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《现代通信系统》 实 验 报 告均与量化与非均匀量化实验一， 实验目的1. 掌握均匀量化与非均匀量化的特点和优缺点2. 掌握均匀量化中的量化间隔，量化误差，量化信噪比等许多概念。
3. 掌握A 律13折线压扩特性等许多概念 二， 实验预习要求1. 复习现代通信系统课程内容-----均匀量化和非均匀量化2. 学习MATLAB 软件的使用3. 熟悉实验的过程 三， 实验原理1. PCM 系统抽样抽样，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。
抽样定理指出，对于一个频带限制在零到fh 的低通模拟信号抽样时，若最小抽样速率不低于奶奎斯特抽样速率2fh ，则能够无失真的输出原模拟信号。
2. PCM 系统量化从数学上来看，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1所示，量化器Q 输出L 个量化值k y ，k=1，2，3，…，L 。
k y 常称为重建电平或量化电平，当量化器输入信号幅度x 落在k x 与1+k x 之间时，量化器的输出电平为k y 。
此时，这个量化过程就可以表达为：{}1(),1,2,3,,k k k y Q x Q x x x y k L+==<≤==这里k x 称为分层电平或判决阈值。
通常k k k x x -=∆+1称为量化间隔。
下图为模拟信号的量化图：模拟入量化器量化值图1 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
2.1均匀量化 均匀量化：量化间隔1k k k x x +∆=-，若k ∆=∆，即量化间隔相等，则为均匀量化，对于非过载情况，其量化误差2q ∆≤。
均匀量化输出与输入关系为均匀阶梯关系。
在非过载区内，量化值随信号变化，且2q ∆≤，在过载区内，量化值不随信号变化，保持在最大量化值，且量化误差包含非过载量化噪声与过载量化噪声。
实验二均匀、非均匀量化与编码一、实验目的1、了解均匀与非均匀量化编码的原理与过程2、掌握两种不同量化编码方式的特点并能加以比较3、进一步熟悉matlab在通信方面的应用二、理论依据通原理论课中的标量量化原理，包括均匀量化和以PCM为例的非均匀量化（对数量化）。
三、实验内容1、仿真理论及系统框图（1）均匀量化（2）非均匀量化非均匀量化（对数量化）原理框图u律压扩特性（本实验以u律为例）2、模块说明实验程序设计依照量化编码原理可大体分为采样、量化、编码、作图及相关显示几部分。
采样：本实验利用正弦函数的若干点（17个）。
量化：根据不同的输入值，可以得到在不同量化级数下（量化级数n=8，16，64）的结果，算法是程序的核心之一。
编码：对量化结果进行二进制编码，本例进行自然编码，另一个算法核心。
作图与显示：做出不同量化级数下量化曲线、量化误差曲线；显示量化信噪比、及部分采样点的编码结果。
3、语句分析详细的分析见程序注释四、实验数据1、均匀量化（曲线名称见各自曲线图）（1）n=8（2）n=16（3）n=642、非均匀量化（u率对数量化）(1)n=8（2）n=16（3）n=642、数据分析与说明：（1）n=8，16，64的均匀量化曲线对于均匀量化，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。
（2）n=8，16，64的均匀量化信噪比对于均匀量化，量化级数越大，量化信噪比越大（3）n= 8，16，64的非均匀量化曲线对于非均匀量化，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。
（4）n=8，16，64的非均匀量化信噪比对于非均匀量化，量化级数越大，量化信噪比越大（5）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五、实验结果的分析与讨论通过对实验数据的分析，我们直观的发现了与通原理论课一样的结论。
《现代通信系统》实验设计报告实验题目：均匀量化与非均匀量化系统信号量噪比特性一、问题的提出模拟信号数字化，一般要通过抽样，量化和编码等三个主要步骤。
模拟信号被抽样后仍是离散模拟信号，量化则可使抽样信号变成数字信号，然后才能进行编码。
常用的量化方式有两种，分别是均匀量化与非均匀量化。
其中均匀量化的量化级是均匀分布的，意味着每个量化步长大小固定。
而非均匀量化则是步长随着输入-输出幅值特性曲线与原点之间距离的增大而增加，也就是说，以牺牲大信号为代价，使需要更多保护的小信号得到了改善。
均匀量化与非均匀量化的不同操作原理导致了输出的信号有不同的信噪比，本实验比较了不同的量化级数与不同的量化方式下量噪比的不同，充分分析了量化的原理及性能。
二、均匀与非均匀量化概述1.均匀量化关于量化的几个基本概念：量化间隔；量化误差；量化信噪比。
(1)相邻量化电平间距离称量化间隔， 用“Δ”表示。
(2)设抽样值为x(kTs)，量化后的值为xq(kTs)， xq(kTs)与x(kTs)的误差称为量化误差，又称为量化噪声；量化误差不超过±Δ/2，而量化级数目越多，Δ值越小，量化误差也越小。
(3)衡量量化的性能好坏最常用指标是量化信噪比(Sq/Nq),其中Sq 表示量化信号值xq(kTs)产生的功率，Nq 表示量化误差功率，量化信噪比越大，则量化性能越好设输入信号的最小值和最大值分别为a 和b 表示，量化电平数为M,则均匀量化时的量化间隔为 ()b a M ν∆=-量化器输出q m 为：式中 -- 第i 个量化区间的终点，可写成 。
