1、<p><b>　　引言 </b></p><p>　　數(shù)字通信系統(tǒng)己成為當今通信的發(fā)展方向，然而自然界的許多信息通過傳感器轉換后，絕大部分是模擬量，脈沖編碼調(diào)制(PCM)是把模擬信號變換為數(shù)字信號的一種調(diào)制方式，主要用于語音傳輸，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中得到廣泛的應用，借助于MATLAB軟件，可以直觀、方便地進行計算和仿真。因此可以通過運行結果，分析系統(tǒng)特性。<

2、;/p><p>　　MATLAB是美國Math Works公司開發(fā)的一套面向理論分析研究和工程設計處理的系統(tǒng)仿真軟件，Simulink是MATLAB提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它讓用戶把精力從編程轉向模型的構造，為用戶省去了許多重復的代碼編寫工作；Simulink 的每個模塊對用戶而言都是透明的，用戶只須知道模塊的輸入、輸出以及模塊的功能，而不必管模塊內(nèi)部是怎么實現(xiàn)的，于是留給用戶的事情就是如何利用這些

3、模塊來建立模型以完成自己的仿真任務；至于 Simulink 的各個模塊在運行時是如何執(zhí)行，時間是如何采樣，事件是如何驅動等細節(jié)性問題，用戶可以不去關心，正是由于 Simulink 具有這些特點，所以它被廣泛的應用在通信仿真中，通過仿真展示了PCM編碼實現(xiàn)的設計思路及具體過程，并加以進行分析。</p><p>　　基于MATLAB的SIMULINK仿真模型，能夠反映模擬通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，其可視化界面具有很好的

4、演示效果，為通信系統(tǒng)的設計和研究提供強有力的工具，也為學習通信系統(tǒng)理論提供了一條非常好的途徑。當然理論與實際還會有很大的出入，在設計時還要考慮各種干擾和噪聲等因素的影響。</p><p><b>　　系統(tǒng)介紹 </b></p><p><b>　　1、脈沖編碼調(diào)制</b></p><p>　　脈沖編碼調(diào)制(pulse

5、code modulation，PCM)是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM的編碼原理比較直觀和簡單，下圖為PCM系統(tǒng)的原理框圖：</p><p>　　圖中，輸入的模擬信號m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號(PCM信號)，經(jīng)信道傳輸?shù)竭_接收端，由譯碼器恢復出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號m(t)。通常，將量化與編碼的

6、組合稱為模/數(shù)變換器（A/D變換器)；而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A變換器)。前者完成由模擬信號到數(shù)字信號的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號到模擬信號的變換。</p><p>　　PCM在通信系統(tǒng)中完成將語音信號數(shù)字化功能，它的實現(xiàn)主要包括三個步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建

7、議方式，分別為A律和μ律方式，我國采用了A律方式，由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼。</p><p><b>　　2、PCM編碼原理</b></p><p><b>　　(1) 抽樣</b></p><p>　　所謂抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散

8、的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。</p><p><b>　　(2) 量化</b></p><p>　　量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。</p><p>　　從數(shù)學上來看，量化就是

9、把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。</p><p>　　如下圖所示，量化器輸出L個量化值，k=1，2，3，…，L。常稱為重建電平或量化電平。當量化器輸入信號幅度x落在與之間時，量化器輸出電平為。這個量化過程可以表達為：</p><p>　　這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。&

10、lt;/p><p>　　模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。</p><p><b>　　均勻量化： </b></p><p>　　用這種方法量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用相同的量化間隔。為了適應幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機會并不多，增加的樣本位

11、數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。</p><p><b>　　非均勻量化：</b></p><p>　　非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量化器的輸出端可

12、以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比。</p><p>　　實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，所謂A壓縮律也就是壓縮器

13、具有如下特性的壓縮律：</p><p><b>　　， 。</b></p><p>　　由于A律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼, 壓擴特性圖如下圖所示：</p><p>　　A律函數(shù)13折線壓擴特性圖</p><p>　　這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用數(shù)字電路實現(xiàn)，本設計中所用到的PCM編碼

14、正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。 </p><p>　　表1 13折線時的值與計算值的比較</p><p>　　表1中第二行的 值是根據(jù) 時計算得到的，第三行的 值是13折線分段時的值。可見，13折線各段落的分界點與 曲線十分逼近，同時 按2的冪次分割有利于數(shù)字化。</p><p><b>　　(3) 編碼</b></p>&

15、lt;p>　　所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。</p><p>　　在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、

