课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸淮海工学院课程设计报告书 课程名称： 通信系统的计算机仿真设计 题 目：PCM通信系统的性能分析与MATLAB仿真 系 （院）： 电子工程学院 学 期： 10-11-2 专业班级： 通信工程082 姓 名： 吴 进 学 号： 030821219 评语：成绩：签名：日期：1 绪论通信系统的计算机仿真设计课程设计是通信工程专业的学生在学完通信工程专业基础课、通信工程专业主干课及科学计算与仿真专业课后进行的综合性课程设计。其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。1.1 研究背景与研究意义 当今社会，人们无处不享受着数字通信网络和系统给我们带来的便利及数字化多媒体产品带给我们的多彩的生活的娱乐。数字化的广泛应用是因为数字信号易于存储和传输，没有累积失真等数字的高品质等。 然而在语音信号的领域中，数字化的语音传输和存储，无论其在可靠性，抗干扰性，速交换，易保密和廉价格等方面都远远高于模拟语音信号。 但是，数字化的语音信号也有其固有的缺点，就是数字语音信号的带宽远大于模拟语音信号的，从而要求传输数字语音信号的信道更大才能传输数字语音信号，竟而造成了高成本。为了来降低这种高成本从而促使发展了一种新的技术压缩编码。然而PCM通信系统就是采用了该种技术。1.2 课程设计的目的和任务本次课程设计的主要任务和目的是：掌握一般的通信系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法；掌握用计算机仿真通信系统的方法。此外通对PCM系统性能的分析的过程中训练学生网络设计能力。从而进一步的训练了学生综合运用专业知识的能力，提高学生进行通信工程设计的能力。学习有关MATLAB通信仿真方面的知识，掌握其相关内容与具体操作方法，为今后的工作实习打下了一定的软件编程基础。2 PCM通信系统PCM 通信系统包括对信号的抽样、PCM 编码（包括量化、非均匀量化编码）调制、信道编码、及经过传输后在接收端进行的信道译码、解调、译码。PCM通信系统的主要优点是：抗干扰能力强；传输性能稳定，远距离信号再生中继时噪声不累积，且可以使用压缩编码和纠错编码和保密编码等来提高系统有效性、可靠性、保密性。 PAM抽样uyang m(t)ms(t)PCM（二进制序列）量化编码一次完成译码 LPF数字系统信道m(t)量化编码A/D变换器 D/A变换器2.1 PCM通信系统基本模型量化编码一次完成PCM（二进制序列）ms(t)编码信道m(t)PAM译码LPFD/A变换器量化抽样m(t)数字系统 图1 PCM系统基本模型 信号源：其是模拟的正弦波语音信号。抽样：低通连续信号采样，且绘出信号时、频域图形。量化：均匀量化及非均匀量化（本课程设计采用的是非均匀量化），给出编码器的输出码组序列。编码：实现A律的PCM编码。信道：信号经过调制以后，通过信道。信道选择高斯加性白噪声信道。解调：根据调制方式，选择对应的解调方式。译码：根据信道编码方式，选择对应的信道解码方式。性能分析：信号经过调制、信道、解调过程。在接收端，将得到的数据与原始信号源数据比较，得到在特定信噪比下的误码率。改变系统信噪比，从而得到系统的误码率曲线图。2.2 PCM通信系统的性能指标PCM通信系统的主要性能指标有：1误码率：指的是接受码元数在传输总码元数中所占的比例。2信噪比：指的是信号的功率与噪声的功率之比。3 PCM通信系统主要模块3.1 信源信息源简称信源，其作用是把各种消息转换成原始的电信号。根据其种类不同可以将信源分为模拟信源和数字信源。本次课程设计的语音信号为模拟信号源，且其波形函数为y=A*sin(w*t)，其中幅值A为4.2频率为1.2KHZ。很容易看出该原始语音信号是个幅值为4.2频率为1.2KHZ的正弦波。其波形图如图1所示： 图2 原始信号图3.2 语音信号取样及抽样对信号进行的周期性扫描即是对信号的抽样。每隔时间t（时间t要尽量小,如0.000001s）对低通连续的语音信号进行取样，则在时间T内所抽取的信号样值（离散冲激脉冲）可以近似看成此连续信号在时间T内的原始模拟信号波形。然后再按8000HZ的频率所取样的样值信号进行抽样，即完成了对信号的取样和抽样的过程。对语音信号的抽样脉冲如图3所示（这里只显示了20个抽样脉冲）：图3 抽样脉冲信号图3.3 信源编码/译码信源的编码的功能主要有：一是提高信息的传输有效性，即是通过某种数据压缩技术设法减少码元数目和降低码元的速率。二是完成模/数的转换，即当信息源给出的是模拟信号时，信息源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。本次课程设计中采用的是PCM非均匀量化编码。