PCM编码与传输实验设计

现代通信系统课程实验设计报告

题 目： PCM编码与传输实验设计

姓 名： 陈伟强

学 号： 6

学 院： 物理与信息工程学院

专 业： 电子与通信工程

年 级： 2012级

指导教师：

2012 年 12 月 25 日

PCM编码与传输 实验设计

一、 实验目标

通过合理的实验设计，针对某个特定的信号，考察线性编码和非线性编码（以A律为例）的性能，然后对编码后的二进制码流，分别采用二进制双极性基带传输、BPSK传输以及QPSK传输，考察它们在加性高斯白噪声信道下的性能。

二、 实验框图设计

分析实验目的后可以得出以下几点实验要求：

（1） 实验要求进行线性和非线性两种方式进行编码

（2） 每种编码方式非别要通过双极性、BPSK、QPSK进行调制 （3） 要模拟高斯信道，需要加入高斯噪声模拟信道传输过程 （4） 对三种调制方式分别进行解调，比较相关参数 （5） 进行PCM解码，比较两种编码方式的优劣 根据实验要求画出系统实现框图：

图2-1 系统发送端原理框图

图2-2 系统接收端原理框图

如上图2-1、2-2所示，系统总共分六路进行传输。其中量化编码有两种方式，调制有三种方法，一下将每种方法单独设计在联系到系统中。

采样

本系统设计时主要考虑针对语音信号进行传输，语音信号的频率在~，抽样速率需大于2倍的最高频率，本系统选取抽样率为8kHz。

非均匀量化编码、解码器设计

该系统非均匀量化编码器采用A律13折线法。程序设计思路是：

除以最大值后量化

判断正负及所在段图2-3 非线性量化编码设计框图

非均匀量化的解码为编码的逆过程，首先判断其正负值，然后判断其段落码后得到起始电平和段内码的步进，依次解段内码后求得原信号。码字的第一位表示信号的极性，第二到第四位表示信号的段落码，后面四位表示信号的段内码。

均匀量化编码、解码器设计

均匀量化采用12位编码。第一位表示信号的极性，后十一位均用来表示信号的幅值，每一个量化间隔为1个量化单位。解码器首先对第一位进行判断得到信号极性后根据后十一位得出信号的幅值即可解的原始信号值。

双极性二进制基带传输系统设计

在量化后得到一个码序列x，在此不深究x属于何种量化方式，只考虑0、1序列进行传输。首先是将需要传输的二进制序列x转换成双极性序列，即0变为-1,1仍为1。这种变换可以用简单的数学变化得到：

Xd=x*2-1

将输入码元通过上述公式变换后即可得到双极性的码字序列，在码字中加入高斯噪声即可模拟信道传输。接收端接收到信号后，信号中存在噪声分量，需要对双极性码进行判决。按照编码的思路，我们同样可以通过数学公式实现：

Xo=（Xd+1）/2

但在本系统中采用下列判决方式，即在抽样点判断信号极性，为正输出1，负责输出0：

Xo=Xd>0；

BPSK系统设计

BPSK系统的两个符号调制后存在180度相位差，用cos（2*pi*fc*t）调制后体现在信号极性变换时调制信号方向。因此设计BPSK系统时，首先将码字序列x转换成双极性码字Xd，则通过：

S（t）=Xd*cos（2*pi*fc*t）

即可实现相位的180度翻转，如下图示。

双极性码元波形20-220-2051015202530调制波形3540455005图2-4 BPSK调制信号180度相位翻转 20BPSK解码采用相干解调方式，即将通过信道加入噪声的信号乘以本机产生的与BPSK调-205101520253035404550调制信号与载波相乘后的波形制采用的余弦载波同频同相的震荡信号，在对每个码元期间做积分运算，通过判决器即可恢20复原调制信号。 -205101520253035404550积分抽样判决出来的双极性码元波形

20 QPSK系统设计

-205101520253035404550

QPSK系统设计思路类似于BPSK系统，但不同的是BPSK系统只有一路信号和一路载波，而QPSK系统拥有两个支路信号两个载波信号，两个载波信号相互正交。

由于QPSK有两个支路，需要将待调制的码字序列分成2路分别进行调制，最简单的方法就是取出基数为进入I支路调制，取出偶数位进入Q支路调制。这里的信号序列也需要先转换成双极性序列。

I支路的载波为cos（2*pi*fc*t），Q支路的载波为sin（2*pi*fc*t），各支路调制方式和BPSK一样，但得到的Si（t）、Sq（t）后还需将两路信号相加得到最终的调制信号S(t):

S(t)= Si（t）+ Sq（t）

10152025303540

通过信道后加入噪声(snr=10db)的调制波形4550解调时，只需将S（t）信号分别乘以本机产生的I、Q支路的震荡信号，取出对应分量后进行积分判决，其方法类似于BPSK，最后将解出的两路码字序列根据奇偶位合并成一路码字序列得到调制信号。

