脉冲编码调制的MATLAB仿真【开题报告+文献综述+毕业论文】

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本科毕业论文系列开题报告通信工程脉冲编码调制的matlab仿真一、课题研究意义及现状脉冲编码调制(PulseCodeModulation)是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变化为数字信号的编码方式特别是对于音频信号。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累计，而且可以采用压缩编码，纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性，可靠性和保密性。脉冲编码调制(PCM)是模拟信号数字化的最基本的方法,在通信、电子、计算机领域得到了广泛的应用。PCM理论自提出之后,随着通信技术、电子技术和计算机技术的发展,其实现办法也经历了不断的发展。同年贝尔实验室的工程人员开发了PCM技术，虽然在当时是革命性的，但今天脉冲编码调制被视为是一种非常单纯的无损耗编码格式，音频在固定间隔内进行采集并量化为频带值，其他采用这种编码方法的应用包括电话和CD。脉冲编码调制是20世纪70年代末发展起来的，记录媒体之一的CD，80年代初由飞利浦和索尼司共同推出。二十世纪70年代后期以来，随着使用超大规模集成（VLSI）电路的PCM编码、解码器的出现，使PCM在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中获得了广泛的应用。脉冲编码调制的比特率，从14-bit发展到16-bit、18-bit、20-bit直到24-bit；采样频率从44.1kHz发展到192kHz。为了全面改善脉冲编码调制数字音频技术，获得更好的声音质量，就需要有新的技术来替换。飞利浦和索尼公司再次联手，共同推出一种称为直接流数字编码技术DSD的格式，DSD是PCM脉冲编码调制的进化版。二、课题研究的主要内容和预期目标主要内容：本课题要求掌握matlab程序设计以及脉冲编码调制的基本原理，通过m语言编程实现对脉冲编码调制的matlab仿真。要求能对给定的输入模拟信号进行量化编码，并分析相应的量化误差，理解脉冲编码调制的特性。该课题的验收成果包括脉冲编码调制仿真的matlab源程序以及相应的说明书。 预期目标：熟悉Matlab的操作环境，掌握一些基本的M语言，语法结构。在Matlab环境下能够熟练运用简单的操作。能够了解语音信号PCM编译码的工作原理及实现过程，初步了解PCM专用大规模集成电路的工作原理和应用，了解语音信号数字化技术的主要指标，学习并掌握相应的测试方法。了解抽样，量化和编码的过程。并且分析在PCM仿真中出现的量化误差，能够正确的做出仿真波形。三、课题研究的方法及措施结合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。首先在发送端进行波形编码，主要包括抽样，量化和编码三个过程，把模拟信号变换为二进制码组。编码后的PCM码组的数字传输方式，可以是直接的基带传输，也可以是微波，光波等载波调制后的调制传输。输入信号经过抽样，量化和编码后变成数字信号，经信道传送到接收端的译码器，由译码器还原出抽样值，再经过低通滤波器滤出，模拟信号。其中量化与编码的组合通常称为A/D变换器，而译码与低通滤波的组合称为D/A变换。在信道中加入噪声，使得对其干扰。把输出的波形和输入的波形进行比较，发现干扰，对其进行比较。四、课题研究进度计划第一学期第7周~第一学期第9周：阅读相关文献并撰写文献综述，完成外文文献的翻译；第一学期第10周~第一学期第11周：完成开题报告，做好开题报告PPT，完成开题答辩；第一学期第12周~第一学期第13周：安装matlab开发环境，学习开发工具与开发流程，了解一些基本的操作，对简单的M语言有更进一步了解。第一学期第14周~第一学期第16周：完成脉冲编码调制的matlab仿真，熟悉仿真过程；第一学期第17周~第一学期第20周：拟定毕业论文提纲，完成毕业论文初稿；第二学期第1周~第二学期第6周：对毕业论文进行修改，完成最终稿；第二学期第7周~第二学期第8周：上交毕业设计相关文档，准备最后的答辩。五、参考文献[1]吴晶,郭秀峰.基于PCM编码的信息影藏方法[J],长春大学学报，2005,12,30,（6）.[2]王端骧,脉冲编码调制概述[J],电信科学,1959,7,15,（7）. [3]成慧娥,脉冲编码调制原理[J],鹤壁矿务局,1993,(4).[4]JohnG.Proakis著，张力军等译.数字通信.北京.电子工业出版社.2003.[5]杨维娜,马永超,孙凤杰,张根保.脉冲编码调制传输设备中的数据传输[J],北京动力经济学院,1994,03,30.[6]Pulse-CodedModulation[EB/OL],[2010-10-15],http://www.tpub.com/neets/book12/49l.htm[7]刘军朋,盖如栋，基于增量调制系统的网络系统信息安全研究[J]，辽宁工程技术大学201029(1).[8]轩素静，邵玉斌.自适应增量调制的仿真实现及性能分析[J],2003,11(12).[9]孟庆立,BP神经网络在图像DPCM系统中的应用研究[J],天津大学,2007.[10]包向华.循环插值分脉冲编码调制算法研究[J].2009.[11]张玘,淳静,罗诗途.基于DSP的ADPCM算法实时实现[j],长沙国防科技大学机电工程与自动化学院,2001,（6）.[12]廖广锐，刘萍.基于ADPCM的语音压缩算法研究[J],计算机与数字工程.2007,35（7）.[13]张卫钢.通信原理与通信技术[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008,1.[14]陈溯.ADPCM语音压缩编码的分析与仿真[J].中国西部科技2008,（32）.[15]A.GoldSmith,wirelesscommunications[M].NewYork:CambridgeUniversityPress,2005. 毕业论文文献综述通信工程脉冲编码调制摘要：本书主要介绍了使用MATLAB软件对脉冲编码进行仿真，讲述了脉冲编码在仿真中的步骤，详细介绍了增量调制和差值脉冲编码调制，自适应差分脉码调制的一些基本知识，比如基本的算法等等，特别是对PCM编码的原理进行了介绍和在传输数据有了一些介绍。关键字：PCM;MATLAB仿真;增量调制;差值脉冲编码调制;ADPCM一、脉冲编码的原理模拟信号变为数字信号常用脉冲编码调制方式，即PCM通信。