基于MATLAB的脉冲编码仿真.docx
《基于MATLAB的脉冲编码仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的脉冲编码仿真.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于MATLAB的脉冲编码仿真
基于MATLAB的脉冲编码仿真
毕业设计（论文）说明书
院（系）:
通信与控制工程学院专业:
通信工程姓名:
题目:
基于MATLAB的脉冲编码仿真
日期:
2004年6月3日
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
Abstract:
Inthistask,combinationtheSimulinkemulatationfunctionandtheS-function’sspreadfunctionof
MATLABsoftware,havecompletedthesystematicemulatationandmodelingforpulsecodemodulation（PCM）.Inthistask，divideinto3partsmainly,emulatetobuildmouldandemulateanalysisfortheprincipleofpulsecodemodulation（PCM）systematic.Theyaremodelingandemulatationofsampling,quantizingandecoding.Atthesametime,emulatetoanalysethewaveformofsamplingandowesampling,thequantizingerrorofuniformquantizingandnonuniformquantizing,thequantizingerrorofA-Lawandμ-Law,thequantizingnoiseofPCM
andDPCMsystem.Throughtheemulatation’sanalysingforthesepulsecodemodulation（PCM）ofsystematicprinciple,itwillhaveagreatvalueofapplicationforteachinginthefuture.
Keywords:
Pulsecodingmodulation（PCM）;Simulinkemulates;Quantizingerror
第一章项目概述.....................................................................................................................................................1
第二章MATLAB简介............................................................................................................................................2
2.1MATLAB与通信仿真................................................................................................................................2
2.1.1MATLAB的概述.............................................................................................................................2
2.1.2MATLAB集成开发环境.................................................................................................................2
2.1.3通信仿真.........................................................................................................................................2
2.2Simulink仿真系统......................................................................................................................................4
2.2.1Simulink的简介...............................................................................................................................4
2.2.2Simulink的工作环境.......................................................................................................................4
2.2.3Simulink扩展工具S-函数..............................................................................................................6第三章脉冲编码仿真...........................................................................................................................................12
3.1模拟信号采样的仿真..............................................................................................................................13
3.2窄脉冲采样仿真分析..............................................................................................................................16
3.3量化..........................................................................................................................................................18
3.3.1量化的仿真...................................................................................................................................18
