通信原理综合课程设计

东北大学秦皇岛分校 计算机与通信工程学院

综合课程设计

设计题目 PCM编码和译码电路的实现

专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间

通信工程

课程设计任务书

专业：通信工程 学号： 学生姓名（签名）：

设计题目：PCM编码和译码电路的实现

一、设计实验条件

电子信息实验室

二、设计任务及要求

1. 熟悉MATLAB环境下的Simulink仿真平台，熟悉通信过程中的抽样、量化、

编码等步骤；

2. 利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM通信系统； 3. 学习PCM调制解调方法，对模拟信号进行抽样、量化、编码，将编码后的信

号输入信道再进行PCM解码，还原出原信号，并做出仿真波形。

三、设计报告的内容

1. 2. 3. 4. 5.

设计题目与设计任务（设计任务书） 前言（绪论）(设计的目的、意义等)

设计主体（各部分设计内容、分析、结论等） 结束语（设计的收获、体会等） 参考资料

四、设计时间与安排

1、设计时间： 3周 2、设计时间安排：

熟悉实验设备、收集资料： 5 天

设计图纸、实验、计算、程序编写调试： 8天

编写课程设计报告： 2天

答辩： 1天

一、设计题目与设计任务

1.设计题目

PCM编码和译码电路的实现 2 .设计任务

利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM通信系统，使其能对模拟信号进行抽样、量化、编码，将编码后的信号输入信道再进行PCM解码，还原出原信号，并做出仿真波形。根据运行的数据和波形来分析该系统性能，结合理论分析验证结果的正确性。

二、前言

脉冲编码调制（pulse code modulation），简称脉码调制，就是我们这次课程设计所要研究的PCM。脉冲编码调制是不仅理论上已经很完善，而且在概念上也很简单的编码系统。我们运用MATLAB软件中的Simulink工具来实现PCM编解与解码的仿真，其具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，从使得整个电路设计上的编码和解码易于完成。本次课程设计所要研究的通信过程主要为抽样、量化、编码等步骤，MATLAB软件中的Simulink工具就为建立实际的通信系统提供了实验仿真。

利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台提供的信号处理工具箱和通信工具箱中的模块，充分发挥了Simulink建模简单，参数易于调整的特点。运用到的主要模块有：PCM编码模块、PCM译码模块、以及逻辑时钟控制信号等。用示波器观察所设计的PCM的编码与解码前后的信号波形，加上各种信号源，用误码测试模块测量误码率；最后根据运行结果和波形来分析该系统的性能。 1. 课程设计目的

本设计研究的内容是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM通信系统。PCM通信系统在功能强大的Simulink仿真环境之下，能够很好的为现实工作提供各种方便。

本设计的研究目的是在学习通信原理基本原理基础上，加深在课堂中的理论知识的理解并巩固理论课上所学的有关PCM编码和译码的基本概念、理论和方

法；掌握脉冲编码调制技术特点；熟悉MATLAB软件的相关知识；并能够运用MATLAB软件工具对PCM系统进行辅助设计和仿真研究。通过这些过程锻炼我们发现问题、分析问题和解决问题的能力。

三、设计主体

1.设计原理

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编码模块、PCM译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。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。

PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、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。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μ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,采用非均匀量化PCM编码示意图见图1。

模拟信号 输入 抽样保持 量化器 编码器 PCM信号 输出

冲激脉冲 信 干扰 道 模拟信号 PCM信号 低通滤波器 译码器 输出 输入 图1 PCM原理框图

1.1 抽样

对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号就是抽样。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。由抽样定理确定它的抽样速率下限。如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过f，当抽样频率F≥2f 时，抽样后的信号就包含原连续的

全部信息。这就是抽样定理。 1.2 量化

如图2所示量化器Q输出L个量化值yk，k=1，2，3，„，L。yk常称为重建电平或量化电平。当输入量化器信号幅度x落在xk与xk1之间时，量化器的输出电平为yk。这个量化过程可以表达为：

yQ(x)Q{xkxxk1}yk,k1,2,3,...,L

这里xk称为分层电平或判决阈值。通常kxk1xk称为量化间隔。

x 量化器 图2 模拟信号的量化

y量化后的抽样信号会有所失真，并且不再是时间上和幅度上连续的信号。这种量化后的失真部分的信号通过接收端再还原为模拟信号则为信号噪声，这称为量化噪声。样值分级“取整”的方式决定了量化噪声的大小。样值所分的级数越多，量化噪声就越小，被还原的模拟信号就越准确。

