PCM系统仿真设计 定稿.docx
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1、论文题目:PCM系统仿真设计专业:通信技术学生:庆朋签名:指导老师:张鸣签名:摘要当信源为模拟信号时,在发端需要进行模/数变换,即经抽样、量化、编码,对其 幅度和时间离散化处理,使之变成数字信号后再进行传输;在收端将收到的数字信号进 行数/模变换,使之还原成模拟信号再送至信宿。本文主要研究了本文主要研究了 PCM系统基于Matlab和Simulink仿真设计,通过 使用Matlab和Simulink PCM编码和解码系统的建模和仿真,结果与理论分析是一致的。【关键词】PCM;MATLAB/Simulink;仿真;编码;解码【论文类型】设计型Title: The design of PCM sy
2、stemMajor: Communications TechniqueName:Meng QingpengSignature:Supervisor: Zhang MingSignature:AbstractWhen the source is an analog signal, the originator need for analog / digital conversion, which is a sampling, quantization, coding, its amplitude and time discretization, and then make it into a d
3、igital signal for transmission; at the receiving end will receive the digital signal for digital / analog conversion, so that the analog signal and then restore to the sink.This paper mainly studies the this article main research the PCM system based on Matlab and Simulink simulation design, by usin
4、g Matlab and Simulink for PCM coding and decoding system of model building and simulation, the result is consistent with theoretical analysis o【Key words PCM; MATLAB/Simulink; the simulation; coded; encoded【Type of Thesis】 Design刖言通信的主要任务是可靠而有效的实现信息的传输。随着信息科学技术的发展,人们 对信息交流的要求也在逐渐提高。研究和设计更可靠,更高速的通信系统
5、势在必行。在 实际通信中,通常是比较复杂而且大规模的系统,在加上各种外界环境的影响,实际通 信系统的设计和研究是比较困难的。如果直接在研究中改变一些参数的设置,可能会导 致整个系统性能改变。在通信技术领域,系统仿真技术是进行通信协议研发、通信系统 设计、通信信号处理等的重要手段。经过近几年的发展,科研工作者和工程技术人员将仿真软件与系统设计有效结合, 解决了这一难题。目前,工程中应用最多的仿真软件是由MathWorks公司推出的一款具有 强大功能的数学软件。在众多的系统仿真平台中,Matlab/Simulink仿真工具相比之下, 有着独特的优势。传统的仿真技术基于C语言等计算机专业编程技术,编
6、程工作量大,仿 真程序的可读性和可用性很难适应大型通信系统的仿真要求。Matlab将高性能的数值计 算和可视化集成在一起,并提供大量的内置函数,从而被广泛的应用于科学计算、系统 控制、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。simulink具有良好的交互界面,通过分析窗口和示波器模拟等方法,提供了一个 可视的仿真过程,不仅在工程上得到应用,在教学领域也得到认可,尤其在信号分析、 通信系统等领域。其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统。本 文主要研究了如何利用simulink实现脉冲编码调制(PCM)。系统的实现通过模块分层 实现,模块主要由PCM编码器模块、PCM译码器模块构成。
7、通过仿真设计电路,分析电 路仿真结果,为最终硬件实现提供理论依据。1绪论51.1课题研究背景及意义51.2 MATLAB/Simulink 软件简介61.3本文主要内容72 PCM系统82.1 PCM系统简介82.2 PCM系统编码原理92.3 PCM系统译码原理122.4本章小结133 PCM系统的仿真133.1 PCM编码系统的仿真133.1.1仿真模型及参数设置133.1.2仿真结果及分析153.2 PCM译码系统的仿真173.2.1仿真模型及参数设置173.2.2仿真结果及分析183.3本章小结194.结论204.1工作总结204.2工作展望20致谢2122.参考文献1绪论数字通信系统
