PCM课程设计.docx
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PCM课程设计
目录
1课程设计目的…………………………………………………………2
2课程设计要求…………………………………………………………2
3相关知识………………………………………………………………2
4模块设计与仿真图形分析……………………………………………7
5仿真……………………………………………………………………12
6结果分析………………………………………………………………15
7参考文献………………………………………………………………15
1.1课程设计的目的:
本次课程设计是根据“通信工程专业培养计划”要求而制定的。
通信系统的计算机仿真设计课程设计是通信工程专业的学生在学完通信工程专业基础课、通信工程专业主干课及科学计算与仿真专业课后进行的综合性课程设计。
其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际,在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题,巩固和扩大所学知识面,为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。
2.1课程设计要求:
1.用Simulink对系统建模并搭建一个Pcm编译码器。
2.输入模拟话音信号观察其输出波形。
3.再输入数字波形观察一码波形
4.对所设计的系统进行仿真分析。
5.对其应用阐述举例。
3相关知识
3.1PCM简介
现在的数字传输系统都是采用脉码调制(PulseCodeModulation)体制。
PCM最初并非传输计算机数据用的,而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。
PCM有两个标准即E1和T1。
我国采用的是欧洲的E1标准。
T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。
PCM:
相变存储器(Phase-changememory,PCM)是由IBM公司的研究机构所开发的一种新型存储芯片,将有望来替代如今的闪存Flash和硬盘驱动器HDD。
PCM在光纤通信系统中,光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码,它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。
而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的,称为PCM(pulsecodemodulation),即脉冲编码调制。
这种电的数字信号称为数字基带信号,由PCM电端机产生。
PCM可以向用户提供多种业务,既可以提供从2M到155M速率的数字数据专线业务,也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。
特别适用于对数据传输速率要求较高,需要更高带宽的用户使用。
PCM线路的特点:
•PCM线路可以提供很高的带宽,满足用户的大数据量的传输。
•支持从2M开始的各种速率,最高可达155M的速率。
•通过SDH设备进行网络传输,线路协议简单。
与传统的DDN技术相比,PCM具有以下特点:
•线路使用费用相对便宜。
•能够提供较大的带宽。
•接口丰富便于用户连接内部网络。
•可以承载更多的数据传输业务。
PCM(动力控制模块):
汽车电控部分,电控单元的动力控制模块,有存储器、输入、输出。
3.2PCM原理
所谓脉冲编码调制,就是将模拟信号抽样量化,然后将已量化值变换成代码。
下面将用一个PCM系统的原理框图简要介绍。
原理框图如图2-1所示。
图3-1PCM原理方框图
在编码器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,通常由保持电路(holdingcircuit)将其作短暂保存,以便电路有时间对其量化。
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。
图中的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。
图中的译码器的原理和编码过程相反。
其中,量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D变换器);译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。
抽样是对模拟信号进行周期性的扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息,即能无失真地恢复出原模拟信号,抽样速率的下限由抽样定理确定。
量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散,即指定Q规定的电平,把抽样值用最接近的电平表示。
编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值。
实际上量化是在编码过程中同时完成的。
图1是PCM单路抽样、量化、编码波形图。
μ律与A律压缩特性
μ律:
A律:
式中,x为归一化输入,y为归一化输出,A、μ为压缩系数。
数字压扩技术:
一种通过大量的数字电路形成若干段折线,并用这些折线来近似A律或μ律压扩特性,从而达到压扩目的方法。
即对数压扩特性的折线近似法。
折线压扩特性:
既不同于均匀量化的直线,又不同于对数压扩特性的光滑曲线。
总的来说用折线作压扩特性是非均匀量化的,但它既有非均匀量化(不同折线有不同斜率),又有均匀量化(在同一折线的小范围内)。
两种常用数字压扩技术:
(1)A律13折线压扩——13折线近似逼近A=87.6的A律压扩特性;
(2)μ律15折线压扩——15折线近似逼近μ=255的μ律压扩特性。
采用折线压扩的特点:
基本上保持了连续压扩特性曲线的优点,又便于数字电路的实现
实际中A律常采用13折线近似如图2-2所示
图3-2A律13折线
其具体分法如下:
先将X轴的区间[0,1]一分为二,其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段;
区间[0,1/2]再一分为二,其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段;
区间[0,1/4]再一分为二,其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段;