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变，这是均匀量化的主要缺点。因此，当信号小时，信号量噪比也小。所以，这种均匀量化器对于小输入信号很不利。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。非均匀量化的量化间隔的确定根据的是信号的不同区间。对于信号取值小的区间，其量化间隔v也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。

通常将抽样值通过压缩再进行均匀量化就是是非均匀量化。一般使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。由于我国和欧洲各国采用的都是A律压缩方式，所以PCM编码方式采用的也是A压缩律。

所谓A律压缩方式则可以用yAx11lnAx1,0x和y,x1表

1lnAA1lnAA示。 式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A为压缩系数。

由于13折线（A=87.6）的压扩特性和A律函数规律很相近，并且A律压缩特性函数的电路实现十分复杂。所以，实际上我们通常采用13折线（A=87.6）的压扩特性来模拟A律压缩特性。这样，它不仅保持了连续压扩特性曲线的优点，而且易于用电路实现。这就对于我们继续研究通信技术提供了方便。

这次课程设计的PCM编码采用的就是13折线（A=87.6）的压扩特性来进行PCM编码的，如图3。表1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。

图3 A律函数13折线

表1 13折线时的x值与计算x值的比较

y x 按折线 0 0 1 81 1282 81 60.63 81 30.64 81 15.45 81 7.796 81 3.937 81 1.981 1 0 分段时的x 段落 斜率 1 16 1 1282 16 1 643 8 1 324 4 1 165 2 1 86 1 1 47 1 28 1 1 21 4

1.3 编码

量化后的离散信号变换成二进制数代码就是编码，那么它的相反过程就称为解码。这次课程设计所说的PCM的编码与译码是属于信源编码的范畴。

在一定的取值范围内，量化后的抽样信号仅有有限个可取的样值，并且信号正、负样值的个数相等，这是由于信号正、负幅度分布的对称性所决定的，信号的正、负向的量化级对称分布。如果将有限个从小到大依次排列的量化样值的绝对值相应的依次赋予一个十进制数字代码的话，并且使用“+”、“-”符号作为数字代码的前缀来区分样值的正负，那么按照抽样时序排列的一串十进制数字码流就是由量化后的抽样信号转化而来的，即十进制数字信号。编码就是把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程。

当前编码的方法有很多，不过在现如今的编码方法中，如果按照编码的速度来分，大致可分为低速编码和高速编码两大类。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。逐次比较型是一种很好的编码方式，在它的编码方式中，无论采用几位码，通常均按照极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。

表2 段落码

段落序号 8 7 6 5 4 3 2 1 段落码 111 110 101 100 011 010 001 000

表3 段内码 量化级 15 14 13 12 11 10 9

8 7 6 5 4 3 2 1 0 段内码 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 在13折线（A=87.6）的压扩特性法中，不管输入的是什么样的信号，全部按

照包括8个段落来进行PCM编码。如果用8个段落来表示量化后的抽样信号，那么它的极性则用第一位数字表示，剩下的七位，也就是第二位至第八位则表示量化后的抽样信号的绝对大小。PCM编码的具体原理是:段落码用第二位到第四位三位数字表示，它的8个段落的起始电平用相应的可能状态来分别表示。段内码则用其他剩下的四位数字来代表，它的每一个段落的16个均匀划分的量化级分别用相应的16种状态来表示。这样编码的结果是，第一和第二个段落被划分为16个量化级，以后的段落分别是前一个段落的2倍，那么8个段落就被划分成了128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。

日常的话音PCM采样速率为每秒8kHZ，那么话音数字编码信号的速率就为8bits×8kHz=64kb/s，因为每个量化样值对应一个8位二进制码。量化噪声随级数的增多和极差的缩小而缩小。由于量化噪声随着编码的位数增加而减少，即增加编码位数有利于提高量化后的信号的真实度。但是要使样值的个数增多，那么我们就要求量化级数增加，即需要更长的二进制编码，这就增加了编码的难度和复杂度。大自然中的声音变幻莫测，充满着各式各样的声音信号，那么它们相应的波形也必然是复杂多变的。一般我们使用的是脉冲编码调制编码，就是本次课程设计所说的PCM编码。PCM编码依次通过抽样、量化和编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为在时间和幅度上都离散的数字编码。 2.基于simulink的PCM编码和解码的仿真

