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
PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第1页
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,设计一个DPCM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。
MATLAB7.1,Simulink仿真平台,PCM编码器与解码器,信号波形。
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
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第2页拟信号进行抽样、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。
•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。
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。
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。
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。
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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.
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.
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。
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。
模拟信号抽样量化器编码器PCM信号输入保持输出
冲激脉冲
信干扰
道
低通译码器模拟信号滤波器PCM信号输出输入
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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)。
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。
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。
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
1n(1,x)y,,(,1,x,1)μ律:
(美、日)1n(1,),
Ax10,|x|,,,1,1nAAA律:
(我国、欧洲)y,,1,1nA|x|1,,,|x|,1,1,1nAA,
式中,x为归一化输入,y为归一化输出,A、μ为压缩系数。
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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
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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。
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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)。
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下:
M1M2M3M4M5M6M7M8
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。
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simulink
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1系统中所需的模块:
正弦波模块,示波器模块,
正弦波参数如下:
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系统内的示波器显示的波形如图:
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。
PCM
测试模型和仿真结果如图6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。
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第10页1.A-LawCompressor:
2.Abs:
3.Relay:
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4.Gain:
5.Quantizer:
6.IntegertoBitConverter:
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7.Display:
8.Mux:
9.Saturation
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:
PCM
测试模型和仿真结果如图7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。
1.Demux:
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第14页
2.Mux1:
3.Relay1:
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4.BittoIntegerConverter:
5.Gain1:
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6.A-LawExpander:
7.Product:
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PCM
测试模型和仿真结果如图8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,注意:
在通过示波器前需经过ToFrame和Buffer,其中ToFrame
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第18页是用来形成帧信号,Buffer是缓冲器。
1.Scope:
2.Scope1:
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第19页1.SineWave:
2.Display:
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第20页3.ToFrame:
4.Buffer:
5.Scope1:
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第21页6.AnalogFilterDesign:
7.Scope:
8.系统总的仿真参数:
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PCM
仿真模型如图8所示,其中PCM编码和解码子系统内部结构参见3.2,3.3,PCM编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对称信道。
在解码端信道输出的码流经
过串并转换后送入PCM解码,之后输出解码结果并显示波形。
仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍,这里模型中信道速率最高,为
71kbps,故仿真步长设置为1/71000s。
信道错误比特率为0.05,以观察信道误码对PCM传
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第23页输的影响。
仿真结果见下文。
传输信号为100*pi的正弦波,解码输出存在延迟。
对于信道
产生误码的位置,解码输出波形中出现了干扰脉冲,干扰脉冲的大小取决于信道中错误比
特位于一个PCM编码字串中的位置,位于最高位(极性)时将导致解码值极性错误,这
是引起的干扰最大,而位于最低位的误码引起的干扰最轻微。
1.Scope:
2.Scope1:
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PCM编码器与PCM解码器的MATLAB实现及性能分析共28页第24页1.SineWave:
2.Zero-Oroder-Holder:
3.FrameStatusConversion:
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4.Buffer:
5.BinarySymmetricChannel
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6.Buffer1:
6.Scope1:
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7.Reshape:
8.Scope:
9.系统总的仿真参数:
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