PCM基群设备将路中的每一路模拟信号进行抽样、量化处理、然后编成2048KB/秒的数字信号进行远距离传输。对方收到信号后，进行与发送端相反的变换，将数字信号回复成原来的模拟信号。现以发送端取样、量化、压缩、编码及码型变换作以理论分析，至于接收端则情况相反。模拟信号数字化：1取样2量化：把经过抽样的样值信号用四舍五入的办法近似取为某些规定的有限个数值，这种近似取值的过程叫做量化。编码：抽样所得的脉幅信号还必须进行数字编码，编码分为线性编码和非线性编码。（1）线性编码，我们由二进制数字码的定义可知，每一位二进制数字码只能表示两种状态之一，即1或者0，而两位二进制数字码只能则有四种组合00,01,10,11，即四个码组，这四个码组就可以表示四个不同数值，代表四种量化电平值。3位码有8个量化数值，8位码有256个量化数值，我们所用的PCM是8位编码，这种量化存在着误差，由此产生的失真叫量化失真。如果编码时码位越多，分级越细，这种量化误差就越小，但是要求的传输速率也要高，相应的制造难度也加大。（2）非线性编码，非线性编码与线性编码不同，主要是信号幅度小时，量化分级间隔小，量化误差也小。信号幅度大时，量化分级间隔大，量化误差也大。它的量化分级间隔不是固定值。综上所述，模拟信号经过抽样、量化和编码过程后，就完成了对模拟信号的数字化。 文献[1]讲述了PCM的自身特点，提出了一种隐藏信息的方法，这种方法安全可靠，且简单实用。文献[2]中介绍了PCM编码调制的已基本知识，文献[3]中介绍了脉冲编码的调制原理，包括了对抽样，量化和编码的一些介绍。文献[4]介绍了脉冲编码调制的一些仿真，详细介绍了PCM调制的原理，和运用MATLAB来进行仿真的一些例子。脉冲编码调制传输设备中的数据传输众所周知在终端设备中个通路以的数字信号按时分复用原理复接成一个的基群数字信号，实际设备中对每个用户都设置了通路单元，其中有供传输话带模拟信号的电话通路单元和供传输数字信号的数据通路单元。特别需要指出前者为实现数字传输条件，必定有模数和数模变换环节。文献[5]介绍了脉冲编码的数据传送，比较了PCM传输设备中传输数据时采用的电话和数据通路单元，肯定了采用数据通路单元的合理性，剖析了实用电路，介绍了一些芯片。文献[6]通过图示来介绍了PCM的工作原理。二、增量调制Δ调制,即增量调制，简称ΔM或增量脉码调制方式（DM），它是继PCM（脉码调制）后出现的又一种模拟信号数字化的方法。1946年由法国工程师Deloraine提出，目的在于简化模拟信号的数字化方法，主要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。它是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。增量调制时预测编码中最简单的一种，它将信号瞬时值与前一个抽样的时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。因此量化只限于正和负两个电平，只用1比特传输一个样值。如果差值是正的，就发“1”码，负的就发“0”，因此数码“1”和“0”只是表示相当对于前一时刻的增量减，不代表信号的绝对值。同样，在接收端，每收到一个“1”码。译码器的输出相对前一个时刻的值上升一个量阶。每收到一个“0”就下降一个量阶。文献[7]介绍了增量调制的网络信息系统安全研究，模型和理论分析与改进型的增量调制等等。文献[8]介绍了增量调制和自适应增量调制的区别，详细说明了两者的不同之处。三、差值脉冲编码调制图像的差值脉冲编码（DPCM），作为一种预测编码，就是通过预测和差分编码去除图像的冗余而达到数据压缩目的的编码方式。它不是直接对图像抽样值本身进行编码传送，而是对抽样值的预测值和实际值之差进行编码传送。DPCM最大特点是直观，简短易于实现，特别是容易设计出具有实时性的硬件结构，因而在传输速度要求很高的应用中，大多选用这种方法。在语言图像压缩编码中有广泛应用。DPCM的核心设计是预测器的实现，在预测方法上，主要采用线性预测方法，线性DPCM系统的差值分布范围广泛，在高保真压缩时，一般很难达到信噪比和压缩比都比较理想的压缩。文献[9]差值脉冲编码的一些知识，和其他一些编码方法。文献[10]对图像压缩进行了系统的综述，详细分析了DPCM和RIDCPM，并且进行了改进，以适应军事上的需要。四、自适应差分脉码调制 在数字化大潮的冲击下，传统的电子行业正在发生革命性的变化。采用数字技术具有许多优越性，但也使数据量大增，如果不进行数据压缩，则无论传输或存储都很难实用化。自适应差分脉码调制（ADPCM）是CCITT推荐的通信压缩标准，它进一步利用语音信号样点间的相关性，并针对语音信号平稳特点，使用自适应预测和自适应量化，在32KBPS速率上能够给出网路等级话音质量。文献[11]介绍了ADPCM的一些基本知识，和一些算法。文献[12]介绍了自适应差分脉码语音压缩算法原理以及算法实现流程图。文献[13]、[14]、[15]介绍了ADPCM的一些基本工作原理和算法。参考文献：[1]吴晶,郭秀峰.基于PCM编码的信息影藏方法[J],长春大学学报，2005,12,30,（6）.[2]王端骧,脉冲编码调制概述[J],电信科学,1959,7,15,（7）.[3]成慧娥,脉冲编码调制原理[J],鹤壁矿务局,1993,(4).[4]JohnG.Proakis著，张力军等译.数字通信.北京.电子工业出版社.2003.[5]杨维娜,马永超,孙凤杰,张根保.脉冲编码调制传输设备中的数据传输[J],北京动力经济学院,1994,03,30.[6]Pulse-CodedModulation[EB/OL],[2010-10-15],http://www.tpub.com/neets/book12/49l.htm[7]刘军朋,盖如栋，基于增量调制系统的网络系统信息安全研究[J]，辽宁工程技术大学201029(1).[8]轩素静，邵玉斌.自适应增量调制的仿真实现及性能分析[J],2003,11(12).[9]孟庆立,BP神经网络在图像DPCM系统中的应用研究[J],天津大学,2007.[10]包向华.循环插值分脉冲编码调制算法研究[J].2009.[11]张玘,淳静,罗诗途.基于DSP的ADPCM算法实时实现[j],长沙国防科技大学机电工程与自动化学院,2001,（6）.[12]廖广锐，刘萍.基于ADPCM的语音压缩算法研究[J],计算机与数字工程.2007,35（7）.[13]张卫钢.通信原理与通信技术[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008,1.[14]陈溯.ADPCM语音压缩编码的分析与仿真[J].中国西部科技2008,（32）.[15]A.GoldSmith,wirelesscommunications[M].NewYork:CambridgeUniversityPress,2005. 