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1、塔里木大学信息工程学院课程设计第 1 页 共 17 页1 前言数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用，借助于 MATLAB 软件，可以直观、方便地进行计算和仿真。因此可以通过运行结果，分析系统特性。近年来，计算机多媒体教序手段的运用逐步普及，大量优秀的科学计算和系统仿真软件不断涌现，为我们实现计算机辅助教学和学生上机实验提供了很好的平台。通过对这些软件的分析和对比，我们选择 MATLAB 语言作为辅助教学工具
2、，借助 MATLAB 强大的计算能力和图形表现能力，将通信原理中的概念、方法和相应的结果，以图形的形式直观地展现给我们，大大的方便我们迅速掌握和理解老师上课教的有关的知识。MATLAB 是MathWork 公司于1984 年推出的一套面向工程和科学运算的高性能软件。它具有强大的矩阵计算能力和良好的图形可视化功能，为用户提供了非常直观和简洁的程序开发环境，因此被称为第四代计算机语言，MATLAB 强大的图形处理功能及符号运算功能，为我们实现信号的可视化及系统分析提供了强有力的工具。MATLAB 强大的工具箱函数及系统仿真软件Simulink可以分析连续信号、连续系统，同样也可以分析离散信号、离散
3、系统，并可以对信号进行各种分析域计算，如相加、相乘、移位、反折、傅里叶变换、拉氏变换、Z 变换等等多种计算。此次课程设计是在Matlab软件下对脉冲编码调制(PCM)系统及其三过程抽样、量化及编码进行了模型构建、系统设计、仿真演示以及结果分析。2 工程概况脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号数字化的基本方法之一，它通过抽样、量化和编码，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，然后再信道中传输。其中 PCM 编码过程直接把量化包含在内了。差分编码调制（DPCM）是在 PCM 编码调制的基础上所采用的预测编码调制，在预测编码中每个抽样值不是独立的编码而是根据前几个抽样值
4、计算出一个预测值，再取当前抽样值与预测值之差，将此值进行编码并传输。本次课程设计主要是对其三个过程进行仿真及编程分析。由于时间原因，我们就用九天完成该课程设计。3 正文3.1 设计的目的和意义作为通信工程专业的一名学生，通信原理课程无疑是我所必修专业课中的重点，对于我们将来所要从事的领域有着直接的作用，学好这门课是无可厚非的。然而，对于课堂上老师的讲解，最多只能做到了解，真正的理论知识显得枯燥而乏味，没有得到实用的理论等于一纸空文。在这次课程设计中，旨在让我们更深入的了解这门科目某些应用方面以及如何应用自己所学知识去做事情。同时，锻炼我们的动手能力，以及运用软件来实现通信系统中的的工作模式。这
5、对于我们塔里木大学信息工程学院课程设计第 2 页 共 17 页即将进入大三的学生是很好的历练，让我们学会发现问题，分析问题，解决问题。4.1DPCM 编码调制设计及其原理通过 DPCM 编码和 BCH 码对语音信号基带通信传输系统进行仿真。根据 DPCM 编解码和BCH 编解码原理，运用 DPCM Encoder 等模块，对语音信号基带通信传输系统进行绘制，设置模块参数，然后运行，最后通过示波器得到相应的仿真波形。通过对仿真波形的观察，能够检验该系统功能是否正确实现。4.1.1 DPCM 原理分析 输入一个正弦信号，对其进行 DPCM 编码后再进行 BCH 编码，送入二进制对称信道传输，在接收