3.3.2A律13折线与μ律15折线的量化误差比较.............................................................................22
3.3.3PCM与DPCM系统的量化噪声..................................................................................................24
3.4编码的MATLAB仿真.............................................................................................................................28
第四章体会...........................................................................................................................................................32
附录A:
源程序......................................................................................................................................................33
附录B:
翻译资料..................................................................................................................................................41
参考文献.................................................................................................................................................................50
第一章项目概述
数字通信作为一种新型的通信手段，早在20世纪30年代就已经提出。
在1937年，英国人里费（A.H.Reeves）提出了脉冲编码调制（PCM）方式。
从此揭开了近代数字传输的序幕。
PCM系统的优点是:
抗干扰性强;失真小;传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。
另外，由于PCM可以把各种消息（声音、图像、
综合通信方式，而且还可以实数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的
现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。
故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。
PCM的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。
但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。
因此，PCM是一种极有发展前途的通信方式。
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。
本项目是结合MATLAB软件对脉冲编码调制（PCM）技术进行仿真建模与分析。
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.均匀量化与非均匀量化误差比较3.A律13折线与μ律15折线的量化误差比较4.PCM与DPCM系统的量化噪声比较进行仿真分析。
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。
1
第二章MATLAB简介
2.1MATLAB与通信仿真
2.1.1MATLAB的概述
MATLAB是英文MatrixLaboratory（矩阵实验室）的缩写，它是一套功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件。
它的交互式集成界面能够帮助用户快速地完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能，被誉为―巨人肩膀上的工具‖。
综合起来MATLAB有如下几个特点:
编程效率高;使用方便;扩充能力强;语句简单，内涵丰富;高效方便的矩阵和数组运算;方便的绘图功能
2.1.2MATLAB集成开发环境
MATLAB提供了一个集成化的开发环境，通过这个集成环境用户可以方便的设计仿真模型，执行仿真过程，并且分析仿真结果。
图2.1所示是一个完整的MATLAB集成开发环境，其中包括CommandWindow（命令窗口）、Workspace（工作区窗口）、CurrentDirectory（当前目录窗口）、LaunchPad（快速启动窗口）以及CommandHistory（历史命令窗口）。
图2.1MATLAB主窗口
2.1.3通信仿真
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。
通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。
一、通信仿真的概念
2
通信仿真是衡量通信系统性能的工具。
通信仿真可以分成离散事件仿真和连续仿真。
在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性。
通信仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据。
实际系统仿真系统
当前仿真建模
系统
仿真实验
仿真分析
结论分析
改建后
的系统年
图2.2通信系统仿真的流程
二、通信仿真的一般步骤
通信系统仿真一般分成三个步骤，即仿真建摸、仿真实验和仿真分析。
应该注意的是，通信仿真是一个螺旋式发展的过程，因此这三个步骤可能需要循环执行多次才能够获得令人满意的仿真结果。
1（仿真建模
仿真建摸是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信仿真过程的一个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响着仿真的结果以及仿真结果的真实性和可靠性。
仿真模型是对实际系统的一种模拟和抽象，但又不是完全的复制。
仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性。
在仿真建模过程中，可以先建立一个相对简单的仿真模型，然后再根据方针结果和仿真过程的需要逐步增加仿真模型的复杂度。
仿真模型一般是一个数学模型。
数学模型有许多种分类方式，包括确定性（Deterministic）模型和随机（Stochastic）模型，静态（Static）模型和动态（Dynamic）模型。