本科毕业设计（20届）脉冲编码调制的MATLAB仿真 摘要脉冲编码调制指的是通过一系列编码脉冲来表述量化波形的系统。当这些脉冲被编制成代码，它们表明了最原始的量化波形的标准值。这些编码可能是二进制的，因为每一个量化的元素符号是由脉冲和空间组成的。三进制，每一个元素的编码由任意三种独特的值中的一种组成（比如：正脉冲，负脉冲和空间）；或者，一个都没有，每一个元素的编码组成了独特的负数值。这个结论是以最初的脉冲编码调制系统为根据的。先前已经详细描述的模拟波的形状变换成数字波的形状的方法详细地叙述了。(脉冲发生在离散的间隔之间，作为一个有持续功能的模拟波的某些特征是不断变化的)。模拟波的振幅值的整个范围（频率和阶段）可以粗略地分成一系列的标准值。主要介绍了使用MATLAB软件对脉冲编码进行仿真，讲述了脉冲编码在仿真中的步骤，详细介绍了增量调制和差值脉冲编码调制，自适应差分脉码调制的一些基本知识，比如基本的算法等等，特别是对PCM编码的原理进行了介绍和在传输数据有了一些介绍。并且介绍了差值脉冲编码的原理。对增量调制进行了一些细致的讲解。而且简单的对自适应差分脉冲编码调制进行了解释。关键词：PCM；MATLAB仿真；增量调制；差值脉冲编码调制 AbstractPULSE-CODEMODULATION(pcm)referstoasysteminwhichthestandardvaluesofaquantizedwaveareindicatedbyaseriesofcodedpulses.Whenthesepulsesaredecoded,theyindicatethestandardvaluesoftheoriginalquantizedwave.Thesecodesmaybebinary,inwhichthesymbolforeachquantizedelementwillconsistofpulsesandspaces:ternary,wherethecodeforeachelementconsistsofanyoneofthreedistinctkindsofvalues(suchaspositivepulses,negativepulses,andspaces);orn-ary,inwhichthecodeforeachelementconsistsofnaynumber(n)ofdistinctvalues.Thisdiscussionwillbebasedonthebinarypcmsystem.Allofthepulse-modulationsystemsdiscussedpreviouslyprovidemethodsofconvertinganalogwaveshapestodigitalwaveshapes(pulsesoccurringatdiscreteintervals,somecharacteristicofwhichisvariedasacontinuousfunctionoftheanalogwave).Theentirerangeofamplitude(frequencyorphase)valuesoftheanalogwavecanbearbitrarilydividedintoaseriesofstandardvalues.ItmajoritytotalkaboutPCMwiththeMATLAB,talkingaboutthestepofPCMintheemulation.detailedtotalkabouttheknowledgeofDM,DPCMandADPCM.liketheirbasicalgorithmandsoon.especiallyintrdoucetheprincipleofPCMandalsointroudcethetransmissionofdota.anditalsointroudcetheconceptofDPCM.anddetialedintroudcetheDM.alsosimplyintroudcetheADPCM.Keywords:PCM,emulationofMATLAB,DM,DPCM 目录1引言12仿真软件MATLAB32.1MALTAB的简介32.2MATLAB优势42.2.1友好的工作平台和编程环境42.2.2简单易用的程序语言42.2.3强大的科学计算机数据处理能力42.2.4出色的图形处理功能52.2.5应用广泛的模块集合工具箱52.2.6实用的程序接口和发布平台62.3MATLAB通信工具箱及其使用方法63PCM仿真的基本原理83.1抽样83.2量化83.3编码113.4码型变换和码型反变换133.5增量调制133.6差值脉冲编码调制143.7自适应差分脉码调制154仿真程序与结果174.1系统仿真模型174.2PCM译码器模块194.3PCM仿真程序204.4仿真结果图245结论255结论25致谢26参考文献27附录1毕业设计作品说明书28附录2PCM相关程序29 1引言数字通信系统已经成为当今通信的发展方向，然后自然界有许多信息通过传感器转换后，绝大部分都是模拟器，脉冲编码调制（PCM）是吧模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，其应用面主要在语音传输，在光纤通信，数字微波通信，卫星通信中得到广泛的应用，借助于MATLAB软件，可以直观方便的进行计算和仿真，因此可以通过运行结果分析系统特性。MATLAB是美国MathWorks公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件，Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模拟的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink的每个模块对用户可以不去关心，正是由于Simulink具有这些特点，因此它被广泛的应用在通信仿真中，通过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。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，它的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，并且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，在做设计时还必须要去考虑各种干扰和噪声等因素的影响[1]。事实上，无论有线还是无线语音通信都正在成为数字的。对于传输和存储来说，语音的数字编码明显优于传统的模拟技术。