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基于MATLAB的PCM调制系统的仿真与分析.pdf

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基于MATLAB的PCM调制系统的仿真与分析 程菊花姜武 摘要:运用MATLAB仿真抽样信号的频谱,分析满足不同条件下的抽样情况、验证奈奎斯特抽样定理;不同量化电平情况下的信噪 比的计算,对PCM调制系统中的非均匀量化的压扩技术和编码进行仿真与计算。 关键词:采样定理 非均匀量化 仿真 作者简介:程菊花,1965年生,女,高级讲师。(浙江树人大学信息科技学院,浙江杭州,310000) 姜武,1965年生,男,高级讲师。(浙江传媒学院纪委办公室,浙江杭州,310000) 中图分类号:TN914.3 文献标识码:A 文章编号:1008—6552(2005)03-0025—03 0.引 言 2.运用MATLAB仿真分析PCM调制系统 数字通信系统已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 2.1模拟信号的抽样 (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 假设原信号x(t)为一带限信号,用 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。 石(£)=sinc2(200£)=。sin200(20£Ot)1.2 来模拟,运用MATLAB分别画出该信号的时域和频域的波形,见图2 1.脉冲编码调制(PCM)原理 在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应 用于模拟信号的数字传输。PCM的主要优点是:抗干扰能力强; 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系统的原理方框图如图1所示,模拟信号m(t)经抽样、 量化、编码后变换成数字信号,经信道传送到接收端的译码器,由 译码器还原出抽样值,再经低通滤波器滤出模拟信号,便可得到 重建信号。 、—————-———-————、,——-————————√ A/D(模救转拽) 、—————————,-———·-——一 D/A f数模转换} 图1 PCM通信系统方框图 幽2 现分别用两种抽样频率对其进行抽样,fl=100Hz,f2= 200Hz,对抽样后的波形及其频谱作比较。 信号的抽样,数学上等于将信号与冲激脉冲串相乘。当fl= 100Hz时,抽样信号的表示式为: “归咖c2(200小。麦印坷)-。塞[甓㈤]2 “归sinc2(200小。量鼬一%r2)=。妻[篙鬻]2 当f2=200Hz,抽样信号的表示式为: 通过傅立叶变换可知,抽样信号的频谱是原有信号频谱的周 25 ˝ • ‰ ˚
浙江传媒学院学报2005年第3期 期性延拓,运用MATLAB的计算和绘图功能方便地仿真出该抽样 形,在量化范围(一V,V)中,对正弦波,信噪比可以写成如下的形 信号的时域波形和频域波形,见图3。 斟3 从图3可以看出,当fl<2 f。,不满足抽样条件,时域波形中 冲激串的包络已不能完整的表示原信号,有了失真,从频谱图看, 频谱带互相重叠,在频谱中有了频域的直流分量,这样恢复时将 出现冲激信号,无法正确的恢复信号。 当t2>2f.,满足抽样条件,它能够恢复原信号,从时域波形可 看出,比上面的抽样所得的冲激脉冲串包含的细节要多,在频域 中也没有出现频谱的交叠,这样可以利用低通滤波器来得到所要 的频谱,实现信号的重建。 2.2量化与编码 量化就是将一个有连续幅度值的信号映射成幅度离散的信 号的过程,是有损数据压缩,为便于用数字电路实现,其量化电平 数一般为2的整数次幂,有利于采用二进制编码表示。量化分为 均匀量化和非均匀量化。非均匀量化的性能要优于均匀量化。 2.2.1非均匀量化 假设输入为正弦信号,其幅度为Am,现将其均匀量化器的范 式: 其中 SNR=[s俗92]d8=10193+20lgD+20£酡“ (n=l092‘,D=Am/X/2V) 当L=16时,通过MATLAB计算其量化器噪声功率为:nq= 0.0013,信噪比为:Sill"=25.8433db L=8,其量化噪声功率为:nq=0.0052,信噪比为:snr= 19.8227db 从这个表示式可以看出,当V和Am都定下的时候,这是多数 情况,通过增加L的数目,可以获得更高的信噪比,L每增加一倍, 即编码每增加一位,信噪比增加6d B.,但同时实现的电路复杂程 度也随之增加,占用带宽也越宽。