在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标，并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。
有了这些具体的仿真目标之后，下一步是获取实际通信系统的各种运行参数。
2（仿真实验
仿真实验是一个或一系列对仿真模型的测试。
在仿真实验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统这个过程中表现出来的性能。
3
其次，还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初始值。
如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能，应该使仿真系统在取不同参应该一个需要注意的地方时，即使仿真过程中收集的数据中取物，由此得到的仿真结果并不一定就是准确的。
仿真系统应该具有相同的输入信号（或相同的信息输入信号），这样才能够保证分析和比较的客观性和可靠性。
3（仿真分析
仿真分析是一个通信仿真流程中的最后一个步骤。
在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息，但是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统性能的一个总体评价。
另外一个需要注意的地方是，即使仿真过程中收集的数据正确无误，由此得到的仿真结果并不一定就是准确的。
造成这种结果的原因可能是输入信号恰好与仿真系统的内部特性相吻合，或者输入的随机信号不具有足够的代表性。
图表是最简洁的说明工具，它具有很强的直观性，便于分析和比较，因此，仿真分析结果一般都绘制成图表形式。
以上就是通行仿真的一个循环。
应该强调的是，仿真分析并不一定意味着通信仿真过程的完全结束，如果仿真分析得到的结果达不到预期的目标，还需要重新修改通信仿真模型，这时候仿真分析就成为了另外一个循环的开始。
2.2Simulink仿真系统
2.2.1Simulink的简介
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。
同时，通过Simulink的存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存到工作区或文件中，供用户在仿真结束后对数据进行分析和处理。
根据输出信号与输入信号的关系，Simulink提供3种类型的模块:
连续模块、离散模块和混合模块。
连续模块是指输出信号随输入信号发生连续变化的模块，离散模块则是输出信号以固定间隔变化的变化的模块。
混合模块是根据输入信号的类型来确定输出信号类型的，它既能够产生连续输出信号，也能够产生离散输出信号。
2.2.2Simulink的工作环境
当采用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。
一、Simulink模块库
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
4
Simulink模型库。
Simulink模型库中的仿真模块组织成一个三级树型结构，最末级的每一个模块都可以直接加入到自己的仿真模型中。
Simulink中的通信仿真模块库由13个子模块库组成，如下图所示:
图2.3通信仿真模块库
其中，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，包括A律压缩和扩展模块、μ率压缩和扩展模块、量化编码器模块以及差分脉冲编码调制模块等。
二、设计仿真模型
在MATLAB主窗口或Simulink模型库的菜单栏中依次选择―File‖|―New‖|―Model‖，MATLAB生成一个空白的仿真模型窗口。
在设计仿真模型的过程中，如果Simulink模型库中包含了仿真模型所需的模块，直接把模块拖到仿真模型中即可。
Simulink模型库中的模块一般具有各种才参数设置。
在仿真窗口再双击模块，弹出该模块的参数设置对话框，这时候可以修改模块中各个参数的数值。
通常情况下，仿真模块的设计过程就是对Simulink模型库中各个模块的一种组合。
如果Simulink模型库中没有所需的模块，这时候可以通过S-函数构造自己的模块，并且把这个模块与其它Simulink模块组合起来，实现相应的仿真功能。
三、建立子系统
在Simulink中，若干个仿真模块可以组合起来构成一个子系统（Subsystem）,以减少每个仿真模型窗口中显示的仿真模块的数目。
采用子系统的另外一个好处是可以把复杂的仿真模型按照功能关系组织成等级结构，使得每个子系统都是一个相对独立的功能实体，这些子系统组合起来构成一个功能更强的子系统。
Simulink子系统可以按照自底向上的方式进行构造。
即先在同一个窗口中添加各个Simulink模块，当
5
模块的数目增加到一定的限度时，可以选中其中若干个模块（按住Shift键后单击各个需要组合的模块），然后单击鼠标右键，在弹出式菜单中选择CreateSubsystem，这时候就创建了一个子系统，并且Simulink自动为这个子系统设置了输入输出端口。
在Simulink中，子系统和输入输出端口的名称都可以由我们自行设置。
2.2.3Simulink扩展工具S-函数
一、什么是S-函数
S-函数是系统函数（SystemFunction）的简称，是指采用非图形化的方式（即计算机语言，区别于Simulink的系统模块）描述的一个功能块。
在很多情况下，Simulink模型库（SimulinkLibrary）中的模块不能完全满足用户的要求，这时候需要由用户自己来编写相应的代码。
S-函数提供了函数代码与Simulink之间的接口，使得用户编写的代码既能够像Simulink模型库中的模块那样具有统一的仿真接口，同时能够实现各种灵活的控制和计算功能。
因此，S-函数是对Simulink模块库功能的扩展。
二、S-函数的工作原理
每个Simulink模块都可以表示成输入信号u，输出信号y以及内部状态x之间的关系，如图2.4所示。
uxy
（输入）（状态）（输出）
图2.4Simulink模块的基本结构
在某个时刻t，Simulink模块的内部状态x由两部分组成:
连续状态x和离散状x，且x=x+x,此时cdcd
xftxu,（,,）输出信号y=f（t,x,u），连续状态的导数x’=f（t,x,u），离散状态。
Simulink根据连续状态导0cdduk，1
数方程进行积分运算，得到各个连续状态的数值，同时通过离散状态方程计算离散状态的当前值。
这样，Simulink就可以得到各个时刻的状态及其输出信号，实现对仿真结果的求解。
在仿真过程中，每个Simulink模块的执行过程可以分成3个阶段:
初始化阶段，仿真循环阶段和仿真结束阶段。
图2.5所示是Simulink仿真模块的流程图。
6
初始化模型
计算下一个采样时间点
（仅适用于变采样时间块）
计算输出
数值积分
仿真循环
更新离散状态
计算导数
计算输出
计算导数
minortimestep
majortimestep仿真结束检查过零事件
图2.5Simulink模块的仿真流程
对于仿真流程中的每一个步骤，Simulink中的S-函数调用预先设定的函数来实现相应的功能。
三、M文件S-函数
M文件S-函数是采用MATLAB语言编写的一种S-函数，它采用MATLAB中M文件的语法结构，编写代码之后不需要编译就可以直接使用，因此，与其他形式的S-函数相比，M文件S-函数更加便于编写和使用。
升级会员 