pcm系统的性能分析毕业设计(编辑修改稿)

pcm系统的性能分析毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

rilog语言，在大学期间，我们接触最多的是 C 语言，所以利用 FPGA 分析时会面临最大的编程问题。 利用单片机进行测试时，系统的可行性较好，成本低，但在实验过程中的精度不高，而且在利用单片机进行实验时，需要给单片机下载很正确的程序，相比较利用软件搭建来说， 太过麻烦而且最后的结果比较不时很直观。 Simulink 用其可以建立动态的系统模型并进行仿真，以直观的方式建模比较，分层次的表达复杂系统，不受软件本身的影响。 而且 Simulink 的示波器可以动画和图像显示数据，运行中可调整模S3 SL5 SRB SRA 4690KHz晶振 分频器1 分频器 2 帧同步信号产生器 正弦信 号源 A 抽样信号 产生信号 PCM 编码器 A PCM 编码器 B 复接器 正弦信 号源 B S1 S2 SL7 SL3 SL0 SLB STA SRB SRA 2048KHz CLK S1S2S3S4 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 40 页 型参数进行 Whatif 分析，能够在仿真运算进行时监视动态仿真结果。 这种交互式的特征可以帮助我们快速的评估不同的算法，进行参数优化。 基于上述三种方案的优缺点及自己在大学过程中对各种软件的熟悉程度，我最终选择了第二种方案，利用 Simulink 来做。 软件介绍 MATLAB 简介 MATLAB 是一种具有强大的计算、仿真、绘图等功能的解释性执行语言。 由于它使用简单，扩充方便，特别是世界上有成千上万不同领域的科研工作者在自己的科研过程中不停的扩充 MATLAB的功能，使它成为了巨大的知识宝库。 目前的 MATLAB 版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像 VB 等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。 另外， MATLAB 和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了 MATLAB 的应用潜力。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 来解算问题要比用 FORTRAN， C 等语言完成相同的事情简便的多，并且 Mathworks 也吸收了像 Maple 等软件的优点，使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。 在新的版本中也加入了对C++ 、 FORTRAN、 C、 JAVA 的支持。 不仅可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进 行下载使用。 MATLAB 有着强大的功能且应用范围非常广，可以用来进行多种工作，具体如下： 数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。 MATLAB 被称为第四代计算机语言，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。 MATLAB 的最突出的特点就是简洁。 MATLAB 用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了 C 和 FORTRAN 语言的冗长代码。 MATLAB 给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发 环境 ]7[。 Simulink 介绍 Simulink 工具是 MATLAB 软件提供的可以实现动态系统建模和仿真的软件包， Matlab 重点运用在控制设计、工程的计算、金融建模分析和设计、检测信号、处理图像、信号通讯和处理等方面。 而 simulink 提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。 在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统，它让用户把精力从语言编程转向仿真模型的构造，为用户省去了很多重复的代码编写工作。 Simulink 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、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用与控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink 的功能和特点如下： Simulink 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的 采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。 为了创建动态系统模型， Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（ GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。 对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理等系统， Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库对其进行设计、仿真、执行和 测试。 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 40 页 构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 Simulink 的特点： • 丰富的可扩充的预定义模块库。 • 提供 API 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 • 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 • 通过 Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 • 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。 • 使用 Embedded MATLAB 模块在 Simulink 和嵌入式系统执行中调用 MATLAB 算法。 • 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式 (Normal， Accelerator， Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译 C 代码的形式来运行模型。 • 交互式的图形编辑器来组合和管理 直观的模块图。 • 可访问 MATLAB 从而对结果进行分析与可视化，定义信号参数，定制建模环境和测试数据。 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 40 页 2 PCM 基本原理 脉冲编码调制（ PCM）简称脉码调制，它是用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值来实现通信的一种方式。 由于这种通信方式抗干扰能力强，易于加密等，因此在光钎通信、卫星通信、数字微波通信中均获得了极为广泛的运用。 PCM 信号的形成是将模拟信号经过 “ 抽样、量化、编码 ”三个步骤来实现的。 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 μ律方式，我国和欧洲各国均采用了 A 律方式，由于 A 律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码。 PCM 系统原理方框图如图 所示。 在编码器（图 （ a））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，通常用保持电路将其作短暂保存，以便电路有时间对其进行量化。 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。 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 （ b）中译码器的原理和编码过程相反。 （ a）编码器 （ b）译码器 图 PCM 原理方框图 抽样 抽样就是不断地以某个固定的时间间隔采集模拟信号的瞬时值。 图 是一个抽样概念的示意图 ]1[ ，假设某个模拟信号 f(t)通过一个开关，则开关的输出则与开关的状态有关，当开关处于闭合状态的时候，开关的输出就是输入，即 y(t)=f(t)；若开关处在断开位置，输出 y(t)就为零。 可见，如果让开关受一个窄脉冲串（序列）的控制，则脉冲出现时开关闭合，则脉冲消失时开关断开，此输出 y(t)就是一个幅值变化的脉冲串（序列），每个脉冲的幅值就是该脉冲出现时刻输入信号 f(t)的瞬时值，因此， y(t)就是对 f(t)抽样后的信号或称样值信号。 图 抽样概念示意图 抽样保持 量化器 编码器 译码器 低通滤波器 模拟 信号 输入 PCM 信号 输入 PCM 信号输出 模拟信号 输出 冲击脉冲 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 40 页 取样是应注意以下几点： • 为了保证在接受端能满意的恢复出信息，取样速率必须大于最高频率的两倍； • 取样矩形脉冲要尽量窄，尽可能接近瞬时取样过程； • 为了使输出的信息成为合格的信息限带信号，在取样以前，应经过一个 上限为 W 的低通滤波器，以便 m(t)中无所包含的高于 W 的那些谐波成分。 量化 量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。 如图 所示量化器 Q 输出 L 个量化值， k=1， 2， 3， … ， L。 常称为重建电平或量化电平。 量化过程可以用式（ ）表达为： LkxQxQy yxx kkk ,...,3,2,1,}{)( 1   （ ） 这里称为分层电平或判决阈值。 通常 kkk xx  1 称为量化间隔。 图 模拟信号的量化 量化后的抽样信号于量化前的抽样信号相比较，当然不再是模拟信号，且有所失真。 这种失真在接收端还原模拟信号是表现为噪声，称为量化噪声。 量化噪声的大小取决于把样值分级 ―取整 ‖的方式，分的级数越多，即量化极差或间隔越小，量化噪声也越小。 模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。 由于均匀量化存在的主要缺点是：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，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样的话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，对 于弱信号时，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。 非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。 对于信号取值大的区间，其量化间隔也大；反之，量化间隔就小。 它与均匀量化相比，有两个突出的优点： • 当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比； • 非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。 因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比 ]10[。 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压缩律和 A 压缩律。 美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用 A 压缩律，因此， PCM 编码方式采用的也是 A 压缩律。 所谓 A 压缩律也就是压缩器具有如式（ ）和式（ ）特性的压缩律 ]12[ ： AxAAxy 10,ln1  （ ） 11,ln1 ln1  xAAAxy （ ） y x 量化器 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 40 页 A 律压扩特性是连续曲线， A 值不同压扩特性自然也就不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。 在实际中，往往采用近似于 A 律函数规律的 13 折线（ A=）的压扩特性。 这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用电路实现。 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 示出了这种压扩特性曲线。 表 列出了 13 折线时的 x 值与计算 x 值的比较 ]9[。 图 A 律函数 13 折线 表 13 折线时的 x 值与计算 x 值的比较 y 0 81 82 83 84 85 86 87 1 x 0 1281 1 按折线 分段时的 x 0 1281 641 321 161 81 41 21 1 段落 1 2 3 4。