通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告A律PCM編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、 通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目：a律pcm編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真姓 名： 學(xué) 院： 專(zhuān) 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2012 年 1 月 7日專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)指導(dǎo)單位：自動(dòng)化工程學(xué)院指導(dǎo)教師：專(zhuān)業(yè)和班級(jí)：學(xué)生姓名：設(shè)計(jì)題目：a律pcm編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真主要技術(shù)指標(biāo)：1. 輸入信號(hào)：s(t)=asin(2ft+);2. 輸入信號(hào)幅值：a=-700db;3. 輸入信號(hào)頻率：f=4hz;4. 抽樣頻率：fs=100hz;要求完成項(xiàng)目：1. 了解a律13折線近似與pcm編解碼原理；2. 畫(huà)出信號(hào)原始波形和pcm編碼、譯碼后的波形；3. 畫(huà)出不同幅度a下，pcm譯碼后的量化信噪比；4. 與均勻量化的線性

2、編碼比較分析；要求完成時(shí)間：2012年1月9日目 錄目 錄2摘 要3第一章 基本原理41.1 脈沖編碼調(diào)制（pcm）：41.2 a律pcm編碼規(guī)則：41.2.1 a律壓縮律原理：41.2.2 13折線近似的原理41.2.3 pcm編碼規(guī)則5第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.1.實(shí)驗(yàn)意義72.2.課程設(shè)計(jì)要求72.3總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖7第三章 程序塊流程設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)83.1a律pcm編碼模塊83.1.1 a律pcm編碼規(guī)則：83.1.2 pcm編碼流程83.2.a律pcm譯碼模塊93.3.均勻量化編碼模塊10第四章 程序測(cè)試114.1 連接全程序114.2 圖形顯示和噪聲性能比較11第五章 總結(jié)135.1 心得

3、體會(huì)135.2 意見(jiàn)和建議13附錄：14參考文獻(xiàn)14摘 要數(shù)字脈沖編碼調(diào)制（pcm）是目前模擬信號(hào)數(shù)字化的基本方法，將時(shí)間離散的抽樣值序列經(jīng)量化、編碼變換為二進(jìn)制數(shù)字序列。量化是對(duì)抽樣值的取值離散，根據(jù)量化間隔的不同選取分為均勻量化和非均勻量化，非均勻量化可以有效地改善信號(hào)的量化信噪比。語(yǔ)音信號(hào)的量化常采用itu建議的對(duì)數(shù)特性的a律（中國(guó)和歐洲）和律（北美和日本）壓縮的非均勻量化，為了便于采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)量化，通常采用13折線和15折線近似代替a律和律。第一章 基本原理1.1 脈沖編碼調(diào)制（pcm）：脈沖編碼調(diào)制（pulsecodemodulation），是對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣和量化時(shí)，將所得的量化

4、值序列進(jìn)行編碼，變換為數(shù)字信號(hào)的調(diào)制過(guò)程。它主要經(jīng)過(guò)3個(gè)過(guò)程：抽樣、量化和編碼。抽樣過(guò)程將連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間、連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)，量化過(guò)程將抽樣信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào)，編碼過(guò)程將量化后的信號(hào)編碼成為一個(gè)二進(jìn)制碼組輸出。1.2 a律pcm編碼規(guī)則：1.2.1 a律壓縮律原理：理想對(duì)數(shù)壓縮：需對(duì)的小信號(hào)段進(jìn)行修正 圖1. 對(duì)數(shù)壓縮特性曲線 a律修正思想：(1) .過(guò)原點(diǎn)做的切線，切點(diǎn)b;(2) .切線ob段+曲線bca律壓縮曲線。a壓縮律是指符合下式的對(duì)數(shù)壓縮規(guī)律：式中，x為壓縮器歸一化輸入電壓；y為壓縮器歸一化輸出電壓；a為常數(shù)，決定壓縮程度。a壓縮律中的常數(shù)a不同，則壓

