DPCM編碼與解碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)與分析課設(shè)

1、成 績(jī) 評(píng) 定 表學(xué)生姓名xx班級(jí)學(xué)號(hào)xxxxxxxx專 業(yè)電子信息工程課程設(shè)計(jì)題目DPCM編碼與解碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)與分析評(píng)語(yǔ)組長(zhǎng)簽字：成績(jī)?nèi)掌?年 月 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 院信息科學(xué)與工程專 業(yè)電子信息工程學(xué)生姓名xx班級(jí)學(xué)號(hào) xxxxxxx課程設(shè)計(jì)題目 DPCM編碼與解碼的MATLAB的實(shí)現(xiàn)與分析實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):利用MATLAB/Simulink進(jìn)行編程和仿真，仿真的內(nèi)容可以是關(guān)于信源、信源編碼、模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、多元調(diào)制、差錯(cuò)控制、多址技術(shù)、信道仿真及具體通信電路的仿真實(shí)現(xiàn)。也可以用MATLAB編程對(duì)通信的某一具體環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:2013年 3月4 日 選題目

2、查閱資料2013年 3月5 日 編寫(xiě)軟件源程序或建立仿真模塊圖2013年 3月6 日 調(diào)試程序或仿真模型2013年 3月7 日 性能分析及驗(yàn)收2013年 3月9 日 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯指導(dǎo)教師： 年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人： 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)： 年 月 日 摘 要首先安裝MATLAB軟件，然后熟悉軟件環(huán)境以及各個(gè)模塊并利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái), 建立一個(gè)很小的系統(tǒng)，用示波器觀察正弦信號(hào)的平方的波形；理解DPCM編碼及解碼原理圖并根據(jù)DPCM編解碼原理圖設(shè)計(jì)一個(gè)DPCM編碼與解碼系統(tǒng)；改變不同模塊的數(shù)據(jù)并用示波器觀察編碼與解碼前后的信號(hào)波形；加上各種噪聲源,用誤

3、碼測(cè)試模塊測(cè)量誤碼率；最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能，從而更深入地掌握DPCM編碼與解碼系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)使自己受益。 關(guān)鍵詞：MATLAB； DPCM編碼與解碼系統(tǒng)；誤碼率目 錄1 課程設(shè)計(jì)目的12 課程設(shè)計(jì)要求13 相關(guān)知識(shí)14 課程設(shè)計(jì)分析75 仿真. .136 結(jié)果分析.147 參考文獻(xiàn).15 DPCM編碼與解碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)與分析1.課程設(shè)計(jì)目的（1）加深對(duì)DPCM編碼與解碼基本理論知識(shí)的理解。（2）培養(yǎng)獨(dú)立開(kāi)展科研的能力。（3）掌握用MATLAB實(shí)現(xiàn)DPCM編碼與解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。（4）掌握MATLAB軟件的使用。2.課程設(shè)計(jì)要求（1）掌握DPCM編碼與解碼系統(tǒng)的相關(guān)知

4、識(shí)、概念清晰。（2）掌握MATLAB使用方法，利用軟件繪制圖像。（3）程序設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。（4）根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能。3.相關(guān)知識(shí)3.1 DPCM編碼與解碼系統(tǒng)簡(jiǎn)介預(yù)測(cè)編碼方法是一種較為實(shí)用被廣泛采用的一種壓縮編碼方法。預(yù)測(cè)編碼方法原理，是從相鄰像素之間有強(qiáng)的相關(guān)性特點(diǎn)考慮的。比如當(dāng)前像素的灰度或顏色信號(hào)，數(shù)值上與其相鄰像素總是比較接近，除非處于邊界狀態(tài)。那么預(yù)測(cè)編碼(predictive coding)是統(tǒng)計(jì)冗余數(shù)據(jù)壓縮理論的三個(gè)重要分支之一，它的理論基礎(chǔ)是現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)和控制論。由于數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不時(shí)滲透到這些領(lǐng)域，在這些理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了一個(gè)

5、專門用作壓縮冗余數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)編碼技術(shù)。預(yù)測(cè)編碼主要是減少了數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，因而對(duì)于時(shí)間序列數(shù)據(jù)有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，例如語(yǔ)音的分析與合成，圖像的編碼與解碼，預(yù)測(cè)編碼已得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。預(yù)測(cè)編碼是根據(jù)某一模型利用以往的樣本值對(duì)于新樣本值進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將樣本的實(shí)際值與其預(yù)測(cè)值相減得到一個(gè)誤差值，對(duì)于這一誤差值進(jìn)行編碼。如果模型足夠好且樣本序列在時(shí)間上相關(guān)性較強(qiáng)，那么誤差信號(hào)的幅度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始信號(hào)，從而可以用較少的電平類對(duì)其差值量化得到較大的數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果。如果能精確預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)源輸出端作為時(shí)間函數(shù)使用的樣本值的話，那就不存在關(guān)于數(shù)據(jù)源的不確定性，因而也就不存在要傳輸?shù)男畔?/p>

