通原课设-模拟信号数字化系统的仿真

课程设计 班 级： 电信09-1 姓 名： 马小龙 学 号： 1006110213 指导教师： 杨会玉 成 绩：

数字 原理

课程设计报告

电子与信息工程学院

通信工程系

模拟信号数字化系统的仿真

——PCM编、译码器原理仿真

摘要

简要介绍模拟信号数字化的处理步骤，即抽样、量化、编码，以及PCM编码的压缩和扩张的基本原理。用MATLAB工具软件对PCM编码进行进行软件仿真，并对仿真进行分析比较。

关键词：PCM编、译码，MATLAB仿真

目录

1 PCM介绍及工作原理 ...................................................................................................................................... 1 1.1 抽样 ............................................................................................................................................................ 1 1.2 量化 ............................................................................................................................................................ 1 1.3 编码 ............................................................................................................................................................ 3 1.4 PCM原理框图 ........................................................................................................................................... 5 2 用simulink对PCM进行设计仿真 ................................................................................................................. 6 2.1 设计PCM编译码器系统结构由图3-1 ................................................................................................... 6 2.2 对其部分元件进行参数修改 .................................................................................................................... 7 2.3 输入模拟信号并进行仿真输出波形 ........................................................................................................ 9

2.3.1 原信号波形 ......................................................................................................................................... 9 2.3.2 编码后输出波形 ............................................................................................................................... 10 2.3.3 译码后输出波形 ............................................................................................................................... 10 2.3.4 各部分输出波形比较 ....................................................................................................................... 11 3 PCM编译码器的应用 .................................................................................................................................... 12 4 结束语 ............................................................................................................................................................. 12

1 PCM介绍及工作原理

PCM即脉冲编码调制（Pulse Code Modulation）。通信系统的信息源有两大类：模拟信号和数字信号。若输入的是模拟信号，则在数字通信系统的信源编码部分需对输入模拟信号进行数字化，将模拟输入信号变为数字信号。PCM的实现包括三步：抽样，量化，编码。

1.1 抽样

抽样是按照等时间等间隔进行的，模拟信号被抽样后成为抽样信号，它在时间上是离散的，但是其取值仍然是连续的，所以是离散模拟信号。

1.2 量化

量化的结果使抽样信号变成量化信号，其取值是离散的。故量化信号已经是数字信号了，他可以看成是多进制数字脉冲信号。

设模拟信号的抽样值为m(kT)，其中T是抽样周期，k是整数。此抽样值仍是一个取值连续的变量，即他可以有无数个可能的连续取值。若我们仅用N个二进制数字码元来代

N表此抽样值的大小，则N个二进制码元只能代表M2个不同的抽样值。因此，必须将

抽样的范围划分成M个区间，每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，称它们为量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样值的方法成为量化。m(kT)表示模拟信号抽样值，

mq(kT)表示量化后的量化信号值，q1，q2，...，qi，...,q6是量化后信号的6

为量化区间端点。这样，我们可以写出一般公式：

（1-1）

个可能输出电平，

m1,m2,...mi,...m5mq(kT)qi,当mi-1m（kT）mi按照式2-1作变换，就把模拟抽样信号m（k T）变换成了量化后的离散抽样信号，即量化信号。

在原理上，量化过程可以认为是在一个量化器中完成的。量化器的输入信号为m（kT），输出信号为

mq(kT)，，如图1-2所示。在实际中，量化过程常是和后续的编码过

程结合到一起完成的，不一定存在独立的量化器。

1

m(kT) m(kT) 量化器 q

图 1-2

量化分为均匀量化和非均匀量化。当M个抽样区间是等间隔划分的，称为均匀量化。也可以不均匀划分，称为非均匀量化。

非均匀量化时，量化间隔是随信号抽样值的不同而变化的，在通信系统中为了提高传输的效率，常要将PCM信号进行压缩编码，再在通信系统中传输。关于电话信号的压缩特性，ITU制定的两种建议，即A压缩律和μ压缩律，以及相应的近似算法—13折线法和15折线法。北美、日本和韩国等少数国家和地区采用μ压缩律及15折线法，我国大陆，欧洲各国以及国际互连时采用A压缩律，因此PCM也是采用A压缩律。

