基于matlab的脉冲编码调制(pcm)系统设计与仿真大学论文.doc

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课程设计(论文)任务书信息工程　学　　院　　通信工程专　　业14-2　班　　　　一、课程设计(论文)题目　脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真　　二、课程设计(论文)工作自2017年1月3日起至2017年1月13日止。三、课程设计(论文)地点:图书馆、寝室、通信实验室（4-410）。四、课程设计(论文)内容要求：1．本课程设计的目的（1）使学生掌握通信系统各功能模块的基本工作原理；（2）培养学生采用Matlab与Simulink相结合对各种编码与解码进行仿真的方法；（3）培养学生对PCM的理解能力；（4）能提高和挖掘学生对所学知识的实际应用能力即创新能力；（5）提高学生的科技论文写作能力。2．课程设计的任务及要求1）基本要求：（1）学习Matlab与Simulink仿真软件的使用；（2）对PCM，DPCM，ΔM编码与解码各功能模块的工作原理进行分析；（3）提出各种编码与解码电路的设计方案，选用合适的模块；（4）对所设计系统进行仿真；（5）并对仿真结果进行分析。a.采样定理的原理仿真b.PCM编码与解码c.DPCM编码与解码；增量调制（至少选做一种）2）创新要求：3）课程设计论文编写要求（1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等（3）毕业论文装订按学校的统一要求完成4）答辩标准：（1）完成原理分析（20分）（2）系统方案选择（30分）（3）仿真结果分析（30分）（4）论文写作　　（20分）5）参考文献：（1）王俊峰.《通信原理MATLAB仿真教程》人民邮电出版社第1版.2010.11.1（2）赵静.《基于MATLAB的通信系统仿真》北京航空航天大学出版社 6）课程设计进度安排内容天数　　　　　　地点构思及收集资料2　　　　　　　图书馆仿真5　　　　　　　实验室撰写论文3　　　　　　　实验室学生签名：2017年1月3日课程设计(论文)评审意见（1）完成原理分析（20分）：优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；（2）系统方案选择（30分）：优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；（3）仿真结果分析（30分）：优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；（4）论文写作　　（20分）：优（　）、良（　）、中（　）、一般（　）、差（　）；（5）格式规范性及考勤是否降等级：是（　）、否（　）评阅人：　　　职称：副教授2017年1月13日 目录摘要IAbstractII1绪论12PCM脉冲编码原理22.1模拟信号的抽样及频谱分析22.1.1信号的采样22.1.2抽样定理22.1.3采样信号的频谱分析32.2量化32.2.1量化的定义32.2.2量化的分类42.2.3MATLAB的A律13折线量化102.3PCM编码102.3.1编码的定义102.3.2码型的选择112.3.3ＰＣM脉冲编码的原理113PCM的MATLAB实现133.1PCM抽样的MATLAB实现133.2PCM量化的MATLAB实现163.2.1PCM均匀量化的MATLAB实现163.2.2PCMA律非均匀量化的MATLAB实现183.3PCMA律13折线编码的MATLAB实现204结果分析及总结23参考文献24 摘要本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。课题中主要分为三部分对脉冲编码调制（PCM）系统原理进行建模与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的建模仿真。同时仿真分析了采样与欠采样的波形、均匀量化与A律13折线非均匀量化的量化性能及其差异。通过对脉冲编码调制（PCM）系统原理的仿真分析，设计者对PCM原理及性能有了更深刻的认识，并进一步掌握MATLAB软件的使用。