cmi編解碼的設(shè)計與仿真課程設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計I課程設(shè)計</b></p><p><b>　　設(shè)計說明書</b></p><p><b>　　計算機科學與技術(shù)系</b></p><p><b>　　2012年7月1日</b></p><p>　CMI編解碼的設(shè)計與

2、仿真</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　2006—2007學年第一學期</p><p>　　設(shè)計題目： CMI編解碼的設(shè)計與仿真 </p><p>　　完成期限：自 2012 年 6 月 11 日至 2012 年6 月 22 日共 2 周</p><p>　

3、　設(shè)計依據(jù)、要求及主要內(nèi)容（可另加附頁）：</p><p>　?。?）設(shè)計CMI編解碼程序前，應(yīng)認真了解其編解碼規(guī)則和原理，以理論做指導(dǎo)，再認真構(gòu)思設(shè)計方案。</p><p>　?。?）程序設(shè)計完成后應(yīng)進行調(diào)試、仿真和分析[3]。</p><p>　?。?）對于仿真結(jié)果的處理和理論分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且仿真應(yīng)符合理論。</p><p>　?。?/p>

4、4）獨立完成課程設(shè)計并按要求編寫課程設(shè)計報告書。</p><p>　　指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： </p><p>　　批準日期： 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p><b>　

5、　CMI碼的簡介</b></p><p>　　1、CMI碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱，它是一種應(yīng)用于PCM四次群和光纖傳輸系統(tǒng)中的常用線路碼型，具有碼變換設(shè)備簡單、有較多的電平躍變，含有豐富的定時信息，便于時鐘提取，有一定的糾錯能力等優(yōu)點。在高次脈沖編碼調(diào)制終端設(shè)備中廣泛應(yīng)用作接口碼型，在速率低于8 448 Kb/s的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中也被建議作為線路傳輸碼型。在CMI編碼中，輸入碼字0直接輸出01碼型，較為

6、簡單。對于輸入為1的碼字，其輸出CMI碼字存在兩種結(jié)果00或11碼，因而對輸入1的狀態(tài)必須記憶。同時，編碼后的速率增加一倍，因而整形輸出必須有2倍的輸入碼流時鐘。在CMI解碼端，存在同步和不同步兩種狀態(tài)，因而需進行同步。同步過程的設(shè)計可根據(jù)碼字的狀態(tài)進行：因為在輸入碼字中不存在10碼型，如果出現(xiàn)10碼，則必須調(diào)整同步狀態(tài)。在該功能模塊中，可以觀測到CMI在譯碼過程中的同步過程。</p><p>　　關(guān)鍵詞：CMI

7、，通信，編碼，譯碼 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 概 述1</b></p><p>　　1.1 課程設(shè)計目的1</p><p>　　1.2課程設(shè)計要求2</p><p>　　1.3 課程設(shè)計內(nèi)容及其步驟2</

8、p><p>　　1.4 課程設(shè)計平臺3</p><p>　　2 CMI編碼與解碼設(shè)計原理4</p><p>　　2.1 CMI編碼原理4</p><p>　　2.2 CMI解碼原理5</p><p><b>　　3 設(shè)計內(nèi)容7</b></p><p>　　3.1 對二

9、進制序列NRZ碼進行CMI編碼7</p><p>　　3.2 對自定義CMI碼進行解碼9</p><p>　　3.3 對二進制序列NRZ碼進行編碼再解碼還原11</p><p>　　4設(shè)計中出現(xiàn)的問題及解決方法15</p><p><b>　　5總結(jié)與心得16</b></p><p>&

10、lt;b>　　6參考文獻17</b></p><p><b>　　1 概 述</b></p><p>　　基帶信號作為代碼的一種電表示形式，在實際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有的基帶電波形都能在信道中傳輸，若一個變換器把數(shù)字基帶信號變換成適合于基帶信道傳輸?shù)幕鶐盘枺瑢⒂行У奶岣呋鶐盘柕膫鬏斝?。歸納起來，對傳輸用的基帶信號主要要求有兩點：一是對

