PCM編碼器與PCM解碼器的MATLAB實現(xiàn)及性能分析.doc

PCM編碼器與PCM解碼器的MATLAB實現(xiàn)及性能分析 共29頁 第29頁P(yáng)CM編碼器與PCM解碼器的MATLAB實現(xiàn)及性能分析學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 摘要： 利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺,設(shè)計一個DPCM編碼與解碼系統(tǒng).用示波器觀察編碼與解碼前后的信號波形;加上各種噪聲源,用誤碼測試模塊測量誤碼率;最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞： MATLAB7.1 ，Simulink仿真平臺， PCM編碼器與解碼器，信號波形。第1部分 引言1.1 PCM 簡介現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調(diào)制（Pulse Code Modulation） 體制。PCM最初并非傳輸計算機(jī)數(shù)據(jù)用的，而是使交換機(jī)之間有一條中繼線不是只傳送一條電話信號。PCM有兩個標(biāo)準(zhǔn)即E1和T1。我國采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn)。T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。 PCM：相變存儲器(Phase-change memory,PCM)是由IBM公司的研究機(jī)構(gòu)所開發(fā)的一種新型存儲芯片,將有望來替代如今的閃存Flash和硬盤驅(qū)動器HDD。PCM在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制光脈沖0碼和1碼，它由二進(jìn)制數(shù)字信號對光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號是對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，由PCM電端機(jī)產(chǎn)生。 PCM可以向用戶提供多種業(yè)務(wù)，既可以提供從2M到155M速率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)，也可以提供話音、圖象傳送、遠(yuǎn)程教學(xué)等其他業(yè)務(wù)。特別適用于對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，需要更高帶寬的用戶使用。 PCM線路的特點：PCM線路可以提供很高的帶寬，滿足用戶的大數(shù)據(jù)量的傳輸。 支持從 2M開始的各種速率,最高可達(dá)155M的速率。 通過SDH設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，線路協(xié)議簡單。 與傳統(tǒng)的DDN技術(shù)相比,PCM具有以下特點：線路使用費用相對便宜。 能夠提供較大的帶寬。 接口豐富便于用戶連接內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。 可以承載更多的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。PCM （動力控制模塊）：汽車電控部分，電控單元的動力控制模塊，有存儲器、輸入、輸出。1.2 課程設(shè)計目的通過本課程的學(xué)習(xí)我們不僅能加深理解和鞏固理論課上所學(xué)的有關(guān) PCM編碼和解碼的基本概念、基本理論和基本方法，而且能鍛煉我們分析問題和解決問題的能力；同時對我們進(jìn)行良好的獨立工作習(xí)慣和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，為今后參加科學(xué)工作打下良好的基礎(chǔ)。1.3 課程設(shè)計內(nèi)容 利用MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺,設(shè)計一個 PCM編碼與解碼系統(tǒng).用示波器觀察編碼與解碼前后的信號波形;加上各種噪聲源,或含有噪聲的信道，最后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果和波形來分析該系統(tǒng)性能。1.4課程設(shè)計要求1熟悉MATLAB環(huán)境下的Simulink仿真平臺，熟悉PCM編碼與解碼原理，構(gòu)建PCM編碼與解碼電路圖.2. 對模擬信號進(jìn)行采樣、量化、編碼(PCM), 將編碼后的信號輸入信道再進(jìn)行PCM解碼，還原出原信號.建立仿真模型,分析仿真波形.3. 在編碼與解碼電路間加上噪聲源，或者加入含有噪聲源的信道，并給出仿真波形。 4. 在老師的指導(dǎo)下，要求獨立完成課程設(shè)計的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計學(xué)年論文，能正確闡述和分析設(shè)計和實驗結(jié)果。第2部分脈沖編碼調(diào)制（PCM）原理 所謂脈沖編碼調(diào)制，就是將模擬信號抽樣量化，然后將已量化值變換成代碼。