DPCM通信系统课程设计

课程设计课程名称: 通信原理设计题目：DPCM通信系统设计学院：电力学院专业：智能电网信息工程班级：00000000000姓名：0000学号：***********成绩：指导教师：00000日期：2020 年6月22日—2020 年6月29日课程设计成绩考核表设计说明首先安装MATLAB软件，然后熟悉软件环境以及各个模块并利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台，建立一个很小的系统，用示波器观察正弦波信号的平方的波形；理解DPCM编码及解码原理图并根据DPCM编解码原理图设计一个DPCM 编码与解码系统；改变不同模块的数据并用示波器观察编码与解码前后的信号波形；最后根据运行结果和波形来分析该系统性能，从而更深入地掌握DPCM编码与解码系统的相关知识使自己受益。

关键词：差分脉冲编码调制；编码；解码1 绪论 (1)1.1 课程设计意义 (2)1.2课程设计的步骤 (2)1.3 课程设计要求 (2)2 DPCM通信原理的介绍 (3)2.1 预测编码简介 (3)2.2 DPCM的基本原理 (4)2.3 差分脉冲编码调制原理及性能 (4)3 Simulink仿真过程分析 (7)3.1 Simulink仿真建模 (7)3.2 DPCM编码与解码的参数设置 (7)3.3仿真结果的分析 (11)4 程序仿真 (12)4.1仿真程序 (12)4.2仿真程序运行结果 (12)结论......................................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献.. (14)1837年，莫尔斯完成了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营，这可认为是电信或者远程通信的开始。

数字化可从脉冲编码调制说起。

1937年里夫提出用脉冲编码调制对语声信号编码，这种方法有点很多。

例如易于加密，不像模拟传输那样有噪声积累等。

我国70年代初期决定采用30路的一次群标准，80年代初步引入商用，并开始了通信数字化的方向。

数字化的另一个方向是计算机通信发展。

随着计算机能力的强大，并日益被利用，计算机之间的信息共享成为进一步扩大其效能的必需。

60年代对此进行了很多研究，其结果表明在1972年投入使用的阿巴网。

由此可见，通信系统中的信息传输已经基本数字化。

在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提前到日程上来，21世纪已经逐步取代模拟系统。

基于MATLAB的SIMULINK仿真模型，能够反映模拟通信系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条良好的途径。

1.1课程设计意义1)根据课堂讲授的内容，我们做相应的自主练习，消化课堂所讲解的内容。

使我们对这门课程有一个很好的理解。

2)我们在课堂上学的都是基础理论知识，对于如何用MATLAB仿真语言来描述所学知识还是有一定难度。

通过课程设计，可使我们真正理解其内涵。

3)有利于我们逻辑思维的锻炼，课程设计能直接有效的训练我们大脑的思维，培养分析问题，解决问题能力。

即使使一个简单的模块依然需要我们进行数次的数据调试。

4)在仿真模拟的过程里，当我们对模块输入数据的时候，如果不够认真或细心那么可能就导致最终结果的失败，从而无法得出运行结果。

我们反复修改调试的过程，也是对我们认真操作学习的一个锻炼。

1.2课程设计的步骤1)熟悉DPCM原理；2)使用Simulink构建系统模型文件；3)设置各模块参数，对系统复杂的部分用子系统表示；4)运行仿真，画出各系统部分和最终的信号波形。

1.3 课程设计要求1）掌握课程设计涉及到的相关理论知识，相关概念,原理清晰，明了。

2）设计合理的S imulink 仿真图，争取运行并观察仿真结果。

3）适当的调整仿真参数，观察并分析仿真结果的变化。

4）按照要求撰写课程设计报告。

2 DPCM 通信原理的介绍2.1 预测编码简介预测编解码原理图图2-1 线性预测编解码原理方框图图中出示了线性预测编码，译码原理方框图。

编码器的输入为原始模拟语音信号m(t)。

它在时刻kTs 被抽样,抽样信号m(kT s )在图中简写为m k ；其中T s 为抽样间隔时间，k 为整数。

此抽样信号和预测器输出的预测值m k 相减，得到预测误差e k 。

此预测误差经过量化后得到量化预测误差r k 。

R k 除了送到编码器编码并输出外，还用于更新预测值。

它和原预测值m k 相加，构成预测器新的输入m k * 。

为了说明这个m k * 的意义，我们暂时假定量化器的量化误差为零，即e k =r k ,则由图上可得：公式一 m m m m m e m r m k k k k k kk k k =+-=+=+=```*)(` 预测器的输入和输出关系由下列线性方程式决定：公式二 m a m ik p i i k *1`--∑= 公式二中：p 为预测阶数；a i 为预测系数，他们都是常数。