为第i 个量化区间的量化电平，可表示为在均匀量化时，量化噪声功率可由下式给出式中 E--求统计平均; ;假设信号在[a,b]上均匀分布，f(x)=1/(b-a),带入公式经推导可得，量化噪声功率为：量化器输出的信号功率为2.非均匀量化量化间隔随着输入信号的改变而改变，信号幅度大时，量化间隔大，信号幅度小时，量化间隔小。
均匀量化和非均匀量化是数字信号处理中常用的两种量化方法，它们在各自的应用领域具有不同的特点和优势。
下面将分别从均匀量化和非均匀量化的特点进行详细介绍。
一、均匀量化的特点1.等分量化间隔。
均匀量化是指在信号幅度范围内采用等间隔划分，将连续信号转换成为离散信号。
对于8位均匀量化，信号幅度范围被等间隔地分成256个小区间。
2.简单易实现。
均匀量化的计算方法简单直观，实现起来相对容易，且不需要大量的复杂运算。
3.信噪比较低。
由于均匀量化采用了等间隔划分，所以在量化过程中会产生一定的量化误差，从而导致信噪比的降低。
二、非均匀量化的特点1.非等间隔量化。
与均匀量化不同，非均匀量化采用的是非等间隔的划分方式，根据信号的重要性来确定划分的间隔，使得不同幅度范围的信号能够得到更好的量化精度。
2.适应信号特性。
非均匀量化能够根据信号的特性来动态调整量化间隔，这样可以更好地保留信号的重要信息，提高信号的保真度。
3.复杂度较高。
相比均匀量化，非均匀量化的计算方法更加复杂，需要借助于信号的统计特性来确定量化间隔的分布情况。
4.信噪比较高。
由于非均匀量化能够更好地适应信号特性，所以在量化过程中会出现更少的量化误差，从而提高了信噪比。
从上述对比可见，均匀量化和非均匀量化各自具有一些特点，应用领域也有所不同。
在实际应用中，需要根据具体的需求和信号特性来选择合适的量化方法，以达到最佳的效果。
四、均匀量化和非均匀量化的应用领域1. 均匀量化的应用领域均匀量化常常被应用在要求信号处理简单的场合，比如在音频信号的数字化处理中，为了节省计算资源和降低硬件成本，通常会采用均匀量化。
在一些对量化精度要求不高的场合，也会使用均匀量化，比如一些低端音频设备、低精度的传感器数据采集等。
在这些场合，均匀量化能够满足基本的需求，同时能够简化系统的设计和实现。
2. 非均匀量化的应用领域相对于均匀量化的普适性，非均匀量化更多地被应用在对量化精度要求较高的场合。
《现代通信系统》实验报告均匀、非均匀量化与编码一、验证思路1均匀量化：○1验证内容：输入噪声功率不变时，量化级数M对输出信噪比的影响。
验证方法：输入噪声功率取固定值（本实验取三个功率）,改变量化级数M，（取M属于2-512区间）用matlab做仿真画图，看输出信号量噪比P/Nq怎么变化（M为横坐标，P/Nq为纵坐标，不同情况下的曲线用不同颜色区分）○2验证内容：量化级数M不变时，输入功率对输出信噪比的影响。
验证方法：量化级数M取固定值（本实验取M=512与M=256两种情况）,改变输入信号功率P，用matlab做仿真画图，看输出信号量噪比P/Nq 怎么变化（P为横坐标，P/Nq为纵坐标，不同情况下的曲线用不同颜色区分）2非均匀量化：验证内容：非均匀量化与均匀量化的效果比较验证方法：输入信号功率P变化在同一个图里画非均匀量化时理论曲线与实际仿真曲（P为横坐标，P/Nq为纵坐标，紫色表示非均匀量化理论曲线，绿色表示实际仿真曲线）并与前面均匀量化的图比较。
二、实验框图1.均匀量化图2-1 量化过程图2-2 均匀量化框图2.非均匀量化图2-3 u律压扩特性（本实验以u律为例）图2-4非均匀量化框图三、实验仿真结果1.均匀量化图3-1 量化级数M对输出信噪比影响图3-2 输入信号平均功率对输出信噪比影响2.非均匀量化图3-3 非均匀量化理论与仿真效果四、分析与说明1.均匀量化○1量化级数M对输出信噪比影响: 由图2-1中分析与已知的知识我们知道在输入信号平均功率不变情况下均匀量化输出信噪比与量化级数M成正比关系。
从图3-1我们仿真的图也可以看到这个效果，我们取三个固定输入功率，结果在固定输入功率情况下，输出信噪比都随M的增大而增大，而且在量化器满载时输出信噪比约等于M的平方，仿真结果也符合理论分析。
○2输入信号平均功率对输出信噪比影响：由理论分析知在量化级数M不变的情况下，均匀量化输出信噪比与输入信号功率成正比关系。
内蒙古师范大学计算机与信息工程学院《通信软件》课程设计报告PCM系统的量化分析计算机与信息工程学院2009级通信工程申哲20091103965指导教师俞宗佐讲师摘要本文从均匀量化以及非均匀量化不同的角度对PCM系统进行设计与仿真，详细的分析了在模拟语音信号与数字语音信号之间的转换中均匀量化对系统的影响以及非均匀量化的作用。
关键字PCM；均匀量化；非均匀量化The quantitative analysis of PCM system Computer and Information Engineering College Communications Engineering.ShenZhe 200911103657Directed by YuZongZuo lecturerAbstract This paper, from the uniform quantitative and non-uniform quantitative different angles on PCM system design and simulation, detailed analysis of the speech signal and digital simulation in speech signal conversion between even quantification and influence of system of uniform quantitative role.Keywords PCM; Even quantitative; Non-uniform quantitative1、引言随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。