下面將用一個PCM系統(tǒng)的原理框圖簡要介紹。抽 樣 保 持量化器編碼器信道譯碼器低通濾波器模擬信號輸入PCM信號輸出干擾PCM信號輸入模擬信號輸出沖激脈沖圖1 PCM原理方框圖在編碼器中由沖激脈沖對模擬信號抽樣，得到在抽樣時刻上的信號抽樣值。這個抽樣值仍是模擬量。在它量化之前，通常由保持電路（holding circuit）將其作短暫保存，以便電路有時間對其量化。在實際電路中，常把抽樣和保持電路作在一起，稱為抽樣保持電路。圖中的量化器把模擬抽樣信號變成離散的數(shù)字量，然后在編碼器中進(jìn)行二進(jìn)制編碼。這樣，每個二進(jìn)制碼組就代表一個量化后的信號抽樣值。圖中的譯碼器的原理和編碼過程相反。其中，量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器(A/D變換器)； 譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A變換器)。 抽樣是對模擬信號進(jìn)行周期性的掃描， 把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。我們要求經(jīng)過抽樣的信號應(yīng)包含原信號的所有信息， 即能無失真地恢復(fù)出原模擬信號， 抽樣速率的下限由抽樣定理確定。 量化是把經(jīng)抽樣得到的瞬時值進(jìn)行幅度離散，即指定Q規(guī)定的電平，把抽樣值用最接近的電平表示。 編碼是用二進(jìn)制碼組表示有固定電平的量化值。實際上量化是在編碼過程中同時完成的。圖1是PCM單路抽樣、量化、 編碼波形圖。 律與A律壓縮特性律： （美、日）A律： （我國、歐洲） 式中，x為歸一化輸入，y為歸一化輸出，A、為壓縮系數(shù)。 數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)：一種通過大量的數(shù)字電路形成若干段折線， 并用這些折線來近似A律或律壓擴(kuò)特性，從而達(dá)到壓擴(kuò)目的方法。即對數(shù)壓擴(kuò)特性的折線近似法。折線壓擴(kuò)特性：既不同于均勻量化的直線，又不同于對數(shù)壓擴(kuò)特性的光滑曲線?？偟膩碚f用折線作壓擴(kuò)特性是非均勻量化的， 但它既有非均勻量化(不同折線有不同斜率)， 又有均勻量化(在同一折線的小范圍內(nèi))。 兩種常用數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)：（1）A律13折線壓擴(kuò)13折線近似逼近A=87.6的A律壓擴(kuò)特性；（2） 律15折線壓擴(kuò)15折線近似逼近=255的律壓擴(kuò)特性。采用折線壓擴(kuò)的特點：基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點，又便于數(shù)字電路的實現(xiàn)實際中A律常采用13折線近似圖2 A律13折線其具體分法如下:先將X軸的區(qū)間0，1一分為二，其中點為1/2,取區(qū)間1/2,1作為第八段;區(qū)間0,1/2再一分為二，其中點為1/4,取區(qū)間1/4,1/2作為第七段;區(qū)間0,1/4再一分為二，其中點為1/8,取區(qū)間1/8,1/4作為第六段;區(qū)間0,1/8一分為二，中點為1/16,取區(qū)間1/16,1/8作為第五段;區(qū)間0,1/16一分為二，中點為1/32,取區(qū)間1/32,1/16作為第四段; 區(qū)間0,1/32一分為二，中點為1/64,取區(qū)間1/64,1/32作為第三段;區(qū)間0,1/64一分為二，中點為1/128,區(qū)間1/128,1/64作為第二段;區(qū)間0,1/128作為第一段。然后將Y軸的0,1區(qū)間均勻地分成八段，從第一段到第八段分別為0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8,(6/8,7/8,(7/8,1。分別與X軸對應(yīng)。編碼的碼字和碼型: 二進(jìn)制碼可以經(jīng)受較高的噪聲電平的干擾，并易于再生，因此PCM中一般采用二進(jìn)制碼。對于Q個量化電平，可以用k位二進(jìn)制碼來表示，稱其中每一種組合為一個碼字。在點對點之間通信或短距離通信中，采用k=7位碼已基本能滿足質(zhì)量要求。而對于干線遠(yuǎn)程的全網(wǎng)通信，一般要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)接， 要有較高的質(zhì)量要求，目前國際上多采用8位編碼PCM設(shè)備。 碼型指的是把量化后的所有量化級，按其量化電平的大小次序排列起來，并列出各對應(yīng)的碼字，這種對應(yīng)關(guān)系的整體就稱為碼型。在PCM中常用的碼型有自然二進(jìn)制碼、折疊二進(jìn)制碼和反射二進(jìn)制碼(又稱格雷碼)。 碼位的安排:目前國際上普遍采用8位非線性編碼。例如PCM 30/32路終端機(jī)中最大輸入信號幅度對應(yīng)4 096個量化單位(最小的量化間隔稱為一個量化單位)， 在4 096單位的輸入幅度范圍內(nèi)，被分成256個量化級，因此須用8位碼表示每一個量化級。用于13折線A律特性的8位非線性編碼的碼組結(jié)構(gòu)如下：極性碼段落碼段內(nèi)碼M1M2M3M4M5M6M7M8其中，第1位碼M1的數(shù)值“1”或“0”分別代表信號的正、負(fù)極性，稱為極性碼。