在数字语音系系统中，人的声音是信息。无论是无线或有线通信中，语音通常都是在300~3300HZ之间，但是，与模拟语音相比，数字化后的语音，如果没有压缩就会需要更多的带宽。如果我们采用256个量化电平（8bits）的线性模数转换器，且抽样频率为奈奎斯特速率（8kHZ），那么最后的数据速率就会达到)64kbit/s。当然如果我们不是采用奇异编码算法，编码后的数字化信号的带宽将近是原始模拟信号的20倍[9]。很显然这种低的带宽效率是不可行的，尤其是在无线通信应用中。在现在这么多的技术中，大家所希望的是节省越多的带宽。由将预测器进一步简单化产生了增量调制（DM）。由于增量调制（DM）编码的简单性，它已成为压缩存储和数字信息的一种重要方法。在DM中用一个比较器替代了DPCM的量化器和求和器。可惜，它还存在一些不足，如量化步长不能动态变化，在模拟信源信号波形变化快的情况下，性能会迅速下降。现在引入ADM，增加了跟踪信号的能力和固定步长DM-44- 的动态范围，采用很简单的算法就能实现32~48kb/s甚至是16kb/s的数据率，提高了数字编码的可靠性和效率。现在，ADM已广泛应用于电视和语音信号的编码中。在ADM技术中，前向反馈ADM，量化器的步长自适应调整到与输入信号的强度成正比［2］；而后向反馈ADM中，量化器步长的自适应调整是基于量化器输出的样值幅度的。文中所采用的就是后向反馈自适应算法。先从DM分析，再讨论ADM，解析ADM系统的模型，使用MATLAB仿真实现并根据仿真结果分析其性能。所得结论可为工程应用提供指导。-44- 2仿真软件MATLAB2.1MALTAB的简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。用于开发数据、数据可视化算法分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Simulink和Matlab两大部分。它将矩阵计算、数值分析、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的环境中，为工程设计、科学研究以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了这种全面的解决方案，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB引擎函数库是MATLAB提供的一系列程序的集合，它允许用户在自己的C语言应用程序库中对MATLAB进行调用，可以将MATLAB作为一个计算引擎使用，让其在后台运行，完成复杂的矩阵运算，简化前台用户程序设计的任务[2]。MATLAB和Maple、Mathematica并称为三大数学软件。MATLAB是一种广泛应用在工程计算及数值分析领域的一种新型高级语言，经历二十多年的竞争与发展，现在已经成为国际公认的最优秀的一个工作应用开发环境。它在数学类科技应用的软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行实现算法、绘制函数和数据、矩阵运算、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、图像处理、信号处理与通讯、控制设计、信号检测、金融建模设计与分析等领域。在欧美各高等院校，MATLAB已经成为线性代数，数值分析，数理统计，自动控制理论，动态系统仿真，时间顺序分析，数字信号处理，图像处理等课程的基本教学工具，已经成为现在大学生必须掌握的基本技能之一。MATLAB功能异常强大，简单易学，变成效率较高，深受广大科技工作者的欢迎。MATLAB的基本数据单位是矩阵，MATLAB也吸收了像Maple等一些软件的优点,使得MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的这些版本中也加入了对C，JAVA，C++的支持。许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户如果要使用可以直接进行下载就可以。-44- 但是它的指令表达式与工程、数学中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便以后调用。2.2MATLAB优势2.2.1友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。[3]简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，并且能够及时地报告出现的错误而且还可以进行出错原因分析。2.2.2简单易用的程序语言Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、数据结构、函数、输入和输出和面向对象编程特点。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且会更为简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序后再一起运行。使之更有利于非计算机专业的科技人员使用。当然还有这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到很多科学研究及工程计算各个领域的重要原因之一。2.2.3强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB软件的编程工作量会大大减少。它拥有600-44- 多个工程中要用到的数学运算函数，可以让用户方便的进行计算。函数中使用的算法都是科研和工程计算中的最新成果，他们经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替像C和C++这样的底层编程语言。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到复杂函数，包括特征向量，矩阵、快速傅立叶变换。函数所能解决的问题其包括线性方程组的微分方程和矩阵运算、求解果及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算和其他初等数学运算、多维数组操作以及还有建模动态仿真等等。2.2.4出色的图形处理功能新版本的MATLAB对整个图形处理功能都作了一些很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件中都具有的功能方面更加完善一些，而且对一些其他软件所没有的功能（例如图形的色度处理、光照处理以及四维数据的表现等），MATLAB照样表现出了出色的处理能力。