关键词：脉冲编码调制（PCM）均匀与非均匀量化MATLAB仿真II AbstractInthisdesign,combinationtheSimulinkemulatationfunctionandtheS-function’sspreadfunctionofMATLABsoftware,havecompletedthesystematicemulatationandmodelingforpulsecodemodulation(PCM).Inthisdesign，divideinto3partsmainly,emulatetobuildmouldandemulateanalysisfortheprincipleofpulsecodemodulation(PCM)systematic.Theyaremodelingandemulatationofsampling,quantizingandecoding.Atthesametime,emulatetoanalysethewaveformofsamplingandowesampling,thequantizingerrorofuniformquantizingandnonuniformquantizing.Throughthisdesign,thedesignerhasamoreprofoundunderstandingofPCMprinciplesandperformance,andfurthermastertheuseofMATLABsoftware.Keywords:Pulsecodingmodulation(PCM)uniformandnon-uniformquantitativeMATLABsimulationII 1绪论数字通信作为一种新型的通信手段，早在20世纪30年代就已经提出。在1937年，英国人里费（A.H.Reeves）提出了脉冲编码调制（PCM）方式。从此揭开了近代数字传输的序幕。PCM系统的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。另外，由于PCM可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合通信方式，而且还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。PCM的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。因此，PCM是一种极有发展前途的通信方式。23 2PCM脉冲编码原理2.1模拟信号的抽样及频谱分析2.1.1信号的采样离散时间信号通常是有连续时间信号经周期采样得到的。完成采样功能的器件称为采样器，下图所示为采样器的示意图。图中Xa(t)表示模拟信号，Xa(nt)表示采样信号，T为采样周期，n=0，1，2，…。一般可以把采样器视为一个每隔T秒闭合一次的电子开关S。在理想情况下，开关闭合时间τ满足τ<100秒；由采样时间ts和采样频率fs即可决定采样数据量，即采样总点数N=fs*ts。这就从理论上对采样时间ts和采样总点数N提出了要求，以保证频谱分析的精准度。2.2量化2.2.1量化的定义模拟信号进行抽样以后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，即抽样值m(kT)可以取无穷多个可能值，如果用N个二进制数值信号来代表该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输该样值的信息，那么N个二进制信号只能同M=2^N个电平样值相对应，而不能同无穷多个电平值相对应。这样一来，抽样值必须被划分成M个离散电平，此电平被称作量化电平。或者说，采用量化抽样值的方法才能够利用数字传输系统来实现抽样值信息的传输。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。抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变换成取值离散的抽样。通常，量化器的输入是随机模拟信号。可以用适当速率对此随机信号m(t)进行抽样，并按照预先规定，将抽样值m(kT)变换成M个电平q1，q2，…，qM之一,有mq(kTs)=qi，若mi-1≤m(kTs)V,h(i)=V;endiff(i)<=-V,h(i)=-V;endflag=0;forj=2:L/2+1if(flag==0)if(f(i)=0if(x(i)<=t)y(i)=(a*x(i))/(1+log(a));elsey(i)=(1+log(a*x(i)))/(1+log(a));endelseif(x(i)>=-t)y(i)=-(a*-x(i))/(1+log(a));elsey(i)=-(1+log(a*-x(i)))/(1+log(a));endendend仿真结果：23 图4.5A律量化波形3.3PCMA律13折线编码的MATLAB实现PCM均匀量化的MATLAB程序设计按如下步骤进行：（1）确定输入模拟信号；（2）根据给均匀量化的原理确定非均匀量化的算法程序；（3）将上述编码的十进制数转化成8位二进制数。