通信原理课程设计脉冲编码调制PCM .doc

塔里木大学信息工程学院课程设计1前言数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用，借助于MATLAB软件，可以直观、方便地进行计算和仿真。因此可以通过运行结果，分析系统特性。近年来，计算机多媒体教序手段的运用逐步普及，大量优秀的科学计算和系统仿真软件不断涌现，为我们实现计算机辅助教学和学生上机实验提供了很好的平台。通过对这些软件的分析和对比，我们选择MATLAB语言作为辅助教学工具，借助MATLAB强大的计算能力和图形表现能力，将通信原理中的概念、方法和相应的结果，以图形的形式直观地展现给我们，大大的方便我们迅速掌握和理解老师上课教的有关的知识。MATLAB 是MathWork 公司于1984 年推出的一套面向工程和科学运算的高性能软件。它具有强大的矩阵计算能力和良好的图形可视化功能，为用户提供了非常直观和简洁的程序开发环境，因此被称为第四代计算机语言，MATLAB 强大的图形处理功能及符号运算功能，为我们实现信号的可视化及系统分析提供了强有力的工具。MATLAB 强大的工具箱函数及系统仿真软件Simulink可以分析连续信号、连续系统，同样也可以分析离散信号、离散系统，并可以对信号进行各种分析域计算，如相加、相乘、移位、反折、傅里叶变换、拉氏变换、Z 变换等等多种计算。此次课程设计是在Matlab软件下对脉冲编码调制(PCM)系统及其三过程抽样、量化及编码进行了模型构建、系统设计、仿真演示以及结果分析。2工程概况脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号数字化的基本方法之一，它通过抽样、量化和编码，把一个时间连续。取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号，然后再信道中传输。其中PCM编码过程直接把量化包含在内了。差分编码调制（DPCM）是在PCM编码调制的基础上所采用的预测编码调制，在预测编码中每个抽样值不是独立的编码而是根据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值与预测值之差，将此值进行编码并传输。本次课程设计主要是对其三个过程进行仿真及编程分析。由于时间原因，我们就用九天完成该课程设计。3正文3.1设计的目的和意义作为通信工程专业的一名学生，通信原理课程无疑是我所必修专业课中的重点，对于我们将来所要从事的领域有着直接的作用，学好这门课是无可厚非的。然而，对于课堂上老师的讲解，最多只能做到了解，真正的理论知识显得枯燥而乏味，没有得到实用的理论等于一纸空文。在这次课程设计中，旨在让我们更深入的了解这门科目某些应用方面以及如何应用自己所学知识去做事情。同时，锻炼我们的动手能力，以及运用软件来实现通信系统中的的工作模式。这对于我们即将进入大三的学生是很好的历练，让我们学会发现问题，分析问题，解决问题。4. 1DPCM编码调制设计及其原理通过DPCM编码和BCH码对语音信号基带通信传输系统进行仿真。根据DPCM编解码和BCH编解码原理，运用DPCM Encoder等模块，对语音信号基带通信传输系统进行绘制，设置模块参数，然后运行，最后通过示波器得到相应的仿真波形。通过对仿真波形的观察，能够检验该系统功能是否正确实现。4.1.1 DPCM原理分析 输入一个正弦信号，对其进行DPCM编码后再进行BCH编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行BCH解码和DPCM解码以恢复原信号。观察传输前后波形变化。进行语音信号基带通信传输系统基于DPCM编码和BCH码的仿真，首先要对输入信号进行DPCM编码。DPCM编码是经过抽样、量化、编码等过程，将输入的模拟信号编程数字信号。DPCM编码是广泛运用的预测编码方法之一。在DPCM编码中，每个抽样值不是独立的编码，而是将前一个抽样值当做预测值，然后再取当前抽样值和预测值之差进行编码并传输。DPCM译码同样是将前一个值当做预测值，然后取当前值与预测值之差进行解码，将一个个脉冲码组转换成对应的量化采样值，最后经过一个低通滤波器重建原模拟信号。DPCM系统原理方框图如图4-1所示。抽样量化器编码器信道译码器延迟Ts延迟Ts图4-1DPCM系统原理方框图4.1.2BCH编码原理分析在进行完DCPM编码后，要利用BCH码进行纠错编解码。BCH码是一种获得广泛应用的能够纠正多个错码的循环码。BCH码是一类能够先确定纠错能力t，然后设计码长和生成多项式的码。