MATLAB自产生之日开始就具有独特方便的数据可视化功能，可以将向量和矩阵用图形表现出来，并且还可以对图形进行标注和打印。同时对一些特殊的可视化界面要求，例如图形对话等，MATLAB也有之相应的功能函数，保证用户不同层次的需求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了进一步的改善，使得一些对于MATLAB有特殊要求的用户也可以满足。2.2.5应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了工具箱和一些功能强大的模块集。一般来说，它们都是由特定领域的专家来开发的，用户可以直接使用工具箱进行学习、应用和评估不同的方法而不需要自己来编写那些繁琐代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了工程应用和科学研究的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、样条拟合、概率统计、优化算法、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、鲁棒控制、模型预测、地图工具、非线性控制设计、模糊逻辑、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、电力系统仿真、DSP与通讯等，都在工具箱（Toolbox）占有中有了自己的一席之地。2.2.6应用软件开发（包括用户界面）-44- 在这类开发环境中，使用户可以更加方便地去控制多个文件和图形窗口；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在编程方面它支持了函数嵌套，条件中断等等；在输入输出这个方面，也可以直接向Excel和HDF5进行连接。2.3MATLAB通信工具箱及其使用方法MATLAB包括拥有数百个内部函数的主包和其他三十几种工具包。工具包又可以分为学科工具包和功能性工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类[4]。开放性使MATLAB非常受用户的欢迎。除了内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户可以通过对源程序的修改或者加入自己编写程序来构造新的专用的工具包。ModelpredictiveControlToolbox——模型预测控制工具箱MatlabMainToolbox——matlab主工具箱ControlSystemToolbox——控制系统工具箱CommunicationToolbox——通讯工具箱FinancialToolbox——财政金融工具箱SystemIdentificationToolbox——系统辨识工具箱FuzzyLogicToolbox——模糊逻辑工具箱Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox——高阶谱分析工具箱ImageProcessingToolbox——图象处理工具箱LMIControlToolbox——线性矩阵不等式工具箱μ-AnalysisandSynthesisToolbox——μ分析工具箱NeuralNetworkToolbox——神经网络工具箱StatisticsToolbox——统计工具箱PartialDifferentialToolbox——偏微分方程工具箱RobustControlToolbox——鲁棒控制工具箱-44- SignalProcessingToolbox——信号处理工具箱SplineToolbox——样条工具箱SymbolicMathToolbox——符号数学工具箱SimulinkToolbox——动态仿真工具箱[16]-44- 3PCM仿真的基本原理通话时的语音信号是模拟信号，如果要在数字通信系统中传输，就要和数字信号之间进行转换。而模拟信号与数字信号之间转换方法有很多，可以归纳为两大类：一是根据语声波形的幅度进行编码，叫作波形编码，例如脉冲编码调制（PCM）和增量调查制（△M或者DM），还有自适应差分脉码调制（ADPCM）等；二是根据语声形成的机理，对语声因素（元音、辅音等）进行分析、合成的参数编码，完成这种编码方式的电路统称为声码器。广州银讯是专业生产PC家，下面广州银讯就介绍PCM通信系统的构成与建M通信设备怅惘广州银讯就介绍PCM通信系统的构成与建M通信设备厂网。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不积累，而且可以采用压缩编码，保密编码和纠错编码等来提高系统有效性，可靠性和保密性[5]。脉冲编码调制指的是通过一系列编码脉冲来表述量化波形的系统。当这些脉冲被编制成代码，它们表明了最原始的量化波形的标准值。这些编码可能是二进制的，因为每一个量化的元素符号是由脉冲和空间组成的。三进制，每一个元素的编码由任意三种独特的值中的一种组成（比如：正脉冲，负脉冲和空间）；或者，一个也没有，每一个元素的编码组成了独特的负数值。这个结论是以最初的脉冲编码调制系统为根据的[7]。3.1抽样抽样是把模拟信号的信号带宽2倍以上的频率来提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的一个过程。比如，常见的话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用8kHz的抽样频率（fs），就能够获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。[6]经过抽样后模拟信号的信息被调制到了脉冲序列的幅度上，样值序列被称为脉冲幅度调制信号就被简写为PAM。PAM信号在时间上离散，但在幅度上仍然连续，所以还是模拟信号。如果要从模拟信号转变为数字信号，还要进行幅度上的离散化处理，即下面所要解释的量化。-44- 3.2量化为了消除噪声积累，并且使得抽样值易于表示，我们就需要对都幅度上连续的抽样值来进行量化。从数学上看来，量化的意思就是把一个连续幅度值的无线熟集合映射成为一个离散幅度值的优先数集合。把信号幅度划分成若干个区间（又可以称为量化级），取该区间预先规定的某个参考电平作为其信号值，即利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程，称为量化。量化由均匀量化和非均匀量化组成。均匀量化：采用均匀量化级进行量化的方法称为线性量化或者均匀量化。其缺点是：如果输入的是大信号时信噪比大，相反如果输入的是小信时，那么信噪比就会不足。均匀量化适合信号时均匀分布的情况。