simulink关于pcmdpcm的通信原理课设学位论文.docx

1、simulink关于pcmdpcm的通信原理课设学位论文各专业全套优秀毕业设计图纸目录前言 11 模拟信号数字化传输原理 21.1 模拟信号的数字化传输 21.2 模拟信号的抽样原理 21.3 抽样信号的量化原理 31.4 脉冲编码调制原理 61.5 差分脉冲编码调制原理 72 Simulink组件使用介绍 93 模拟信号抽样的设计与仿真分析 113.1模拟抽样信号的设计 114模拟信号量化的设计与仿真分析 154.1 模拟信号量化的设计 154.2模拟量化信号仿真结果 175 PCM编译码系统的设计与仿真分析 195.1 PCM编译系统的设计 195.2 PCM编译系统的仿真与结果 226

2、DPCM编译码系统的设计与仿真 246.1 DPCM编译码系统设计 246.2 DPCM编译码系统仿真与结果 26总结 27参考文献 28前言1837年，莫尔斯完成了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营，这可认为是电信或者远程通信，也就是数字通信的开始。数字化可从脉冲编码调制开始说起。1937年里夫提出用脉冲编码调制对语声信号编码，这种方法优点很多。例如易于加密，不像模拟传输那样有噪声积累等。但在当代代价太大，无法实用化；在第二次世界大战期间，美军曾开发并使用24路PCM系统，取得优良的保密效果。但在商业上应用还要等到20世纪70年代。才能取代当时普遍采用的载波系统。我国

3、70代初期决定采用30路的一次群标准，80年代初步引入商用，并开始了通信数字化的方向。数字化的另一个动向是计算机通信的发展。随着计算机能力的强大，并日益被利用，计算机之间的信息共享成为进一步扩大其效能的必需。60年代对此进行了很多研究，其结果表现在1972年投入使用的阿巴网。由此可见，通信系统中的信息传输已经基本数字化。在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提前到日程上来，21世纪已经逐步取代模拟系统。尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。近年来提出的软件无线电技术，试图在射频进行模数，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化，

4、这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展。基于MATLAB的SIMULINK仿真模型，能够反映模拟通信系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。当然理论与实际还会有很大的出入，在设计时还要考虑各种干扰和噪声等因素的影响。 1 模拟信号数字化传输原理1.1 模拟信号的数字化传输模拟信号的数字传输是指把模拟信号先变换为数字信号后，再进行传输。由于与模拟传输相比，数字传输有着抗干扰能力强、差错可控等众多优点，因而此技术越来越受到重视。模/数变换是把模拟基带信号变换为数字基带信号，尽管后者的带宽

5、会比前者大得很多，但本质上仍属于基带信号。这种传输可直接采用基带传输，或经过数字调制后再做频带传输。图1-1 模拟信号数字化流程图数字化包括抽样、量化、编码三个步骤，如图1-1所示：抽样完成时间离散量化过程，所得抽样值m(kT)为PAM信号；量化完成复制离散化过程，所得量化信号值mq(kT)为多电平PAM信号；编码完成多进制到二进制的变化过程，所得s(t)是二进制编码信号。1.2 模拟信号的抽样原理模拟信号通常是时间上连续的信号。在一系列离散点上，对这种信号抽取样值称为抽样，如图1-2所示。图中m(t)是一个模拟信号，在等时间间隔T上，对它抽取样值。在理论上，抽样过程可以看作使用周期性单位冲激

6、脉冲（impulse）和此模拟信号相乘。抽样结果得到的是一系列周期性的冲激脉冲，其面积和模拟信号的取值成正比。冲激脉冲在图1-2中用一些箭头表示，实际上，是用周期性窄脉冲代替冲激脉冲与模拟信号相乘。抽样定理指出：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率fH，则以间隔时间为T2H（即fs2fH），那么各相邻频移后的频谱不会发生重叠。图1-2抽样过程中的信号波形与频谱取样信号ms(t)中恢复原信号m(t)，如图1-3所示。当抽样频率小于奈奎斯特频率时，即s2H，则抽样信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，如图1-3所示：当抽样频率大于或等于奈奎斯特频率时，接收端回复与原信号基本一致。为了不发生混叠现象，

7、必须满足s2H。图1-3 模拟信号的恢复1.3 抽样信号的量化原理量化就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映像成一个离散幅度值的有限数集合。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。如公式1-2所示，量化器输出L个量化值yk，k=1，2，3，L。yk常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在xk与xk+1之间时，量化器输出电平为yk。这个量化过程可以表达为： （1-2）图1-4 量化器这里xk称为分层电平或判决阈值。通常k=xk+1-xk称为

8、量化间隔。模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化：采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化，那么这种量化称为均匀量化。均匀量化就是采用相同的“等分尺”来度量采样得到的幅度，也称为线性量化。量化后的样本值Y和原始值X的差E=Y-X称为量化误差或量化噪声。均匀量化示意图，如图1-5所示：图1-5 均匀量化示意图用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。非均匀

9、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v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。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压缩律。美国采用压缩律，我国和欧洲各国均

10、采用A压缩律，所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律： （1-3）由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码，压扩特性图如下图所示：图1-6 A律函数13折线压扩特性图这样，它基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行编码的。表1-1 13折线时的值与计算值的比较y01/82/83/84/85/86/87/81A律的x值01/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.98113折线法的x01/1281/641/321/161/81/41/21折线段号12345678折线斜率16168421

11、1/21/4表1-1中第二行的x值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A律曲线十分逼近，同时A律按2的幂次分割有利于数字化。1.4 脉冲编码调制原理把量化的电平值表示成二进制码组的过程称为编码。将模拟信号的经过抽样、量化、编码变换为数字信号，然后再传输，这种方式称为脉冲编码调制(PCM)。PCM原理方框图如图1-7所示：图1-7 PCM原理方框图在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，

12、无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平，如表1-2所示。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级，如表1-3所示。这样处理的结果，8个段落被划分成27128个量化级。表1-2 段落码段落序号段落码段落序号段落码8111

13、4011711030106101200151001000表1-3 段内码量化级段内码量化级段内码151111701111411106011013110150101121100401001110113001110101020010910011000181000000001.5 差分脉冲编码调制原理预测编码（Prediction Coding）：是指利用前面的一个或多个信号对下一个信号进行预测，然后对实际值和预测值的差进行编码。预测编码主要是减少了数据在时间和空间上的相关性，因而对于时间序列数据有着广泛的应用价值。在数字通信系统中，例如语音的分析与合成，图像的编码与解码，预测编码已得到了广泛的实际应用。两种典型的预测编码：差分脉码调制（DPCM）、自适应差分脉码调制（ADPCM）。预测编码方法分线性预测和非线性预测编码方法。线性预测编码方法，也称差值脉冲编码调制法，简称DPCM（differentialPulseCodeModulation）。DPCM编码，简称差值编码，是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式。这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。举例说明DPCM编码原理：设DPCM系统预测器的预测值为前一个样值，假设输入信号已经