基于 MATLAB 的PCM系统仿真设计与实现要点

课程设计(论文)任务书信息工程学院通信工程专业14-2 班一、课程设计(论文)题目脉冲编码调制(PCM)系统设计与仿真二、课程设计(论文)工作自2017年1 月3日起至2017年1月 13日止。

三、课程设计(论文) 地点: 图书馆、寝室、通信实验室（4-410）。

四、课程设计(论文)内容要求：1．本课程设计的目的（1）使学生掌握通信系统各功能模块的基本工作原理；（2）培养学生采用Matlab与Simulink相结合对各种编码与解码进行仿真的方法；（3）培养学生对PCM的理解能力；（4）能提高和挖掘学生对所学知识的实际应用能力即创新能力；（5）提高学生的科技论文写作能力。

2．课程设计的任务及要求1）基本要求：（1）学习Matlab与Simulink仿真软件的使用；（2）对PCM，DPCM，ΔM编码与解码各功能模块的工作原理进行分析；（3）提出各种编码与解码电路的设计方案，选用合适的模块；（4）对所设计系统进行仿真；（5）并对仿真结果进行分析。

a. 采样定理的原理仿真b. PCM编码与解码c. DPCM编码与解码；增量调制（至少选做一种）2）创新要求：3）课程设计论文编写要求（1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等（3）毕业论文装订按学校的统一要求完成4）答辩标准：（1）完成原理分析（20分）（2）系统方案选择（30分）（3）仿真结果分析（30分）（4）论文写作（20分）5）参考文献：（1）王俊峰.《通信原理MATLAB仿真教程》人民邮电出版社第1版 .2010.11.1 （2）赵静.《基于MATLAB的通信系统仿真》北京航空航天大学出版社6）课程设计进度安排内容天数地点构思及收集资料 2 图书馆仿真 5 实验室撰写论文 3 实验室学生签名：2017年1月3日课程设计(论文)评审意见（1）完成原理分析（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（2）系统方案选择（30分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（3）仿真结果分析（30分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）论文写作（20分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）格式规范性及考勤是否降等级：是（）、否（）评阅人：职称：副教授2017年1月13日目录摘要 (I)Abstract............................................................................................................................................................... I I1 绪论 (1)2 PCM脉冲编码原理 (2)2.1 模拟信号的抽样及频谱分析 (2)2.1.1 信号的采样 (2)2.1.2 抽样定理 (2)2.1.3 采样信号的频谱分析 (3)2.2 量化 (3)2.2.1 量化的定义 (3)2.2.2 量化的分类 (4)2.2.3 MATLAB的A律13折线量化 (10)2.3 PCM编码 (10)2.3.1 编码的定义 (10)2.3.2 码型的选择 (11)2.3.3 ＰＣM脉冲编码的原理 (11)3 PCM的MA TLAB实现 (13)3.1 PCM抽样的MATLAB实现 (13)3.2 PCM量化的MATLAB实现 (16)3.2.1 PCM均匀量化的MATLAB实现 (16)3.2.2 PCM A律非均匀量化的MATLAB实现 (18)3.3 PCM A律13折线编码的MATLAB实现 (20)4结果分析及总结 (23)参考文献 (24)。

PCM编译码器的仿真设计摘要随着通信事业的发展，特别是电子器件、集成电路、脉冲技术的发展，脉冲编码通信（PCM）得到了广泛的发展与应用。

PCM是一种一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现数字通信的方式。

由于这种通信方式抗干扰能力强，易于加密，易于集成化小型化，因此它已成为数字通信网与综合业务数字网中的主要传输方式。

本设计分别基于MATLAB和FPGA完成了PCM的编译码过程，整个系统包含有A 律13折线编码、PCM线路编码如HDB3码及PCM组帧（复用）过程，以及对应的13折线译码、线路译码及解复用过程的各个模块。

