基于matlab的pcm脉冲编码调制仿真--课程设计报告

基于matlab的pcm脉冲编码调制仿真--课程设计报告内容摘要：

字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。 对数字信号调制的方式有很多种，基本的调制方式有振幅键控（ ASK）、频移键控 (FSK)、绝对相移键控 (PSK)、差分相移键控（ DPSK）等 ,本课程设计中则采用的是振幅键控（ ASK）。 数字解调：在接收端可以采用相干解调或者非相干解调还原数字基带信号。 PCM 脉冲编码的原理 若信源输出的是模拟信号，如电话机传送的话音信号，模拟摄象机输出的图像信号等，要使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行 A/D 变换，在接收端则要进行 D/A。 对语音信号最典型的数字编码就是脉冲编码调制 (PCM)。 所谓脉冲编码调制 :就是将模拟信号的抽样量化值转换成二进制码组的过程。 下图给出了脉冲编码调制的一个示意图。 通信原理课程 设计 第 6 页 共 33 页 图 脉冲编码 调制示意图 假设模拟信号 m(t)的求值范围为 [4V,+4V],将其抽样值按 8个量化级进行均匀量化，其量化间隔为 1s，因此各个量化区间的端点依次为 0、 4V， 8 个量化级的电平分别为 、 、 、 、 、 、 和。 PCM 系统的原理方框图如图 所示。 图中，输入的模拟信号 m(t)经抽样、量化、编码后变换成数字信号，经信道传送到接收端的译码器，由译码器还原出抽样值，再经低通滤波器滤出模拟信号 m^(t)。 其中，量化与编码的组合通常称为 A/D 变换器。 而译码与低通滤波的组合称为 D/A 变换。 图 PCM 通信系统方框图 PCM 系统的原理框图， 本次课程设计应用 Matlab 进行仿真，仿真基本框图如图 所示。 PCM 主要优点是：抗干扰能力强；传输性能稳定，远距离信号再生中继时噪声不累积，且可以使用压缩编码和纠错编码和保密编码等来提高系统有效性、可靠性、保密性。 MATLAB 简介 MATLAB 软件简介 ： MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并称为三大数学软件。 它在数学类科技应用软件中 在数值计算方面首屈一指。 MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 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 C， FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多， 并且 mathwork 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。 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 通信原理课程 设计 第 7 页 共 33 页 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就可以用。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和 测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。 附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。 其具有以下特点：友好的工作平台和编程环境；简单易用的程序语言；强大的科学计算机数 据处理能力；出色的图形处理功能；应用广泛的模块集合工 具箱；实用的程序接口和发布平台；应用软件开发（包括用户界面）。 MATLAB 程序设计方法 ： MATLAB 有两种工作方式：一种是交互式的命令行工作方式；另一种是 M 文件的程 序工作方式。 在前一种工作方式下， MATLAB 被当做一种高级数学演算纸和图形表现器来 使用， MATLAB 提供了一套完整的而易于使用的编程语言，为用户提供了二次开发的工具，下面主要介绍 MATLAB 控制语句和程序设计的基本方法。 用 MATLAB 语言编写的程序，称为 M 文件。 M 文件有两类：命令文件和函数文件。 两者区别在于： 命令文件没有输入参数，也不返回输出参数；而函数文件可以输入参数，也可以返回输出参数。 命令文件对 MATLAB 工作空间的变量进行操作，而且函数文件中 定义的变量为局部变量，当函数文件执行完毕时，这些变量被清除。 M 文件可以使用任何 编辑程序建立和编辑，而一般常用的是使用 MATLAB 提供的 M 文件窗口。 首先从 MATLAB 命令窗口的 File 菜单中选择 New 菜单项，在选择 Mfile 命令，将得 到的 M 文件窗口。 在 M 文件窗口输入 M 文件的内容，输入完毕后，选择此窗口 File 菜 单 的 save as 命令，将会得到 save as 对话框。 在对话框的 File 框中输入文件名，再选择 OK 按钮即完成新的 M 文件的建立。 然后在从 MATLAB 命令窗口的 File 菜单中选择 Open 对话框，则屏幕出现 Open 对 话框，在 Open 对话框中的 File Name 框中输入文件名，或从右边的 directories 框中打开这 个 M 文件。 在 M 文件所在的目录，再从 File Name 下面的列表框中选中这个文件，然后 按 OK 按钮即打开这个 M 文件。 在 M 文件窗口可以对打开的 M 文件进行编辑修改。 在编 辑完成后，选择 File 菜单中的 Save 命令可以把这个编辑过的 M 文件报存下来。 当用户要运行的命令较多或需要反复运行多条命令时，直接从键盘逐渐输入命令显得 比较麻烦，而命令文件则可以较好地解决这一问题。 我们可以将需要运行的命令编辑到一个命令文件中，通信原理课程 设计 第 8 页 共 33 页 然后再 MATLAB 命令窗口输入该命令文件的名字，就会顺序执行命令文 件中的命令。 