11、各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；二是對所選碼型的電波要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸[1]。本課程設(shè)計主要是對二進制序列（例如：110010111）的基帶信號進行CMI編碼與解碼，編碼成更適合與基帶信道傳輸?shù)幕鶐盘?。在掌握了CMI編解碼的基本規(guī)則基本原理后，在MATLAB環(huán)境下用程序語言實現(xiàn)CMI編碼和CMI解碼以及CMI編解碼一體的信號還原功能[2]。具體實現(xiàn)了CMI編碼與解碼仿真過程。</p&g

12、t;<p><b>　　CMI碼的優(yōu)點:</b></p><p>　　1、不存在直流分量，并且具有很強的時鐘分量，有利于在接收端對時鐘信號進行恢復(fù)；</p><p>　　2、具有檢錯能力，這是因為1碼用00或11表示，而0碼用01碼表示，因而CMI碼流中不存在10碼，且無00與11碼組連續(xù)出現(xiàn)，這個特點可用于檢測CMI的部分錯碼。</p>

13、<p>　　1.1 課程設(shè)計目的</p><p>　?。?）熟悉基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型，以及常用基帶傳輸碼的主要特性；</p><p>　?。?）了解基帶傳輸常用編碼中的CMI編碼與解碼的基本規(guī)則和原理；</p><p>　　（3）學會熟練使用MATLAB基本語言來設(shè)計簡單、常用的程序，來解決一些簡單的專業(yè)問題，模擬實現(xiàn)簡單通信原理的功能。</p>

14、<p>　?。?）通過對二進制序列NRZ碼的CMI編碼前和解碼后的信號進行碼型和波形的比較，掌握CMI編碼的原理和特性。</p><p>　?。?）通過獨立完成設(shè)計任務(wù)，獨立思考和獨立解決問題，提高自己的動手能力和獨立思考能力，從而做到增強自身在這瞬息萬變社會中的適應(yīng)能力。</p><p><b>　　1.2課程設(shè)計要求</b></p>&

15、lt;p>　?。?）設(shè)計CMI編解碼程序前，應(yīng)認真了解其編解碼規(guī)則和原理，以理論做指導(dǎo)，再認真構(gòu)思設(shè)計方案。</p><p>　　（2）程序設(shè)計完成后應(yīng)進行調(diào)試、仿真和分析。</p><p>　　（3）對于仿真結(jié)果的處理和理論分析結(jié)論應(yīng)該一致，而且仿真應(yīng)符合理論。</p><p>　?。?）獨立完成課程設(shè)計并按要求編寫課程設(shè)計報告書。</p>&

16、lt;p>　　1.3 課程設(shè)計內(nèi)容及其步驟</p><p>　?。?）隨機產(chǎn)生數(shù)字基帶信號：一段二進制序列NRZ碼，畫出其波形圖；將產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號進行CMI編碼，畫出編碼后的波形圖；將NRZ碼編碼前后的波形進行比較和分析；</p><p>　　（2）自定義一段CMI碼，畫出自定義CMI碼的波形圖；將自定義CMI碼進行解碼，并畫出解碼后二進制NRZ碼的波形；將自定義CMI碼的波形與

17、其解碼后的NRZ碼波形進行比較和分析；</p><p>　?。?）隨機產(chǎn)生數(shù)字基帶信號：一段二進制序列NRZ碼；將產(chǎn)生的NRZ碼進CMI編碼；將編碼生成的CMI碼進行解碼，畫出原NRZ碼波形和CMI編碼波形以及解碼后的波形，將其碼型和波形分別與原輸入NRZ碼型和波形進行比較和分析，觀察編解碼還原是否正確。</p><p>　　1.4 課程設(shè)計平臺</p><p>&

18、lt;b>　?。?）微機一臺；</b></p><p>　?。?）微軟Windows xp操作系統(tǒng)；</p><p>　?。?）MATLAB 7.0；</p><p>　?。?）微軟Office Word 2003; </p><p>　　2 CMI編碼與解碼設(shè)計原理</p><p>　　2.1 CM