能够完整的实现PCM的编译器的整个过程。

关键词：PCM MATLAB FPGA线路编译码复用Design and Simulation of the PCMIncoding and DecodingAbstractWith the development of communication technology, especially the development of electronic components, integrated circuit, pulse technology, pulse code communication (PCM) has widely development and application. PCM is a set of binary digital code instead of a continuous signal sampling value, so as to realize the digital communication. Because of this communication mode and stronganti-interference ability, easy encryption, easy integration of small, so it has become the main mode of transmission of digital communication network and integrated services digital network.The design of MATLAB and FPGA were completed based on encoding and decoding process of PCM, the whole system includes the A Law 13 l ine coding, PCM line code such as HDB3 code and PCM framing (multiplexing) process, and the decoding of 13 line, line corresponding decoding and demultiplexing process each module. Can realize the whole process of PCM compiler completeKeywords：PCM ;FPGA ;MATLAB ;Line coding ;multiplexing目录1 引言 (1)1.1 设计的背景及意义 (1)1.2 PCM编译码系统的发展历史及研究现状 (1)1.3 PCM通信系统原理 (2)1.4 方案选择 (4)1.4.1 MATLAB软件仿真 (4)1.4.2 VHDL硬件编程 (5)2 MATLAB软件设计 (7)2.1总体结构框图 (7)2.2正弦信号产生模块 (8)2.3 A律13折线的编码译码 (8)2.3.1 编码模块及仿真 (10)2.3.2 译码模块及仿真 (11)2.4复用模块 (12)2.5 HDB3编译码模块 (13)2.5.1 HDB3编码模块 (14)2.5.2 HDB3译码模块 (17)3 VHDL硬件编程设计 (18)3.1 Quartus II软件设计结构 (18)3.2 A率13折线编解码模块 (18)3.2.1 A率13折线编码模块 (19)3.2.2 A率13折线译码模块 (19)3.3复用解复用模块 (20)3.3.1时分复用模块 (21)3.3.2时分解复用模块 (22)3.4 HDB3编译码模块 (23)3.4.1 HDB3编码模块 (23)3.4.2 HDB3译码模块 (30)4 总结 (33)谢辞 (34)参考文献 (35)附录 (36)1 引言1.1 设计的背景及意义随着科学技术的不断发展，数字通信在日常生活中到处可见，在数字通信中编解码器的应用更是很广泛。

用MATLAB程序开发设计PCM编码调制系统目录一、作业要求 (1)二、PCM编解码原理简述 (1)三、MATLAB程序及仿真结果 (6)一、作业要求用MATLAB程序开发设计PCM编码调制系统。

系统参数设置如下：1．输入模拟信源的最高频率限制在4KHz以内（可以是正弦信号，也可随机产生信号）；2．信号平均功率的动态范围≥30dB（自行设定幅度区间）。

要求完成以下工作：1．采用均匀量化，若要求信噪比不应低于25dB，不考虑线路衰减和损耗，则设计该均匀量化器，并显示原始输入信号，量化输出信号，以及编码结果。

2．若采用A律13折线PCM编码，显示原始输入信号图及解码后的信号图；打印输出编码结果，并比较译码后的量化误差。

二、PCM编解码原理简述均匀量化的基本原理在脉冲编码调制中，模拟信号首先以高于奈奎斯特的速率采样，然后将所的样本量化。

假设模拟信号是以［-Ⅹmax,Ⅹmax ］表示的区间内分布的，而量化电平数很大。

量化电平可以是相等的或是不相等的；前者就属于均匀PCM ，而后者就是非均匀PCM 。

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()s x kT ，量化后的值为()q s x kT ， x q (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(S q /N q ),其中S q 表示量化信号值x q (kTs)产生的功率，N q 表示量化误差功率，量化信噪比越大，则量化性能越好。

在均匀PCM 中，长度为2X max 的区间［-Ⅹmax ,Ⅹmax ］被划分为N 个相等的子区间，每一子区间长度为△=2X max /N 。

如果N 足够大，那么在每一子区间内输入的密度函数就能认为是均匀的，产生的失真为D=△2/12。

实验二：PCM系统仿真一、实验目的：1、掌握脉冲编码调制原理；2、理解量化级数、量化方法与量化信噪比的关系。

3、理解非均匀量化的优点。

二、实验内容：1、对模拟信号进行抽样和均匀量化，改变量化级数和信号大小，根据MATLAB仿真获得量化误差和量化信噪比。

(必做)2、对模拟信号进行抽样、A律压缩量化，改变量化级数和信号大小，根据MATLAB仿真获得量化误差和量化信噪比。

(选做)3、对抽样值进行A律13折线编码。

(选做)三、实验步骤1、均匀量化(必做)1) 产生一个周期的正弦波x(t) = cos (2 * pi *t )，以1000Hz频率进行采样，并进行8级均匀量化，用plot函数在同一张图上绘出原信号和量化后的信号。