8、己经成为现今通信发展的方向,但是经过传感器的转换以后自然界中 的很多信息,大多数依旧为模拟量,PCM(脉冲编码调制)它是一种调制方式就是把模拟 信号转换作数字信号。重点运用在语音传输,并且在数字微波通信、卫星通信、光纤通 信当中得到了广阔的运用,通过凭借MATLAB软件,能够更便捷、直接的来仿真与计算。 因此可以通过运行出的结果,分析系统特性。MATLAB是美国Math Works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。MATLAB具有强大的图形处理的能力,功能强大的数值运算功能,丰富的 工具箱,高级且简单的程序环境。它被广泛应用在通信仿真中。1.1课题研究背景及意义脉冲
9、编码调制(PCM),它是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值,从而 实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强,因此在光钎通信、数字微波通信、 卫星通信中均获得了极为广泛的运用。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。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。根据CCITT的建议,为改善小信 号量化性能,采用压扩非均匀量化,有两种建议方式,分别为A律和M律方式,我国 采用了 A律方式,由于A律压缩实现复杂,常使用13折线法编码当信源为模拟信号时,在发端需要进行模/数变换,即经抽样、量化、编码,对其 幅度和时间离散化处理,使之变成数字信号后再进行
10、传输;在收端将收到的数字信号进 行数/模变换,使之还原成模拟信号再送至信宿。Simulink具有良好的交互界面,通过 分析窗口和示波器模拟等方法,提供了一个可视的仿真过程,不仅在工程上得到应用,在教学领域也得到认可,尤其在信号分析、通信系统等领域。其可以实现复杂的模拟、 数字及数模混合电路及各种速率系统1.2 MATLAB/Simulink 软件简介MATLAB是美国Math Works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。MATLAB具有强大的图形处理的能力,功能强大的数值运算功能,丰 富的工具箱,高级且简单的程序环境。它被广泛应用在通信仿真中。Simulink是MA
11、TLAB中的一种可视化仿真工具,也是目前在动态系统的建模和仿 真等方面应用最广泛的工具之一。确切的说,Simulink是一个用来对动态系统进行建 模、仿真和分析的软件包,它支持线性和非线性系统,连续、离散时间模型,或者是两 者的混合。Simulink工作环境进过几年的发展,已经成为学术和工业界用来建模和仿真 的主流工具包。在Simulink环境中,它为用户提供了方框图进行建模的图形接口,采 用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便,故用户只需进行简单的 点击和拖动就能完成建模,并可直接进行系统的仿真,快速的得到仿真结果。它的主要 特点在于:(1)、建模方便、快捷;(2)、易于进行
12、模型分析;(3)、优越的仿真性能。 它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。 Simulink模块库(或函数库)包含有Sinks (输出方式)、Sources (输入源)、Linear (线 性环节)、Nonlinear(非线性环节)、Connection (连接与接口)和Extra(其他环节)等 具有不同功能或函数运算的Simulink库模块(或库函数)创建模型。用户可以从最高 级开始观看模型,然后用鼠标双击其中的子系统模块,来查看其下一级的内容,以此类 推,从而可以看到整个模型的细节,帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。 在定义完一个模型后,
13、用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令 来对它进行仿真。采用Scope模块和其他的显示模块,可以在仿真进行的同时就可立即 观看到仿真结果,若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果,这适用于因果 关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型 分析工具包括线性化和整理工具,MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱 都包含这些工具。由于MATLAB和Simulink的集成在一起的,因此用户可以在这两种 环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而 独立工作。1.3本文主要内容