19、I編碼原理</p><p>　　基帶傳輸常用碼型CMI編碼的方案設(shè)計：根據(jù)CCITT推薦，由于這種碼型有較多的電平跳躍，因此，含有豐富的定時信息。在程控數(shù)字交換機中CMI碼一般作為PCM四次群數(shù)字中繼接口的碼型，在光纜傳輸系統(tǒng)中也用做線路傳輸碼型。</p><p>　　CMI碼的全稱是傳號反轉(zhuǎn)碼， CMI碼的編碼規(guī)則如下：當輸入“0”碼時，編碼輸出“01”，當輸入“1”碼時，編碼輸出則“0

20、0“和”11“交替出現(xiàn)。</p><p>　　例如：NRZ代碼：1 1 0 1 0 0 1 0</p><p>　　CMI碼：1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1</p><p>　　其相應(yīng)的波形比較如圖2-1所示：</p

21、><p>　　圖2-1 編碼前與編碼后波形圖</p><p>　　根據(jù)此規(guī)則輸出CMI碼元的速率應(yīng)為輸入基帶信號的2倍。編碼的總體思想是對輸入的基帶信號進行采樣判斷，如果‘0’則轉(zhuǎn)化為“01”，如果為“1”則交替轉(zhuǎn)化為“11”或“00”?！?”的轉(zhuǎn)化結(jié)果只有一種可以直接轉(zhuǎn)化為“01”，而“1”的轉(zhuǎn)化結(jié)果有兩種“11”和“00”，因此需要一個信號作為判斷，當前面一個 “1”碼編碼轉(zhuǎn)換的是“00”

22、時，判斷編碼轉(zhuǎn)化為“11”，當前一個“1”碼編碼轉(zhuǎn)換的是“11”時，則判斷編碼轉(zhuǎn)化為“00”。</p><p>　　2.2 CMI解碼原理</p><p>　　CMI碼解碼的方案設(shè)計:根據(jù)CCITT推薦，由于這種碼型有較多的電平跳躍，因此，含有豐富的定時信息，在程控數(shù)字交換機中CMI碼一般作為PCM四次群數(shù)字中繼接口的碼型。</p><p>　　CMI碼的編碼規(guī)則如

23、下：當輸入“0”碼時，編碼輸出“01”，當輸入“1”碼時，編碼輸出則“00”和“11”交替出現(xiàn)[1]。根據(jù)此規(guī)則，在CMI的解碼模塊中：如果接收到“01”碼，則可解碼成“0”碼；如果接收到“00”碼或“11”碼，則可解碼還原為基帶信號“1”，如果接收到“10”(因為CMI編碼輸出是先輸?shù)母呶?但是由于CMI是串行傳輸，碼流中可能出現(xiàn)會出現(xiàn)“10”這樣的錯誤CMI碼，為了解決這個問題，我們在解“10”碼時統(tǒng)一將其解碼輸出為原先值。<

24、/p><p><b>　　例如：</b></p><p>　　CMI碼： 11 00 01 01 11 01 10 01 00</p><p>　　輸出解碼： 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 </p><p>　　其相應(yīng)的波形比較如圖2-

25、2所示：</p><p>　　圖2-2 CMI碼與其解碼波形圖</p><p><b>　　3 設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　3.1 對二進制序列NRZ碼進行CMI編碼</p><p>　　（1）隨機產(chǎn)生長度為20位數(shù)字基帶信號：二進制序列NRZ碼；</p><p>　　x=randint

26、(20,1)；生成的20位NRZ碼為：</p><p>　　0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 （2）將生成的二進制序列NRZ碼輸入CMI編碼程序進行CMI編碼；將編碼前后碼型進行比較；畫出編碼

27、前后的波形進行分析；</p><p>　　%CMI編碼程序，輸入隨機產(chǎn)生的20位NRZ碼x，程序?qū)ζ溥M行CMI編碼，運行直接輸出編碼結(jié)果（詳細程序見附錄I的cmiencode.m）；</p><p>　　for k=1:20 %for語句NRZ碼序列的第一個到第二十個循環(huán);</p><p>　　m=mod(n,2); %

