吳冉 劉登峰 俊杰 等

摘要：針對目前通信專業(yè)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(xiàn).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(yè)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(yè)的實驗項目大多是驗證型，設計型和創(chuàng)新型的實驗項目很少，學生的動手能力和創(chuàng)新能力得不到培養(yǎng)，驗證型實驗大部分也是通過傳統(tǒng)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(jié)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(tǒng)實驗箱的缺點，為了提高教學質量，為了提高學生的創(chuàng)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(xiàn)PCM（脈沖編碼調制）串行傳輸系統(tǒng).3種方法的理論原理是一樣的，只是實現(xiàn)方式不同，其基本原理如圖1所示.在發(fā)送端通過對模擬信號抽樣、量化、編碼[1]，得到PCM數(shù)字信號，這時信號便可以用數(shù)字通信方式傳輸，經(jīng)信道傳送到接收端的譯碼器，進而還原出抽樣值，再經(jīng)低通濾波器濾出模擬信號[2].其中，發(fā)送端的抽樣、量化、編碼，實現(xiàn)了模擬信號到數(shù)字信號的轉換，即A/D變換[1，2]，接收端的譯碼、濾波實現(xiàn)了數(shù)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(xiàn)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(tǒng)可以方便直觀地展現(xiàn)信號的狀態(tài)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(yǎng)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(huán)節(jié)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(jīng)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(jīng)PCM調制以后變成了數(shù)字信號，再經(jīng)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(shù)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(shù)設計時，也要對整個實驗原理非常清楚，如果參數(shù)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(chuàng)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(shù)據(jù)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?shù)挠绊?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(xiàn)PCM碼（8個比特）的串并轉換.用Reshape模塊轉換成一維數(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(xiàn)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(xiàn)錯誤時學生可以很清楚地知道是哪個環(huán)節(jié)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(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(shù)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(chuàng)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(chuàng)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(tǒng)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(tǒng)的理解，對于PCM的實現(xiàn)和通信專業(yè)驗證型實驗的開展具有一定的借鑒意義.

參考文獻：

〔1〕劉振霞，馬志強，錢淵，李瑞欣.程控數(shù)字交換技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2013.9-11.

〔2〕張水英，徐偉強.通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M].北京：人民郵電出版社，2012.146-149.

〔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.

〔4〕郭慧.基于PCM編碼的模擬信號數(shù)字化實現(xiàn)[J].微型機與應用，2017（2）：70-72.

〔5〕李紅.基于Matlab的量化編碼的研究[J].黑龍江科技信息，2010（25）：83.

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

〔7〕馮微瑋.基于MATLAB的PCM仿真[J].科技致富向導，2012（14）：31-33.