(保存为图2-1)2) 以32Hz的抽样频率对x(t)进行抽样，并进行8级均匀量化。

绘出正弦波波形(用plot函数)、样值图，量化后的样值图、量化误差图(后三个用stem函数)。

(保存为图2-2)3) 以2000Hz对x(t)进行采样，改变量化级数，分别仿真得到编码位数为2～8位时的量化信噪比，绘出量化信噪比随编码位数变化的曲线。

另外绘出理论的量化信噪比曲线进行比较。

(保存为图2-3)4)在编码位数为8和12时采用均匀量化，在输入信号衰减为0～50 dB时，以均匀间隔5 dB仿真得到均匀量化的量化信噪比，绘出量化信噪比随信号衰减变化的图形。

注意，输入信号减小时，量化范围不变；抽样频率为2000 Hz。

(保存为图2-3-2)2) 在编码位数为8和12时均匀量化、编码位数为8时A律压扩量化，在输入信号衰减为0～50dB 时，以均匀间隔5dB仿真得到量化信噪比，绘出量化信噪比随信号衰减变化的图形。

另外绘出8和12位编码时采用均匀量化的理论量化信噪比曲线进行比较。

注意，输入信号减小时，量化范围不变；抽样频率为2000Hz。

(保存为图2-5)二、实验思考题：1、图2-3表明均匀量化信噪比与量化级数(或编码位数)的关系是怎样的？答：量化信噪比随着量化级数的增加而提高，当量化级数较小是不能满足通信质量的要求2、分析图2-5，A律压缩量化相比均匀量化的优势是什么？(选做)答：量化信噪比随着量化级数的增加而提高，当量化级数较小是不能满足通信质量的要求源程序：。

通信系统仿真设计实训报告1.课题名称：基于 MATLAB 的PCM系统仿真设计与实现学生学号：学生姓名：所在班级：任课教师：2016年 10月25日目录1．PCM技术的产生和发展 (3)2 课题设计内容 (4)3 PCM基本原理 (4)3.1 抽样 (4)3.2 量化 (4)3.3 编码 (7)3.4 时分多路复用 (9)4 PCM系统仿真电路设计 (10)4.1 总体设计思想 (10)4.2 各模块的设计和仿真图形分析 (10)4.2.1 PCM编码模块设计 (10)4.2.2 PCM解码模块设计 (14)4.2.3 PCM系统总体模块 (15)5 结论 (17)6 参考文献 (18)1．PCM技术的产生和发展脉冲编码调制，由A.里弗斯于1937年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础，60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大24～48倍。

到70年代中、末期，各国相继把脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。

80年代初，脉码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。

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（pulse code modulation），即脉冲编码调制。

这种电的数字信号称为数字基地信号，由PCM电端机产生，现在的数字传输系统都是采用脉冲编码调制（pulse code modulation）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有两种标准（表现形式）即T1和E1。

中国采用的是欧洲的E1标准。

T1的速率是1.544Mbit/s，E1的速率是2.048Mbit/s。

脉冲编码调制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。

PCM系统Simulink框图的设计
PCM系统抽样、量化、编码的仿真框图设计一、系统的框图
图1 系统的总体框图
二、抽样
抽样仿真框图及波形
图2 PCM系统抽样仿真框图
图3 PCM系统抽样系统波形三、量化
量化仿真框图及波形
图4 PCM系统量化及A律压缩框图
图5 PCM系统量化及A律压缩波形四、编码
PCM系统编码框图及波形
图6 PCM系统编码框图
图7 PCM系统编码波形
五、总结
1.抽样到量化之间要对负半轴的波形变换到正半轴。

2.要对取绝对值的波形在量化阶段进行A律压缩。

3.对信号的量化及压缩过程根据需要进行信号的增益。

4.编码阶段的参数设置：有符号的为8位码、无符号的为7位码。

现代通信原理课程设计报告题目：基于Matlab的A律PCM编码系统设计与仿真*名：**学院：研究生院专业：电子与通信工程指导教师：**完成日期：2013 年4 月14日基于Matlab 的A 律PCM 编码系统设计与仿真1 系统设计原理1.1脉冲编码调制（PCM ）脉冲编码调制(PCM ，Pulse Code Modulation)在通信系统中完成将语音信号数字化功能。