基于信号的用于通信系统的动态仿真软件SystemView具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，并且提供了嵌入式的模块分析方法，形成多层系统，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。
师大学计算机与信息工程学院《通信软件》课程设计报告PCM系统的量化分析计算机与信息工程学院 2009级通信工程申哲 20091103965指导教师俞宗佐讲师摘要本文从均匀量化以及非均匀量化不同的角度对PCM系统进行设计与仿真，详细的分析了在模拟语音信号与数字语音信号之间的转换中均匀量化对系统的影响以及非均匀量化的作用。
关键字PCM；均匀量化；非均匀量化The quantitative analysis of PCM system Computer and Information Engineering College Communications Engineering.ShenZhe 200911103657Directed by YuZongZuo lecturerAbstract This paper, from the uniform quantitative and non-uniform quantitative different angles on PCM system design and simulation, detailed analysis of the speech signal and digital simulation in speech signal conversion between even quantification and influence of system of uniform quantitative role.Keywords PCM; Even quantitative; Non-uniform quantitative1、引言随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。
基于信号的用于通信系统的动态仿真软件SystemView具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，并且提供了嵌入式的模块分析方法，形成多层系统，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。
师大学计算机与信息工程学院《通信软件》课程设计报告PCM系统的量化分析计算机与信息工程学院 2009级通信工程申哲 20091103965指导教师俞宗佐讲师摘要本文从均匀量化以及非均匀量化不同的角度对PCM系统进行设计与仿真，详细的分析了在模拟语音信号与数字语音信号之间的转换中均匀量化对系统的影响以及非均匀量化的作用。
关键字PCM；均匀量化；非均匀量化The quantitative analysis of PCM system Computer and Information Engineering College Communications Engineering.ShenZhe 200911103657Directed by YuZongZuo lecturerAbstract This paper, from the uniform quantitative and non-uniform quantitative different angles on PCM system design and simulation, detailed analysis of the speech signal and digital simulation in speech signal conversion between even quantification and influence of system of uniform quantitative role.Keywords PCM; Even quantitative; Non-uniform quantitative1、引言随着电子技术和计算机技术的发展，仿真技术得到了广泛的应用。
基于信号的用于通信系统的动态仿真软件SystemView具有强大的功能，可以满足从底层到高层不同层次的设计、分析使用，并且提供了嵌入式的模块分析方法，形成多层系统，使系统设计更加简洁明了，便于完成复杂系统的设计。
SystemView具有良好的交互界面，通过分析窗口和示波器模拟等方法，提供了一个可视的仿真过程，不仅在工程上得到应用，在教学领域也得到认可，尤其在信号分析、通信系统等领域。
其可以实现复杂的模拟、数字及数模混合电路及各种速率系统，并提供了容丰富的基本库和专业库。
本文主要阐述了如何利用SystemView实现脉冲编码调制（PCM）。
系统的实现通过模块分层实现，模块主要由PCM编码模块、PCM译码模块、及逻辑时钟控制信号构成。
通过仿真设计电路，分析电路仿真结果，为最终硬件实现提供理论依据。
2.System View软件2.1 System view简介SystemView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。