14、首先根据论文设计的具体要求,研究课题的背景及意义,PCM的研究现状;其次 本设计是在掌握PCM基本原理的基础上,通过通信系统建模与仿真的实际操作,利用 MATLAB/Simulink软件完成PCM系统的建模仿真,实现模拟信号数字化。最后对通信 系统中的各个仿真结果进行详细的分析。本文共分四章:第1章为绪论。简单介绍了 PCM系统的发展现状、研究意义,以及对仿真软件 Matlab/Simulink 的认识。第2章研究了 PCM基本原理。简介PCM系统,研究了编码器和译码器的原理。第3章研究PCM系统的建模和仿真。主要介绍了以PCM原理为基础的编码器和 译码器的Simulink仿真模型的设计,以及
15、仿真参数设置和结果分析。第4章总结。对全文进行总结,对未解决的问题和将来的研究方向进行探讨。2 PCM系统2.1 PCM系统简介Pulse-code modulation (PCM),即脉冲编码调制,由A.里弗斯于1937年提出的, 这一概念为数字通信奠定了基础,60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量,使已 有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大2448倍。到70年代中、末期,各国相继把 脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容 量传输系统。80年代初,脉码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程 控交换机,并在用户话机中采用。在光纤通信系统中,光纤
16、中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码,它由二进制数字 信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化 和编码产生的,称为PCM (Pulse-code modulation),即脉冲编码调制。这种电的数字 信号称为数字基带信号,由PCM电端机产生。现在的数字传输系统都是采用脉码调制 (Pulse-code modulation)体制。PCM最初并非传输计算机数据用的,而是使交换机之 间有一条中继线不是只传送一条电话信号。PCM有两个标准(表现形式)即E1和T1。中国采用的是欧洲的E1标准。T1的 速率是 1.544Mbit/s,E1 的速率是 2.048Mbi
17、t/s。脉冲编码调制可以向用户提供多种业务,既可以提供从2M到155M速率的数字数 据专线业务,也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。特别适用于对数据传 输速率要求较高,需要更高带宽的用户使用。话音通信中的PCM调制系统原理框图如图2.1-1所示。抽样器完成对模拟信号f (t)的抽样得到Z f (nT)。压缩器与量化器构成非均匀量化器(图中的量化器是均匀量化 S器),压缩器是对Z f nT)进行非线性变换,经非均匀量化后可以压缩数字信号的等效S比特率和提高小信号的量化信噪比。编码器完成将Z f XnT)变成数字代码的功能。收 S端经译码和扩张器得到重建的量化样值信号Zf (nT),再经
18、低通滤波器得到重建信号 sf (t)。实际上f (t)与f (t)之差就是量化误差。f (t)抽样器译码器低 通 滤 波 器f (t)Z f (nTJZ f (nTZ f (nT) Z f (nT)0n(t)2-1 PCM系统原理方框图对于电话信号,由于其频带宽度为3003400Hz,抽样频率为8000Hz,为了保证 一定的话音质量,对每一抽样脉冲采用8bit编码,即用8位二进制数字进行编码,因此 每一路标准话路的等效比特速率为R = 8000 x 8 = 64kb / s。2.2 PCM系统编码原理1)码位的选择与安排PCM编码时,码位数的选择不仅关系到通信质量的好坏,而且还涉及到设备的复
19、杂程度。在输入信号变化范围一定时,用到的码位数越多,量化分层就越细,量化误差 就越小,通信质量当然也越好。但码位数越多,设备越复杂,同时还会使总的传码率增 加,传输带宽增大。一般从语音信号的可懂度来说,采用34位非线性编码(非均匀 量化编码)即可,但有明显失真。当编码位数增至78位时,通信质量就比较理想了。根据CCITT建议,对语音信号采用A律13折线编码时,量化级数N = 2 x 128 = 256,即正、负输入幅度范围内各有128个量化级,因此PCM编码时需要的码位数l = log256 = 8。2这8位二进制码表示为D、D、D、D、D、D、D、D。D是极性码,表123456781示量化信
20、号的极性,通常“1”表示正极性,“0”表示负极性;D2、气、D4是段落码, 它的8个状态分别表示8个不同的段;气、D6、D7、D8为段内码,它的16个状态表 示每段内均匀划分的16个量化级。段落码与段落之间的关系、段内码与16个量化级之间的关系分别见表2-2和表2-3。表2-2段落码、起始电平与段落的关系段落码DDD各段起始电平段落码DDD各段起始电平段落序号段落序号234(量化单位)234(量化单位)8111102440116471105123010326101256200116510012810000表2-3段内码与16个量化级的关系段内量化级序号段内码D5D6D D8段内量化级序号段内码
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