通信原理课程 设计 第 9 页 共 33 页 3. PCM 的 MATLAB 实现 原始信号的抽样 源代码详见附录 function sample() 这句为原始信号的抽样 t0=10。 这句为定义时间长度 ts=。 fs=1/ts。 t=[t0/2:ts:t0/2]。 这句为定义时间序列 df=。 这句为定义频率分辨率 x=sin(200*t)。 m=x./(200*t+eps)。 w=t0/(2*ts)+1。 这句为确定 t=0 的点 m(w)=1。 这句为修正 t=0 点的信号值 [M,mn,dfy]=fft_seq(m,ts,df)。 这句为引用傅立叶变换函数 f=[0:dfy:dfy*length(mn)dfy]fs/2。 这句为定义频率序列 figure(1) subplot(2,1,1)。 plot(t,m)。 这句为最后输出波形 t0=10。 信号持续的时间 ts1=。 满足抽样条件的抽样间隔 fs1=1/ts1。 t1=[t0/2:ts1:t0/2]。 定义满足抽样条件的时间序列 x1=sin(200*t1)。 m1=x1./(200*t1+eps)。 w1=t0/(2*ts1)+1。 m1(w1)=1。 修正 t=0 时的信号值 m1=m1.*m1。 定义信号 [M1,mn1,df1]=fft_seq(m1,ts1,df)。 对满抽样条件的信号进行傅 立叶变换 subplot(2,1,1)。 plot(t1,m1,39。 bo39。 )。 通信原理课程 设计 第 10 页 共 33 页 原程序经过删减最后得到的结果为： 图 抽样 正常仿真图 图 为表达式为 fh=200/2piHz 的的频域图和频谱图 通信原理课程 设计 第 11 页 共 33 页 图 抽样 失真仿真图 图 为频率为 fs=100Hz 的抽样失真的频域图和频谱图 图 原始 信号 仿真图 分析：只有当抽样频率满足抽样定理时，信号频谱才能保持不失真，确保能完美恢复原始信号。 在编程时，老师指正输出的图形格式不对，最后改正成功，对比如下： 通信原理课程 设计 第 12 页 共 33 页 图 问题对比图 因为输出 的 是 序 列类型的不好观察，然后修改了程序得到了 新 的连续的 波形。 plot(t2,m2,39。 bo39。 )。 %stem(t2,m2)。 解决方法：输出波形类型改变，再改一下线的类型 PCM 均匀量化 源代码详见附录 function average() PCM 均匀量化 t=[0::4*pi]。 y=sin(t)。 w=jylh(y,1,64)。 定义函数 subplot(2,1,1)。 图形分布 2 行 1 列第一个 plot(t,y)。 输出 xlabel(39。 时间 39。 )。 这句为定义 X 轴 ylabel(39。 幅度 39。 )。 这句为定义 Y 轴 axis([0,4*pi,])。 title(39。 原始信号 39。 )。 输出命名 通信原理课程 设计 第 13 页 共 33 页 仿真结果： 图 原始信号及量化后信号仿真图 分析：均匀量化输出波形图清晰地显示处均匀量化的特征，每个量阶都是均匀分布的，每个间隔都是相等的。 由于量化级数是 64，所以从图中看到的结果不是那么明显，和输入波形相比几乎没什么变化。 PCM 非均匀量化 源代码详见附录 function a_quantize() PCM 非均匀量化 t=0::。 定义时间间隔及抽样时间 y=sin(8000*pi*t)。 定义函数 subplot(2,1,1) 定义图形位置 plot(t,y) 输出波形 axis([0 ]) 定义 x， y 轴属性 xlabel(39。 时间 39。 ) ylabel(39。 幅度 39。 ) 通信原理课程 设计 第 14 页 共 33 页 title(39。 原始信号 39。 ) 仿真结果： 图 原始信号及压缩后信号仿真图 分析：由图可见，输出的信号与原始信号有明显的差别，这是因为非均匀量化间隔是变化的。 A 律 13 折线 压缩 源代码详见附录 function a_13code() A 律 13 折线 压缩 t=0::。 定义时间间隔及抽样次数 y=sin(8000*pi*t) 定义函数 z=line13(y) 引用函数 c=pcmcode(z) function y=line13(x) x=x/max(x)。 z=sign(x)。 x=abs(x)。 13 折线函数引用定义 通信原理课程 设计 第 15 页 共 33 页 仿真结果： 图 A 律压缩后矩阵 非均匀量化 PCM编码 流程图： 图 非均匀量化流程图 通信原理课程 设计 第 16 页 共 33 页 源代码 详见附录 仿真结果： 图 非均匀量化仿真结果 分析：输入十进制数 1588，输出八位二进制码组为 1110 1000，它表示的该量化值位于第七段落的量化间隔八中间。 非均匀量化 PCM 译码 流程图： 图 译码流程图 原程序详见附录，仿真结果如下： 图 译码仿真结 果 分析：输出量化值为 1568，所以量化误差为 15881568=10。 通信原理课程 设计 第 17 页 共 33 页 仿真分析系统误码律 原程序详见附录，仿真结果如下： 图 误码率仿真图 系统误码率仿真图：从仿真图 可以看出，信噪比越大，误码率越低，与理论相符。 还可以直观的看出误码率在有信道编码的情况下明显低于无信道编码的情况，尤其是当信噪比 dB5 时，有信道编码的系统的误码率几乎为 0，其传输可靠性远好于无信道编码的情况； 程序中，用 t=0::。 两种信道编码方式在此传输系统中，性能相当。 由图可以得知通过信道编码可以增加通信系统的可靠性。 通信原理课程 设计 第 18 页 共 33 页 4. 系统 性能分析 PCM 通信系统的性能指标 误码率：错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例，误码率是码元在传输系统中被传错的概率。 误信率：指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的。