吳冉 劉登峰 俊杰 等

摘要：針對(duì)目前通信專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程存在的問(wèn)題，將Matlab引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以PCM串行傳輸這個(gè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為例，用Matlab編程、Simulink建模仿真、GUI圖形界面3種形式分別實(shí)現(xiàn).驗(yàn)證了脈沖編碼調(diào)制的抽樣、量化、編碼、譯碼的過(guò)程以及對(duì)于編碼和解碼誤差原因的分析.通過(guò)多方式的驗(yàn)證型教學(xué)，提高了學(xué)生的工程基礎(chǔ)素質(zhì)和動(dòng)手能力.對(duì)于通信專(zhuān)業(yè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展具有一定的借鑒意義.

關(guān)鍵詞：PCM;Matlab;GUI;Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：TP914? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）02-0062-03

目前，南陽(yáng)理工學(xué)院通信專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是驗(yàn)證型，設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很少，學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得不到培養(yǎng)，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)大部分也是通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行連線(xiàn)，再通過(guò)示波器進(jìn)行觀察，這種驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)真正需要學(xué)生思考和動(dòng)手的機(jī)會(huì)不多.實(shí)驗(yàn)結(jié)果受硬件局限性大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)波形效果不理想時(shí)，能調(diào)節(jié)和修改的地方很少，實(shí)驗(yàn)?zāi)康碾y以達(dá)到.為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的缺點(diǎn)，為了提高教學(xué)質(zhì)量，為了提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，依托實(shí)驗(yàn)室，成立了以老師指導(dǎo)，學(xué)生動(dòng)手的團(tuán)隊(duì)，在教師的指導(dǎo)下，本團(tuán)隊(duì)學(xué)生通過(guò)Matlab以編程，Simulink建模仿真，GUI圖形界面3種形式分別實(shí)現(xiàn)PCM（脈沖編碼調(diào)制）串行傳輸系統(tǒng).3種方法的理論原理是一樣的，只是實(shí)現(xiàn)方式不同，其基本原理如圖1所示.在發(fā)送端通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)抽樣、量化、編碼[1]，得到PCM數(shù)字信號(hào)，這時(shí)信號(hào)便可以用數(shù)字通信方式傳輸，經(jīng)信道傳送到接收端的譯碼器，進(jìn)而還原出抽樣值，再經(jīng)低通濾波器濾出模擬信號(hào)[2].其中，發(fā)送端的抽樣、量化、編碼，實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即A/D變換[1，2]，接收端的譯碼、濾波實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即D/A變換[1，2].學(xué)生可以通過(guò)這3種方式分別實(shí)現(xiàn)PCM[3]串行傳輸，然后進(jìn)行對(duì)比分析.用GUI[4]圖形界面和Simulink搭建的通信仿真系統(tǒng)可以方便直觀地展現(xiàn)信號(hào)的狀態(tài)變化，使抽象的通信理論形象化，有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解[3-5].用Matlab編寫(xiě)程序代碼可以培養(yǎng)學(xué)生的編程能力為以后的畢設(shè)和工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ).

1 用Matlab編程仿真PCM串行傳輸

仿真時(shí)信源的幅度為1，頻率為1000Hz，信號(hào)抽樣頻率為8000Hz，編碼環(huán)節(jié)采用A律13折線(xiàn)編碼[6-7].圖2是用Matlab編程進(jìn)行仿真得到的模擬信號(hào)、抽樣信號(hào)和PCM輸出信號(hào)，圖3是經(jīng)過(guò)譯碼器還原出來(lái)的抽樣信號(hào)和原始模擬信號(hào).仿真計(jì)算出量化誤差為0.3222.

對(duì)比圖1和圖2可以看出模擬信號(hào)經(jīng)PCM調(diào)制以后變成了數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)譯碼仍可還原出原始的模擬信號(hào)，因?yàn)椴皇抢硐氤闃铀赃€原出來(lái)的抽樣信號(hào)與原抽樣信號(hào)有差異.