上式表明，预测值m k `是前面p 个量化误差的抽样信号值的加权和。

由图2-1可见，编码器中预测器输入端和相加器的连接电路和译码器中的完全一样。

故当无传输误码时，即当编码器的输出就是译码器的输入时，这两个相加器的输入信号，即r k =r k `。

所以，此时编码器的输出信号和编码器中相加器输出信号 相同，即等于带有量化误差的信号抽样值。

由上述可知，预测编码为了利用邻近抽样值的相关性获得压缩效果，需要存储过去的抽样值，一遍计算和当前抽样值的相关性，所以是一种有记忆的编码。

2.2 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”)。

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，只能采用瞬时压扩的方法。

但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噩值分为个等级，然后把几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P崩脉冲序列，这个P崩信号一方面经过P崩编码器编码后得到DPCM信号发送出去。

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DPC M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ΔM相比，由于它增多了噩化级，因此，在改善量化噪声方面优于ΔM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ΔM。

2.3 差分脉冲编码调制原理及性能在DPCM中，只将前一个抽样值当作预测值，再取当前抽样值和预测抽样值之差进行编码并传输。

这相当于在公式二中，P =1,a=1,故m`k=m *k -1。

这时，图一中的预测器就简化成为一个延迟电路，其延迟时间为一个抽样间隔时间T ,在图2-3中画出了DPCM 系统的原理方框图。

图2-3 DPCM 系统原理方框图为了改善DPCM 体制的性能，将自适应技术引入量化和预测过程，得出自适应差分脉冲调制体制。

它能大大提高信号量噪比和动态范围。

适应于语音编码体制的ADPCM 体制，已经由ITU -T 制定出建议，并得到广泛应用，这里不在赘述。

下面将分析DPCM 系统的量化误差，即量化噪声。

DPCM 系统的量化误差q k 定义为编码器输入模拟信号抽样值m k 与量化后带有量化误差的抽样值m k *之差：公式三 r e r m e m m m q k k k k k k k k k -=+-+=-=)()(``*设预测误差e k 的范围是(+ᵟ,-ᵟ)，量化器的量化电平数为M ，量化间隔为 Δv ，则有：公式四 M2σΔV = 当M =4时,ᵟ,Δv 和M 之间的关系如图所示。

图中M 1，M 2，M 3和M 4是量化电平。

由于量化误差仅为量化间隔的一半，因此预测误差经过量化后，产生的量化误差 在q k 在(-Δv/2,+Δv/2)内。

我们假设此量化误差q k 在(-Δv/2,+Δv/2)内是分布均匀的，则量化误差功率N q 仍可以按照下式计算：公式五 12)(2v q N ∆=由于现在被量化的是预测误差e k ，而不是编码器输入信号，所以DPCM 体制的信号量噪比可以写成：公式六 )())((e N S G N S S S N S q DPCM q e e o q n==上式中:S o 为信号平均功率；S e 为预测误差平均功率；G DPCM=S O /S e 称为差分处理增益，表示经过差分编码后，预测误差功率的动态范围缩小的“倍数”。

在DPCM 系统中，量化器的功能与PCM 系统中的量化器功能完全一样，只是其输入为预测误差而不是输入信号本身。

所以公式六中的预测误差功率与量化噪声功率比(S e /N q )的计算方法和PCM 系统中信号量噪比的计算完全一样。

故可将式S o /N q =M 2=22N 代入公式六得：公式七 222)(NDPCM DPCM q e DPCM q oG M G N S G N S === 对于电话信号，在OTU -T 的建议中，用自适应DPCM 体制对电话信号编码的标准速率可以从PCM 体制的64kb/s 降至32kb/s 。

图2-3 DPCM 系统模块功能介绍：1) 抽样量化编码器：对模拟信源进行抽样量化；2) DPCM 编码器:对抽样量化后的信号进行差分编码；3) 加性高斯白噪声信道:产生噪声；4) DPCM 解码器：对加有噪声的信号进行解码；5) 量化解码器:量化，解码；6) 椭圆模拟低通滤波器：滤波，使信号平滑；3 Simulink仿真过程分析3.1 Simulink仿真建模DPCM通信系统仿真图：图3-1 DPCM编译码系统设计图3.2 DPCM编码与解码的参数设置正弦波模块的参数设置零点保持模块的参数设置量化模块的参数设置积分器模块的参数设置普通编码的模块参数设置普通解码的参数设置增益模块的参数设置低通滤波器的参数设置3.3仿真结果的分析4 程序仿真4.1仿真程序clear; %预测器阶数p=5;[x,Fs,bits]=wavread(‘GDGvoice8000.wav’;);r=xcorr(x); %自相关函数r=r/max(r); %归一化r=r(length(x):length(x)+p) %自相关系数序列R=r(2:p+1);C=toeplitz(r(1:p));W=inv(C)*R; %计算最佳抽头系数W=[0;W]; %计FIR滤波器第一个抽头系数w0predict or=dpcmopt(x,p) %利用通信工具箱中的函数直接计算4.2仿真程序运行结果r =1.00000.78840.56060.35310.20090.1226W=0 0.9010 -0.0748 -0.0791 -0.0601 0.0598predictor =0 0.9010 -0.0748 -0.0791 -0.0601 0.0598总结本次通信原理的课程设计，我的设计题目是基于MATLAB的通信原理的仿真，DPCM编码和解码。