第３０卷第６期 上饶师范学院学报 ２０１０年ｌ２月 Ｖｏ１．３０．Ｎｏ．６ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＲＡＯ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮｎｒＥＲＳ玎ＴＹ Ｄｅｃ．２Ｏ１０ 基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的信源编码和译码研究 樊景峰 ，王星阳２ （１．济源职业技术学院，河南济源４５４６５０；２．东北大学，辽宁沈阳１１０８１９） 摘要：本课题是采用ＰＣｂｌ编码器来产生ＰＣＭ信号，利用基于可视化仿真工具“Ｓｉｍｔｔｌｉｎｋ”，其可对通信系统进 行建模、仿真、分析丰富功能，采用Ｆ’ＣＭ编码调制技术，按脉冲编码调制原理对模拟信号抽样量化，然后使已量化值 变换成代码，对信源编码和译码进行研究，并利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行计算机仿真。 关键词：信源编码；脉冲编码调制；抽样；量化；译码 中图分类号：ＴＮ７８７ ．４ ‘文献标识码：Ａ 文章编号：１００４～２２３７（２０１０）０６—００５１—０４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—２２３７．２ｏｌＯ．０６．０１０ 引言 数字通信已成为现代信息传送的重要手段，人类社会的生存和发展无时无刻都离不开信息的获取、传 递、处理、控制和利用，特别是人类已迈人２ｌ世纪，信息的传播更显得重要。现代通信技术是现代电子信息 技术的重要领域。本文利用可视化仿真工具“Ｓｉｍｕｌｉｎｋ”对信号进行仿真，通过建模、运行、仿真，逼真实现数 字信号到模拟信号的变换。 １ Ｓｉｍｌｄｉｎｋ概述 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是ＭＡＴＬＡＢ提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。它提供了专门用于显示 输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。另外，它把具有特定功能的代码组织成模块的方 式，供用户在仿真结束后对数据进行分析和处理。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ已成为一种通用的仿真建模工具。广泛应用于通 信仿真、数字信号处理等领域［ 。 ２信源编码 模拟信源要在数字通信系统中传输，必须有一个模拟信源数字化的过程，而这个数字化的过程主要是指 信源编码。信息是事物运动的状态和方式，因此客观世界存在大量的模拟信息形式。通过采集处理（如转换 为电、光、磁的形式），将模拟信息表示形式数字化（编码），才便于利用现代存储、传输手段。信源编码的目的 除了将模拟信源数字化，还可以压缩信源以减少信源的冗余度，从而提高信息传输的有效性。 ２．１脉冲编码调制ＰＣＭ概述 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。脉冲编码调制 （ＰＣＭ）是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时 域和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输。 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。ＰＣＭ编码通 过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。采用均匀量化时，其抗噪声性能与量 收稿日期：２０１０—０６—０８ 作者简介：樊景峰（１９８２一），男，河南长葛，济源职业技术学院教师，助教，工学学士，电子信息工程专业。 ５２ 上饶师范学院学报 ２０１０（第３Ｏ卷） 化级数有关。在保持信号固有的动态范围前提下，在量化前将小信号进行放大而对大信号进行压缩。采用 信号压缩后，用８位编码实际可以表示均匀量化１１位编码时才能表示的动态范围，能有效提高小信号时的 信噪比ｌ引。 ２．２脉冲编码调制原理 所谓脉冲编码调制就是将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码。在详细讨论如何实现这种 变换之前，先简要地介绍一下ＰＣＭ通信系统。它的组成方框图如图２—１所示。图中，输入的模拟信号ｍ （ｔ）经抽样、量化、编码后变成了数字信号（ＰＣＭ信号），经信道传输到达接收端，先由译码器恢复出抽样值序 列，再经低通滤波器滤出模拟基带信号 （ｔ）［２３。 图 ２ 一 ２．２．１抽样 对模拟信号抽取样值的过程称为抽样，又称为采样或取样。抽样是处理模拟信号的一种方式。经过抽 样之后的信号在时间上是离散的，但幅度取值还是连续的。 对模拟信号的抽样要满足抽样定理：一个频带限制在（０，ｆＨ）的时间连续信号Ｘ（ｔ），如果以Ｔ不大予Ｊ／ ２ｆｆ１秒的间隔对它进行等间隔抽样，则ｘ（ｔ）将被所得到的抽样值完全确定。也就是说采样速率ＩＳ不能小于 ２ｆＨ。这意味着在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。 抽样定理告诉我们：如果对某一带宽有限的时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且抽样速率达到一定数 值时，那么根据这些抽样值就能准确地确定原信号。这就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号 本身，可以只传输按抽样定理得到抽样值。 ２．