基于PCM有噪信道编码的设计.doc

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1、宁夏大学物理电气信息学院信息工程系电子技术综术合设计任务书 设计日期：2012年6月设计专题：专业创新设计与实践I设计题目：基于PCM有噪信道编码实验设计内容和要求：1. 主要内容：（1） 查阅资料：搜集通信系统相关资料，熟悉通信系统相关内容。（2） 方案选择与设计：根据要求选择通信系统设计方案，确定使用软件，定义仿真系统参数。（3） 设计实现：根据要求绘制原理图，各器件设置参数进行仿真，保存仿真结果进行理论分析。（4） 撰写设计报告。2. 设计要求（1）要求同学独立完成此次设计。（2）对通信系统有整体较深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理基础，画出对应的通信子系统原理图。（3）写出仿真方案

2、，并介绍仿真环境，整理仿真结果。（4）写出详细的设计报告。3. 仿真环境System View是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统。因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连

3、线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。 指导教师 朱瑜红 2012 年 6 月 12 日摘要 这次的设计过程中，提出了利用System View软件仿真基于PCM有噪信道编码实验方法；介绍了通信系统中PCM编码的工作原理以及其他相关理论知识并进行仿真过程；对仿真结果进行较详细的分析得出设计结论；书写详细设计报告。 关键词 PCM编码，信号波形，有噪信道，抽样，量化 目录1、绪论6 1.1、脉冲编码调制简介6 1.2、设计目的及意义6 1.3、设计的主要内容62、 PCM编码基本原理7 2.1、PCM编码发展历程7 2.2、PCM编码原理8 2.2.1、

4、抽样定理8 2.2.2、量化原理9 2.2.3、编码10 2.3、PCM系统噪声影响12 2.4、System View仿真环境123、综合设计与仿真13 3.1综合设计步骤14 3.2仿真原理图14 3.3仿真结果及分析144、 设计心得245、 参考文献24 1、绪论1.1脉冲编码调制简介脉冲编码调制，简称PCM，是数字通信的基础。它是由数字信号对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码而产生的。PCM可以提供用户从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。PCM有两个标准即E1和T1。脉冲编码调制是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换

5、为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。PCM 对信号每秒钟取样8000次；每次取样为8个位，总共64kbps。取样等级的编码有二种标准，北美洲及日本使用 Mu-Law 标准，而其它大多数国家使用 A-Law 标准。 脉冲编码调制主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号；量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号；编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。

6、1.2设计的目的及意义 PCM编解码比其他一些方式更能提供高性能的点到点通信，通信保密性强，特别适合金融、保险等保密性要求的客户需要；另外，它的传输质量高，网络时延小，信道固定分配，充分保证了通信的可靠性，保证用户的带宽不会受其他用户的影响；而且用户通过这条高速的国际互联通道，可构建自己的Internet、E-mail等应用系统；还可以使用户网络的整体接入局域网内PC均可共享互联网资源。本设计的主要目的是掌握PCM码的基本原理及设计方法，设计实现PCM码编码器。通过完成设计可以锻炼本人分析问题和解决问题的能力；同时培养了良好的独立工作习惯和提高了科学素质，为今后参加社会工作打下良好的基础。1.

7、3设计的主要内容 （1） 根据PCM编码原理图在System View软件中选择合适的功能模块，建立PCM编码系统。（2） 功能模块参数设置，图标连线，加入注释。（3） 访问仿真操作，如有差错，修改系统，调整参数，直至无差错。（4） 运行仿真操作，保存结果。（5） 修改参数继续运行仿真操作，保存结果。（6） 实验结果比较，得出理论性结论。（7） 撰写详细设计报告。 2、PCM编码基本原理2.1 PCM编码发展历程 脉冲编码调制是70年代末发展起来的，记录媒体之一的CD，80年代初由飞利浦和索尼公司共同推出。脉码调制的音频格式也被DVD-A所采用，它支持立体声和5.1环绕声，1999年由DVD讨

8、论会发布和推出的。脉冲编码调制的比特率，从14-bit发展到16-bit、18-bit、20-bit直到24-bit；采样频率从44.1kHz发展到192kHz。PCM脉码调制这项技术可以改善和提高的方面则越来越来小。只是简单的增加PCM脉码调制比特率和采样率，不能根本的改善它的根本问题，其原因是PCM的主要问题在于： (1)任何脉冲编码调制数字音频系统需要在其输入端设置急剧升降的滤波器，仅让20Hz-22.05kHz的频率通过(高端22.05kHz是由于CD44.1kHz的一半频率而确定)。 (2)在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器(减低采样频率)，在重放时采用多级的内插的数字滤波器(