28、cmi編碼結(jié)果“00”和“11”交替的判決語句;</p><p>　　if (x(k)==0) %如果NRZ碼為“0”,則進行下一步;</p><p>　　b(k)=0; %cmi編碼輸出的前一位為“0”;</p><p>　　c(k)=1; %cmi編碼輸出的后一位為“1”;</p>

29、<p><b>　　end</b></p><p>　　if (x(k)==1 & m==1) %如果NRZ碼為“1”且編碼判決碼為1,則進行下一步;</p><p>　　b(k)=1; %cmi編碼輸出的前一位為“1”;</p><p>　　c(k)=1; %cmi編碼輸出的

30、后一位為“1”; </p><p>　　n=n+1; %判決輔助碼加“1”;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if (x(k)==1 & m==0) %如果NRZ碼為“1”且編碼判決碼為“0”,則進行下一步;</p><p>　　b(k)=0;

31、 %cmi編碼輸出的前一位為“0”;</p><p>　　c(k)=0; %cmi編碼輸出的后一位為“0”; </p><p>　　n=n+1; %判決輔助碼加“1”;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end&l

32、t;/b></p><p>　　for k=1:20 %for語句cmi編碼后序列的第一個到第二十個的循環(huán); </p><p>　　if (b(k)==1 &c(k)==1) %如果cmi編碼后的前一位和后一位都為“1”,則進行下一步;</p><p>　　fprintf(&

33、#39; 11 ') %cmi編碼輸出為"11";</p><p><b>　　end</b></p><p>　　else if (b(k)==0 &c(k)==0) %如果cmi編碼后的前一位和后一位都為“0”,則進行下一步;</p><p>　　fprintf('

34、 00 ') %cmi編碼輸出為"00";</p><p><b>　　end </b></p><p>　　else %上述情況以外;</p><p>　　fprintf(' 01 ') %cmi編碼輸出為&

35、quot;01";</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　CMI編碼輸出結(jié)果為：</p><p>　　00 01 11 01 01 01 00 11 00 11 01 01 00 11 01 00 11 01 00 01

36、</p><p>　　將上述CMI編碼結(jié)果和原NRZ碼比較發(fā)現(xiàn)，編碼輸出符合：當輸入“0”碼時，編碼輸出“01”，當輸入“1”碼時，編碼輸出則“00“和”11“交替出現(xiàn)的編碼規(guī)則，編碼程序仿真正確。CMI編碼前后波形比較如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 CMI編碼前后波形</p><p>　　由圖中波形可以看出，將二進制序列NRZ碼進行CMI編碼后，信

37、號的電平躍變更多了，故定時信息量增加了，從而更加適合于基帶傳輸，提高了傳輸效率。</p><p>　　3.2 對自定義CMI碼進行解碼</p><p>　?。?）自定義一段CMI碼，畫出其波形圖；將自定義CMI碼進行解碼，畫出解碼后的波形； </p><p>　　輸入的CMI碼y為：</p><p>　　1 1 0 0 0 1 1

38、 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0</p><p>　　其波形圖如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 自定義CMI碼波形</p><p>　　（2）將CMI碼輸入解碼程序：</p><p>　　%CMI碼解碼程序，輸入10個CMI碼，運行程序?qū)⑵溥M行解碼直接輸出解碼結(jié)果（詳細程序見附錄II的

39、cmidecode.m）；</p><p>　　for k=1:2:21 %輸入的“1”、“0”一到二十循環(huán)；</p><p>　　if ((k+1)<21) %為保證后面的k+1不超出碼長; </p><p>　　if

40、 (y(k)==1 & y(k+1)==1) %如果輸入CMI為"11"時,運行下一步;</p><p>　　fprintf(' 1 '); %解碼輸出"1";</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(y(k)=