非均匀量化：如果使小信号时量化级间宽度小，而大信号时的量化级间宽度大，就可以使小信号时和大信号的信噪比接近一致，这种非均匀量化级的安排称为非线性量化或者非均匀量化。生活中的数字电视，语音都采用的是非均匀量化。抽样信号虽然是时间轴上离散的信号，但其幅值（空间上）仍然是一个模拟信号，其样值在一定的取值范围内，可以有无限多个值。量化的任务是将PAM信号在幅度上做离散化，即把幅度上无穷多种取值的PAM信号用有限个幅度值来替代。其做法是将PAM信号的长度变化范围划分成若干个小的间隔，每一个小间隔称为一个量化级。PAM信号经过量化后的信号叫量化PAM信号，在幅度上和时间上都是离散的，其相应的码是多进制码，但在实际通信中通常采用二进制码来进行传送，所以还需要进行编码。众所周知，在PCM终端设备中30个通路以64kb/s的数字信号按时分复用原理复接成一个2.048Mb/s的基群数字信号[6]。实际中非均匀量化的实际方法通常是将抽样值先进行压缩再进行均匀量化，通常情况下使用的压缩器中，大多数采用的是对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩和A压缩律。美国采用压缩律，欧洲各国和我国都采用的是A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是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：y=,0400kbps），编解码延时最短（相对其它技术）缺点：声音质量一般ADPCM算法，综合运用了差分脉冲编码（DPCM）与自适应增量编码（ADM）的算法原理，在保证达到PCM语音质量的前提下，语音数据的速率只有PCM的一半，而且具有更优良的抗误码性能[14][15]。-44- 4仿真程序与结果4.1系统仿真模型以MATLAB为工具平台，根据PCM系统的组成原理图：抽样量化编码信道解码输出信号输入信号图4-1PCM脉冲编码的原理图图4-1中，输入模拟信号m（t）进过抽样，量化和编码以后变成了数字信号（PCM信号），经过信道传输到达接受端，有译码器回复出抽样值序列，再由低通滤波器过滤出模拟基带信号m(t)。通常，将量化与编码的组合称为A/D变换器；而译码与低通滤波组合称为D/A变换器。A/D是完成模拟信号到数字信号的变换，D/A正好相反，则是完成数字到模拟信号的变换。PCM在通信系统中完成将语音信号转化为数字信号的功能，主要包括抽样，量化和编码。分别完成时间上离散，幅度上离散，及量化信号的二进制表示。信号源子系统的组成：由三个幅度相同，频率不同的正弦信号组成。PCM编码器模块的组成模块主要由信号源，低通滤波器，并/串转换器,时压缩器，A/D转换器，输出端子构成信源信号进过PCM编码器低通滤波器完成信号频带过滤-44- ，由于PCM量化采用非均匀量化，还要使用瞬时压缩器实现A律压缩后再进行均匀量化，A/D转换器完成采样及量化，由于A/D转换器的输出是并行数据，必须通过数据选择器完成并/串转换成串行数据，最后通过图符输出PCM编码信号。PCM编码器组件功能实现：编译码器的工作是由时序电路控制的。在编码电路中，进行取样、量化、编码，译码电路经过译码低通、放大后输出模拟信号，把这两部分集成在一个芯片上就是一个单路编译码器，它只能为一个用户服务，即在同一时刻只能为一个用户进行A/D及D/A变换。如果同时有多路信号时分复用，则需要多个单路编译码器协同工作。单路编译码器变换后的8位PCM码字是在一个时隙中被发送出去，这个时序号是由A/D控制电路来决定的，而在其它时隙时编码器是没有输出的。在一个PCM帧里，它的译码电路也只能在一个由它自己的时序里，从外部接收8位PCM码。单路编译码器的接收时序和发送时序可由外部电路来控制。只要向A/D控制电路或D/A控制电路发某种命令即可控制单路编译码器的发送时序和接收时序号，从而也可以达到总线交换的目的。不同的单路编译码器对其发送时序和接收时序的控制方式都有所不同，有些编译码器有二种方式，一种是编程法，即给它内部的控制电路输进一个控制字，分配其时隙；另一种是直接控制，这时它有两个控制端，我们定义为FSx和FSR，它们是周期性的，并且它的周期和多路PCM的帧周期相同，为125μs，这样，每来一个FSx，编译码器就输出一个PCM码字，每来一个FSR，编译码器就从外部输入一个PCM码字。编译码器的功能比较强，它既可以进行μ律变换，也可以进行A变换，它的数据既可以变速速率传送，也可以可固定率传送，它既可以传输信令帧也可以选择它传送无信令帧，并且还可以控制它处于低功耗备用状态等，到底使用它的什么功能可由用户通过一些控制来选择。语音编码器的功能主要就是把用户语音的PCM(脉冲编码调制)样值编码成少量的比特(帧).这种方法使得语音在连路产生误码、网络抖动和突发传输时具有健壮性(Robustness).在接收端的时候,语音帧先被误码为PCM语音样值,然后再转换成语音波形。-44- （1）低通滤波器：为实现信号的语音频率特性，考虑到滤波器在通带和阻带之间的过度，采用了低通滤波器，而设计有设计带通滤波器。（2）瞬时压缩器：瞬时压缩器使用了我国采用A律压缩，注意在译码器时扩张器也应采用A律解压。对此压缩前后时域信号,明显可以看到对数压缩时小信号明显放大，而大信号被压缩，提高了小信号的压缩比，这样可以使用较少位数的量化满足语音传输的需要。4.2PCM译码器模块PCM译码器是实现PCM编码的逆系统，PCM译码器模块主要用于由ADC出来的PCM数据输出端，D/A转换器，瞬时扩张器，低通滤波器构成。（1）D/A转换器：用来实现与A/D转换器相反的过程，实现数字量转化为模拟量的功能。从而达到译码器最基本的要求，也就是最起码要有步骤。（2）瞬时扩张器：实现与瞬时压缩器相反的功能，由于采用A律压缩律，扩张也必须采用A律瞬时扩张器。（3）低通滤波器：由于采样脉冲不可能时理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。4.3PCM仿真程序%showthepcmencodeanddecodeclearall;%清理变量closeall;%清理图片t=0:0.01:10;%设置时间，采样频率为100HZvm1=-70:1:0;%输入的正弦信号幅度不同-44- vm=10.