9、提高采样频率)，为了控制小信号在编码时的失真，两者又都需要加入重复定量噪声。这样就限制了PCM技术在音频还原时的保真度。 为了全面改善脉冲编码调制数字音频技术，获得更好的声音质量，就需要有新的技术来替换。飞利浦和索尼公司再次联手，共同推出一种称为直接流数字编码技术DSD的格式，其记录媒体为超级音频CD即SACD，支持立体声和5.1环绕声。DSD是PCM脉冲编码调制的进化版。2.2 PCM编码原理 脉冲编码调制就是把一个时间连续，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后在信道中传输。 2.2.1抽样定理(1)抽样定理 设时间连续信号f(t),其最高截止频率为fm，如果用时间间隔为T

10、=1/2fm的开关信号对f(t)进行抽样时，则f(t)就可被样值信号唯一地表示。所谓抽样就是对时间连续的信号隔一定的时间间隔T抽取一个瞬时幅度值(样值)。 在一个频带限制在(0，f h)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f h，当抽样频率fs2fh时，抽样后的信号就包含原连续的全部信息。 抽样定理指出，由样值序列无失真恢复原信号的条件是fs2fh ，为了满足抽样定理，要求模拟信号的频谱限制在0f h之内(f h为模拟信号的最高频率)。为此，在抽样之前，先设置一个前置低通滤

11、波器，将模拟信号的带宽限制在f h以下，如果前置低通滤波器特性不良或者抽样频率过低都会产生折叠噪声。 例如，话音信号的最高频率限制在3400HZ，这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为fs=6800HZ，为了留有一定的防卫带，CCITT规定话音信号的抽样率fs=8000HZ，这样就留出了8000-6800=1200HZ作为滤波器的防卫带。应当指出，抽样频率fs不是越高越好，太高时，将会降低信道的利用率(因为随着fs升高，数据传输速率也增大，则数字信号的带宽变宽，导致信道利用率降低。)所以只要能满足fs2f h,并有一定频带的防卫带即可。 以上讨论的抽样定理实际上是对低通信号的情况而言的，设模拟信

12、号的频率范围为f0f h，带宽B=f h - f0.如果f0B，则称之为带通信号，载波12路群信号(频率范围为60108KHZ)就属于带通型信号。 对于低通型信号来讲，应满足fs2fh的条件；而对于带通型信号，如果仍然按照这个抽样，虽然能满足样值频谱不产生重叠的要求，但是无疑fs太高了(因为带通信号的f h高)，将降低信道频宽的利用率，这是不可取的。 抽样定理在实际应用中应注意在抽样前后模拟信号进行滤波，把高于二分之一抽样频率的频率滤掉。这是抽样中必不可少的步骤。 (2)抽样定理分类a：时域抽样定理频带为F的连续信号 f(t)可用一系列离散的采样值f(t1)，f(t1t)，f(t12t)，.来

13、表示，只要这些采样点的时间间隔t1/2F，便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t)。这是时域采样定理的一种表述方式。 时域采样定理的另一种表述方式是：当时间信号函数f(t)的最高频率分量为fm时，f(t)的值可由一系列采样间隔小于或等于1/2fm的采样值来确定,即采样点的重复频率f2fm。时域采样定理是采样误差理论、随机变量采样理论和多变量采样理论的基础。 b：频域抽样定理对于时间上受限制的连续信号f(t)(即当tT时，f(t)=0，这里T=T2-T1是信号的持续时间)，若其频谱为F()，则可在频域上用一系列离散的采样值采样值来表示，只要这些采样点的频率间隔频率间隔。2.2.2 量化原理量化

14、就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。日常生活中所说的“量化”：指的是目标或任务具体明确，可以清晰度量。根据不同情况，表现为数量多少，具体的统计数字，范围衡量，时间长度等等。例如，四万亿支出，960万平方公里，八个小时，3月31日完成任务 量化分为均匀量化和非均匀量化。 均匀量化：ADC输入动态范围被均匀地划分为2n份；把输入信号的取值域等间隔分割的量化。均匀量化的好处就是编解码的很容易，但要达到相同的信噪比占用的带宽要大。现代通讯系统中都用非均匀量化。为了克服均匀量化的缺点，实际中，往往采用非均匀量化。 非均匀量化是一种在输入信号的动

15、态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平，以改善量化性能。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，有两个主要的优点：(1)当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以较高的平均信号量化噪声功率比；(2)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。 2.2.3编码 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。