对于任意的整数m和可达到的纠错数t，都可以构造出一个设计距离为的二元本原BCH码满足：BCH码的码长n与监督位、纠错个数t之间的关系如下：对于正整数m（m>3）和正整数t<m/2，必定存在一个码长为n=2m+1,监督位为n-k<=mt，能纠正所有不多余t个随机错误的BCH码。若码长n=2m+1/I (i>1，且除得尽(2m-1)，则为非本原BCH码。4.2 基于SIMULINK的DPCM编码BCH码传输系统仿真在模型建立界面中加入正弦信号后，双击正弦信号模块，可对正弦信号进行设置。在Frequency栏中填入正弦信号的频率，本次课程设计中用的是频率为2*pi的模拟正弦信号。进行完正弦信号模块参数的设置后，添加一个示波器模块观察正弦信号的仿真波形。模拟正弦信号仿真波形图如图4-2所示。 图4-2输入正弦信号的仿真波形图完成正弦信号的调用及观察后，接下来要对产生的模拟信号进行DPCM编码，调用一个DPCM Encoder，双击模块进行参数设置。DPCM模块的参数设置程序如一下程序段所示：>> t=0:0.1:10;x=sin(2*pi*t);>> help dpcmopt>> PREDICTOR,CODEBOOK,PARTITION = DPCMOPT(x,1,4)依据以上程序可得到DPCM Encoder的参数：PREDICTOR = 0 0.8172CODEBOOK = -0.5129 -0.1816 0.1816 0.5129PARTITION = -0.3473 0.0000 0.3473将计算所得的结果相应的填入DPCM Encoder模块参数设置对话框中，单击“OK”完成DPCM Encoder模块参数设置。运用示波器观察DPCM编码后仿真波形。DPCM编码模型图如图4-3所示。图4-3DPCM编码模型图DPCM编码仿真波形如图4-4所示。图4-4DPCM编码仿真波形图进行完模拟信号的DPCM编码后，就将模拟信号转化为了数字信号，此时的数字信号是以整数的形式表示的，在进行下一步的纠错编码前，要将信号从整数形式转化为比特形式，因此需要调用一个Integer to Bit Converter模块进行数码转化。双击模块进行参数设置，在弹出的对话框中填入每个整数所转换的比特数，单击“OK”完成设置。本次课程设计中我是将一个数转化为2 bit，故在参数设置对话框中应填入“2”。用示波器观察数码转换后仿真波形图。模拟信号DPCM编码数码转换模型图如图4-5所示。图4-5 数码转换模型图数码转换仿真波形图如图4-6所示。图4-6数码转换仿真波形图如图4-6所示，模拟信号经过DPCM编码、数码转换后的波形在示波器中是并行输出的，为了便于观察，我们需要进行串并转换，调用模块Frame Conversion、Buffer、Unbuffer，并在Buffer中设置输入的并联数据路数，单击“OK”完成设置。由于要多次运用串并转换，为了简化模型建立，我们可以将串并转换模型打包，作为一个模块使用。串并转换模块如图4-7所示。图4-7串并转换模块完成串并转换后用示波器观察结果。串并转换后模拟信号DPCM编码模型如图4-8所示。图4-8 串并转换后DCPM编码模型图串并转换后DPCM仿真波形如图4-9所示。图4-9串并转换后DPCM仿真波形图根据课程目的，完成模拟信号的DPCM编码后，要将编码后的信号调用通信模块库中的BCH Encoder模块再进行纠错编码。BCH编码需要调用Buffer、BCH Encoder及串并转换模块。本次课程设计中由于BCH Encoder采用默认参数，即N=15，K=5，故Buffer模块的参数应设置为5，模拟信号DPCM编码后进行BCH编码模型图如图4-10所示。图4-10BCH编码模型图BCH编码后仿真波形图如图4-11所示。图4-11 BCH编码仿真波形图至此发射部分处理完毕，通过设置scope通路参数可以将各个波形在一张图上显示对比。具体电路连接如图4-12，对应观察到的波形如图4-13。图4-12发射部分电路图4-13 发射部分电路仿真波形图完成BCH编码后，将编码后的信号通过二进制对称信道，并用示波器观察输出的仿真波形图。本次课程设计的码元干扰设为0。调制信号经过二进制对称信道后的仿真模型图如图4-14 所示。图4-14 调制信号通过二进制对称信道模型图调制信号通过二进制对称信道仿真波形如图4-15所示。图4-15 调制信号通过二进制对称信道仿真波形图完成DPCM编码、BCH编码后，就要进行相应的解码，并用低通滤波器还原出原始波形。首先进行的是BCH纠错解码。调用BCH Decoder模块，进行串并转换后用示波器观察仿真波形图。本次课程设计采用BCH Decoder的默认参数。BCH解码模型图如图4-16所示。图4-16BCH解码模型图接下来进行DPCM解码。