个PCM解码子系统备用。
其中各模块的具体参数设置如下：
图3-17Demux
图3-18Mux1
图3-19Relay1
图3-20BittoIntegerConverter
图3-21Gain1
图3-22A-LawExpander
图3-23Product
封装之后的PCM解码子系统：
图3-24封装之后的PCM解码子系统
图3-25封装之后的PCM解码子系统图标
3.4无干扰信号的PCM编码与解码
图3-26PCM编码器和解码器（无噪声）测试模型和仿真结果
测试模型和仿真结果如图3-26所示，其中PCM编码与解码子系统已经封装好了。
经过编码与解码之后，然后通过低通滤波器，最后在示波器Scope上得出输出波形，示波器上还显示了原信号，以便与输出信号进行比较。
在编码器之后通过Display和Scope1显示出PCM数字信号，
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