２ ２量化 时间上连续的模拟信号经过抽样之后，成为时间上离散但幅度取值仍是连续的信号，称为脉冲幅度调制 信号ＰＡＭ。这种信号再经过幅度样值的离散化处理，成为时间上和幅度上都离散的符号序列，这个过程称 为量化。经过抽样和量化处理，使连续的模拟信号转变为有限的符号组成的数字序列。 量化可分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化是指把输入信号的取值域按等距离分割量化，其量化间 隔是相等的。 信号量化噪声功率比Ｓｏ／Ｎｑ＝Ｍ２，Ｓｏ＿－信号功率；Ｎｑ＿－量化噪声功率；Ｍ一量化电平数。由此可见，量化 器的信号量噪比随量化电平数Ｍ的增加而增加。上述均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化 间隔都是不变的。这样，在小信号区间量化电平数Ｍ就相对大信号区间较小，即信号量噪功率比Ｓｏ／Ｎｑ＝ Ｍ２较大信号区间来的小。也就是说，当信号较小时，则信号量化噪声功率也就很小，这样，对于弱信号时的 信号量噪比就难以达到给定的要求。为了改善小信号时的信号量噪比，在实际中往往采用非均匀量化。在 本课题的设计中，也采用了非均匀量化。 非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。 对于信号取值小的区间，量化间隔也小；反之，量化间隔就大。非均匀量化的实现方法通常是将抽样值 通过压缩再进行均匀量化。在此，采用了近似于Ａ律函数规律的１３折线（Ａ：８７．６）的压扩特性：把ｘ轴的０ １分为８个不均匀段。其分法是先把ｘ轴的０—１之间一分为二，其中点为１／２，取１／２ ｌ之间作为第八 一第６期 樊景峰，王星阳：基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的信源编码和译码研究 ５３ 段；剩余的０—１／２再一分为二，中点为１／４，取１／４～１／２之间作为第七段；再把剩余的０～１／４再一分为二， 中点为１／８，取１／８—１／４之间作为第六段，依此分下去，直至剩余的最小一段０ １／１２８作为第一段。而ｙ轴 的０—１则均匀地分为８段，与Ｘ轴的８段一一对应。这样，便可以作出由８段直线构成的一条折线。这条直 线与Ａ律压扩特性近似。除一、二段外，其它各段折线的斜率都不相同。 ２．２．３编码 在通信系统中，信源编码是把量化后的信号变换成代码的过程，其相反过程成为译码。 至于码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度。码位数的多少，决 定了量化分层的多少；反之，若量化分层数一定，则编码位数也就确定了。可见，在输入信号变化范围一定 时，用的码位数越多，量化分层越细，量化噪声也就越小，通信质量当然就更好。但码位数多了，总的传输速 率增加，这样会带来一些新的问题。一般从语音信号的可懂度来说，采用３ ４位非线性编码即可，但由于量 化层数少，会使量化误差大，通话中量化噪声显著。当编码位数增加到７ ８位时，通信质量才比较理想。 在ｌ３折线法中，无论输入信号是正还是负，均按８段折线进行编码。若用８位折叠二进制码来表示输 入信号的抽样量化电平时，其中用第一位表示量化值的极性，其余７位（第二位至第八位）则可表示抽样量化 值的绝对大小。具体做法是：用第二至第四位（段落码）的８种可能状态来分别代表８个段落的段落电平，其 他４位码（段内码）的ｌ６种可能状态用来分别代表每一段落的ｌ６个均匀划分的量化问隔。这样处理的结果 是８个段落被划分为８×１６＝１２８个量化间隔。 在Ａ律１３折线ＰＣＭ编码中，一般采用八位二进制编码，并且这八位二进制码分为三部分：极性码、段落 码和段内码。也就是上面这段所述的编码方法［３ｌ。 ３信源编码模块 －— Ｄｅｌａｙ ＝ ｌａｔｅｇｅｔ ｔｏ日ｉｔ 信源编码模块由图３一ｌ组成：采样速率为８ｋＨＺ， 量化位数为８位，最后的信息速率为６４ｋｂｉｔ／ｓ。 ３．１抽样量化编码器 在本设计中，采用ＰＣＭ编码器来产生ＰＣＭ信号， Ｓｃａｌａ ｒ …，ｎ＋；，６ ｒ Ｌ ｒ Ｌｉｎｅ ｎｐ Ｊａ Ｌｉｎｅ Ｃｏｉ），ｔ．ｔｑｔ ｒｔｅ ｒ ｌａｔｅｇｅ ｒ １ｏ Ｉ 。 Ｐ 为此需要先确定ＰＣＭ编码器的量化码本及其量化间 隔。 图３—１ 抽样量化编码器（Ｓａｍｐｌｅｄ．Ｑｕａｎｔｉｚｅｒ Ｅｎｃｏｄｅ）根据量化间隔和量化码本把输入的模拟信号转换成数字信 号，并且输出量化指标、量化电平以及误差的均方值。量化间隔是一个长度为ｎ的向量Ｖ，其中的每个元素 ｖ（ｉ）（ｉ＝ｌ，２，…，ｎ）严格单调递增。抽样量化编码器的量化指标Ｙ是一个介于０和ｎ＋ｌ的整数，它由公式３ ２确定。 Ｙ： ｆｍ， ∈（Ｖ（ｍ）， （ｍ＋１）］，ｍ∈［１，ｎ—Ｉ］ —卜，，，，、 —ｏ，ｘ∈（一∞， （１）］Ｉｎ， ∈（ （凡），＋∞） 公 Ｉｊ。—ｚ 量化码本是一个长度等于ｎ＋１的向量ｃ，它把量化指标Ｙ转换成输出信号的量化电平Ｃ（ｙ＋１），即当Ｙ ０时对应于量化码本的第一个元素ｃ（１），当Ｙ＝ｍ时对应于量化码本的第ｍ＋１个元素Ｃ（ｍ＋１）。 抽样量化编码器有三个输出端口。第一个输出端口输出量化指标Ｙ，第二个输出端口输出信号的量化 电平Ｃ（ｙ），第三个输出端１２Ｉ则输出信号的量化误差。量化误差是根据输入信号与量化编码器的第二个输出 端口的输出信号之差计算得到的均方值，它反映了量化编码器对信号的扭曲程度。经抽样量化编码器后的 输出信号如图３—２所示。 ３．２ Ｄｅｌａｙ Ｌｉｎｅ模块和ｉｎｔｅｇｅｒ ｔｏ ｂｉｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ模块 由于编码器输出的编码信号（第一个输出端口，即量化指标）不是二进制码而是介于０和ｎ＋１的整数， 为了将其转换为二进制码使用了整数转换为二进制模块（ｉｎｔｅｇｅｒ ｔｏ ｂｉｔ ｏｎｃｖｅｒｔｅｒ），其中，ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｈｉｔｓ ｐｅｒ ｉｎｔｅ— ｇｅｒ参数设置为８，因为这里采用的是８位量化。