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码, 压扩特性图如图4所示： 图4 十三折线法PCM非均匀量化编码包括了对信号的量化和编码，其编的是8位码，构成依次为1位极性码、3位段落码和4位段内码。脉冲编码调制（PCM）是将模拟信号变成二进制信号的常用方法。信源译码是信源编码的逆过程。3.4 信道编码/译码信道编码的目的就是增强数字信号的抗干扰能力。数字信号在信道中传输容易受到噪声干扰，为了减少差错，我们对传输信息的码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓的抗干扰编码。在本次课程设计中分别按设计的要求采用了无信道编码、汉明码和循环码三种方式进行信道编码。信道译码是信道编码的逆过程。3.5 数字调制/解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。基本的调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、差分相移键控（DPSK）等,本课程设计中则采用的是振幅键控（ASK）。 数字解调：在接收端可以采用相干解调或者非相干解调还原数字基带信号。3.6 PCM系统中噪声的影响4 MATLAB对PCM通信系统的仿真4.1 PCM通信系统的主要参数设置信噪比（SNR）范围是-25dB25dB之间，步长为5dB。信源模块：我们设定原始信号的幅值A为4.2，频率f为1200HZ。信源编码/译码模块：取样时间间隔t为0.001S，范围是-3S-3S；抽样频率8000HZ，抽样100个值，进行非均匀量化PCM8位编码。4.2 PCM通信系统的仿真图和结果分析4.2.1 时域抽样时域抽样图如下图图5所示：图5 时域抽样图4.2.2 抽样信号频谱抽样信号频谱如图6所示：图6 抽样信号频谱图 被抽样的原始语音信号的频率是1200HZ，通过对抽样的信号进行快速傅里叶变换即能得到其对应的频谱。4.2.3 系统误码率 图7 系统误码率从仿真的结果图中很容易的看出，信噪比越大，误码率越低，与理论相符。系统在汉明码编码时的误码率最低，且在对信道进行循环码编码时的系统误码率也跟其差不多，而在无信道编码时的误码率的最高。从而我们可以得出通过信道编码可以增加通信系统的可靠性。4.3 PCM系统中噪声的影响 PCM系统的噪声主要有两种:量化噪声和加性噪声。 在图1中的PCM系统的低通滤波器的输出信号为其中 ：接收端输出的信号成分; ：由量化引起的输出噪声成分; ：由信道加性噪声引起的输出噪声成分。在接收端输出信号的总信噪比为 ：量化噪声的平均功率;：信道加性噪声的平均功率;量化噪声和信道加性噪声相互独立，分别讨论它们单独作用时系统的性能，然后再分析系统总的抗噪声性能（1） 量化噪声对系统的影响假设发送端采用理想冲激抽样，则抽样器输出为 则量化信号可表示为其中 由量化引起的误差。量化误差的功率谱密度为 假设输入信号在区间具有均匀分布的概率密度，对其进行均匀量化，其量化级数为M，则有，量化噪声的功率为 量化间隔。所以量化误差的功率谱密度为 因此，低通滤波器输出的量化噪声成分的功率谱密度为 低通滤波器输出的量化噪声功率为 通常情况下有M1，所以有综上，可以得到PCM系统输出端的量化信号与量化噪声的平均功率比为对于二进制编码，设其编码位数为N，则上式又可写为 （2）加性噪声对系统的影响仅考虑信道加性噪声时PCM系统的输出信噪比为从上式可以看出，由于误码引起的信噪比与误码率成反比。（3）PCM系统接收端输出信号的总信噪比 在接收端输入大信噪比的情况下，误码率将极小，于是，所以总信噪比近似为与只考虑量化噪声情况下的系统输出信噪比是相同的。在接收端输入小信噪比的情况下，有，则又可近似为 与只考虑噪声干扰时系统的输出信噪比是相同的。由于在基带传输时误码率降到以下是不难的，所以此时通常用来估算PCM系统的性能。5 心得体会此次课程设计，我们更加扎实的掌握了相关的知识，在设计过程中起初遇到了很多问题，但经过一次又一次的尝试和思考，一遍又一遍的检查，终于找出了问题所在，暴露出了个人在这方面的欠缺和不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是课本上学到的死知识，在动手尝试的设计过程中，不断发现问题，改正错误，吸取到的是课本不能给予的，这对于我们以后的学习和生活中都是十分关键的收获。在今后社会的发展和学习实践过程中，我们一定一定要不懈努力，不能遇到问题就只能退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，保持刻苦钻研的精神，只有这样，才能取得成功，收获人生，才能一直前行在布满荆棘的道路上！参考资料1 樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，20102 黄吉顺.数字信号处理及其应用.北京：国防工业出版社，1982 3 张贤达.现代数字信号处理.北京