16、段內(nèi)碼的順序排列。下面結合13折線的量化來加以說明。 </p><p>　　表2 段落碼 表3 段內(nèi)碼</p><p>　　在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。&

17、lt;/p><p>　　具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。這樣處理的結果，8個段落被劃分成27＝128個量化級。段落碼和8個段落之間的關系如表2所示；段內(nèi)碼與16個量化級之間的關系見表3。</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真模型 </b>

18、</p><p>　　以MATLAB的Simulink為工具平臺，根據(jù)PCM系統(tǒng)的組成原理，在Simulink模塊庫中找出相應的模塊，選擇合適的模塊以及設置適當?shù)膮?shù)，建立了 PCM 通信系統(tǒng)仿真模型，圖示如下：</p><p><b>　　仿真波形 </b></p><p><b>　　信號源的波形</b></p

19、><p><b>　　PCM編碼的波形</b></p><p>　　PCM譯碼時經(jīng)過D/A轉化并用A律擴張后的輸出波形</p><p>　　譯碼后恢復源信號的輸出波形</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復，傳輸?shù)倪^程中實現(xiàn)了數(shù)字

20、化的傳輸過程。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　利用MATLAB軟件完成了一個完整的PCM通信系統(tǒng)設計，充分發(fā)揮了SIMULINK功能強大，建模簡單，參數(shù)易于調(diào)整的特點。結果表明，基于SIMULINK仿真模型，能夠反映模擬通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，其可視化界面具有很好的演示效果，為通信系統(tǒng)的設計和研究提供了強有力的工具，也為學習通信系統(tǒng)理論

21、提供了一條非常好的途徑。</p><p>　　在通信原理的教學過程中,一直注重理論的教學,但是深奧的理論難以理解,很有必要以某種可見的、圖形化的形式來加深對理論的理解。MATLAB的引入帶來了直觀的感受,提供了完整的動態(tài)系統(tǒng)設計、仿真和可視化的分析環(huán)境,可以構造各種復雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合系統(tǒng)以及各種速率的系統(tǒng),主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計和仿真。通過MATLAB語言對PCM調(diào)制系統(tǒng)的采樣、量化、編碼的仿真與計

22、算，使得分析PCM調(diào)制系統(tǒng)變得直觀簡單。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　1 徐素妍 曹坤梅 基于MATLAB語言的現(xiàn)代通信仿真分析</p><p>　　2 孫學軍 通信原理教程 人民郵電出版社 </p><p>　　3 李建新 劉乃安 現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真-MATLA

23、B通信工具箱 西安電子科技大學出版社 </p><p>　　4 鄧華 MATLAB通信仿真及應用實例講解 人民郵電出版社</p><p>　　5 孫屹 李妍 MATLAB通信仿真開發(fā)手冊 國防工業(yè)出版社</p><p>　　6 邱曉林 基于MATLAB的動態(tài)模型與系統(tǒng)仿真工具 西安交通大學出版社</p><p>　　設計過程中需解決的

24、問題 </p><p>　　1、運用MATLAB仿真抽樣信號的頻譜，分析滿足不同條件下的抽樣情況、驗證奈奎斯特抽樣定理;不同量化電平情況下的信噪比的計算，對PCM調(diào)制系統(tǒng)中的非均勻量化的壓擴技術和編碼進行仿真與計算。</p><p>　　2、必須根據(jù)實際情況合理的設計采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，采樣頻率fs一定要大于等于2fH條件。由于在信道傳輸過程中，各種因素影響，會

25、引起譯碼波形有一定的延時現(xiàn)象。</p><p>　　3、在設計濾波器時,要看系統(tǒng)信號源輸出信號頻率到底是處于在哪個頻率范圍,再根據(jù)其他參考參數(shù)和系統(tǒng)各項技術要求,決定是要設計哪種類型的濾波器。</p><p><b>　　心得體會 </b></p><p>　　本次課程設計在剛開始的過程中由于主要知識掌握不熟透，時間又緊，做起來有些棘手，之后通

26、過向同學詢問與去圖書館以及互聯(lián)網(wǎng)查找資料，我開始慢慢地了解其工作原理,最終決定用學過的MATLAB軟件來仿真實現(xiàn)PCM的編碼過程。</p><p>　　通過這次課程設計，充分掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過程，學會了使用仿真軟件 MATLAB的SIMULINK，并學會通過應用軟件仿真來實現(xiàn)PCM系統(tǒng)的設計，對以后的學習和工作都起到了一定的作用，加強了實踐動手能力和學習新知識的技能。</p>