由于涉及到信道编码等数据类型的匹配，有必要在ｉｎｔｅｇｅｒ ｔｏ ｂｉｔ模块前插入一个Ｄｅｌａｙ Ｌｉｎｅ模块。这样，输出的信号就是二进制码，信源编码模块的输出信号如图３—３ ＝所示。 上饶师范学院学报 ２０１０（第３０卷） ｛田。０ 。 － ＿ ｌｌ ｌ誓 ｊ 警冀！： ０一盘叠 图３—２ 图３—３ ４信源译码模块 信源译码模块组成框图如图４—１所示： ４．１量化解码器 固 量化解码器（Ｑｕａｎｔｉｚｅｒ Ｄｅｃｏｄｅ）是抽样量化编码器的 逆过程，它根据量化码本把抽样量化编码器产生的量化指标转换成相应的电平。 ４．２ Ｂｉｔ Ｔｏ Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ模块和Ｕｎｂｕｆｆｅｒ模块 经汉明编码后的码字是二进制码，而量化解码器要求输人的信号必须为十进制，所以，这里用了ＢｉＩ Ｔ０ Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ模块，以把二进制码转化为十进制码，同样，把ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｂｉｔｓ ｐｅｒ ｉｎｔｅｇｅｒ参数设置为８。加Ｕｎ— ｂｕｆｆｅｒ模块是为了使输入、输出数据得到匹配。 ４。３数字信号到模拟信号的变换 由图１—１ ＰＣＭ通信系统方框图可知，经信道译码模块后输出的信号是量化恢复值，实际上是时间上和 幅度上都离散的量化值。为了实现从数字信号到模拟信号的变换，在信源译码模块后加一个低通滤波器，即 在量化解码（Ｑｕａｎｔｉｚｅｒ Ｄｅｃｏｄｅ）后加个Ａｎａｌｏｇ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ模块。这样可以使量化解码器具有阶梯状的输出信 号得到平滑。 参考文献： ［１］陈后金．数字信号处理［Ｍ］．北京：北京交通大学国家电工电子教学基地，２ＯＯ４． 【２］吴镇扬．数字信号处理的原理与实现（修订版）［Ｍ］．南京：东南大学出版社，２００１． ［３］（美）贝斯．数字信号处理的ＦＰＧＡ实现［Ｍ］．刘凌，胡永生译．北京：清华大学出版社，２００２． ［４］樊昌信．通信原理［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００１． Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｏｆ Ｃｏｄｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ｄｅｃｏｄｉｎｇ ＦＡＮ Ｊｉｎｇ—ｆｅｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｘｉｎｇ—ｙａｎｇ２ （１．Ｊｉｙｔｍｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｙｕａｎ Ｈｅｎａｎ ４５４６５０２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎｏｒｈｔｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉａｏｉｎｎｇ １１０８１９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：１ｈｉｓ ｐｍＮｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｐｃｍ ｅｎｃｏｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｃｍ ｓｉ 【Ｉａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ．ｖｉｓｕａｌ ｅｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｏｏｌｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｆｏｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｙｓｔｅｍｓ ｎｘｘｔｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｃｈ ａｎｄ ｐｃｍ ｃｏｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎ ｐｕｌｓｅ ｃｏｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ａ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｑＬｌａｎｔｉｆｙ ｈｏｗ ｔｈｅ ｓ㈣ｐｂｎｇ ｎｄ ａｔｈｅｎ ｔｏ ｑｕ￣ｔｉｆｙ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｃｌｍｎｇｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｃｏｄｅ，ｔｈｅ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｄｉｎｇ ＰＣＭ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｑｕａｎｔｉｚａｆｉｏｎ ｄｅｃｏｄｅ