6、端对其进行 BCH 解码和 DPCM 解码以恢复原信号。观察传输前后波形变化。进行语音信号基带通信传输系统基于 DPCM 编码和 BCH 码的仿真，首先要对输入信号进行DPCM 编码。DPCM 编码是经过抽样、量化、编码等过程，将输入的模拟信号编程数字信号。DPCM 编码是广泛运用的预测编码方法之一。在 DPCM 编码中，每个抽样值不是独立的编码，而是将前一个抽样值当做预测值，然后再取当前抽样值和预测值之差进行编码并传输。DPCM 译码同样是将前一个值当做预测值，然后取当前值与预测值之差进行解码，将一个个脉冲码组转换成对应的量化采样值，最后经过一个低通滤波器重建原模拟信号。DPCM 系统原理方
7、框图如图 4-1所示。抽样 量化器 编码器 信道 译码器延迟Ts延迟Ts图 4-1DPCM 系统原理方框图4.1.2BCH 编码原理分析在进行完 DCPM 编码后，要利用 BCH 码进行纠错编解码。BCH 码是一种获得广泛应用的能够纠正多个错码的循环码。BCH 码是一类能够先确定纠错能力 t，然后设计码长和生成多项式的码。对于任意的整数 m 和可达到的纠错数 t，都可以构造出一个设计距离为的二元本原 BCH 码满足：1t2dk-nr12n 0min，BCH 码的码长 n 与监督位、纠错个数 t 之间的关系如下：对于正整数 m（m3）和正整数t1，且除得尽(2m-1)，则为非本原 BCH 码。4
8、.2 基于 SIMULINK 的 DPCM 编码 BCH 码传输系统仿真在模型建立界面中加入正弦信号后，双击正弦信号模块，可对正弦信号进行设置。在塔里木大学信息工程学院课程设计第 3 页 共 17 页Frequency 栏中填入正弦信号的频率，本次课程设计中用的是频率为 2*pi 的模拟正弦信号。进行完正弦信号模块参数的设置后，添加一个示波器模块观察正弦信号的仿真波形。模拟正弦信号仿真波形图如图 4-2 所示。图 4-2 输入正弦信号的仿真波形图完成正弦信号的调用及观察后，接下来要对产生的模拟信号进行 DPCM 编码，调用一个DPCM Encoder，双击模块进行参数设置。DPCM 模块的参数
9、设置程序如一下程序段所示： t=0:0.1:10;x=sin(2*pi*t); help dpcmopt PREDICTOR,CODEBOOK,PARTITION = DPCMOPT(x,1,4)依据以上程序可得到 DPCM Encoder 的参数：PREDICTOR =0 0.8172CODEBOOK =-0.5129 -0.1816 0.1816 0.5129PARTITION =-0.3473 0.0000 0.3473将计算所得的结果相应的填入 DPCM Encoder 模块参数设置对话框中，单击“OK ”完成DPCM Encoder 模块参数设置。运用示波器观察 DPCM 编码后仿真
10、波形。DPCM 编码模型图如图4-3 所示。图 4-3DPCM 编码模型图DPCM 编码仿真波形如图 4-4 所示。塔里木大学信息工程学院课程设计第 4 页 共 17 页图 4-4DPCM 编码仿真波形图进行完模拟信号的 DPCM 编码后，就将模拟信号转化为了数字信号，此时的数字信号是以整数的形式表示的，在进行下一步的纠错编码前，要将信号从整数形式转化为比特形式，因此需要调用一个 Integer to Bit Converter 模块进行数码转化。双击模块进行参数设置，在弹出的对话框中填入每个整数所转换的比特数，单击“OK”完成设置。本次课程设计中我是将一个数转化为 2 bit，故在参数设置对
11、话框中应填入“2” 。用示波器观察数码转换后仿真波形图。模拟信号 DPCM 编码数码转换模型图如图 4-5 所示。图 4-5 数码转换模型图数码转换仿真波形图如图 4-6 所示。图 4-6 数码转换仿真波形图塔里木大学信息工程学院课程设计第 5 页 共 17 页如图 4-6 所示，模拟信号经过 DPCM 编码、数码转换后的波形在示波器中是并行输出的，为了便于观察，我们需要进行串并转换，调用模块 Frame Conversion、Buffer、Unbuffer，并在Buffer 中设置输入的并联数据路数，单击 “OK”完成设置。由于要多次运用串并转换，为了简化模型建立，我们可以将串并转换模型打包