6、。換句話說(shuō)，如果我們能得到一個(gè)數(shù)學(xué)模型完全代表數(shù)據(jù)源，那么在接收端就能依據(jù)這一數(shù)學(xué)模型精確地產(chǎn)生出這些數(shù)據(jù)。然而沒(méi)有一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)能找到其完整的數(shù)據(jù)模型，我們能找到的最好的預(yù)測(cè)器是以某種最小化的誤差對(duì)下一個(gè)采樣進(jìn)行預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)器。當(dāng)前像素的灰度或顏色信號(hào)的數(shù)值，可用前面已出現(xiàn)的像素的值，進(jìn)行預(yù)測(cè)（估計(jì)），得到一個(gè)預(yù)測(cè)值（估計(jì)值），將實(shí)際值與預(yù)測(cè)值求差，對(duì)這個(gè)差值信號(hào)進(jìn)行編碼、傳送，這種編碼方法稱為預(yù)測(cè)編碼方法。預(yù)測(cè)編碼方法分線性預(yù)測(cè)和非線性預(yù)測(cè)編碼方法。線性預(yù)測(cè)編碼方法，也稱差值脈沖編碼調(diào)制法，簡(jiǎn)稱DPCM（differential Pulse Code Modulation）。預(yù)測(cè)編碼方法在圖

7、像數(shù)據(jù)壓縮和語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)據(jù)壓縮中都得到廣泛的應(yīng)用和研究。3.2 DPCM的基本原理DPCM編碼,簡(jiǎn)稱差值編碼，是對(duì)模擬信號(hào)幅度抽樣的差值進(jìn)行量化編碼的調(diào)制方式(抽樣差值的含義請(qǐng)參見(jiàn)“增量調(diào)制”)。這種方式是用已經(jīng)過(guò)去的抽樣值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前的抽樣值，對(duì)它們的差值進(jìn)行編碼。差值編碼可以提高編碼頻率，這種技術(shù)已應(yīng)用于模擬信號(hào)的數(shù)字通信之中。對(duì)于有些信號(hào)(例如圖像信號(hào))由于信號(hào)的瞬時(shí)斜率比較大，很容易引起過(guò)載，因此，不能用簡(jiǎn)單增量調(diào)制進(jìn)行編碼，除此之外，這類信號(hào)也沒(méi)有像話音信號(hào)那種音節(jié)特性，因而也不能采用像音節(jié)壓擴(kuò)那樣的方法，只能采用瞬時(shí)壓擴(kuò)的方法。但瞬時(shí)壓擴(kuò)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，因此，對(duì)于這類瞬時(shí)斜率比較大

8、的信號(hào)，通常采用一種綜合了增量調(diào)制和脈沖編碼調(diào)制兩者特點(diǎn)的調(diào)制方法進(jìn)行編碼，這種編碼方式被簡(jiǎn)稱為脈碼增量調(diào)制，或稱差值脈碼調(diào)制，用DPCM表示。 這種調(diào)制方式的主要特點(diǎn)是把增量值分為個(gè)等級(jí)，然后把個(gè)不同等級(jí)的增量值編為位二進(jìn)制代碼再送到信道傳輸，因此，它兼有增量調(diào)制和PCM的各自特點(diǎn)。設(shè)這個(gè)誤差電壓經(jīng)過(guò)量化后變?yōu)閭€(gè)電平中的一個(gè)，電平間隔可以相等，也可以不等，這里認(rèn)為它是間隔相等的均勻量化。量化了的誤差電壓經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制器變?yōu)镻AM脈沖序列，這個(gè)PAM信號(hào)一方面經(jīng)過(guò)PAM編碼器編碼后得到DPCM信號(hào)發(fā)送出去。另一方面把它經(jīng)過(guò)積分器后變?yōu)榕c輸入信號(hào)x(t)進(jìn)行比較，通過(guò)相減器得到誤差電壓e(t)。實(shí)

9、驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)DPCM調(diào)制后的信號(hào)，其傳輸?shù)谋忍芈室萈CM的低，相應(yīng)要求的系統(tǒng)傳輸帶寬也大大地減小了。此外，在相同比特速率條件下，DPCM比PCM信噪比也有很大的改善。與M相比，由于它增多了量化級(jí)，因此，在改善量化噪聲方面優(yōu)于M系統(tǒng)。DPCM的缺點(diǎn)是易受到傳輸線路上噪聲的干擾，在抑制信道噪聲方面不如M。3.3 DPCM編碼與解碼系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容（1）利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺(tái),設(shè)計(jì)一個(gè)DPCM編碼與解碼系統(tǒng)。 （2）用示波器觀察編碼與解碼前后的信號(hào)波形。 （3）加上各種噪聲源,用誤碼測(cè)試模塊測(cè)量誤碼率。 （4）最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來(lái)分析該系統(tǒng)性能。3.4 DPCM編碼