^(vm1/20);figure(1)%画一张空白图fork=1:length(vm)%循环form=1:2x=vm(k)*sin(2*pi*t+2*pi*rand(1));%输入一个正弦函数，rand(1)生成1内的小数，输入信号频率1HZv=1;xx=x/v;%normalizesxx=floor(xx*4096);%x向下取最大整数.y=pcm_encode(sxx);%调用编码程序yy=pcm_decode(y,v);%调用解码程序drawnow%刷屏subplot(211)&在第一块位置绘图plot(t,x);%绘图title('samplesequence');-44- %标题subplot(212)%在第二块位置画图plot(t,yy)title('pcmdecodesequence');endsnrq(k)=10*log10(mean(snr));endfunction[out]=pcm_decode(in,v)/将in,v转化为PCM编码/%decodetheinputpcmcode编码PCM%in:inputthepcmcode8bitssample%v:quantizedleveln=length(in);%in数组长度in=reshape(in',8,n/8)';%改变阵型slot(1)=0;slot(2)=32;slot(3)=64;slot(4)=128;slot(5)=256;slot(6)=512;-44- slot(7)=1024;slot(8)=2048;step(1)=2;step(2)=2;step(3)=4;step(4)=8;step(5)=16;step(6)=32;step(7)=64;step(8)=128;fori=1:n/8%循环ss=2*in(i,1)-1;tmp=in(i,2)*4+in(i,3)*2+in(i,4)+1;st=slot(tmp);dt=(in(i,5)*8+in(i,6)*4+in(i,7)*2+in(i,8))*step(tmp)+0.5*step(tmp);%step是步长函数out(i)=ss*(st+dt)/4096*v;%输出量化值endfunction[out]=pcm_encode(x)%xencodetopcmcode译码n=length(x);%-4096=<初值>：<步长>:<终值>ifx(i)>0out(i,1)=1;-44- elseout(i,1)=0;endifabs(x(i))>=0&abs(x(i))<32out(i,2)=0;out(i,3)=0;out(i,4)=0;step=2;st=0;elseif32<=abs(x(i))&abs(x(i))<64out(i,2)=0;out(i,3)=0;out(i,4)=1;step=2;st=32;elseif64<=abs(x(i))&abs(x(i))<128out(i,2)=0;out(i,3)=1;out(i,4)=0;step=4;st=64;elseif128<=abs(x(i))&abs(x(i))<256out(i,2)=0;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=8;st=128elseif256<=abs(x(i))&abs(x(i))<512out(i,2)=1;out(i,3)=0;out(i,4)=0;step=16;st=256;elseif512<=abs(x(i))&abs(x(i))<1024out(i,2)=1;out(i,3)=0;out(i,4)=1;step=32;st=512;elseif1024<=abs(x(i))&abs(x(i))<2048out(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=0;step=64;st=1024;elseif2048<=abs(x(i))&abs(x(i))<4096out(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=128;st=2048;elseout(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=128;st=2048;endif(abs(x(i))&abs(x(i)))<4096out(i,2:8)=[1111111];%输出一个矩阵elsetmp=floor((abs(x(i))-st)/step);-44- t=dec2bin(tmp,4)-48;%函数dec2bin输出的是ASCII字符串，48对应0out(i,5:8)=t(1:4);endendout=reshape(out',1,8*n);%输出改变形状的矩阵-44- 4.4仿真结果图图4-2采样序列x编解码后的序列图4-2中显示的正弦波形是抽样出来的波形图，下面一幅图是在进行了解码以后的波形图，这是因为存在量化误差。-44- 5结论利用MATLAB软件完成了一个完整的PCM通信系统设计，充分发挥了Simulink功能的强大，建模简单，参数容易调整。结果表明，基于Simulink仿真模型，能够反映出模拟通信系统的动态工作过程，气可视化界面具有良好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供了强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。MATLAB的引入带来了直观的感受，提供了完整的动态系统设计，仿真和可视化的分析环境，可以构造各种复杂的模拟，数字，数模混合系统以及各种速率的系统，主要用于电路与听信系统的设计和仿真，通过MATLAB语言对PCM调制的采样，量化和编码的仿真，使得分析PCM调制系统变得直观简单。必须根据实际情况合理的设计采样频率和抽样脉冲的参数，以防波形失真，采样频率fs一定要大于等于2fH条件。由于在信道传输过程中，各种因素影响，会引起译码波形有一定的延时现象。本次课程设计在刚开始的过程中由于主要知识掌握不熟透，时间又紧，做起来有些棘手，之后通过向同学和老师的指导，然后查找了相关的书籍资料后，开始慢慢了解它的工作原理。通过这次毕业设计，充分掌握了PCM编码的工作原理及PCM系统的工作过程，学会了使用仿真软件MATLAB软件来仿真实现PCM系统的设计，对以后的学习工作都有一定的作用。总体来说，这次毕业设计我受益匪浅，它培养了我的设计思维，增加了实际操作能力，让我体会到了系统设计的艰辛，更加让我体会到成功的喜悦。-44- 参考文献[1]吴晶,郭秀峰.基于PCM编码的信息影藏方法[J],长春大学学报,2005,15(6):37.[2]陈显利,田继理,刘川来,赵艳东.MATLAB的引擎函数库及其应用[J],青岛化工学院学报,2002,23(4):80~81.[3]黄剑玲.利用MATLAB进行数字图像的分析和处理[J],计算机与现代化,2000,(6):107.[4]祝瑞玲,韩述斌.用MATLAB语言实现示波器和频谱仪仿真[J],山东电子,2000,(3):31.[5]程菊花,姜武.基于MATLAB的PCM调制系统的仿真与分析[J],浙江传媒学院报,2005,12(3):25~26.