PCM编码器设计.docx
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PCM编码器设计
通信原理课程设计报告
题目：
PCM编译码器设计
专业班级：
13电信科技2班
姓名：
zmd
指导教师：
彭文娟
【摘要】
脉冲编码调制PCM是将模拟信号变换成二进制信号的最根本和最常用的编码方式，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、广播电视等许多领域。
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，仿真实现一个PCM编码与解码系统。
编码器实现输入模拟话音信号完成PCM技术的三个过程：
采样、量化与编码，解码器实现复原原信号过程。
然后根据运行结果和波形来分析该系统性能。
关键词：
MATLAB，Simulink仿真平台，PCM编译码器
1概述
脉冲编码调制PCM是模/数变换中最根本和最常用的编码方式，结合教师所教学的《通信原理教程》课程，培养我们的实际动手能力。
通过这次通信原理课程设计，对PCM编码和译码的原理与其性能有更深的认识，并进一步的了解MATLAB软件的使用，也锻炼了我们在实际问题的解决中会更加的细心。
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,对该设计中涉与的编码器和译码器中使用到的模块进展调试、仿真和分析。
仿真实现PCM编码器和译码器。
利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM编码和译码系统。
要使编码器实现输入模拟话音信号完成PCM技术的三个过程：
采样、量化与编码，解码器实现复原原信号过程。
然后根据运行结果和波形来分析该系统性能。
1、学会并运用MATLAB集成软件下的Simulink仿真平台，构建硬件原理框图，掌握PCM的编码和译码的原理；
2、掌握PCM编码的三个根本过程：
抽样、量化、编码。
将输入的模拟语音信号变换为数字信号，在数字通信系统中进展传输。
并观察输出波形；
3、掌握解码复原原信号过程，观察输出波形；
3、根据运行结果和波形来分析该系统性能。
2设计原理
2.1硬件框图
图2-1PCM系统原理框图
2.2脉冲编码调制PCM
脉冲编码调制PCM主要包括抽样、量化与编码3个过程。
抽样是把连续时间的模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号；量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数字信号；编码是用二进制代码来表示量化后的抽样信号。
图2.2.2模拟信号数字化过程
2.2.1抽样
模拟信号通常是在时间上连续的信号。
在一系列离散点上，对这种信号抽取值称为抽样。
理论上，抽样过程可以看做周期性单位冲激脉冲和此模拟信号相乘。
抽样定理：
假如一个连续模拟信号
的最高频率小于
，如此以时间间隔为
的周期性冲激脉冲对其抽样时，
将被这些抽样值所完全确定。
恢复原信号的条件是
即抽样频率
应不小于
。
这一最低抽样频率
称为奈奎斯特抽样速率。
与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特抽样间隔。
2.2.2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，如此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X围定义为动态X围，可见，均匀量化时的信号动态X围将受到较大的限制。
为了克制这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。
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展均匀量化。
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u压缩律和A压缩律。
A律具有如下特性：
由于A律压缩实现较复杂，常使用13折线法编码。
它根本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进展编码的。
图2-3示出了这种压扩特性。
图2-313折线曲线
表2-1
i
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1/8
2/8
3/8
4/8
5/8
6/8
7/8
1
A律x值
0
1/128
1
13折线法
0
1/128
1/64
1/32
1/16
1/8
1/4
1/2
1
折线段号
1
2
3
4
5
6
7
8
折线斜率
16
16
8
4
2
1
1/2
1/4
2.2.3编码
编码是用二进制代码来表示量化后的抽样信号，编码的逆过程称为译码。
理论上，任何一种从量化电平值到二进制码组的一一映射都可以作为一种编码。
有不同的编码方法可以将量化电压编码。
常用的编码有两种，即自然二进制码和折叠二进制码。
由于折叠二进制码可以大大简化编码电路和编码过程，且误码对于小电压的影响较小，对小信号有利；另外，语音信号小电压的出现概率较大，所以采用折叠码有利于减小语音信号的平均量化噪声。
在13折线法中，采用的折叠码有8位,分别为：
第一位
:
表示量化值的极性正负。
第二~四位〔
〕：
表示段落码，共计3位。
可以表示8种斜率的段落；最后4位〔
〕为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。
段内代表的16个量化电平是均匀划分的。
所以，最后7位码总共能表示2^7=128种量化值。
表2-2和表2-3给出了段落码和段内码的编码规如此。