10、及解碼過(guò)程和原理 DPCM編、解碼原理圖系統(tǒng)包括，發(fā)送、接收和信道傳輸三個(gè)部分。發(fā)送端由編碼器、量化器、預(yù)測(cè)器和加減法器組成；接收端包括解碼器和預(yù)測(cè)器等；信道傳送以虛線表示。由圖可見(jiàn)DPCM系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易用硬件實(shí)現(xiàn)（接收端的預(yù)測(cè)器和發(fā)送端的預(yù)測(cè)器完全相同）的優(yōu)點(diǎn)。圖中輸入信號(hào)f(i,j)是坐標(biāo)為像素點(diǎn)的實(shí)際灰度值，是由已出現(xiàn)先前相鄰像素點(diǎn)的灰度值對(duì)該像素點(diǎn)的預(yù)測(cè)灰度值。是預(yù)測(cè)誤差。假如發(fā)送端不帶量化器，直接對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼、傳送，接收端可以無(wú)誤差地恢復(fù)。這是可逆的無(wú)失真的DPCM編碼，是信息保持編碼；但是，如果包含量化器，這時(shí)編碼器對(duì)編碼，量化器導(dǎo)致了不可逆的信息損失，這時(shí)接收端，經(jīng)

11、解碼恢復(fù)出的灰度信號(hào)，不是真正的，以表示這時(shí)的輸出?？梢?jiàn)引入量化器會(huì)引起一定程度的信息損失，使圖像質(zhì)量受損。但是，為了壓縮比特?cái)?shù)，利用人眼的視覺(jué)特性，對(duì)圖像信息丟失不易覺(jué)察的特點(diǎn)，帶有量化器有失真的DPCM編碼系統(tǒng)還是普遍被采用。3.5 MATLAB 簡(jiǎn)介3.5.1 基本功能MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫

12、了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面。MATLAB是很實(shí)用的數(shù)學(xué)軟件它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值運(yùn)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 3.5.2 MATLAB 特點(diǎn)（1）高效的數(shù)值計(jì)算及

13、符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)。 （2）具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化。 （3）友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握。 （4）功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。3.5.3 MATLAB 產(chǎn)品應(yīng)用（1）數(shù)值分析 （2）數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 （3）數(shù)字圖像處理技術(shù)（4）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 （5）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) （6）通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 3.5.4 MATLAB 特點(diǎn)（1）高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)。 （2）具有完備的圖形處理功能,

14、實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化。 （3）友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握。 （4）功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。 3.6 SIMULINK簡(jiǎn)介SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上。在simulink環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫(huà)”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模

15、的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型就像你用手和紙來(lái)畫(huà)一樣容易。而所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl檔進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。SIMILINK 模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分類，包括以下8類子庫(kù)： Continuous（連續(xù)模塊），Discrete（離散模塊），F(xiàn)unction&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊），Math（數(shù)學(xué)模塊），Nonlinear（非線性模塊），Signals&Syste

16、ms（信號(hào)和系統(tǒng)模塊），Sinks（接收器模塊），Sources（輸入源模塊）。 4.課程設(shè)計(jì)分析4.1 simulink的工作環(huán)境熟悉建立一個(gè)很小的系統(tǒng)，用示波器觀察正弦信號(hào)的平方的波形，如圖4-1系統(tǒng)中所需的模塊：正弦波模塊，示波器模塊。 圖4-1 正弦仿真電路圖 正弦波參數(shù)設(shè)置如圖4-2圖4-2 正弦參數(shù)設(shè)置4.2 DPCM編碼與解碼的電路圖DPCM編碼與解碼的仿真電路圖如圖4-3此系統(tǒng)所用的仿真電路模塊有：正弦波模塊、增益模塊、DPCM編碼模塊、DPCM解碼模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、Terminator模塊、示波器模塊。正弦信號(hào)用于輸入信號(hào)，示波器用于觀察波形。圖4-3 DPCM編碼與解碼的

17、電路圖4.3系統(tǒng)所用模塊的參數(shù)設(shè)置調(diào)制信號(hào)模塊的參數(shù)設(shè)置：正弦波幅度設(shè)計(jì)為1，頻率Frequency設(shè)置為1，如圖4-4 圖4-4調(diào)制信號(hào)的參數(shù)設(shè)置DPCM Encoder的參數(shù)設(shè)置如下圖4-5圖4-5 DPCM Encoder的參數(shù)設(shè)置DPCM decoder的參數(shù)設(shè)置如圖4-6圖4-6 decoder的參數(shù)設(shè)置數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊參數(shù)設(shè)置如圖4-7和4-8圖4-7 數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊參數(shù)設(shè)置圖4-8 數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊參數(shù)設(shè)置示波器的參數(shù)設(shè)置：示波器有3個(gè)接口，時(shí)間范圍設(shè)置為auto，如圖4-9圖4-9數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊參數(shù)設(shè)置5.仿真利用MATLAB軟件根據(jù)圖5-1和5-2模型分別進(jìn)行仿真圖5-1 正弦仿真電路圖圖5-2 DPCM編碼與解碼的電路圖6.結(jié)果分析圖6-1 單正弦與平