[6]杨维娜,马永超,孙凤杰,张根保.脉冲编码调制传输设备中的数据传输[J],北京动力经济学院,1994,03,30.[7]Pulse-CodedModulation[EB/OL],[2010-10-15],http://www.tpub.com/neets/book12/49l.htm.[8]刘军朋,盖如栋.基于增量调制系统的网络系统信息安全研究[J],辽宁工程技术大学,201029(1):86.[9]轩素静,邵玉斌.自适应增量调制的仿真实现及性能分析[J],2003,11(12):997~998.[10]孟庆立,BP神经网络在图像DPCM系统中的应用研究[J],天津大学,2007：4~5.[11]包向华.循环插值分脉冲编码调制算法研究[J].2009:20~21.[12]张玘,淳静,罗诗途.基于DSP的ADPCM算法实时实现[j],长沙国防科技大学机电工程与自动化学院,2001,(6).[13]廖广锐,刘萍.基于ADPCM的语音压缩算法研究[J],计算机与数字工程.2007,35(7)：39～40.[14]陈溯.ADPCM语音压缩编码的分析与仿真[J].中国西部科技.2008,(32)：52～53.[15]A.GoldSmith,wirelesscommunications[M].NewYork:CambridgeUniversityPress,2005.-44- [16]张远镇.小波分析在图像去噪,图像融合中的应用[J],南开大学,2007.-44- 附录1毕业设计作品说明书一、作品名称脉冲编码的MATLAB仿真二、作品功能1、通过m语言编程实现对脉冲编码调制的matlab仿真2、给定的输入模拟信号进行量化编码,并分析相应的量化误差,理解脉冲编码调制的特性.三、运行环境在WindowsXP操作系统下安装Matlab6.5,在其中运行四、操作步骤1、打开Matlab6.5软件,按下NEWM-File分别把完成的3个程序打入其中,然后存储在Work中.2、运行Matlab6.5,提取其中的运行程序PCM,按下Run键运行等待仿真结果图.五、注意事项1、不能运行全部的文件,只要运行PCM文件即可.2、存储的文件格式必须是MATLAB文件格式-44- -44- 附录2PCM相关程序%showthepcmencodeanddecodeclearall;closeall;t=0:0.01:10;vm1=-70:1:0;%输入的正弦信号幅度不同vm=10.^(vm1/20);figure(1)fork=1:length(vm)form=1:2x=vm(k)*sin(2*pi*t+2*pi*rand(1));v=1;xx=x/v;%normalizesxx=floor(xx*4096);y=pcm_encode(sxx);yy=pcm_decode(y,v);nq(m)=sum((x-yy).*(x-yy))/length(x);sq(m)=mean(yy.^2);snr(m)=(sq(m)/nq(m));drawnowsubplot(211)plot(t,x);title('samplesequence');subplot(212)plot(t,yy)title('pcmdecodesequence');end-44- snrq(k)=10*log10(mean(snr));endfigure(2)plot(vm1,snrq);grid;function[out]=pcm_decode(in,v)%decodetheinputpcmcode%in:inputthepcmcode8bitssample%v:quantizedleveln=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;step(5)=16;step(6)=32;step(7)=64;step(8)=128;-44- fori=1:n/8ss=2*in(i,1)-1;tmp=in(i,2)*4+in(i,3)*2+in(i,4)+1;st=slot(tmp);dt=(in(i,5)*8+in(i,6)*4+in(i,7)*2+in(i,8))*step(tmp)+0.5*step(tmp);out(i)=ss*(st+dt)/4096*v;endfunction[out]=pcm_encode(x)%xencodetopcmcoden=length(x);%-40960out(i,1)=1;elseout(i,1)=0;endifabs(x(i))>=0&abs(x(i))<32out(i,2)=0;out(i,3)=0;out(i,4)=0;step=2;st=0;elseif32<=abs(x(i))&abs(x(i))<64out(i,2)=0;out(i,3)=0;out(i,4)=1;step=2;st=32;elseif64<=abs(x(i))&abs(x(i))<128out(i,2)=0;out(i,3)=1;out(i,4)=0;step=4;st=64;elseif128<=abs(x(i))&abs(x(i))<256out(i,2)=0;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=8;st=128elseif256<=abs(x(i))&abs(x(i))<512out(i,2)=1;out(i,3)=0;out(i,4)=0;step=16;st=256;elseif512<=abs(x(i))&abs(x(i))<1024-44- out(i,2)=1;out(i,3)=0;out(i,4)=1;step=32;st=512;elseif1024<=abs(x(i))&abs(x(i))<2048out(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=0;step=64;st=1024;elseif2048<=abs(x(i))&abs(x(i))<4096out(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=128;st=2048;elseout(i,2)=1;out(i,3)=1;out(i,4)=1;step=128;st=2048;endif(abs(x(i))&abs(x(i)))<4096out(i,2:8)=[1111111];elsetmp=floor((abs(x(i))-st)/step);t=dec2bin(tmp,4)-48;%函数dec2bin输出的是ASCII字符串,48对应0out(i,5:8)=t(1:4);endendout=reshape(out',1,8*n);-44-