区间[0,1/8]一分为二,中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段;
区间[0,1/16]一分为二,中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段;
区间[0,1/32]一分为二,中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段;
区间[0,1/64]一分为二,中点为1/128,区间[1/128,1/64]作为第二段;
区间[0,1/128]作为第一段。
然后将Y轴的[0,1]区间均匀地分成八段,从第一段到第八段
分别为[0,1/8],(1/8,2/8],(2/8,3/8],(3/8,4/8],(4/8,5/8],(5/8,6/8],
(6/8,7/8],(7/8,1]。
分别与X轴对应。
编码的码字和码型:
目前国际上普遍采用8位非线性编码。
例如PCM30/32路终端机中最大输入信号幅度对应4096个量化单位(最小的量化间隔称为一个量化单位),在4096单位的输入幅度范围内,被分成256个量化级,因此须用8位码表示每一个量化级。
用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如表2-1所示:
表3-18位非线性编码的码组结构
极性码
段落码
段内码
M1
M2M3M4
M5M6M7M8
其中,第1位码M1的数值“1”或“0”分别代表信号的正、负极性,称为极性码。
从折叠二进制码的规律可知,对于两个极性不同,但绝对值相同的样值脉冲,用折叠码表示时,除极性码M1不同外,其余几位码是完全一样的。
因此在编码过程中,只要将样值脉冲的极性判出后,编码器便是以样值脉冲的绝对值进行量化和输出码组的。
这样只要考虑13折线中对应于正输入信号的8段折线就行了。
这8段折线共包含128个量化级,正好用剩下的7位码(M2,…,M8)就能表示出来。
4模块设计与仿真图形分析
4.1PCM编码器电路设计
图4-113折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果
测试模型和仿真结果如图3-4所示。
其中以constant作为数字信号源,产生一个恒定的数字脉冲信号;Gain1作为一个线性变换器将输入的绝对值不大于2048的数据变换为{-1,1}的区间之内,保证输入的信号满足A律压缩器的要求;saturation限幅器使得绝对值大于2048的数值经过限幅器后输出依然为一;Abs取绝对值;以A-LawCompressor作压缩器,进行A律压缩。
Relay模块的门限值为0,其输出即可作为PCM编码输出的最高位——极性码;Gain用做增益模块将样值放大到0-127,这样输出7位码;Quantizer对放大的数据进行间隔为1的量化,并进行进行四舍五入取整;IntertoBitConverter将量化后的整数编码为7位二进制序列,作为PCM编码的低7位;Display输出编码后的八位序列。
测试结果如表:
输入原码
理论编码
输出编码
误差值
0
00000000
00000000
0
-1
00000001
00000001
0
12
10001100
10001100
0
100
10111001
10111001
0
1070
11110000
11110000
0
1500
11110111
11111000
1
1800
11111100
11111100
0
2048
11111111
11111111
0
5000
11111111
11111111
输入错误,不存在误差
-5000
01111111
01111111
输入错误,不存在误差
说明:
此编码模型在{-2048,2048}内基本工作正常;当输入数据的绝对值大于2048时由于输入端加了一个幅值为一的限幅器,使得绝对值大于2048的信号在量化器的输入端的值依然为一,即量化结果为11111111。
当输入的数据比较大的时候开始出现了编码误差(此误差值不是与真实值的差距,而是与理论编码的差距,A律压缩本身就存在着编码)。
由此说明此编码模型基本正确。
其中各模块的具体参数设置如下:
图4-2A-LawCompressor
图4-3Abs
图4-4Relay
图4-5Gain
图4-6Quatizer
图4-7封装后的PCM编码子系统
(加上限幅器主要考虑到了系统的不出错运行,但也导致了输出结果时会造成错误)
图4-8封装之后的PCM编码子系统图标
5.仿真
5.1无干扰信号的PCM编码与解码(模拟话音信号)
测试模型和仿真结果如图5-1所示,其中PCM编码与解码子系统已经封装好了。
经过编码与解码之后,然后通过低通滤波器,最后在示波器Scope上得出输出波形,示波器上还显示了原信号,以便与输出信号进行比较。
在编码器之后通过Display和Scope1显示出PCM数字信号,注意:
在通过示波器前需经过ToFrame和Buffer,其中ToFrame是用来形成帧信号,Buffer是缓冲器;Display没有特别的用处,就是显示出编码值的不断跳动与精确的显示出编码结果。
示波器显示结果如下:
图5-1Scope
图5-2Scope1
说明在输入正弦波的情况下,系统经过了正确的解码波形,编码后得到了正确的解码波形。
5.2PCM通信系统仿真图和结果分析
对PCM通信系统进行仿真,得到抽样信号时域图及频谱图,三种情况下的误码率-信噪比曲线图,2ASK的星座图。
5.2-1PCM通信系统的仿真图
5-3抽样信号时域图及频谱图
5-4误码率-信噪比曲线图
5-52ASK的星座图
5.2-2结果分析
从图二中可以得出在其他条件相同时同一信道编码条件下不同信噪比时所得的误码率不一样,且信噪比越高所得到的误码率越小,;在同一信噪比条件下不同的信道编码所得到的误码率也不一样,其中汉明编码对应的误码率最小,循环编码的误码率次之,无信道编码时对应的误码率最大,从表一中可以清楚的得出如上结论,表一如下:
信道编码方式
信噪比(db)
()
-20
-15
-10
-5
0
无信道编码
0.4856
0.4872
0.4644
0.4425
0.4188
循环编码
0.4512
0.4275
0.3653
0.2463
0.0553
汉明编码
0.4418
0.4147
0.3322
0.2052
0.0338
表一不同信噪比时的误码率
5.参考文献
[1]吴伟陵,续大我,庞沁华.通信原理.北京邮电大学出版社,2005.
[2]达新宇.通信原理实验与课程设计.北京邮电大学出版社,2005.
[3]曹志刚,钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社,1992.
[4]苗长云等主编.现代通信原理及应用.电子工业出版社,2005
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