41、=1 & y(k+1)==0) %如果CMI碼的"10",則為錯誤碼,則輸出原碼;</p><p>　　fprintf(' 10 ');</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if (y(k)==0 & y(k+1)==0) %如果CMI碼

42、為"00",則運行下一步; </p><p>　　fprintf(' 1 '); %解碼輸出"1";</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(y(k)==0 & y(k+1)==1)

43、%如果CMI碼為"01",則運行下一步; </p><p>　　fprintf(' 0 '); %解碼輸出"0";</p><p>　　end %結(jié)束循環(huán)語句；</p><p><b>　　end</b>

44、;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　得到解碼結(jié)果為</b></p><p>　　1 1 0 1 0 0 1 1 0 1</p><p>　　其波形如圖3-3所示：</

45、p><p>　　圖3-3 自定義CMI解碼波形</p><p>　　觀察解碼結(jié)果和波形發(fā)現(xiàn)解碼符合CMI解碼規(guī)則，解碼正確，CMI解碼仿真成功。</p><p>　　3.3 對二進制序列NRZ碼進行編碼再解碼還原</p><p>　　（1）隨機產(chǎn)生數(shù)字基帶信號：二進制序列NRZ碼；</p><p>　　x=randint(

46、10,1)；生成的10位NRZ碼為：</p><p>　　0 0 1 0 1 1 1 1 0 0</p><p>　?。?）將產(chǎn)生的NRZ碼輸入編解碼程序進行CMI編碼，再解碼還原成二進制序列NRZ碼。</p><p>　　%CMI碼編解碼一體的還原程序，輸入隨機產(chǎn)生的10位二進制序列NRZ碼，運行程序進行編碼后

47、輸出編碼結(jié)果，再解碼輸出解碼的結(jié)果（詳細程序見附錄III 的cmi.m）；</p><p>　　for k=1:10 %for語句cmi編碼后序列的第一個到第十個的循環(huán); </p><p>　　if (b(k)==1 &c(k)==1) %如果cmi編碼后的前后位都為“1”,則

48、進行下一步;</p><p>　　fprintf(' 11 ') %cmi編碼輸出為"11";</p><p>　　else if (b(k)==0 &c(k)==0) %如果cmi編碼后的前后位都為“0”,則進行下一步;</p><p>　　fprintf(' 00 

49、9;) %cmi編碼輸出為"00";</p><p>　　else %上述情況以外;</p><p>　　fprintf(' 01 ') %cmi編碼輸出為"01";</p><p>　　end %結(jié)束本if語句;

50、</p><p>　　end %結(jié)束上層if語句; </p><p>　　end %結(jié)束for循環(huán)語句;</p><p>　　fprintf('\n'); %換行; </p><p&g

51、t;　　fprintf('Display decode result:\n'); %顯示"輸出解碼結(jié)果為:";</p><p>　　for k=1:10 %for循環(huán)語句; </p><p>　　if (b(k)==1&c(k)==1) %if循環(huán)語句,如果cmi碼的前序列為"

52、1",則運行下一步; </p><p>　　fprintf(' 1 '); %輸出顯示" 1 ";</p><p>　　end %if循環(huán)結(jié)束; </p><p>　　if (b(k)==1&c(k)==0 ) %如

53、果cmi碼的前序列為"1"后序列為"0",則運行下一步; </p><p>　　fprintf(' 10 ') ; %錯誤CMI碼，解碼輸出顯示原碼"10";</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if (b(k)==0

54、&c(k)==0) %if循環(huán)語句,如果cmi碼的前后位都為"0",則運行下一步;</p><p>　　fprintf(' 1 '); %輸出顯示" 1 "; </p><p>　　end %if循環(huán)結(jié)束; </p>&l

55、t;p>　　if (b(k)==0 &c(k)==1) %if循環(huán)語句,如果cmi碼的前位為"0"且后位為"1"；</p><p>　　fprintf(' 0 '); %輸出顯示" 0 "; </p><p>　　end