12、，作为一个模块使用。串并转换模块如图 4-7 所示。图 4-7 串并转换模块完成串并转换后用示波器观察结果。串并转换后模拟信号 DPCM 编码模型如图 4-8 所示。图 4-8 串并转换后 DCPM 编码模型图串并转换后 DPCM 仿真波形如图 4-9 所示。图 4-9 串并转换后 DPCM 仿真波形图根据课程目的，完成模拟信号的 DPCM 编码后，要将编码后的信号调用通信模块库中的 BCH Encoder 模块再进行纠错编码。BCH 编码需要调用 Buffer、BCH Encoder 及串并转换模块。本次课程设计中由于 BCH Encoder 采用默认参数，即 N=15，K=5，故 Buff
13、er 模块的参数应设置为 5，模拟信号 DPCM 编码后进行 BCH 编码模型图如图 4-10 所示。塔里木大学信息工程学院课程设计第 6 页 共 17 页图 4-10BCH 编码模型图BCH 编码后仿真波形图如图 4-11 所示。图 4-11 BCH 编码仿真波形图至此发射部分处理完毕，通过设置 scope 通路参数可以将各个波形在一张图上显示对比。具体电路连接如图 4-12，对应观察到的波形如图 4-13。图 4-12 发射部分电路塔里木大学信息工程学院课程设计第 7 页 共 17 页图 4-13 发射部分电路仿真波形图完成 BCH 编码后，将编码后的信号通过二进制对称信道，并用示波器观察
14、输出的仿真波形图。本次课程设计的码元干扰设为 0。调制信号经过二进制对称信道后的仿真模型图如图 4-14 所示。图 4-14 调制信号通过二进制对称信道模型图塔里木大学信息工程学院课程设计第 8 页 共 17 页调制信号通过二进制对称信道仿真波形如图 4-15 所示。图 4-15 调制信号通过二进制对称信道仿真波形图完成 DPCM 编码、BCH 编码后，就要进行相应的解码，并用低通滤波器还原出原始波形。首先进行的是 BCH 纠错解码。调用 BCH Decoder 模块，进行串并转换后用示波器观察仿真波形图。本次课程设计采用 BCH Decoder 的默认参数。BCH 解码模型图如图 4-16
15、所示。图 4-16BCH 解码模型图接下来进行 DPCM 解码。因为 DPCM 解码只能针对数字信号而言，故先要将信号进行数码转换，将二进制码元转化为数字。因为必须要使码元的延时为数字转换为码元数值的整数倍，即塔里木大学信息工程学院课程设计第 9 页 共 17 页为 2 的整数倍，故需在数码转换模块前加入一个数值为奇数的码元的延时模块。BCH 解码后信号进行数码转换的模型图如图 4-17 所示。图 4-17 码数转换模型图码数转换后仿真波形如图 4-18 所示。图 4-18 码数转换仿真波形图进行完信号的码数转换，即可调用 DPCM Decoder 模块对信号进行 DPCM 解码。使用 DPC
16、M模块首先要双击进行模块的参数设置。DPCM Decoder 模快的参数设置与 DPCM Encoder 模块的参数设置应当一致。进行完参数设置后，可通过示波器观察 DPCM 解码后的仿真波形图。DPCM 解码的模型如图 4-19 所示。塔里木大学信息工程学院课程设计第 10 页 共 17 页图 4-19DPCM 解码模型图DPCM 解码仿真波形如图 4-20 所示，此处对比解码前波形。图 4-20DPCM 解调仿真波形图最后还原出原始信号，需要通过一个低通滤波器。本课程设计选择的是巴特沃兹低通滤波器。在通信模块库中选择一个低通滤波器模块，双击设置模块参数，在 Passband edge Frequency 一栏中填入与输入正弦波信号相同的频率，单击“OK”完成设置。因为刚开始输入的模拟正弦信号的频率设定为 2*pi，故巴特沃兹低通滤波器的频率也应当设置为 2*pi。用示波器观察还原信号。通过低通滤波器模型如图 4-21 所