2 用Matlab中的Simulink仿真PCM串行傳輸

用Simulink進(jìn)行建模的圖形如圖4所示.學(xué)生在仿真過(guò)程中首先需要建模，然后對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，在建模的時(shí)候?qū)W生必須對(duì)PCM編譯碼的整個(gè)過(guò)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(gè)模塊的作用是什么;在對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，也要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)原理非常清楚，如果參數(shù)設(shè)計(jì)不正確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有誤.驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)，通過(guò)多方式的質(zhì)疑式的驗(yàn)證型教學(xué)，學(xué)生的工程基礎(chǔ)素質(zhì)和動(dòng)手能力才能提高.學(xué)生通過(guò)這種方式做完驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，才可以熟能生巧，進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn).

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(shù)據(jù)用Frame Status Conwersion模塊轉(zhuǎn)換為幀存儲(chǔ)格式，然后通過(guò)Buffer模塊串行化輸出，Buffer的大小設(shè)置為1.信道錯(cuò)誤比特率設(shè)置為0.01，方便觀察信道誤碼對(duì)PCM傳輸?shù)挠绊?本仿真中顯示的信道錯(cuò)誤比特率為0.5962如圖5所示.Buffer2模塊的大小設(shè)置為8，實(shí)現(xiàn)PCM碼（8個(gè)比特）的串并轉(zhuǎn)換.用Reshape模塊轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組后送給PCM譯碼器.

用Simulink仿真建模以后仿真出來(lái)的圖形如圖6和圖7所示，圖8是用實(shí)驗(yàn)箱對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)（黃色）進(jìn)行PCM編碼從示波器上觀察的PCM（藍(lán)色）圖形，圖9是用實(shí)驗(yàn)箱將PCM信號(hào)進(jìn)行譯碼還原成模擬信號(hào)（藍(lán)色）與原模擬信號(hào)（黃色）進(jìn)行對(duì)比.

圖6從上到下依次是誤碼波形和PCM波形，圖6的第二個(gè)圖形（PCM）可以與圖8的PCM（藍(lán)色）進(jìn)行對(duì)比分析，圖7從上到下依次是譯碼輸出的波形和原話(huà)音信號(hào)波形，可以與圖9進(jìn)行對(duì)比分析.其中圖7種譯碼輸出波形中出現(xiàn)了干擾，這是因?yàn)樾诺乐绣e(cuò)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(guò)實(shí)驗(yàn)箱和Simulink的仿真對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)學(xué)生可以很清楚地知道是哪個(gè)環(huán)節(jié)引起的錯(cuò)誤，學(xué)生對(duì)PCM編譯碼的原理的理解會(huì)更加透徹.他們的基本技能也得到了提升.

3 利用Matlab設(shè)計(jì)的PCM的GUI界面

圖9是學(xué)生利用Matlab自己設(shè)計(jì)的PCM的GUI界面，輸入信號(hào)有兩種：隨機(jī)信號(hào)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(jù)量化值最接近原始值和均方量化誤差最小這2種規(guī)則編寫(xiě)的算法;另一種是壓縮擴(kuò)張法;圖9選擇的是正弦信號(hào)，然后點(diǎn)擊plot按鈕，就畫(huà)出來(lái)圖中的正弦波，選Ideal Sampling，再點(diǎn)Sampling按鈕就得到了采樣以后的信號(hào)，量化選擇Two rules and an algorithm，再點(diǎn)Quantize按鈕就得到了量化以后的信號(hào)，均方量化誤差MSE是0.322349，然后點(diǎn)Bitstream就得到了用0，1表示的PCM數(shù)字信號(hào)，如圖10所示.

選擇隨機(jī)信號(hào)，零階保持，壓縮擴(kuò)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(jié)束語(yǔ)

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，為了克服驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，為了讓學(xué)生通過(guò)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)真正提高他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，本文依托實(shí)驗(yàn)室，成立了以老師指導(dǎo)，學(xué)生動(dòng)手的團(tuán)隊(duì)，在教師的指導(dǎo)下，本團(tuán)隊(duì)學(xué)生通過(guò)Matlab以編程，Simulink建模仿真，GUI圖形界面3種形式對(duì)脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)過(guò)程進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，以探究和驗(yàn)證脈沖編碼調(diào)制的抽樣、量化、編碼和解碼的過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)PCM串行傳輸系統(tǒng)的理解，對(duì)于PCM的實(shí)現(xiàn)和通信專(zhuān)業(yè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展具有一定的借鑒意義.

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