16、若将有限个量化样值的绝对值从小到大依次排列，并对应地依次赋予一个十进制数字代码(例如，赋予样值0的十进制数字代码为0)，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。简单高效的数据系统是二进制码系统，因此，应将十进制数字代码变换成二进制编码。根据十进制数字代码的总个数，可以确定所需二进制编码的位数，即字长。这种把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。 在实际中使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和U律。A律编码

17、主要用于30/32路一次群系统，U律编码主要用于24路一次群系统。A律PCM用于欧洲和中国，U律PCM用于北美和日本。A律编码(A-law )是ITU-T(国际电联电信标准局)CCITT G.712定义的关于脉冲编码的一种压缩/解压缩算法。 世界上大部分国家采用A律压缩算法。美国采用mu律算法进行脉冲编码。令量化器过载电压为1，相当于把输入信号进行归一化，那么A律对数压缩我定义为： 当0 = x = 1/A时，f(x)=(Ax)/(1+ln A) ;当1/A = x 0的范围，实际上x和y均在-1，1之间变化，因此，x和y的对应关系曲线是在第一象限与第三象限奇对称。为了简便，x0的关系表达式未

18、进行描述，但对上式进行简单的修改就能得到。 按上式得到的A律压扩特性是连续曲线，A的取值不同其压扩特性亦不相同，而在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。为此，人们提出了数字压扩技术，其基本思想是这样的：利用大量数字电路形成若干根折线，并用这些折线来近似对数的压扩特性，从而达到压扩的目的。 用折线实现压扩特性，它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。虽然总的来说用折线作压扩持性是非均匀量化，但它既有非均匀(不同折线有不同斜率)量化，又有均匀量化(在同一折线的小范围内)。有两种常用的数字压扩技术，一种是13折线A律压扩，它的特性近似A87.6的A律压扩特性。另一种是15折线律压

19、扩，其特性近似255的律压扩特性。下面将主要介绍13折线A律压扩技术，简称13折线法。 先把x轴的01分为8个不均匀段，其分法是：将01之间一分为二，其中点为1/2，取1/21之间作为第八段；剩余的01/2再一分为二，中点为1/4，取1/41/2之间作为第七段，再把剩余的01/4一分为二，中点为1/8，取1/81/4之间作为第六段，依此分下去，直至剩余的最小一段为01/128作为第一段。而轴的01均匀地分为八段，它们与轴的八段一一对应。从第一段到第八段分别为，01/8，1/82/8，7/81。这样，便可以作出由八段直线构成的一条折线。至于当在-10及在-10的第三象限中，压缩特性的形状与以上讨

20、论的第一象限压缩待性的形状相同，且它们以原点奇对称，所以负方向也有八段直线，合起来共有16个线段。由于正向一、二两段和负向一、二两段的斜率相同，这四段实际上为一条直线，因此，正、负双向的折线总共由13条直线段构成，故称其为13折线。2.3 PCM系统的噪声影响PCM系统的噪声主要有两种：量化噪声和加性噪声。量化噪声和信道加性噪声相互独立。PCM系统输出端量化信号与量化噪声的平均功率比将仅仅依赖于每个编码码组的位数，且按指数增加。众所周知，对于一个带限为fH赫兹的信号，按抽样定理，要求每秒最少传输2fH个抽样值。经编码后，则每秒要传送2NfH个二进制脉冲。因此，系统的总带宽B至少应等于NfH赫兹

21、，这说明，PCM系统输出的信号量化噪声功率比还和系统带宽B成指数关系。由于信道中始终存在加性噪声，因而会影响接收端判决器的判决结果，即可能会将二进制的“0”错判为1，或把二进制的1错判为0。由于PCM系统中每一码组都代表着一定的抽样量化值，所以只要其中有一位或多位码元发生误码，则译码输出值的大小将会与原抽样值不同。其差值就是加性噪声所造成的失真，并以噪声的形式反映到输出，我们用信号噪声功率比来衡量它。仅考虑信道加性噪声时PCM系统的输出信噪比。 在接收端输入大信噪比的情况下，误码率将极小，与只考虑量化噪声情况下的系统输出信噪比是相同的。在接收端输入小信噪比的情况下，与只考虑噪声干扰时系统的输出

22、信噪比是相同的。2.4 System View仿真环境 System View是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统。因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真

23、操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。 System View的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库(Main Library)及专业库(Optional Library)。基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯(Communication)、逻辑(Logic)、数字信号处理(DSP)、射频/模拟(RF/Analog)等。它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路(混合器、放大器

24、、RLC电路、运放电路等)进行理论分析和失真分析。 System View能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。System View的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标如幅频特性(伯特图)、传递函数、根轨迹图等之间的转换。 在系统设计和仿真分析方面，System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计

