基于Matlab的PCM串行傳輸系統仿真分析

吳冉 劉登峰 俊杰 等

摘要：針對目前通信專業實驗課程存在的問題，將Matlab引入實驗教學，以PCM串行傳輸這個驗證型實驗為例，用Matlab編程、Simulink建模仿真、GUI圖形界面3種形式分別實現.驗證了脈沖編碼調制的抽樣、量化、編碼、譯碼的過程以及對于編碼和解碼誤差原因的分析.通過多方式的驗證型教學，提高了學生的工程基礎素質和動手能力.對于通信專業驗證型實驗的開展具有一定的借鑒意義.

關鍵詞：PCM;Matlab;GUI;Simulink

中圖分類號：TP914? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）02-0062-03

目前，南陽理工學院通信專業的實驗項目大多是驗證型，設計型和創新型的實驗項目很少，學生的動手能力和創新能力得不到培養，驗證型實驗大部分也是通過傳統的實驗箱，學生按照實驗指導書進行連線，再通過示波器進行觀察，這種驗證性的實驗真正需要學生思考和動手的機會不多.實驗結果受硬件局限性大，當實驗波形效果不理想時，能調節和修改的地方很少，實驗目的難以達到.為了提高學生的學習興趣，為了彌補傳統實驗箱的缺點，為了提高教學質量，為了提高學生的創新能力，依托實驗室，成立了以老師指導，學生動手的團隊，在教師的指導下，本團隊學生通過Matlab以編程，Simulink建模仿真，GUI圖形界面3種形式分別實現PCM（脈沖編碼調制）串行傳輸系統.3種方法的理論原理是一樣的，只是實現方式不同，其基本原理如圖1所示.在發送端通過對模擬信號抽樣、量化、編碼[1]，得到PCM數字信號，這時信號便可以用數字通信方式傳輸，經信道傳送到接收端的譯碼器，進而還原出抽樣值，再經低通濾波器濾出模擬信號[2].其中，發送端的抽樣、量化、編碼，實現了模擬信號到數字信號的轉換，即A/D變換[1，2]，接收端的譯碼、濾波實現了數字信號到模擬信號的轉換，即D/A變換[1，2].學生可以通過這3種方式分別實現PCM[3]串行傳輸，然后進行對比分析.用GUI[4]圖形界面和Simulink搭建的通信仿真系統可以方便直觀地展現信號的狀態變化，使抽象的通信理論形象化，有助于學生對理論知識的理解[3-5].用Matlab編寫程序代碼可以培養學生的編程能力為以后的畢設和工作打下扎實的基礎.

1 用Matlab編程仿真PCM串行傳輸

仿真時信源的幅度為1，頻率為1000Hz，信號抽樣頻率為8000Hz，編碼環節采用A律13折線編碼[6-7].圖2是用Matlab編程進行仿真得到的模擬信號、抽樣信號和PCM輸出信號，圖3是經過譯碼器還原出來的抽樣信號和原始模擬信號.仿真計算出量化誤差為0.3222.

對比圖1和圖2可以看出模擬信號經PCM調制以后變成了數字信號，再經譯碼仍可還原出原始的模擬信號，因為不是理想抽樣所以還原出來的抽樣信號與原抽樣信號有差異.

2 用Matlab中的Simulink仿真PCM串行傳輸

用Simulink進行建模的圖形如圖4所示.學生在仿真過程中首先需要建模，然后對每個模塊進行參數設計，在建模的時候學生必須對PCM編譯碼的整個過程非常熟悉，知道要用到哪些模塊，為啥要用到這些模塊，每個模塊的作用是什么;在對每個模塊進行參數設計時，也要對整個實驗原理非常清楚，如果參數設計不正確，實驗結果也會有誤.驗證型實驗是基礎，通過多方式的質疑式的驗證型教學，學生的工程基礎素質和動手能力才能提高.學生通過這種方式做完驗證型實驗，才可以熟能生巧，進行下一步的設計型和創新型實驗.

圖4中信源為幅度為1，頻率為200Hz的正弦波，抽樣頻率為8000Hz，PCM編碼器編碼后的數據用Frame Status Conwersion模塊轉換為幀存儲格式，然后通過Buffer模塊串行化輸出，Buffer的大小設置為1.信道錯誤比特率設置為0.01，方便觀察信道誤碼對PCM傳輸的影響.本仿真中顯示的信道錯誤比特率為0.5962如圖5所示.Buffer2模塊的大小設置為8，實現PCM碼（8個比特）的串并轉換.用Reshape模塊轉換成一維數組后送給PCM譯碼器.

用Simulink仿真建模以后仿真出來的圖形如圖6和圖7所示，圖8是用實驗箱對一個模擬信號（黃色）進行PCM編碼從示波器上觀察的PCM（藍色）圖形，圖9是用實驗箱將PCM信號進行譯碼還原成模擬信號（藍色）與原模擬信號（黃色）進行對比.

圖6從上到下依次是誤碼波形和PCM波形，圖6的第二個圖形（PCM）可以與圖8的PCM（藍色）進行對比分析，圖7從上到下依次是譯碼輸出的波形和原話音信號波形，可以與圖9進行對比分析.其中圖7種譯碼輸出波形中出現了干擾，這是因為信道中錯誤比特在PCM編碼字符串中的位置不同造成的，如果位于最高位，引起的干擾最大，如果位于最低位引起的干擾最輕.通過實驗箱和Simulink的仿真對比，當出現錯誤時學生可以很清楚地知道是哪個環節引起的錯誤，學生對PCM編譯碼的原理的理解會更加透徹.他們的基本技能也得到了提升.

3 利用Matlab設計的PCM的GUI界面

圖9是學生利用Matlab自己設計的PCM的GUI界面，輸入信號有兩種：隨機信號和正弦波;抽樣方式有3種：理想抽樣，零階保持和自然抽樣;量化方式有2種：一種是根據量化值最接近原始值和均方量化誤差最小這2種規則編寫的算法;另一種是壓縮擴張法;圖9選擇的是正弦信號，然后點擊plot按鈕，就畫出來圖中的正弦波，選Ideal Sampling，再點Sampling按鈕就得到了采樣以后的信號，量化選擇Two rules and an algorithm，再點Quantize按鈕就得到了量化以后的信號，均方量化誤差MSE是0.322349，然后點Bitstream就得到了用0，1表示的PCM數字信號，如圖10所示.

選擇隨機信號，零階保持，壓縮擴張法得到的圖形如圖11所示，圖中G（x）表示的是壓縮器.

4 結束語

驗證型實驗是設計型和創新型實驗的基礎，為了克服驗證型實驗的缺點，為了讓學生通過驗證型實驗真正提高他們的動手能力和創新能力，本文依托實驗室，成立了以老師指導，學生動手的團隊，在教師的指導下，本團隊學生通過Matlab以編程，Simulink建模仿真，GUI圖形界面3種形式對脈沖編碼調制系統過程進行了仿真對比分析，以探究和驗證脈沖編碼調制的抽樣、量化、編碼和解碼的過程，加深學生對PCM串行傳輸系統的理解，對于PCM的實現和通信專業驗證型實驗的開展具有一定的借鑒意義.

參考文獻：

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〔3〕張原，魏璐璐，王靜.基于MATLAB的脈沖編碼調制仿真[J].電腦知識與技術，2016，12（36），215-217.

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〔6〕趙守彬，李鴻剛.利用Matlab實現PCM編碼的A律13折線法量化[J].科技信息，2009（36）：547.

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