從折疊二進(jìn)制碼的規(guī)律可知，對于兩個極性不同，但絕對值相同的樣值脈沖，用折疊碼表示時，除極性碼M1不同外，其余幾位碼是完全一樣的。因此在編碼過程中，只要將樣值脈沖的極性判出后，編碼器便是以樣值脈沖的絕對值進(jìn)行量化和輸出碼組的。這樣只要考慮13折線中對應(yīng)于正輸入信號的8段折線就行了。這8段折線共包含128個量化級，正好用剩下的7位碼(M2，, M8)就能表示出來。 第3部分模塊設(shè)計與仿真圖形分析3.1 simulink的工作環(huán)境熟悉建立一個很小的系統(tǒng)，用示波器觀察正弦信號的平方的波形，如圖1系統(tǒng)中所需的模塊：正弦波模塊，示波器模塊，圖3 正弦仿真電路圖正弦波參數(shù)如下：圖4 正弦波參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)的示波器顯示的波形如圖：圖5 單正弦波與平方波的對比結(jié)論：兩正弦波疊加之后的周期是原周期的1/2,頻度是原頻度的2倍。3.2 PCM編碼器電路設(shè)計圖6 13折線近似的PCM編碼器測試模型和仿真結(jié)果測試模型和仿真結(jié)果如圖6所示。其中以Saturation作為限幅器，將輸入信號幅度值限制在PCM編碼的定義范圍內(nèi)，以A-Law Compressor作壓縮器，Relay模塊的門限值設(shè)置為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位極性碼。樣值取值絕對值后，用增益模塊將樣值放大到0-127，然后用間隔為1的Quantizer進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位?？梢詫⑸蠄D中Constant和Display（不含）之間的模塊封裝一個PCM編碼子系統(tǒng)備用。具體的參數(shù)設(shè)置如下：1. A-Law Compressor:2. Abs:3. Relay:4. Gain:5. Quantizer:6. Integer to Bit Converter:7. Display:8. Mux:9. Saturation封裝之后的PCM編碼子系統(tǒng)：圖標(biāo)為： 3.3 PCM解碼器電路設(shè)計圖7 13折線近似的PCM解碼器測試模型和仿真結(jié)果測試模型和仿真結(jié)果如圖7所示，其中PCM編碼子系統(tǒng)是3.2中編碼器封裝之后的。PCM解碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位（極性碼）和7位數(shù)據(jù)，然后將7位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化，擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值?？梢詫⒃撃Ｐ椭蠭n1 Out1右端和Display左端的部分封裝為一個PCM解碼子系統(tǒng)備用。具體的參數(shù)設(shè)置如下：1. Demux:2. Mux1:3. Relay1:4. Bit to Integer Converter:5. Gain1:6. A-Law Expander:7. Product:封裝之后的PCM解碼子系統(tǒng)：圖標(biāo)為：3.4 無干擾信號的PCM編碼與解碼圖8 PCM編碼器和解碼器（無噪聲）測試模型和仿真結(jié)果測試模型和仿真結(jié)果如圖8所示，其中PCM編碼與解碼子系統(tǒng)已經(jīng)封裝好了。經(jīng)過編碼與解碼之后，然后通過低通濾波器，最后在示波器Scope上得出輸出波形，示波器上還顯示了原信號，以便與輸出信號進(jìn)行比較。在編碼器之后通過Display和Scope1顯示出PCM數(shù)字信號，注意：在通過示波器前需經(jīng)過To Frame和Buffer，其中To Frame是用來形成幀信號，Buffer是緩沖器。示波器顯示結(jié)果如下：1. Scope:2 . Scope1:具體的參數(shù)設(shè)置如下：1. Sine Wave:2. Display:3. To Frame:4. Buffer:5. Scope1:6. Analog Filter Design:7. Scope:8. 系統(tǒng)總的仿真參數(shù)：3.5 有干擾信號的PCM編碼與解碼圖8 PCM編碼器和解碼器（有噪聲）測試模型和仿真結(jié)果仿真模型如圖8所示，其中PCM編碼和解碼子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見3.2，3.3，PCM編碼輸出經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制碼流送入二進(jìn)制對稱信道。在解碼端信道輸出的碼流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后送入PCM解碼，之后輸出解碼結(jié)果并顯示波形。仿真采樣率必須是仿真模型中最高信號速率的整數(shù)倍，這里模型中信道速率最高，為71kbps,故仿真步長設(shè)置為1/71000s。信道錯誤比特率為0.05，以觀察信道誤碼對PCM傳輸?shù)挠绊憽７抡娼Y(jié)果見下文。傳輸信號為100*pi的正弦波，解碼輸出存在延遲。對于信道產(chǎn)生誤碼的位置，解碼輸出波形中出現(xiàn)了干擾脈沖，干擾脈沖的大小取決于信