因为DPCM解码只能针对数字信号而言，故先要将信号进行数码转换，将二进制码元转化为数字。因为必须要使码元的延时为数字转换为码元数值的整数倍，即为2的整数倍，故需在数码转换模块前加入一个数值为奇数的码元的延时模块。BCH解码后信号进行数码转换的模型图如图4-17所示。图4-17码数转换模型图码数转换后仿真波形如图4-18所示。图4-18 码数转换仿真波形图进行完信号的码数转换，即可调用DPCM Decoder模块对信号进行DPCM解码。使用DPCM模块首先要双击进行模块的参数设置。DPCM Decoder模快的参数设置与DPCM Encoder模块的参数设置应当一致。进行完参数设置后，可通过示波器观察DPCM解码后的仿真波形图。DPCM解码的模型如图4-19所示。图4-19DPCM解码模型图DPCM解码仿真波形如图4-20所示，此处对比解码前波形。图4-20DPCM解调仿真波形图最后还原出原始信号，需要通过一个低通滤波器。本课程设计选择的是巴特沃兹低通滤波器。在通信模块库中选择一个低通滤波器模块，双击设置模块参数，在Passband edge Frequency一栏中填入与输入正弦波信号相同的频率，单击“OK”完成设置。因为刚开始输入的模拟正弦信号的频率设定为2*pi，故巴特沃兹低通滤波器的频率也应当设置为2*pi。用示波器观察还原信号。通过低通滤波器模型如图4-21所示。图4-21通过低通滤波器模型图通过低通滤波器还原出来的信号如图4-22所示。图4-22通过低通滤波器还原出的信号仿真波形图最后调用一个Error Rate Calculation模块和一个Display观察纠错编码前后的误码率。双击Error Rate Calculation模块设置参数。因为前面已经求出码元延迟个数为7个，所以应当在Error Rate Calculation模块设置对话框中的Receive delay一栏中填入接收码元延时数目7，单击“OK”完成设置。检验误码率模型图如图4-23所示。图4-23 检验误码率模型图根据图4-23所示，接收码元的误码率为0 ，故表明正弦信号的DPCM调制解调、BCH调制解调正确，基带信号传输系统得以实现。容易理解，由于此课程设计设置信道无串扰，故传输前后误码率为0，若对二进制对称信道，即BSC模块中参数作相应修改，再次运行后，可发现误码率改变，假如设置误码概率为0.2（实际中应小于此数值），运行后可看到显示结果如图4-24所示。图4-24误码率显示4.3 结果分析正弦信号系带传输通信系统仿真结果如图4-25所示。图4-25正弦信号基带传输系统仿真结果从上图可以看出输入的模拟正弦信号经过DPCM编解码、BCH编解码后，通过一个巴特沃兹低通滤波器成功的还原出了正弦信号，说明该正弦信号基带通信传输系统是正确的，它的结果符合理论结论，故该系统的功能成功实现。我们再来考虑下本次课设中出现的问题及解决方法。在查阅了书籍以及相关资料的基础上，我基本上设计出了模拟正弦信号基带通信传输系统，并且在同学的帮助下设置好了所用模块的参数，但是还是在延时单元设置是出现了错误。在对比BCH编码前的仿真波形和BCH解码后的仿真波形，进行延时码元的计算时，一定要仔细观察，以免出错。在本次课程设计中，一开始我没注意到BCH编码前与解码后的时延问题，所以我没有加延时单元，结果在码数转换是我发现码数转换后的仿真波形图与数码转换前的波形图有很大的误差。后来经过仔细的观察，发现BCH编码前的仿真波形和BCH解码后的仿真波形相比实际上有7个码元的延时，不是2 的整数倍，故必须加一个延时模块延时一个码元，使总体延时变成2的整数倍，在进行码数转换时才不会出现错误。没有加入延时模块时出现的错误如图4-26所示。图4-26 没有加入延时单元的错误波形当加入一个码元单位的延时后，就得到了正确的结果。其正确结果如图4-38所示。图4-38加入延时单元后正确波形5 实验总结通过本次课程设计，让我更深入的了解了PCM脉冲编码调制原理以及DPCM编码、BCH编码及实现过程，使我对通信系统原理这门科目产生了很大的兴趣，从简单的软件仿真让我知晓了通信系统的整个框架结构，同时在更多的学习通信原理课程之外，我又一次的接触到了MATLAB仿真软件的强大功能，在我们这一专业中许多用到仿真的软件中算是全能型结构，集原理方框图以及编程于一体。相信我以后还有更多的机会与此软件近距离接触，从而从中获悉更多的宝贵知识财富，当然，在这次课程设计中，更重要的是让我学会了动手做事情的能力，以及从中获取更多快乐的方式。这次的课程设计相对以往来说，时间紧，任务重，在考试关头繁忙，自然做的不那么如意，一些波形的显示不尽理想，但能够按时的完成任务并从中得到尝试的勇气对我来说已经是足够的了。4实验补充说明5致谢第 17 页 共 17 页