是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟信号变换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 。

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。

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,采用非均匀量化PCM 编码示意图如图1.2 A 律压缩律原理广泛采用的两种对数压缩律是μ压缩律和A 压缩律。

美国采用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。

所谓A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：A X A Ax y 10,ln 1≤<+=11,ln 1ln 1<≤++=X A A Ax y式中，x 为压缩器归一化输入电压；y 为压缩器归一化输出电压；A 为常数，决定压缩程度。

A 压缩律中的常数A 不同，则压缩曲线的形状也不同，它将特别影响小电压时的信号量噪比的大小，在实用中，选择A 等于87.6。

A 律压缩律表示式是一条连续的平滑曲线，用电子线路很难准确的实现。

由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码, 压扩特性图如下图所示A律函数13折线压扩特性图图中横坐标x在0~1区间中分为不均匀的8段。

2/1~1间的线段称为第8段；4/1~2/1间的线段称为第7段；8/1~4/1间的线段称为第6段；依此类推，直到0~128/1间的线段称为第1段。

天津理工大学计算机与通信工程学院通信工程专业设计说明书基于Matlab/Simulink的PCM调制解调仿真设计与研究姓名史波学号 20102147班级 10通信3班指导老师白育堃、王俊峰日期 2013.11.26目录摘要： 1关键词： 1一 Matlab及simulink简介 21.1 Matlab简介 21.2 Matlab的功能和特点 31.3 Simulink简介 31.4Simulink的功能和特点 4二 PCM基本原理 42.1 抽样 52.2 量化 52.3 编码 72.4 时分多路复用 9三 PCM系统仿真电路设计 103.1 总体设计思想 103.2 各模块的设计和仿真图形分析 11 3.2.1 PCM编码模块设计 113.2.2 PCM解码模块设计 153．2.3 PCM系统总体模块 17结束语 19结论 20参考文献 21摘要：本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。

课题中主要分为三部分对脉冲编码调制（PCM）系统原理进行建模与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的建模仿真。

同时仿真分析了采样与欠采样的波形、均匀量化与A律13折线非均匀量化的量化性能及其差异。

通过对脉冲编码调制（PCM）系统原理的仿真分析，设计者对PCM原理及性能有了更深刻的认识，并进一步掌握MATLAB软件的使用。

关键词：脉冲编码调制（PCM）均匀与非均匀量化 MATLAB一 Matlab及simulink简介Matlab是由美国的mathworks公司出品的一款商业性数学软件。

可用于数据的可视化、算法的开发、数值的计算和数据分析的交互式的环境和高级的技术计算语言。

其主要包括SIMULINK与MATLAB两大部分。

1.1 Matlab简介MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。

电子与信息工程学院课程设计报告（2013 —2014 学年第二学期）课程名称：课程设计3 班级：浦电子1103，1104学号：P**********，P**********姓名：吴欣欣，谢玲指导教师：武晓光、毛钱萍、胡方强、包亚萍2014 年 6 月目录6.1 基本原理 (4)6.1.1 PCM原理简介 (4)6.1.2 13折线图 (5)6.2 PCM编解码程序实现仿真 (6)6.2.1 PCM编码 (6)6.2.2 A律程序 (7)6.2.3 PCM解码 (8)6.2.4仿真出图 (10)6.3采用simulink进行PCM编码仿真 (11)6.3.1解码器 (11)6.3.2编码器 (13)6.3.3 串行编解码 (14)6.3.4仿真图像 (15)6.4 噪声影响与性能分析 (16)6.4.1 PCM通信系统的主要参数设置 (16)6.4.2 PCM系统中噪声的影响 (16)6.5实验小结 (18)6.1 基本原理6.1.1 PCM原理简介脉冲编码调制（PCM）是一种模拟信号的数字化方法。

PCM系统将信号按照其强度依照同样的间距分成数段，然后每段用独特的数码（通常是二进制）来量化。

PCM常被用于数字电信系统上，也是计算机和CD红皮书中的标准形式。

在数字视频通信系统中，它也是标准。

PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。

PCM调制主要经过3个过程：抽样、量化和编码。

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。

抽样速率采用信号最大频率分量的频率的3倍到5倍。

量化，也叫分层，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。