PCM抽样的MATLAB实现源程序如下：functiona_13code()t=0:0.000025:0.00025;y=sin(8000*pi*t)z=line13(y)c=pcmcode(z)functiony=line13(x)x=x/max(x);z=sign(x);x=abs(x);fori=1:length(x)if((x(i)>=0)&(x(i)<1/64))y(i)=16*x(i);23 elseif((x(i)>=1/64)&(x(i)<1/32))y(i)=8*x(i)+1/8;elseif((x(i)>=1/32)&(x(i)<1/16))y(i)=4*x(i)+2/8;elseif((x(i)>=1/16)&(x(i)<1/8))y(i)=2*x(i)+3/8;elseif((x(i)>=1/8)&(x(i)<1/4))y(i)=x(i)+4/8;elseif((x(i)>=1/4)&(x(i)<1/2))y(i)=1/2*x(i)+5/8;elseif((x(i)>=1/2)&(x(i)<=1))y(i)=1/4*x(i)+6/8;endendendendendendendendy=z.*y;functionf=pcmcode(y)f=zeros(length(y),8);z=sign(y);y=y.*128;y=fix(y);y=abs(y);fori=1:length(y)if(y(i)==128)y(i)=127.999;endendfori=1:length(y)forj=6:-1:0f(i,8-j)=fix(y(i)/2^j);23 y(i)=mod(y(i),(2^j));endendfori=1:length(y);if(z(i)==1)f(i,1)=0;elsef(i,1)=1;endend程序运行结果：>>a_13codey=Columns1through700.58780.95110.95110.58780.0000-0.5878Columns8through11-0.9511-0.9511-0.5878-0.0000z=Columns1through700.90451.00001.00000.90450.0000-0.9045Columns8through11-1.0000-1.0000-0.9045-0.0000c=100000000111001101111111011111110111001100000000111100111111111111111111111100111000000023 4结果分析及总结根据仿真的波形图和输出地量化、编码值可以得到以下结论：当抽样频率大于或等于输入连续信号的频率2倍时，就可以无失真恢复原始信号；当不满足上述条件时就会出现频率混叠失真，不能恢复原始信号。均匀量化输出波形图清晰地显示处均匀量化的特征，每个量阶都是均匀分布的，每个间隔都是相等的。由于量化级数是64，所以从图中看到的结果不是那么明显，和输入波形相比几乎没什么变化。将A律非均匀量化的结果和A律13折线近似量化进行比较，两者压缩特性很接近。13折线输出的码组序列也符合要求。通过本次课程设计，我较系统地掌握有关PCM脉冲编码调制的设计思想和设计方法，主要对MATLAB的仿真方法，开发环境等有了一定的了解并对其进行测试和加以应用的知识得到学习。掌握了用程序对信号进行分析的基本方法，并画出波形图。以前对PCM编码的方法只是在理论上，经过这次课设，加深了对PCM编码的基本原理理解，并对其在实际中的应用有了一定了解。通过这次课设我认识到在以后的学习中，不仅要有刻苦钻研的精神，还要有创新精神，对自己感兴趣的一定要用心去学。而在本次课程设计在刚开始时，由于对MATLAB的应用不太熟，觉得做起来有些棘手，当发现可以用软件仿真来实现PCM的编码过程后，我便去图书馆查阅了相关书籍，进一步熟悉了MATLAB编程方法和PCM的MATLAB实现原理，这是我最终顺利完成PCM系统设计的前提。随着设计的完成，我也逐渐掌握了PCM编码的工作原理及PCM系统的工作过程，通过应用软件仿真来实现各种通信系统的设计，进一步地，可以完成硬件上的实现，以增强动手能力和学业技能。总体来说，这次课程设计使我受益匪浅。在摸索该如何设计PCM系统使之实现所需功能的过程中，不仅体验到了动手的乐趣，而且培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到设计艰辛的同时，更让我体会到了成功的喜悦。今后，我要更加严格要求自己，主动寻找通信专业方面进行软件仿真及硬件设计的机会，通过实践逐步提升自己的专业技术水平，为今后发展奠定坚实的基础。23 参考文献[1]樊昌信曹丽娜，《通信原理第六版》，国防工业出版社，2007[2]周开利，《邓春晖主编MATLAB基础及其应用教程》，北京大学出版社，2007[3]董振海,《精通MATLAB7编程与数据库应用》，电子工业出版社,2007[4]陈怀琛，《MATLAB在电子信息课程中的应用（第二版）》，电子工业出版社，2006[5]张德丰主编，《MATLAB通信工程仿真》，机械工业出版社，201023