56、 %if循環(huán)結(jié)束;</p><p>　　end %for循環(huán)結(jié)束;</p><p>　　程序運行輸出結(jié)果為：</p><p>　　The input NRZ code is:</p><p><b>　　x =</b></p><p

57、>　　0 0 1 0 1 1 1 1 0 0</p><p>　　Display encode result:</p><p>　　01 01 11 01 00 11 00 11 01 01 </p><p>　　Displa

58、y decode result:</p><p>　　0 0 1 0 1 1 1 1 0 0</p><p>　?。?）隨機生成的二進制序列NRZ碼波形、CMI編碼和解碼后波形如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 隨機NRZ碼波形、編碼后的波形、解碼后的波形</p>

59、<p>　　通過前述程序輸出碼型和波形，不難看出程序的編解碼還原過程符合CMI編解碼規(guī)則，將二進制序列NRZ碼進行CMI編碼后，信號的電平躍變更多了，故定時信息量增加了，且解碼輸出的二進制序列碼與原輸入的NRZ碼完全一致，編解碼一體還原仿真成功。</p><p>　　4設(shè)計中出現(xiàn)的問題及解決方法</p><p>　　在此次課程設(shè)計中我遇到了很多難題，經(jīng)過老師的細心指導(dǎo)和我自己的

60、努力鉆研和查閱書籍資料，問題都一一解決。出現(xiàn)的主要問題如下：</p><p>　?。?）在設(shè)計之初，設(shè)計編碼程序時，遇到“1”碼的編碼結(jié)果“11”和“00”交替，但是不知道何時編碼輸出為“11”，何時編碼輸出為“00”，經(jīng)過仔細思考和認真研究原理，最后想到加一個判決碼，輔助判決何時編碼輸出“11”，何時編碼輸出“00”。</p><p>　?。?）在設(shè)計單獨的解碼程序時，考慮到輸入的CMI

61、可能會出現(xiàn)錯誤，會有像“10”這樣的錯誤碼出現(xiàn)，它不符合CMI的編碼規(guī)則，因此不能解碼，在處理這個糾錯問題上，最終還是以不解錯誤碼，錯誤碼按原碼“10”輸出。</p><p>　　（3）在畫二進制序列的波形圖時，由于我用的是plot函數(shù)畫圖，出現(xiàn)了不能畫出形象代表二進制序列的方波，在查閱書籍之后也沒找到結(jié)果，最后經(jīng)過老師的指點最終采用的stairs函數(shù)；</p><p>　?。?）在用畫圖

62、程序畫出圖形時，發(fā)現(xiàn)畫出的圖像線條特別細小，很難分辨出來，于是通過查閱書籍了解到加一個linewidth參數(shù)將線條設(shè)置成2倍粗度就可以了。</p><p><b>　　5總結(jié)與心得</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我深深地認識到了完成一項設(shè)計工作所需要具備的能力，它不但需要你掌握對課題深度的把握，對課題知識的研究，更重要的，作為一個小組，我們大家共同配合

63、，相同努力，解決了課程設(shè)計當中的種種困難，最終完成了這項設(shè)計工作。</p><p>　　CMI編解碼的設(shè)計與仿真使用到了MATLAB7.0，這個軟件是純英文的，在使用的過程中，我們確實遇到了很多問題，但都被大家一一解決了，通信技術(shù)在當今社會中的用途廣泛，現(xiàn)代社會的發(fā)展基本上離不開通訊技術(shù)的進步，所以我們有必要搞好這項研究，緊追科技時代發(fā)展的腳步。</p><p><b>　　6參

64、考文獻</b></p><p>　　[1]樊昌信、張甫翊、徐炳祥、吳成柯，《通信原理》（第5版）[M]，國防工業(yè)出版社，2007。</p><p>　　[2]孫祥、徐流美、吳清，《MATLAB 7.0基礎(chǔ)教程》[M]，清華大學出版社，2005。</p><p>　　[3] 樓順天、陳生潭、雷虎民，《MATLAB5.x程序設(shè)計語言》[M]，西安電子科技大學