模拟信号数字化课程设计

模拟信号数字化

一、课程设计的目的

通过本次课程设计的学习我们不仅要能够加深对在课堂中的理论知识的理解并且巩固理论课上所学的有关PCM编码和译码的基本的概念、理论和方法。利用Matlab软件平台运行，对模块进行调试、仿真和分析。对结果记性分析，输出结果应和结论一致，且符合理论。通过这些过程不但可以能锻炼我们发现问题、分析问题和解决问题的能力，而且还能够通过实验学习和掌握到书本中不能学习到的实践知识和经验。并且能够通过实验验证一些基本的简单的理论，为以后自己学习工作积累充分的实践知识和经验。

二、课程设计的要求

在本次课程设计中利用Matlab软件集成环境下的Simulink仿真平台通过理论分析，设计一个 PCM编译码系统用示波器观察编码与译码前后的结果，即在示波器上信号波形，根据运行的数据和波形来分析该系统性能。结合理论分析验证结果的正确性。

（1）利用Simulink对系统建模设计一个PCM的编译解码器。

（2）输入模拟的话音信号并且观察其输出波形。

（3）对系统设计进行仿真演示。

三、课程设计涉及原理

（一）PCM原理

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。PCM是实现语音信号数字化的一种方法，就是把一个时间连续，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后在信道中传输。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化，编码的过程。PCM系统的原理框图简要介绍。原理框图如下。

（二）PCM的工作包括：抽样，量化，编码。

1、抽样：把连续信号变为时间轴上离散的信号过程称为抽样抽样必须遵守奈奎斯特抽样定理。离散信号才可以完全代替连续信号。

2、量化：量化是把幅度连续变化的模拟量变成用有限为二进制数字量的过程。量化分为均匀量化和非均匀量化由于均匀量化的缺点所以实际中往往用非均匀量化。在实际中使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和U律，U律PCM用于北美和日本，A律PCM用于欧洲

和我国，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码。

A律13折线图

3、编码：编码就是把两户后的信号变换成代码，其反过程就成为译码。在现有的编码方法中，若安编码的速度来分，分为：低速编码和高速编码。在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。通信中采用高速编码方式。编码器的种类在大体上可归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。

四、实验内容

任务一：PCM编码

A律PCM数字电话系统中规定：传输语音的信号频段为300~3400Hz。采样频率为8000次/s，对样值进行13折线压缩后编码为8位二数字序列。因此，PCM编码输出的数码速率为64kbps。PCM编码的二进制序列中，每个采样值用8位二进制码表示，其中最高位比特位表示样值的正负性，规定负值用0表示，正值用1表示。接下来的3位比特表示样值的绝对值所在的8段折线的段落号，最后4位是样值处于段落内16个均匀间隔上的间隔序号。

在实验中用一个常数表示信号源，用Saturation将信号幅度限制在（-1,1）范围内，Relay

模块的门限设置为0，其输出作为PCM编码输出的最高位，确定极性码。样值取绝对值后，以Look-Up Table模块进行13折线压缩，并用增益模块将样值范围放大到0~127，然后用间距为1的Quantier模块进行四舍五入取整量化，并用Inter to Bit Converter将整数转换成长度为8个比特的二进制数据，最后用Display模块显示编码结果。

13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果

具体参数设置如下：

任务二：PCM解码

PCM解码子系统就是PCM编码部分。PCM解码器中首先分离并行数据中的最高为和7为数据位，然后将7位数据转换成整数值，再进行归一化、扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。

13折线A律解码器

具体参数设置如下：

任务三：PCM串行传输模型

在编码与解码的基础上，建立PCM串行传输模型，并在传输信道中加入指定错误概率的随机误码。仿真模型如下图，其中PCM编码和解码子系统见以上2个任务。PCM编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对称信道。在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入PCM编码，之后输出模型并显示波形。实验模型中信道传输速率最高为64kbps，仿真步进为1/64000s。信道错误比特率设为0.01，观察信道误码的位置，信号源采用200Hz的正弦波。

PCM串行传输模型

具体参数设置如：

经过编码与解码之后，然后通过低通滤波器，最后在示波器Scope上得出输出波形，此外，还需注意在通过示波器前需经过To Frame和Buffer，其中To Frame是用来形成帧信号，Buffer是缓冲器。

仿真波形

五、心得体会与总结

通过本次课程设计，我教系统地掌握了有关PCM脉冲编码调制的设计思路和设计方法，主要对MATLAB的仿真方法，开发环境等有了一定的了解并对其进行测试和应用。掌握了利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,完成对脉冲编码调制系统的建模与仿真分析的基本方法。以前对PCM编码的了解只是理论层面上的，通过这次课程设计，加深了对理论知识的理解，并对其在实际中的应用有了一定的了解。在课程设计刚开始的时候，由于对MATLAB的使用不太熟悉，觉得无从下手，课程设计进展困难。为此，我借助网络、图书等资源，一步一步熟悉MATLAB，并在熟练的同学的帮助下，渐渐摸索找到了方法，我认识到，在以后的学习过程中，要时刻保持着刻苦钻研的精神和坚持不懈的毅力。本此课程设计的成功离不开自己的努力，离不开同学的帮助，更离不开知道老师的教育和指导！xxx老师一方面在理论课上很详细很专业的为我们讲解了本次课程设计的理论知识，让我对此有了宏观上了解，并能够掌握这些理论知识，为以后的实际操作提供了坚实的基础。另一方面在实际操作时，也给我们很多技术上的指导，让我们能在此过程中，学到更多的操作技能。总的来说，这次的课程设计让我受益匪浅，不仅是我体验到了动手操作的乐趣，而且培养了我的设计思

维，增加了实践能力，让我体会到艰辛的同时，更让我收获了成功的喜悦。