5、縮曲線的形狀也不同，它將特別影響小電壓時(shí)的信號(hào)量噪比的大小，在實(shí)用中，選擇a等于87.6。1.2.2 13折線近似的原理a律壓縮表示式是一條連續(xù)的平滑曲線，用電子線路很難準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在由于數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，這種特性很容易用數(shù)字電路來(lái)近似實(shí)現(xiàn)，13折線特性就是近似于a壓縮律的特性，其曲線見(jiàn)圖2. 圖2. 13折線壓縮特性曲線 圖中橫坐標(biāo)x在01區(qū)間中分為不均勻的8段。1間的線段稱(chēng)為第8段；間的線段稱(chēng)為第7段；間的線段稱(chēng)為第6段；依此類(lèi)推，直到0間的線段稱(chēng)為第1段。圖中縱坐標(biāo)y則均勻的劃分為8段。將這8段相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)（x,y）相連，就得到了一條折線。 1.2.3 pcm編碼規(guī)則輸入信號(hào)x進(jìn)行a

6、律壓縮，取a=87.6.采用13折線近似，在第一象限，輸出x端點(diǎn)對(duì)應(yīng)：x=（），圖形表示如圖1.在13折線法中采用的折疊碼有8位。其中第一位c1表示量化值的極性正負(fù)。后面的7位分為段落碼和段內(nèi)碼兩部分，用于表示量化值的絕對(duì)值。其中第24位（c2c4）是段落碼，共計(jì)3位，可以表示8種斜率的段落；其他4位（c5c8）為段內(nèi)碼，可以表示每一段落內(nèi)的16種量化電平。段內(nèi)碼代表的16個(gè)量化電平是均勻劃分的。所以，這7位碼總共能表示128種量化值。 圖3. a律曲線與13折線近似第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1.實(shí)驗(yàn)意義 本課程設(shè)計(jì)試圖通過(guò)親自完成均勻量化和非均勻量化的編碼、譯碼的整體設(shè)計(jì)，加深對(duì)pcm編碼的原理的

7、理解，提高系統(tǒng)編程、系統(tǒng)測(cè)試以及系統(tǒng)分析的能力。2.2.課程設(shè)計(jì)要求(1) .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，理解pcm脈沖編碼的原理；(2) .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各模塊的程序代碼；(3) .連接各模塊，運(yùn)行出系統(tǒng)中的抽樣信號(hào)和量化信號(hào)；(4) .測(cè)試分析均勻量化和非均勻量化的噪聲性能；(5) .對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析討論；2.3總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 圖4. a律pcm編解碼的系統(tǒng)框圖第三章 程序塊流程設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)3.1a律pcm編碼模塊3.1.1 a律pcm編碼規(guī)則：在13折線法中采用的折疊碼有8位。其中第一位c1表示量化值的極性正負(fù)。后面的7位分為段落碼和段內(nèi)碼兩部分，用于表示量化值的絕對(duì)值。其中第24位（c2c4）

8、是段落碼，共計(jì)3位，可以表示8種斜率的段落；其他4位（c5c8）為段內(nèi)碼，可以表示每一段落內(nèi)的16種量化電平。段內(nèi)碼代表的16個(gè)量化電平是均勻劃分的。所以，這7位碼總共能表示128種量化值。輸入信號(hào)x后，極性碼c1的判斷方法是：x0,c1=1；段落碼c2、c3、c4的判斷方法是：；段內(nèi)碼c5、c6、c7、c8的判斷方法是：，要注意x各段量化間隔不等。 圖5. 段落碼和段內(nèi)碼的編碼規(guī)則3.1.2 pcm編碼流程輸入信號(hào)x后，先判斷x的符號(hào)，x0時(shí)c1=1，x0時(shí)c1=0；判斷完符號(hào)后將信號(hào)進(jìn)行歸一化和量化，再進(jìn)行段落判斷以及段內(nèi)判斷，最后將c1c8輸出。流程圖如下 輸入信號(hào)s判斷符號(hào) 歸一化、量