25、算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。 System View还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC+或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，System View还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。 3、综合设计与仿真3.1 综合设计步骤 1：打开软件，按照原理图绘制电路图；2：初步设置参数，保存并运行，

26、观察结果；3：为实现对比，修改相应参数，保存并运行，观察结果；4：将不同参数的结果进行比较，得到实验结论。3.2 仿真原理图 System View仿真原理图如图3-1所示。图3-1System View仿真原理图3.3 仿真结果及分析 图3-2仿真结果图（采样点数512；采样率200；A率） 图3-3仿真结果图（采样点数512；采样率200；U率）抽样定理指出，由样值序列无失真恢复原信号的条件是fs2fh，为了满足抽样定理，要求模拟信号的频谱限制在0f h之内(f h为模拟信号的最高频率)。为此，在抽样之前，先设置一个前置低通滤波器，将模拟信号的带宽限制在f h以下，如果前置低通滤波器特性不

27、良或者抽样频率过低都会产生折叠噪声。 图3-4仿真结果图（抽样脉冲100HZ；U律） 图3-5仿真结果图（抽样脉冲200HZ；U律） 图3-6仿真结果图（抽样脉冲1000HZ；U律） 图3-7仿真结果图（抽样脉冲2000HZ；U律） 简单的增加PCM脉码调制比特率和采样率，不能改善它的根本问题，其原因是PCM的主要问题在于： (1)任何脉冲编码调制数字音频系统需要在其输入端设置急剧升降的滤波器，仅让20Hz-22.05kHz的频率通过(高端22.05kHz是由于CD44.1kHz的一半频率确定)。(2)在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器(减低采样频率)，在重放时采用多级的内插的数字滤波器

28、(提高采样频率)，为了控制小信号在编码时的失真，两者又都需要加入重复定量噪声。这样就限制了PCM技术在音频还原时的保真度。 图3-8仿真结果图（抽样脉冲100HZ；A律） 图3-9仿真结果图（抽样脉冲200HZ；A律） 图3-10仿真结果图（抽样脉冲1000HZ；A律） 图3-11仿真结果图（抽样脉冲2000HZ；A律） 均匀量化编码时均匀量化级数选取不同数值时，量级数越大，量化值与原始值约接近，量化误差越小，即量化效果越好；量化级数越大，量化信噪比越大。非均匀量化编码时非均匀量化级数选取不同数值时，量化级数越大，量化值与原始值约接近，量化误差越小，即量化效果越好；量化级数越大，量化信噪比越大

29、。对于相同量化级的均匀与非均匀量化特性，均匀量化的量化误差分布比较均匀，而非均匀量化的量化误差随信号幅度变化，在大幅度处大，在小幅度处小。当n较小时，均匀量化的量化信噪比大于非均匀量化，但是当n较大时，均匀量化的量化信噪比小于非均匀量化。 4、设计心得我的这一次设计走了许多的弯路，在这里与大家共勉。经过长达一个月的课程设计，最终完成了基于PCM有噪信道编码的设计。其间遇到了许多问题，但最后都能顺利得到解决，此次课程设计我感受很深。我觉得要搞好课题设计，一定不能少了对课题理论知识的学习。我根据课题设计要求先查阅了文献，查阅资料时应注意不仅要求数量，还应注重质量。在阅读大量文献的基础上，整理文献，

30、准备撰写综述。 首先，在设计过程中,进一步地熟悉了PCM编码的工作原理，这样就可以比较快速的进行软件仿真。其次，熟练的掌握了System View软件的使用，能够掌握元件的调用，如何画原理图，设置参数等等。在设计电路的连接图中出错的主要原因大都是参数设置的错误所引起的。只要细心点就不容易出错。然后要注重同学，老师间的交流，很多难点的突破都来自于与他们的交流，交流使自己获得更多信息，开拓了思路，因此要重视与别人的交流。最后本次设计是把理论知识应用到了实践中，熟悉了课程设计的流程。我认为设计过程中克服困难，找准实际方法，有步骤，有条理的进行设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握。 5、参考文献1

31、 王立宁，乐光新，詹菲，MATLAB与通信仿真M，人民邮电出版社，2000 2 樊昌信，曹丽娜，通信原理M，国防工业出版社，2006 3 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，2009 4 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 5 罗卫兵，孙桦，张婕，matlab动态系统分析及通信系统仿真设计M，西安电子科技大学出版社，2001 6 曹志刚，钱亚生，现代通信原理M，清华大学出版社，1992 7 苗长云，现代通信原理及应用M，电子工业出版社，2005 1.采样率和采样大小 2.损和无损 1. 3.使用音频压缩技术 2. 4.频率与采样率的关系 3. 5.流特征第23页共23页