而且,均匀量化时输入信号的动 态范围将受到较大的限制。为了克服均匀量化的缺点,实际采用 的量化方式多为非均匀量化。 2.2.2非均匀量化 实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术,压缩扩张 技术的根本点是:在发送端对输入量化器的信号先进行压缩处理, 在接收端再进行相应的扩张处理。 目前数字通信系统中采用两种描述压扩特性的方法:一种是? 律特性;另一种是A律特性。 A律压扩特性为: 圭一竺机 舭一~一~一一 早期的A律压扩特性是用非线性模拟电路实现的。随着大 规模集成电路的发展,利用数字电路形成许多折线来逼进对数压 扩特性——A律13折线近似法。我国的PCM30/32路基群采用 围是(一V,V),共分为L级电平,这里Am
位编码的量化信噪比的质量。 2.2.3编码 基于MATLAB的PCM调制系统的仿真与分析 MATLAB计算结果与理论计算谊相同 把量化后的信号电平值转换成二进制码组的过程称为编码。 3.结束语 量化与编码的组合称为模数转换器。二进制码具有抗干扰能力 强,易于产生等优点,且为了保证通信质量,目前国际上采用8位 二进制码的PCM系统。 对函数y=sin(0.6 4 pi%X),用MATLAB语言求出13折线 法量化值和相应的编码,见图5 参考文献: [1]韩利竹,王华.MATLAB电子仿真与应用[M].北京:国 防工业出版社。2003. [2]梁虹,梁洁,陈跃斌.信号与系统分析及MATLAB实现 [M].北京:电子工业出版社,2002. [3]刘树棠译.现代通信系统一使用MATLAB[M].西安: 交通大学出版社,2001. [4]张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安:电子科 技大学出版社,2003. 图5 3折线法量化值和相应的编码 (上接第24页) 为所有的标准答案老师都告诉了学生,学生没有问题,便失去了思 生自主选择的权利。由于过于注重课程的科学性,缺少对知识进行 维的动机,同样也失去了一个主动探究的过程,也就失却了创造力。 必要的整合和分化。面对社会的发展和市场需求,学生表现出太多 解决问题的方法和策略是不可能直接传授的,因为方法和策略都是 的不适应。 隐含在问题当中,而且特定的方法、策略对应着特定的问题。问题 第三、传统课程的内容繁、难、偏、旧,脱离学生的经验和现实生 的条件是不断变化的。因此只有把方法和策略隐含在知识本身的 活,甚至忽视了学生的学习兴趣。学生在学习中由于课程内容的抽 关系中让学生自主探究,教学才是有效的。 象、陈旧,丧失了学习的兴趣,形成了“要我学”的被动局面.甚至产 五、传统教育观中的课程观 生厌学情绪。 第四、传统课程采用一种高度集权的课程管理,从课程目标的 制定、内容的选择、课程实施的规划和评价基本上都是由国家教育 课程是连校教育和教育活动的纽带,是确定教育内容和教学方 行政部门来规定,教师很少或者根本没有机会参与到课程目标的制 法的基础。不同的教育观念决定了不同的课程观,同样也决定了课 定、课程内容的选择、课程实施的规划的评价之中,也就是说,传统 程的性质、地位、特征。简单地说,课程问题是要解决“教什么”的问 的课程设计没有给教师提供参与的机会。教师的角色局限于实施 题,要回答的是“什么知识最有价值”的问题。基于传统教育观对教 行政决策的课程内容,局限于课堂教学。这就使得教师在实际的教 育目的和知识本身的理解,在课程观上就表现出许多与现实不相适 学活动中,不可能再去关心教育的目的,只能去关心如何达成具体 应的情况: 的教学目标了,教学便演变成一种纯粹的技术活动。由于高度集权 第一、传统课程是以知识技能的熟练化为课程目标,由此,必然 的课程管理体制,使得广大教师无权干预课程和教学评价制度,只 地把知识技能视为一种外在的供学生掌握和存储的东西。在课程 能在具体的教法上作一些探究。教师在形式上的“绝对权威”的背 实施上偏重,死记硬背,机械的训练,对学生智力开发、培养学生的 后,实施的是机械的、被动的传递知识的活动,教师应有的主体作用 创造能力不够重视,教育基本上是教师的一言堂,学生处于消极接 和创造性在无奈的现实规范下得不到发挥,这使得教学缺乏应有的 受的地位,学生在学习中的主体作用也被严重忽视。 生命活力。 第二、传统课程结构“分科主义”严重,简单划一,基本上拒绝学 ˝ • ‰ ˚
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