9、化輸出 段內(nèi)判斷 段落判斷 3.2.a律pcm譯碼模塊對(duì)已經(jīng)編碼的信號(hào)進(jìn)行譯碼時(shí)，先輸入已經(jīng)編碼的碼組，根據(jù)極性碼的規(guī)則提取符號(hào)，判斷符號(hào)位，接著再判斷段落位置和段內(nèi)位置，最后將譯碼后的結(jié)果輸出，其譯碼流程圖如下：輸出判斷符號(hào)位 判斷段內(nèi)位置 判斷段落位置提取符號(hào) 輸入碼組code3.3.均勻量化編碼模塊在均勻量化時(shí)，設(shè)模擬抽樣信號(hào)的取值范圍為ab，量化電平數(shù)是m，則在均勻量化時(shí)的量化間隔是：。在編程時(shí)首先將抽樣信號(hào)歸一化：amax=max(abs(a);a_quan=a/amax; b_quan=a_quan;然后對(duì)歸一化的輸入信號(hào)序列進(jìn)行量化：for i=1:n index=find(q(

10、i)-d/2=a_quan)&(a_quan=q(i)+d/2); a_quan(index)=q(i).*ones(1,length(index); b_quan(find(a_quan=q(i)=(i-1).*ones(1,length(find(a_quan=q(i)enda_quan=a_quan*amax;nu=ceil(log2(n);code=zeros(length(a),nu);for i=1:length(a) for j=nu:-1:0 if(fix(b_quan(i)/(2j)=1) code(i,nu-j)=1; b_quan(i)=b_quan(i)-2j; end

11、 endend最后還要計(jì)算出均勻量化信噪比：sqnr=20*log10(norm(a)./norm(a-a_quan)。第四章 程序測(cè)試4.1 連接全程序1. 首先對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定：抽樣頻率fs=40,dt=1/fs,t=0:dt:2,輸入的正弦信號(hào)幅度不同，vm1=-70:5:0，這是以分貝為單位的，要將他轉(zhuǎn)換為以伏特為單位的vm=10.(vm1/20)；2. 開(kāi)始畫(huà)圖調(diào)用各個(gè)模塊的函數(shù)：pcm均勻量化編碼sqnrm,zxx,zz=upcm(x,m),pcm編碼y=pcm_encode(sxx),pcm解碼yy=pcm_decode(y,v);3. 還要計(jì)算噪聲平均功率與信號(hào)平均功率

12、來(lái)得到信號(hào)的量化信噪比：nq(m)=sum(x-yy).*(x-yy)/length(x); sq(m)=mean(yy.2); snr(m)=(sq(m)/nq(m);4. 最后將原始信號(hào)波形，pcm譯碼后的波形，不同幅度下pcm編碼后的量化信噪比以及均勻量化的量化信噪比畫(huà)出來(lái)。4.2 圖形顯示和噪聲性能比較在matlab上運(yùn)行主函數(shù)pcm_e_decode.m，可得到原始信號(hào)波形，pcm譯碼后的波形，不同幅度下pcm編碼后的量化信噪比以及均勻量化的量化信噪比的波形 圖6. 原始抽樣信號(hào)（上）和pcm譯碼后的重建信號(hào)（下）原始抽樣信號(hào)與pcm譯碼后的信號(hào)都是正弦波，可以看出經(jīng)過(guò)pcm譯碼后的

13、重建信號(hào)與原始信號(hào)相比沒(méi)有失真，譯碼正確。圖7. a律pcm編碼與均勻量化編碼的量化信噪比的比較從上圖可以看出：（1）對(duì)均勻編碼和非均勻編碼，量化信噪比隨著輸入信號(hào)幅度的變化而變化；（2）在輸入正弦信號(hào)幅度相同的情況下，經(jīng)過(guò)a律13折線近似的pcm非均勻量化編碼后的信號(hào)量化信噪比要比均勻量化編碼后的信噪比小，因此，可以得出結(jié)論：非均勻量化可以有效地改善量化信噪比。第五章 總結(jié)5.1 心得體會(huì)做這個(gè)課程實(shí)際開(kāi)始的時(shí)候，由于之前學(xué)的這部分內(nèi)容不太記得了，有點(diǎn)無(wú)從下手的。重新看課本和給出的實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)習(xí)了一下相關(guān)理論知識(shí)。由于之前學(xué)過(guò)相關(guān)的內(nèi)容，再次溫習(xí)花的時(shí)間也不會(huì)太多。這個(gè)課程設(shè)計(jì)從開(kāi)始做到完成

