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1、1DPCM编码器与 DPCM解码器的 MATLAB实现及性能分析摘 要：利用 MATLAB集成环境下的 Simulink仿真平台,设计一个 DPCM编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。关键词：MATLAB ; DPCM 编码与解码系统；误码率；1 引言1.1 课程设计目的通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关 DPCM编码和解码的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力；同时对我们进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加科学工作打下良好的
2、基础。1.2 课程设计内容利用 MATLAB集成环境下的 Simulink仿真平台,设计一个 DPCM编码与解码系统.用示波器观察编码与解码前后的信号波形;加上各种噪声源,用误码测试模块测量误码率;最后根据运行结果和波形来分析该系统性能。1.3 预测编码预测编码方法是一种较为实用被广泛采用的一种压缩编码方法。预测编码方法原理，是从相邻像素之间有强的相关性特点考虑的。比如当前像素的灰度或颜色信号，数值上与其相邻像素总是比较接近，除非处于边界状态。那么预测编码2(predictive coding)是统计冗余数据压缩理论的三个重要分支之一，它的理论基础是现代统计学和控制论。由于数字技术的飞速发展，
3、数字信号处理技术不时渗透到这些领域，在这些理论与技术的基础上形成了一个专门用作压缩冗余数据的预测编码技术。预测编码主要是减少了数据在时间和空间上的相关性，因而对于时间序列数据有着广泛的应用价值。在数字通信系统中，例如语音的分析与合成，图像的编码与解码，预测编码已得到了广泛的实际应用。预测编码是根据某一模型利用以往的样本值对于新样本值进行预测，然后将样本的实际值与其预测值相减得到一个误差值，对于这一误差值进行编码。如果模型足够好且样本序列在时间上相关性较强，那么误差信号的幅度将远远小于原始信号，从而可以用较少的电平类对其差值量化得到较大的数据压缩结果。如果能精确预测数据源输出端作为时间函数使用的
4、样本值的话，那就不存在关于数据源的不确定性，因而也就不存在要传输的信息。换句话说，如果我们能得到一个数学模型完全代表数据源，那么在接收端就能依据这一数学模型精确地产生出这些数据。然而没有一个实际的系统能找到其完整的数据模型，我们能找到的最好的预测器是以某种最小化的误差对下一个采样进行预测的预测器。，当前像素的灰度或颜色信号的数值，可用前面已出现的像素的值，进行预测（估计） ，得到一个预测值（估计值） ，将实际值与预测值求差，对这个差值信号进行编码、传送，这种编码方法称为预测编码方法。预测编码方法分线性预测和非线性预测编码方法。线性预测编码方法，也称差值脉冲编码调制法，简称 DPCM（diffe
5、rential Pulse Code Modulation） 。预测编码方法在图像数据压缩和语音信号的数据压缩中都得到广泛的应用和研究。1.4 DPCM的基本原理DPCM编码,简称差值编码，是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式(抽样差值的含义请参见“增量调制”)。这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。对于有些信号(例如图像信号)由于信号的瞬时斜率比较大，很容易引起过载，因此，不能用简单增量调制进行编码，除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方法，
6、只能采用瞬时压扩的方法。但3瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这类瞬时斜率比较大的信号，通常采用一种综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方法进行编码，这种编码方式被简称为脉码增量调制，或称差值脉码调制，用 DPCM表示。 这种调制方式的主要特点是把增量值分为个等级，然后把个不同等级的增量值编为位二进制代码( )再送到信道传输，因此，它兼有增量调制和 PCM的各自特点。设这个误差电压经过量化后变为个电平中的一个，电平间隔可以相等，也可以不等，这里认为它是间隔相等的均匀量化。量化了的误差电压经过脉冲调制器变为PAM脉冲序列，这个 PAM信号一方面经过 PAM编码器编码后得到 DPCM信号发
7、送出去。另一方面把它经过积分器后变为与输入信号 x(t)进行比较，通过相减器得到误差电压 e(t)。实验表明，经过 DPCM调制后的信号，其传输的比特率要比 PCM的低，相应要求的系统传输带宽也大大地减小了。此外，在相同比特速率条件下，DPCM 比 PCM信噪比也有很大的改善。与 M 相比，由于它增多了量化级，因此，在改善量化噪声方面优于 M 系统。DPCM 的缺点是易受到传输线路上噪声的干扰，在抑制信道噪声方面不如 M。2 DPCM编码及解码过程和原理 量 化 器预 测 器预 测 器编 码 器解 码 器f(i,j)e(i,j) e(i,j)(i,j) f(i,j)f(i,j)e(i,j)f(