A压缩律是指符合下式的对数压缩规律:

y

Ax0xA1lnA

1lnAx1x11lnAA （1-3）

y

A律表示式是一条平滑曲线，用电子线路很难准确地实现。现在由于数字电路技术的发展，这种特性很容易用数字电路来近似实现。13折线就是就是近似于A压缩律的特性。在图1-4中给出了这种特性曲线。

2

图 1-4

1.3 编码

量化后的信号，已经是取值离散的数字信号。接下来就是将这个数字信号编码。对于电话信号编码，有自然二进制编码和折叠二进制码。13折叠法中采用的折叠码有8位。其中第一位c1表示量化值的极性正负。后面的7位为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。其中第2位至4位是段落码，共计三位，可以表示8种斜率的段落；其他四位为段内码，可以表示每一段内的16种量化电平。段内码的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总能表示2=128种量化值。在表1-5、1-6中给出了段落码和段内码的编码规则。

7 3

表1-5段落码

表 1-6 段内码

在上述编码方法中，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同的。其中第1段和2段最短，斜率最大，

1其横坐标x的归一化动态范围只有128。再将其等分为16小段后，每一段的动态范围只1(1)(1112816)2048有.这就是最小的量化间隔，后面将此最小量化间隔2048称为112个量化单位。第八段最长，其横坐标x的动态范围为。将其16等分后，每段长度为32。

1 4

假若采用均匀量化而仍希望对于小电压保持有同样的动态范围2048，则需要用11位的码组才行。现在采用非均匀量化，只需7位就够了。由于目前在电话网中采用这类非均匀量化的PCM体制，故这类PCM电路已经作成了单片IC，并得到广泛使用。

典型电话信号的抽样频率是8000Hz，故在采用这类非均匀量化器编码时，典型的数1字电话传输比特率为64kbs。这个速率被ITU制定的建议所采用。

1.4 PCM原理框图

模拟信号 输出 输入

抽样保持 低通滤波 量化器 编码器 冲激脉冲 干扰 信道 模拟信号输出 低通滤波 译码器 PCM信号输入

图1-7

5

2 用simulink对PCM进行设计仿真

2.1 设计PCM编译码器系统结构由图3-1

图2-1

6

对其部分元件进行参数修改

图2-2 7

2.2

图 2-3 8

2.3 输入模拟信号并进行仿真输出波形

2.3.1 原信号波形

图2-4

9

2.3.2 编码后输出波形

图2-5

2.3.3 译码后输出波形

图2-6

10

2.3.4 各部分输出波形比较

图2-7

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3 PCM编译码器的应用

日前，PCM编译码的应用非常广泛，不仅应用在通信领域，还广泛的应用于计算机、遥控遥测，数字仪表，广播电视等许多领域。

4 结束语

此次课程设计是我第一次独立去设计专业课程中的题目，也是首次使用matlab仿真软件，通过查阅相关书籍与网络查询次了解了软件的一些基本使用。仿真电路设计是来自于教材中的第九章，在首次连接电路时我将量化器与编码器位置摆放错误，但是通过调整后示波器输出的波形确是相同的，在网络上搜索了很长一段时后也没有找到原因。在第一次仿真时由于没有修改元件的参数，导致出波形后波形失真，译码后，不能很好的恢复原信号。通过多次改变元件参数得到相应的变化波形。

通过这次设计，将所学到的理论知识加以应用，并且真正的将所学到的知识学以致用，同时也加深了对理论知识的理解与记忆。遗憾的是通过几天的尝试我也没有利用MATLAB软件完成PCM编码仿真的编程（m文件）。

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参考文献

【1】通信原理.樊昌信.曹丽娜编著.国防工业出版社.2010

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