14、，雖然總共花的時(shí)間并不算長(zhǎng)，但是讓我明白了無(wú)論是這次的通信原理課程設(shè)計(jì)還是其他工程或是畢業(yè)設(shè)計(jì)，乃至今后的實(shí)習(xí)和工作中，都是一個(gè)溫故而知新的過(guò)程，技術(shù)的更新是非常迅速的，但是理論基礎(chǔ)是根本，是必不可少的，只有學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)才有可能談其他創(chuàng)新和發(fā)展。另外在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中也會(huì)遇到很多困難。首先，此次設(shè)計(jì)用的設(shè)計(jì)軟件是matlab，由于軟件編程一直是我的薄弱項(xiàng)，所以開(kāi)始就有畏難的情緒。但是通過(guò)仔細(xì)閱讀老師給出的參考程序片段，上網(wǎng)搜索已有的程序案例，讀懂相關(guān)的程序功能，并根據(jù)實(shí)際需求作出適當(dāng)修改，就能符合設(shè)計(jì)要求。其次，在程序運(yùn)行的過(guò)程中也會(huì)由于子程序引用時(shí)的格式錯(cuò)誤，使得不能編譯通過(guò)，通過(guò)重新了解相

15、關(guān)格式，仔細(xì)檢查程序和向其他同學(xué)請(qǐng)教等方式，發(fā)現(xiàn)程序中的錯(cuò)誤。因此，很多事情不是因?yàn)殡y以做到，我們才失去信心；相反，是因?yàn)槲覀兪バ判?，事情才顯得困難，所以克服畏難情緒，靜下心來(lái)，通過(guò)努力，很多看起來(lái)困難的事情其實(shí)并不難?？傮w而言，這次課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺，讓我更加深入的了解了pcm脈沖編碼調(diào)制的原理，進(jìn)一步學(xué)會(huì)matlab編程，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作起到了一定的作用。5.2 意見(jiàn)和建議 此次課程設(shè)計(jì)主要是學(xué)習(xí)a律pcm編碼的相關(guān)原理，通過(guò)matlab軟件編程觀察相關(guān)波形并進(jìn)行分析比較，在條件允許的情況下還可以再進(jìn)行仿真，并與硬件結(jié)合，觀察實(shí)際性能。這樣更能綜合軟硬件知識(shí)，提高實(shí)際動(dòng)手能力。附錄：

16、參考文獻(xiàn)1 通信原理教程 樊昌信等 電子工業(yè)出版社 2009年.2 精通matlab6.5版 張志涌等 北京航空航天大學(xué)出版社 2005年.3 通信原理基于matlab的計(jì)算機(jī)仿真 郭文彬等 北京郵電大學(xué)出版社 2006年.4 通信系統(tǒng)建模與仿真 韋崗等 電子工業(yè)出版社 2007年.附錄完整程序代碼：均勻量化編碼：functionsqnr,a_quan,code=upcm(a,n)amax=max(abs(a);a_quan=a/amax; %抽樣值歸一化b_quan=a_quan;d=2/n;q=d.*0:n-1-(n-1)/2*d;%對(duì)歸一化的輸入信號(hào)序列進(jìn)行量化for i=1:n ind

17、ex=find(q(i)-d/2=a_quan)&(a_quan0 out(i,1)=1; else out(i,1)=0 endif abs(x(i)0 & abs(x(i)=32 & abs(x(i)=64 & abs(x(i)=128 & abs(x(i)=256 & abs(x(i)=512 & abs(x(i)=1024 & abs(x(i)=2048 & abs(x(i)=4096) out(i,2:8)=1 1 1 1 1 1 1; else tmp=floor(abs(x(i)-st)/step); t=dec2bin(tmp,4)-48; %函數(shù)dec2bin輸出的是asci

18、i字符串，48對(duì)應(yīng)0 out(i,5:8)=t(1:4); endendout=reshape(out,1,8*n);pcm譯碼：functionout=pcm_decode(in,v)%decode the input pcm code%in, input the pcm code 8bits sample%v, quantized leveln=length(in);in=reshape (in,8,n/8);slot(1)=0;slot(2)=32;slot(3)=64;slot(4)=128;slot(5)=256;slot(6)=512;slot(7)=1024;slot(8)=2048;step(1)=2;step(2)=2;step(3)=4;step(4)=8