2.2System view软件特点SystemView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、无绳、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、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，可以通过鼠标方便地控制部数据的图形放大、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实验目的：1.1熟悉和掌握systemview仿真软件；1.2设计和仿真出在均匀量化以及非均匀量化下的PCM系统；1.3分析和对比在均匀量化与非均匀量化下的输出波形有何区别；1.4在老师的指导下，要求独立完成课程设计的全部容，并按要求编写课程设计报告，能够正确阐述和分析实验结果。
4工作原理4.1 PCM系统介绍PCM即脉冲编码调制，就是把一个时间连续，取值连续的模拟语音信号变换成时间离散，取值离散的数字语音信号后在信道中传输。
PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。
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。
2.2电路组成模块PCM系统非均匀量化电路的组成原理框图如图1所示：图1 PCM系统非均匀量化原理框图PCM系统均匀量化电路的组成原理框图如图2 所示：图2 PCM系统均匀量化原理框图4.3 PCM系统的工作原理及过程PCM系统总电路仿真图如图3 所示：图3 PCM系统总电路图4.3.1 PCM系统输入信号在本系统输入信号采用的是三个信号经过混频器叠加的信号作为系统的输入信号，为了方便说明问题，采用了大信号与小信号两组信号进行实验，图4 、图5 为输入信号的波形。
图4 小信号输入波形图图5 大信号输入波形图4.3.2 PCM系统抽样抽样，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。
抽样定理指出，对于一个频带限制在零到fh的低通模拟信号抽样时，若最小抽样速率不低于奶奎斯特抽样速率2fh ，则能够无失真的输出原模拟信号。
4.3.3 PCM 系统量化从数学上来看，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6所示，量化器Q 输出L 个量化值k y ，k=1，2，3，…，L 。
k y 常称为重建电平或量化电平，当量化器输入信号幅度x 落在k x 与1+k x 之间时，量化器的输出电平为k y 。
此时，这个量化过程就可以表达为：{}1(),1,2,3,,k k k y Q x Q x x x y k L +==<≤==L这里k x 称为分层电平或判决阈值。
通常k k k x x -=∆+1称为量化间隔。
下图为模拟信号的量化图：图6 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
均匀量化是指把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。
利用A/D 转换器就可实现均匀量化。
完成A/D 转换后利用带使能端的8路数据选择器的数据并/串转换，用三个信号为选择控制端，在这里控制轮流输出并行数据为串行数据，通过数据选择器还可以实现码速转换功能，这样就能接收量化波形。
图7、图8 为大小信号时均匀量化的量化波形图：图7 小信号的均匀量化波形图模拟入 y x量化器 量化值图8 大信号的均匀量化波形图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v∆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。
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μ压缩律和A压缩律。
美用μ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。
非均匀量化在大小信号时的量化波形图如图10、图11所示：图10 小信号非均匀量化量化波形图11 大信号非均匀量化量化波形4.3.4 PCM系统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畴。
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A/D转换器中，将量化信号编码用8bit 表示，其中第一位为极性表示，这样产生了64kbit/s的语音压缩编码。
4.3.5 PCM系统译码在均匀量化的过程中，将所编码的信号用D/A转换器译码出来，出来的信号通过一个3阶的巴特沃斯低通滤波器，因为采样脉冲不可能是理想冲激函数会引入孔径失真，量化时也会带来量化噪声，及信号再生时引入的定时抖动失真，需要对再生信号进行幅度及相位的补偿，同时滤除高频分量，在这里使用与编码模块中相同的低通滤波器。
采用均匀量化后PCM系统还原出来的大小信号为图12、图13所示：图12 小信号均匀量化后还原波形图13 大信号均匀量化后还原波形采用非均匀量化将所编码的信号用D/A转换器译码出来，在通过通过巴特沃斯低通滤波器前需要将信号采用13线A律瞬时扩。
采用非均匀量化后PCM 系统还原出来的大小信号为图14、图15所示：图14 小信号非均匀量化后还原波形图15 大信号非均匀量化后还原波形5 均匀量化与非均匀量化分析比较5.1大信号情况下均匀量化与非均匀量化的比较PCM系统在大信号时均匀量化与非均匀量化还原出来的信号同输入信号比较，图16、图17即为比较图：图16大信号均匀量化后还原波形与输入信号比较图17 大信号非均匀量化后还原波形与输入信号比较根据图16 大信号均匀量化后还原波形与输入信号比较图以及图17大信号非均匀量化后还原波形与输入信号比较发现在大信号时，采用均匀量化与非均匀量化所还原出来的信号与输入信号并无很大的区别，只是稍稍有点延迟。
