PCM模拟信号数字传输系统的设计-设计报告

PCM模拟信号数字传输系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与建模PCM模拟信号数字传输系统的设计与建模学号：2011012442电子技术课程设计报告题目：PCM模拟信号数字传输系统的设计与建模PCM模拟信号数字传输系统的设计与建模摘要PCM系统包括模拟信号的数字化、信道传输和数字信号还原为模拟信号等三个模块，其中模拟信号的数字化把连续的模拟信号转化为用二进制代表的数字信号，它包括抽样、量化和编码三个步骤；信道是信号传输的通道，在传输过程中可能会引入噪声而影响信号的质量；数字信号还原模拟信号解码、低通等过程组成，它把数字信号恢复成连续的模拟信号。关键字：pcm；13折线法；Simulink目录-1-1设计任务及要求-1-2 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 确定-1-3PCM系统仿真电路设计-1-3.1设计思路-2-3.1.1抽样-2-3.1.2量化-5-3.1.3编码-7-3.1.4时分多路复用-8-3.2各模块的设计和仿真图形分析-8-3.2.1PCM编码模块设计-11-3.2.2PCM解码模块设计-11-3.3PCM系统总体模块-12-4 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf -13-4.1本系统存在的问题及改进措施-13-4.2 心得体会 决胜全面小康心得体会学党史心得下载党史学习心得下载军训心得免费下载党史学习心得下载 -13-参考文献1设计任务及要求本设计研究的内容是利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，设计一个PCM通信系统。PCM系统主要包括模拟信号的数字化、信道传输和数字信号还原模拟信号三部分，最后用示波器观察输入信号和输出信号的波形，加上含有噪声的信道，最后运行结果并通过波形来分析该系统的性能。2方案确定脉冲编码调制（PCM）简称脉码调制，它是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强，因此在光钎通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的运用。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。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。3PCM系统仿真电路设计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。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3.1设计思路本设计首先设计了1路PCM信号，由前面的原理介绍我们可以知道PCM系统包括模拟信号转换为数字信号模块、信道传输模块、数字信号还原模拟信号模块等三个模块。其中模拟信号转换为数字信号模块把连续的模拟信号转换为用二进制代表的数字信号，它由抽样、量化、编码三个步骤组，它把数字信号恢复称连续的模拟信号。其原理方框图如图3.1所示：图3.1PCM原理框图3.1.1抽样所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。在一个频带限制在（0，fh）内的时间连续信号f（t），如果以1/2fh的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过fh，当抽样频率fS≥2fh时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。这就是抽样定理。3.1.2量化从数学上来看，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3.1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。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为：这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。图3.2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，当然有所失真，且不再是模拟信号。这种失真在接收端还原模拟信号是变现为噪声，并称为量化噪声。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。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）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；其次，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。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下特性的压缩律：；A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）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3.2示出了这种压扩特性表3.3列出了13折线时的值与计算值的比较。图3.3A律函数13折线表3.113折线时的值与计算值的比较 0 1 0 1 按折线分段时的 0 1 段落 1 2 3 4 5 6 7 8 斜率 16 16 8 4 2 1 表3.1中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。3.1.3编码所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应的依次赋予一个十进制数字代码，在码前以“+”、“—”号为前缀，来区分样值的正负，则量化后的抽样信号就转化为按抽样时序排列的一串十进制数字码流，即十进制数字信号。把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程为编码。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。表3-2段落码 段落序号 段落码 8 111 7 110 6 101 5 100 4 011 3 010 2 001 1 000表3-3段内码 量化级 段内码 量化级 段内码 15 1111 7 0111 14 1110 6 0110 13 1101 5 0101 12 1100 4 0100 11 1011 3 0011 10 1010 2 0010 9 1001 1 0001 8 1000 0 0000在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2.2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表2.3。话音PCM的抽样频率为8KHZ，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bits×8kHz=64kb/s.量化噪声随级数的增多和极差的缩小而缩小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减少，即随数字编码信号的速率提高而减少。自然界中的声音非常复杂,波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。3.1.4时分多路复用时分多路复用（TDM）是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传送，将整个传输时间分为许多时间间隔（Slottime，TS，又称为时隙），每个时间片被一路信号占用。TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号的。