图4 Simulink PCM编码和解码组成的框图

图5 封装之后的PCM编码子系统

图6 封装之后的PCM解码子系统

2.1仿真框图中各部分的简介

1.常数模块（Constant）

产生1个常数，该常数可以是实数，也能够是复数。 2.限幅的饱和特性模块（Saturation）

它是对一个信号限定上下限的作用。当输入在Lower limit和Upper limit之间时输出源信号，若输入信号超出该范围，则会自动被限制到上限信号或者下限信号。

3.绝对值或复数求模模块（Abs）

表示输出是输入信号的绝对值（或复数的模）。

4.A率压缩（A-law Compressor）

由于实现困难,因此工程上通常用十三折曲线来近似地表示A 律曲线。 5.增益模块（Gain）

将模块的输入信号乘上一个增益。 6.量化处理模块（Quantizer）

根据语音信号的统计结果:在信号动态范围≥40dB的情况下信噪比不应低于26dB。因此用8位量化器，量化间隔为125μs。

7.继电特性模块（Relay）

它是具有隔离功能的自动开关元件，当通过之电流超过某一\"定值\"时，该接点会断开(或接通)，而让电流出现\"中断及续通\"的动作，以刻意影响同一电路或其它电路中组件之工作。

8.编码器（code）

编码器是将量化后信号编成适合信道传输的信号。 9.解码器（decode）

将从信道接受到信息进行解码 10.A率解压（A-law Expander）

对解码后的信号量化值进行扩展,得到重建信号。 11.相乘器（Product）

通过相乘器使语音信号与矩形脉冲相乘从而获得时域离散信号,此即信号的抽样过程。

12.零阶采样保持器（Zero Order Hold）

零阶保持完成将重建信号转换为连续信号。零阶保持器的作用是在信号传递过程中，把第nT时刻的采样信号值一直保持到第(n+1)T时刻的前一瞬时，把第(n+1)T时刻的采样值一直保持到(n+2)T时刻，依次类推，从而把一个脉冲序列变成一个连续的阶梯信号。因为在每一个采样区间内连续的阶梯信号的值均为常值，亦即其一阶导数为零，故称为零阶保持器。

13.帧状态转换模块（Frame Status Conversion）

交织编码后的帧格式数据通过帧状态转换模块将数据转换为基于抽样的数据格式。

14.缓冲寄存器（buffer）

又称缓冲器，它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有了数控缓冲器，就可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。

15.二进制对称信道（Binary Symmetric Channel）

二进制对称信道是离散无记忆信道在J=K=2时的特例。它的输入和输出都只有0和1两种符号，并且发送0而接收到1，以及发送1而收到0（即误码）的概率相同，所以称信道是对称的。 2.2各部分参数设置

图5 Abs的参数设置

图6 Gain的参数设置

图7 Quantizer的参数设置

图8 Integer to Bit Coverter的参数设置

图9 BSC的参数设置

图10 Product的参数设置

图11 Relay的参数设置

图12 Zero-Order Hold的参数设置

图13 Sine Wave的参数设置

图14 Buffer的参数设置

图15 Reshape的参数设置

2.3示波器的显示波形

图16 Scope1的显示波形（编码后输出波形）

图17 Scope显示波形（仿真结果）

2.4误差产生原因分析

由于实际取样脉冲不可能是理想的冲激函数而引入的孔径失真;由于无穷内插公式和许多高频分量而混入了插入噪声;以及因解码端再生取样脉冲时而导致的定时抖动失真等。表现在恢复的图像成阶梯形,而不圆滑。

五、参考资料

[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理.第6版. 北京：国防工业出版社，2008

[2] 陈桂明，张明照，戚红雨，张宝俊. 应用MATLAB建模与仿真.第1版.北京：科学出版社，2001

[3] 姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真.第6版.西安：西安电子科技出版社，2002