段落序号
段落码
8
111
7
110
6
101
5
100
4
011
3
010
2
001
1
000
量化间隔
段内码
15
1111
14
1110
13
1101
12
1100
11
1011
10
1010
9
1001
8
1000
7
0111
6
0110
5
0101
4
0100
3
0011
2
0010
1
0001
0
0000
表2-2段落码的编码规如此
表2-3段内码的编码规如此
在上述编码中，虽然段内码是按量化间隔均匀编码的，但是因为各个段落的斜率不等，长度不等，故不同段落的量化间隔是不一样的。
其中第1段和第2段最短，斜率最大，其横坐标x的归一化动态X围只有1/128；再将其等分为16小段后，每一小段的动态X围只有（1/128）*（1/16）=1/2048。
这就是最小量化间隔。
第8段最长，其横坐标x的动态X围为1/2；将其16等分后，每段长度为1/32。
假假如采用均匀量化而仍希望对于小电压保持有同样的动态X围1/2048，如此需要用11位的码组才行。
现在采用非均匀量化，只需要7位就够了。
3基于Matlab软件仿真
3.1模拟话音输入系统框图
3.1.1局部模块介绍
1.信源（Chirp）：
把消息转换成电信号的设备；
2.模拟低通滤波器（AnalogFilterDesign）：
低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置；
3.矩形脉冲序列（PulseGenerator）：
用来发生信号的系统。
由于产生和传输单位冲激函数难以实现，因此采用矩形脉冲抽样。
4.相乘器（Product）：
一种完成两个互不相关的模拟信号相乘作用的电子器件。
通过相乘器使语音信号与矩形脉冲序列相乘，从而获得时域离散信号，这个过程就是信号抽样。
5.A律压缩器（A-Lawpressor）：
用以减少数字信号的冗余度，提高数字信号的有效性。
由于A律压缩实现较复杂，常使用13折线法编码近似表示A压缩律。
6.量化器（Quantizer）：
将抽样值的X围划分为M个区间，每个区间用一个电平去表示。
这样，共有M个离散电平，称为量化电平，用这M个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。
7.编码器（UniformEncoder）：
将量化后的信号编成适合于信道传输的信号。
8.环滞比拟器（Relay）：
将上下电平固定，使其波形波动不要过大，影响最后输出的波形。
9.译码器（UniformDecoder）：
将从信道传输出来的信号进展解码；
10.A律扩展器（A-LawExpander）：
将解码后的信号量化值进展扩展。
11.零阶保持器（Zero-OrderHold）：
复原原信号，转换为连续信号。
3.1.2局部参数设置图
Chirp模块：
AnalogFilterDesign模块：
PulseGenerator模块：
Product模块：
A-Lawpressor模块：
Quantizer模块：
UniformEncoder模块：
UniformDecoder模块：
Relay模块：
A-LawExpander模块：
Zero-OrderHold模块：
编码结果：
译码结果：
3.2数字信号话音输入系统框图
3.2.1数字信号参数：
3.2.2仿真结果：
编码结果：
译码结果：
4性能分析
通过仿真软件构建的框图中的示波器可直观观察到，模拟信号的PCM编码和数字信号的PCM编码、译码的波形光滑，与理想状态相比拟，根本无误差。
而观察到的模拟话音信号的PCM译码波形图，可看出经PCM编译码后的模拟信号与原信号存在较小误差，波形不够光滑，波峰出现少许平缓。
产生误差的原因：
由于无穷内插公式和许多高频分量而混入了输入噪声，导致输出波形不够光滑，出现少许平缓。
5完毕语
这次通信原理的课程设计历时很长，在这个过程中，让我感到忙碌与紧X。
不过让我收获良多，首先让我更清楚的了解到脉冲编码调制PCM编码器与译码器的原理。
脉冲编码调制PCM是模/数变换中最根本和最常用的编码方式，结合教师所教学的《通信原理》课程，掌握了PCM技术的三个过程：
抽样、量化、编码，同时还培养了我们的实际动手能力。
也让我们小组从开始的完全没有头绪和没有思路，到通过图书馆查阅书籍，经过小组的讨论，慢慢了解了这次课程设计的思路。
另一方面，我们还自学了MATLAB软件，刚开始下载了这个软件让我们很头疼，因为它是英文版本，之前也没有接触过。
我们通过书籍和咨询了了解该软件的同学，慢慢摸索了该软件的使用方法，以与如何利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台去构建框图。
这次学习过程中，我们遇到了很多小问题，但是并没有打击到我们小组的信心，我们再接再厉加上小组成员之间的团结，一一解决了这些小的问题。
提高了我们对遇到问题时的理解能力、分析能力和解决能力。
然后在团队合作中，我们分工明确，有自己的定位。
让自己在这次的团队合作中更加的认识自己，加强和巩固自己知识点；也让自己充分的融入集体，展示自己更优秀的方面。
感谢通信原理教师给我们这次锻炼自己的机会，更加的理解课本知识，将所学的理论知识加以运用在实践中，真正的将学到的知识学以致用。
让我们打下了良好的根底，在以后的生活中遇见类似问题会做的更好。
【参考文献】
[1]《通信原理教程》，樊昌信等编著，电子工业，2008
[2]《通信原理实验与课程设计》，达新宇邱伟等编著，邮电大学，2009
[3]《通信原理——基于Matlab的计算机仿真》，郭文彬，桑林等编著，邮电大学
[4]《通信原理应用实践指导》，杨旭峰，X岩涛等编著，某某工程大学
[5]《通信原理与系统》，徐祎杨晓静等编著，国防工业
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