PCM编码器设计

通信原理课程设计报告题目：PCM编译码器设计专业班级：13电信科技2班姓名：zmd学号：1307080714241指导教师：彭文娟【摘要】脉冲编码调制PCM是将模拟信号变换成二进制信号的最基本和最常用的编码方式，它不仅用于通信领域，还广泛应用于计算机、遥控遥测、数字仪表、广播电视等许多领域。利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，仿真实现一个PCM编码与解码系统。编码器实现输入模拟话音信号完成PCM技术的三个过程：采样、量化与编码，解码器实现还原原信号过程。然后根据运行结果和波形来分析该系统性能。关键词：MATLAB，Simulink仿真平台，PCM编译码器目录1概述..............................................................................................................................................11.1课程设计的目的................................................................................................................11.2课程设计的内容................................................................................................................11.3课程设计的要求................................................................................................................12设计原理.......................................................................................................................................22.1硬件框图...........................................................................................................................22.2脉冲编码调制PCM............................................................................................................22.2.1抽样.......................................................................................................................32.2.2量化.......................................................................................................................32.2.3编码.......................................................................................................................53基于Matlab软件仿真...............................................................................................................63.1模拟话音输入系统框图...................................................................................................63.1.1部分模块介绍.......................................................................................................63.1.2部分参数设置图...................................................................................................73.1.3仿真结果示意图..................................................................................................133.2数字信号话音输入系统框图.........................................................................................143.2.1数字信号参数：.................................................................................................143.2.2仿真结果：.........................................................................................................154性能分析.....................................................................................................................................165结束语.........................................................................................................................................1611概述1.1课程设计的目的脉冲编码调制PCM是模/数变换中最基本和最常用的编码方式，结合老师所教学的《通信原理教程》课程，培养我们的实际动手能力。通过这次通信原理课程设计，对PCM编码和译码的原理及其性能有更深的认识，并进一步的了解MATLAB软件的使用，也锻炼了我们在实际问题的解决中会更加的细心。利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,对该设计中涉及的编码器和译码器中使用到的模块进行调试、仿真和分析。1.2课程设计的内容仿真实现PCM编码器和译码器。利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM编码和译码系统。要使编码器实现输入模拟话音信号完成PCM技术的三个过程：采样、量化与编码，解码器实现还原原信号过程。然后根据运行结果和波形来分析该系统性能。1.3课程设计的要求1、学会并运用MATLAB集成软件下的Simulink仿真平台，构建硬件原理框图，掌握PCM的编码和译码的原理；2、掌握PCM编码的三个基本过程：抽样、量化、编码。将输入的模拟语音信号变换为数字信号，在数字通信系统中进行传输。并观察输出波形；3、掌握解码还原原信号过程，观察输出波形；3、根据运行结果和波形来分析该系统性能。22设计原理2.1硬件框图图2-1PCM系统原理框图2.2脉冲编码调制PCM脉冲编码调制PCM主要包括抽样、量化与编码3个过程。抽样是把连续时间的模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号；量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数字信号；编码是用二进制代码来表示量化后的抽样信号。图2.2.2模拟信号数字化过程话音输入低通滤波抽样量化编码话音输入信道低通滤波抽样量化编码32.2.1抽样模拟信号通常是在时间上连续的信号。在一系列离散点上，对这种信号抽取值称为抽样。理论上，抽样过程可以看做周期性单位冲激脉冲和此模拟信号相乘。抽样定理：若一个连续模拟信号)(ts的最高频率小于Hf，则以时间间隔为HfT2/1的周期性冲激脉冲对其抽样时，)(ts将被这些抽样值所完全确定。恢复原信号的条件是Hsff2,即抽样频率sf应不小于Hf2。这一最低抽样频率Hf2称为奈奎斯特抽样速率。与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特抽样间隔。2.2.2量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，由于均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号)(tm较小时，则信号量化噪声功率比也就很小。这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是u压缩律和A压缩律。A律具有如下特性：AXAAxy10,ln111,ln1ln1XAAAxy4由于A律压缩实现较复杂，常使用13折线法编码。它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图2-3示出了这种压扩特性。图2-313折线曲线下表是13折线法和A=87.6时的A律压缩法的比较表2-1i8765432108/1iy01/82/83/84/85/86/87/81A律x值01/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.98113折线法ix2/101/1281/641/321/161/81/41/21折线段号12345678折线斜率161684211/21/452.2.3编码编码是用二进制代码来表示量化后的抽样信号，编码的逆过程称为译码。理论上，任何一种从量化电平值到二进制码组的一一映射都可以作为一种编码。有不同的编码方法可以将量化电压编码。常用的编码有两种，即自然二进制码和折叠二进制码。由于折叠二进制码可以大大简化编码电路和编码过程，且误码对于小电压的影响较小，对小信号有利；另外，语音信号小电压的出现概率较大，所以采用折叠码有利于减小语音信号的平均量化噪声。在13折线法中，采用的折叠码有8位,分别为：第一位1c:表示量化值的极性正负。第二~四位（52~cc）：表示段落码，共计3位。可以表示8种斜率的段落；最后4位（85~cc）为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，最后7位码总共能表示2^7=128种量化值。表2-2和表2-3给出了段落码和段内码的编码规则。表2-2段落码的编码规则表2-3段内码的编码规则段落序号段落码432ccc81117110610151004011301020011000量化间隔段内码8765cccc151111141110131101121100111011101010910018100070111601105010140100300112001010001000006在上述编码中，虽然段内码是按量化间隔均匀编码的，但是因为各个段落的斜率不等，长度不等，故不同段落的量化间隔是不一样的。其中第1段和第2段最短，斜率最大，其横坐标x的归一化动态范围只有1/128；再将其等分为16小段后，每一小段的动态范围只有(1/