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因数字信号是有限个离散值，所以TDM技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通信系统的传输一般采用FDM。如上图电话通信为例说明时分多路复用的过程：发送端的各路话音信号经低通滤波器将带宽限制在3400Hz以内，然后加到匀速旋转的电子开关SA1上，依次接通各路信号，它相当于对各路信号按一定的时间间隙进行抽样。SA1旋转一周的时间为一个抽样周期T，这样就做到了对每一路信号每隔周期T时间抽样一次，此时间周期称为1帧长。发送端电子开关SA1不仅起到抽样作用，同时还要起到复用和合路的作用。合路后的抽样信号送到编码器进行量化和编码，然后，将信号码流送往信道。在接收端，将各分路信号码进行统一译码，还原后的信号由分路开关SA2依次接通各分路，在各分路中经低通滤波器将重建的话音信号送往收端用户。在上述过程中，应该注意的是，发、收双方的电子开关的起始位置和旋转速率都必须一致，否则将会造成错收，这就是PCM系统中的同步要求。收、发两端的数码率或时钟频率相同叫位同步或称比特同步，也可通俗的理解为两电子开关旋转速率相同；收、发两端的起始位置是每隔1帧长（即每旋转一周）核对一次的，此称帧同步。这样才一能保证正确区分收到的哪8位码是属于一个样值的，又是属于哪一路的。为了完成上述同步功能，在接收端还需设有两种装置：一是同步码识别装置，识别接收的PCM信号序列中的同步标志码的位置；二是调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需在收端进行调整使其两者位置相对应。以上两种装置统称为帧同步电路。时分多路复用不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号3.2各模块的设计和仿真图形分析按照实验要求，依次设计了编码器模块，解码器模块，以及总体模块的链接。3.2.1PCM编码模块设计13折线近似的PCM编码器测试模型如图3.4所示图3.413折线近似的PCM编码器测试模型本设计首先设计了1路信号的编码模块，模拟信号是幅度为1，频率为200*pi的正弦信号。根据奈奎斯特抽样定理可知抽样频率应大于等于模拟信号最高频率的2倍。本设计的抽样时间间隔定为0.001s，符合奈奎斯特抽样定理。其中各个模块功能和参数设置如下：Zero-OrderHold：零阶保持器，它的作用是对输入的一段采样时间进行保持。参数设置中的取样时间间隔为信号的取样时间间隔0.001s。Relay：继电模块，它的作用是实现在两个不同常数值之间进行切换。本设计中此模块的门限值设为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位，也就是极性码，当抽样值为正值时就输出1，为负值时就输出0。Saturation：限幅器，它的作用是将输入信号的幅度限制在一定范围内。本设计将输入信号幅度限制在[-1,+1]范围内。Abs：绝对值模块，它的作用是对输入数值取绝对值。A-LawCompressor：A率压缩器，它的作用是对输入信号进行A率压缩，本设计中A取87.6。Gain：增益模块，它的作用是对数值的大小增加或减小倍数。本设计中由于输入信号幅度限制在[-1,+1],因此为了便于编码将Gain的增益参数设为127。Quantizer：量化器，它的作用是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。本设计中的量化间隔设为1，可将输入数值根据四舍五入原则量化成相应的离散数值。IntegertoBitConverter：整数点转换器，它的作用是将整数值转换为相应的二进制数值。本设计中由于量化值最大为127，因此此模块参数设为7，即将十进制整数转换为7位二进制数值。Mux：复用器，它的作用是将多路信号复用为一路信号。本设计中由于输入信号由1路极值脉冲和1路数值脉冲组成，因此此模块输入参数设为2。Scope：示波器，它的作用是显示输出信号波形。输出波形如图3.5所示：图3.5PCM信号波形将编码模块封装成子系统后如图3.6所示：图3.6封装之后的PCM编码子系统：图3.7封装之后的PCM编码子系统图标3.2.2PCM解码模块设计图3.8pcm解码器示意图将解码模块封装成子系统后如图3.9所示：图3.9pcm解码器示意图图3.10封装之后的PCM解码子系统图标3.3PCM系统总体模块PCM系统总体封装模块示意图图3.11PCM系统总体模块系统总体运行的结果如图3.12所示：图3.12总体运行结果4总结4.1本系统存在的问题及改进措施本系统的设计思想，原理和软件设计较简单。实践中遇到的问题：1）程序在编写完成后，编译生成HEX文件烧录至单片机，发现在接收端接收到信号后闪烁一下便熄灭，后经查阅资料，发现少写一句While等待语句，后经改进基本能实现本系统要求；2）发射端信号生成正常，接收端存在延时或完全接收不到，可能是设备存在老旧问题，后经多次反复试验，无线模块在地址A1-A7口空载的时候接收效果最好。4.2心得体会本论文运用MATLAB中的动态仿真工具箱Simulink仿真实现了PCM系统的全部过程。根据PCM系统的组成原理，在Simulink模块库中找到相应的模块，然后选择合适的模块以及设置适当的参数，建立了PCM通信系统的仿真模型，最后在给定仿真的条件下，运行了仿真系统。仿真结果表明：本次实习，遇到了很多问题，发现自身存在在知识方面的欠缺和不足，意识到在今后学习中要时刻温习和学习知识，扩展知识面。通过此次课程设计，我学会了发现问题解决问题的能力，同时也提高了我的实际动手能力，在老师的悉心教导和指导下，我最终基本完成了此次设计，在此谢谢老师。参考文献1王立宁，乐光新，詹菲.MATLAB与通信仿真[M].人民邮电出版社，20002樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].国防工业出版社，20063李环，任波，华宇宁.通信系统仿真设计与应用[M].电子工业出版社，20094青松，程岱松，武建华.数字通信系统的matlab仿真与分析[M].北京航空航天大学出版社，2001话音输入低通滤波瞬时压缩抽样量化编码低通滤波瞬时扩张解调解码信道再生话音输出�EMBEDEquation.3����EMBEDEquation.3���量化器-12--1-_1234567924.unknown_1234567932.unknown_1234567940.unknown_1234567944.unknown_1234567952.unknown_1234567953.unknown_1234567947.unknown_1234567949.unknown_1234567950.unknown_1234567951.unknown_1234567948.unknown_1234567946.unknown_1234567945.unknown_1234567942.unknown_1234567943.unknown_1234567941.unknown_1234567936.unknown_1234567938.unknown_1234567939.unknown_1234567937.unknown_1234567934.unknown_1234567935.unknown_1234567933.unknown_1234567928.unknown_1234567930.unknown_1234567931.unknown_1234567929.unknown_1234567926.unknown_1234567927.unknown_1234567925.unknown_1234567897.unknown_1234567903.unknown_1234567905.unknown_1234567906.unknown_1234567904.unknown_1234567901.unknown_1234567902.unknown_1234567899.unknown_1234567900.unknown_1234567898.unknown_1234567893.unknown_1234567895.unknown_1234567896.unknown_1234567894.unknown_1234567891.unknown_1234567892.unknown_1234567890.unknown