三、 实验结果及分析 抽样结果及分析

如下图3-1所示，程序模拟抽样后得到该抽样时刻的抽样值：

sin函数1Am0-100.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.009t抽样脉冲0.0110-1010-100.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.010.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.009抽样结果0.01

图3-1 抽样结果（信号频率500Hz，抽样频率8kHz）

均匀量化编码和非均匀量化编码的量化误差分析

运行量化编码程序后得到下图：

PCM非均匀量化（8位）解码信号振幅与原信号的比较PCM量噪比为：38.549140非均匀量化误差30201001000150020002500幅度采样值(0~2048)PCM均匀量化（12位）解码信号振幅与原信号的比较PCM量噪比为：70.47941均匀量化误差󰀃05000.50050010001500幅度采样值(0~2048)20002500

图3-2 量化误差分析

如图所示，采用非均匀量化，在对小信号进行量化编码时量化误差较小，大信号时量化误差大，量化误差为该段内的步进产度的一般。而均匀量化不同，只要不超过最大值，其量化误差是一个恒定的数值。

双极性二进制基带传输特性分析

原信号10.50010-1010-1010.5002040608010012014016018020020406080100120接收信号14016018020020406080100120140160经过噪声（SNR=10db）信道的双极性信号18020020406080100120双极性信号140160180200010-1010.50020406080100120140160经过噪声（SNR=3db）信道的双极性信号180200

20406080100120接收信号14016018020020406080100120140160180200

图3-3 双极性二进制基带传输过程

如上图所示，在信道中分别加入信噪比SNR=10DB和SNR=3DB后的传输结果，当信噪比小于一定值后，信号的抗噪声性能极具恶化，输出误码率高，但是当信噪比SNR大于一定值后，抗噪声性能显著提高。

误码率曲线0.250.20.15BER0.10.0500200400600800100012001400160018002000Eb/No *10-2 db

图3-4 双极性二进制基带传输误码率测试结果

如上图，当信噪比小时，误码率高达20%，但是但信噪比大于10DB后几乎为零。

BPSK结果及分析

双极性码元波形20-220-220-220-220-2051015202530调制波形354045500510152025303540通过信道后加入噪声(snr=10db)的调制波形455005101520253035调制信号与载波相乘后的波形4045500510152025303540积分抽样判决出来的双极性码元波形455005101520253035404550

图3-5 BPSK测试结果

在上图中可以很清楚的看到，在码元跳转时，BPSK信号有一个相位的翻转。通过信道后虽然混入了噪声，但是与本机载波相乘后可以很明显的分出波形的正负并通过积分器判决得到码字输出。

QPSK结果及分析

I支路二进制序列20-2020-2020-2020-2020-202040608010012014016018020020406080100120QPSK调制信号14016018020024681012Q支路调制信号s(q)1416182020406080100120Q支路二进制序列14016018020024681012I支路调制信号s(i)14161820

图3-6 QPSK调制过程

观察上图的波形可以看出，QPSK其实可以看做是两个BPSK系统的叠加，只不过两路BPSK采用的载波是正交的。从I支路来看在码字跳转时，调制信号也有相位翻转。QPSK调制后的信号不能直接反应原调制信号。

QPSK接收信号20-2020-2020-2020-2020-20246810121416182020406080100120140Q支路解调后二进制序列1601802002468101214Q支路解调后信号s(q)16182020406080100120140I支路解调后二进制序列16018020020406080100120140I支路解调后信号s(i)160180200

图3-7 QPSK解调过程

进行QPSK解调时，将信号分别乘以I、Q支路的载波得到各支路信号后进行积分判决得到码字，合并后即可输出接收到的信息。

10-1误码率曲线理论AWGN仿真AWGNBER10-210-30123Eb/No456

图3-8 QPSK误码率分析

如图示QPSK统计误码率同理论误码率比较，两者想接近。

四、 实验小结

通过本次试验，了解了PCM通信系统的构成。利用MATLAB对系统的采用、量化、编码、调制、解调等部分进行模拟仿真，使我对通信系统的实现方式有了更深的理解。同时，试验中对比了均匀量化和非均匀量化的性能，了解其量化误差等参数，同时掌握了两种编解码的方法。在做信道调制时，对比双极性二进制基带传输和BPSK、QPSK的性能，可以清楚的看出不做调制的基带传输收到噪声影响时，若信噪比较低，误码率将显著增加，因此，该方式不适合用于噪声较大的信道传输。QPSK的原理和BPSK类似，等同于两路正交的BPSK调制后合并在一起。QPSK的传输速率是BPSK的两倍。

参考文献

[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第六版）[M].北京：国防工业出版社，2010 [2] 陈怀琛,吴大正,高西全. MATLAB及在电子信息课程中的应用(第3版)[M]北

京：电子工业出版社，2009.

[3] Simon Haykin. 通信系统(第4版)[M].国外电子与通信教材系列