电子信息系统仿真课程设计1Word文档格式.docx

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二、课程设计原理

2.1PCM编码解码原理及PCM电路设计

1、所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后将已量化值变换成代码。

下面将用一个PCM系统的原理框图简要介绍。

原理框图如图1所示。

图1PCM原理方框图

在编码器中由冲激脉冲对模拟信号抽样，得到在抽样时刻上的信号抽样值。

这个抽样值仍是模拟量。

在它量化之前，通常由保持电路（holdingcircuit）将其作短暂保存，以便电路有时间对其量化。

在实际电路中，常把抽样和保持电路作在一起，称为抽样保持电路。

图中的量化器把模拟抽样信号变成离散的数字量，然后在编码器中进行二进制编码。

这样，每个二进制码组就代表一个量化后的信号抽样值。

图中的译码器的原理和编码过程相反。

其中，量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器）；

译码与低通滤波的组合称为数/模变换器（D/A变换器）。

抽样是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号，抽样速率的下限由抽样定理确定。

量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即指定Q规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。

编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。

实际上量化是在编码过程中同时完成的。

μ律与A律压缩特性

μ律：

（美、日）

A律：

（我国、欧洲）

式中，x为归一化输入，y为归一化输出，A、μ为压缩系数。

数字压扩技术：

一种通过大量的数字电路形成若干段折线，并用这些折线来近似A律或μ律压扩特性，从而达到压扩目的方法。

即对数压扩特性的折线近似法。

折线压扩特性：

既不同于均匀量化的直线，又不同于对数压扩特性的光滑曲线。

总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的，但它既有非均匀量化（不同折线有不同斜率），又有均匀量化（在同一折线的小范围内）。

两种常用数字压扩技术：

（1）A律13折线压扩——13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性；

（2）μ律15折线压扩——15折线近似逼近μ=255的μ律压扩特性。

采用折线压扩的特点：

基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于数字电路的实现

实际中A律常采用13折线近似如图2所示

图2A律13折线

其具体分法如下:

先将X轴的区间[0，1]一分为二，其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段;

区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段;

区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段;

区间[0,1/8]一分为二，中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段;

区间[0,1/16]一分为二，中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段;

区间[0,1/32]一分为二，中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段;

区间[0,1/64]一分为二，中点为1/128,区间[1/128,1/64]作为第二段;

区间[0,1/128]作为第一段。

然后将Y轴的[0,1]区间均匀地分成八段，从第一段到第八段

分别为[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]。

分别与X轴对应。

2、编码的码字和码型:

二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，并易于再生，因此PCM中一般采用二进制码。

对于Q个量化电平，可以用k位二进制码来表示，称其中每一种组合为一个码字。

在点对点之间通信或短距离通信中，采用k=7位码已基本能满足质量要求。

而对于干线远程的全网通信，一般要经过多次转接，要有较高的质量要求，目前国际上多采用8位编码PCM设备。

码型指的是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。

在PCM中常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码（又称格雷码）。

3、码位的安排:

目前国际上普遍采用8位非线性编码。

例如PCM30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4096个量化单位（最小的量化间隔称为一个量化单位），在4096单位的输入幅度范围内，被分成256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级。

用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表1所示：

表18位非线性编码的码组结构

极性码

段落码

段内码

C1

C2C3C4

C5C6C7C8

其中，第1位码C1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性，称为极性码。

从折叠二进制码的规律可知，对于两个极性不同，但绝对值相同的样值脉冲，用折叠码表示时，除极性码C1不同外，其余几位码是完全一样的。

因此在编码过程中，只要将样值脉冲的极性判出后，编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。

这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。

这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位码（C2，…,C8）就能表示出来。

2.2PCM编码器电路设计

图313折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果

测试模型和仿真结果如图3所示。

其中以Saturation作为限幅器，将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内，以A-LawCompressor作压缩器，Relay模块的门限值设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位——极性码。

样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127，然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。

可以将上图中Constant和Display（不含）之间的模块封装一个PCM编码子系统备用。

图4封装之后的PCM编码子系统：

图

图5封装之后的PCM编码子系统图标

2.3PCM解码器电路设计

图613折线近似的PCM解码器测试模型和仿真结果

测试模型和仿真结果如图，其中PCM编码子系统是3.2中编码器封装之后的。

PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和7位数据，然后将7位数据转换位整数值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。

可以将该模型中In1Out1右端和Display左端的部分封装为一个PCM解码子系统备用。

图7封装之后的PCM解码子系统

图8封装之后的PCM解码子系统图标

2.4无干扰信号的PCM编码与解码

图9PCM编码器和解码器（无噪声）测试模型和仿真结果

测试模型和仿真结果如图9所示，其中PCM编码与解码子系统已经封装好了。

经过编码与解码之后，然后通过低通滤波器，最后在示波器Scope上得出输出波形，示波器上还显示了原信号，以便与输出信号进行比较。

在编码器之后通过Display和Scope1显示出PCM数字信号，注意：

在通过示波器前需经过ToFrame和Buffer，其中ToFrame是用来形成帧信号，Buffer是缓冲器。

示波器显示结果如下：

图10Scope

图11Scope1

2.5、加入噪声干扰信号的PCM编码与解码

图12PCM编码器和解码器（有噪声）测试模型和仿真结果

仿真模型如图12所示，其中PCM编码和解码子系统内部结构参见3.2，3.3，PCM编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对称信道（BSC）。

在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入PCM解码，之后输出解码结果并显示波形。

仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍，这里模型中信道速率最高，为71kbps,故仿真步长设置为1/71000s。

信道错误比特率为0.05，以观察信道误码对PCM传输的影响。

仿真结果见下文。

图13Scope

图14Scope1

三、设计结果分析及体会：

1．由未加入噪声干扰信号和加入噪声干扰信号的仿真结果图形进行分析可知加性噪声将使接收码组中产生误差，造成信噪比下降

2．传输信号为100*pi的正弦波，解码输出存在延迟。

3．对于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个PCM编码字串中的位置，位于最高位（极性）时将导致解码值极性错误，这是引起的干扰最大，而位于最低位的误码引起的干扰最轻微。

4.通过一周的课程设计，我重新复习了课本的理论内容，并掌握了一些实践的经验，对自己所学的理论知识有了一个直观的认识，为以后的工程实践、实习，毕业设计等等都有所帮助，通过这一周的课程设计，也让我看到了自己的差距，发现自己有很多的软件使用的并不太好，所以在以后的学习中我要加强一些常用软件的练习。

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2008

【2】杨旭峰，刘岩涛.通讯原理应用实践指导哈尔滨工业大学出版社

【3】邵玉斌Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析．清华大学出版社，2008

【4】张圣勤.MATLAB7．0实用教程．机械工业出版社，2006

【5】青松，程岱松，武建华．数字通信系统的SystemVie

仿真与分析．北京航空航天大学出版社，2001