8、i,j) f(i,j)输 入输 出 信道传输fDPCM 编、解码原理图4系统包括，发送、接收和信道传输三个部分。发送端由编码器、量化器、预测器和加减法器组成；接收端包括解码器和预测器等；信道传送以虚线表示。由图可见 DPCM系统具有结构简单，容易用硬件实现（接收端的预测器和发送端的预测器完全相同）的优点。图中输入信号 f(i,j)是坐标为 (,)ij 像素点的实际灰度值，$(,)fij 是由已出现先前相邻像素点的灰度值对该像素点的预测灰度值。 eij(,) 是预测误差。假如发送端不带量化器，直接对预测误差 eij, 进行编码、传送，接收端可以无误差地恢复 fij(,) 。这是可逆的无失真的 D
9、PCM编码，是信息保持编码；但是，如果包含量化器，这时编码器对 eij(,) 编码，量化器导致了不可逆的信息损失，这时接收端，经解码恢复出的灰度信号，不是真正的 fij(,) ，以 fij(,) 表示这时的输出。可见引入量化器会引起一定程度的信息损失，使图像质量受损。但是，为了压缩比特数，利用人眼的视觉特性，对图像信息丢失不易觉察的特点，带有量化器有失真的 DPCM编码系统还是普遍被采用。3 模块设计与仿真图形分析3.1 simulink的工作环境熟悉建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图 1 所示：系统中所需的模块：正弦波模块，示波器模块。图 1 正弦仿真电路图正弦波参数
10、设置如图 2所示：5图 2 正弦参数设置系统内的示波器显示的波形如图 3所示：图 3 单正弦波与平方波的对比结论：两正弦波叠加之后的周期是原周期的 1/2,频度是原频度的 2倍。63.2 DPCM编码与解码的电路图1）DPCM 编码与解码的仿真电路图如图 4所示此系统所用的仿真电路模块有：正弦波模块、增益模块、DPCM 编码模块、DPCM解码模块、 、数制转换模块、 Terminator模块、示波器模块。正弦信号用于输入信号，示波器用于观察波形。图 4 DPCM编码与解码的电路图2） 系统所用模块的参数设置调制信号模块的参数设置：正弦波幅度设计为 1，频率 Frequency设置为 1。7图
11、5调制信号的参数设置DPCM Encoder的参数设置如下图 6所示：图 6 DPCM Encoder的参数设置DPCM decoder的参数设置如图 7所示：8图 7 decoder的参数设置数制转换模块参数设置如图 8和 9所示：图 8 数制转换模块参数设置9图 9 数制转换模块参数设置示波器的参数设置：示波器有 3个接口，时间范围设置为 auto，如图 10所示图 10 数制转换模块参数设置用示波器观察正弦信号的波形，进行 DPCM编码后的波形，进行 DPCM解码后的波形，如图 11所示:10图 11用示波器观察正弦信号的波形结论：不加任何干涉信号的原正弦信号的图形与进行 DPCM编码和
12、解码后的图形是一致的。4 问题处理在此次课程设计过程中遇到了不少问题，主要有以下几点：1 在刚开始课程设计之初，我对 DPCM编码与解码原理几乎一无所知，经过查阅资料，询问老师和同学，我逐步加强了对此原理的认识。2 在熟悉 simulink软件的过程中，我原来的 MATLAB7.1 中缺少 DPCM编码与解码模块（DPCM encoder 和 DPCM encoder） ，后来经过询问老师，我得知是我下载的版本不对，并建议我下载 MATLAB6.5版本，于是我就顺利的将接下来的工作进行了下去。3 在参数的设置过程中,开始用默认参数,但是调试过程中波形有问题,在查阅相关资料之后才根据实际要求设置
13、了合理的参数。 115 结束语通过本次课程设计，我们这要了解随机信号二进制的 DPCM 编码与解码原理，特别是 DPCM 编码与解码（包括加噪声和不加噪声）电路的 MATLAB 实现与调制性能分析，把本学期学的通信原理等通信类科目的内容应用到本课程设计中来，进一步巩固复习通信原理，MATLAB 等课程，以达到融会贯通的目的。为进一步学习计算机网络，数据通信，多媒体技术等课程打下坚实的基础。运用学习成果把课堂上学的系统化的理论知识，尝试性的应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提高一些有创造性的建议和设想，检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大差距，并通过综合分析，找出学
14、习中存在的不足，以便为完善学习计划，为学习内容提供实践依据。经过两个星期的努力，终于完成了我的课程设计，可能其中回有一些错误或者是不恰当的地方，例如加噪声的地方我研究了好久，经过了反复的测试，最终也没有很完美的解决这个问题，但是我确实已经尽了我最大的努力。开学后我一定会加倍努力，学好本专业的专业课，为将来打下坚实的基础。非常感谢蔡老师一直辛勤知道我们，认真给我们解答疑惑，给我们知道。在完成设计的过程中，我的收获很大，不仅仅是对我们自己所学的专业知识加深了解，同时还熟练地掌握了 MATLAB 和 WORD 的软件的操作，而且还锻炼了自己独立处理问题的能力。总之我获得很多，也启迪了很多！ 最后，我衷心的感谢老师的指导，提前预祝您春节愉快！1213附 1图附 2图14参考文献1 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第六版）.北京：国防工业出版社，2008 年2 达新宇,林家薇,杜思深. 通信原理.陕西.西北工业大学出版社，2003 年3 邵玉斌.Matlab/Simulink 通信系统建模与仿真实例分析 北京.清华大学出版社.2008 年
