模拟信号数字化传输系统的设计和仿真分析.docx

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1、唐山学院通信原理课程设计题目模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析系（部）班级姓名学号_指导教师2017年6月26日至2017年1月旦日共1周通信原理课程设计任务书一、设计题目、内容及要求设计题目：模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析内容及要求：L了解Matlab/Simulink的运行环境及应用领域；2 .逐步熟悉模拟信号数字化传输系统的仿真过程，由简到难；3 .系统仿真及波形分析(1)模拟信号抽样过程原理与仿真分析；(2)模拟信号量化过程原理与仿真分析；(3) PCM编译码系统设计与仿真分析；(4) DPCM编译码系统设计与仿真分析。(5)在高斯信道下对PCM系统的性能进行仿真分析。(可

2、选)二、设计原始资料通信原理；软件MatIab；计算机一台三、要求的设计成果(课程设计说明书、设计实物、图纸等)设计说明书1份，不少于2000字，应包含模拟信号数字化传输系统原理、相关系统设计、相关软件Matlab/Simulink介绍、系统仿真及波形分析。四、进程安排第1-2天课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件第3-4天相关系统设计第5-6天系统仿真及波形分析第7-8天整理、撰写说明书第9-10天进行测试或答辩五、主要参考资料1樊昌信、曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，20062刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京：电子工业出版社，20113邵玉

3、斌.MATLAB/SinlUIik通信系统建模与仿真实例分析.北京：清华大学出版社，20084张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京：人民邮电出版社，20125邵佳，董辰辉MATLAB/SimUlink通信系统建模与仿真实例精讲.北京：电子工业出版社，2009指导教师（签名）：教研室主任（签名）：课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数缺勤天数成出勤情况及设计过程表现（20分）绩课设答辩（20分）评设计成果（60分）定总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年月日目录前言11模拟信号抽样过程原理2Ll抽样原理21.L1低通型连续信号的抽样31.1.2带

4、通信号的抽样定理41.2量化原理51.1.1 1均匀量化61.1.2 非均匀量化71.1.3 A律压缩律71.1.4 13折线7L3脉冲编码调制(PCM)91.4差分脉冲编码调制(DPCM)102Matlab/Simulink的简介123基于Simulink的模拟信号数字化传输的设计与仿真分析163.1 抽样过程的设计与仿真分析163.2 量化过程的设计与仿真分析173.3 PCM编译码系统设计与仿真分析203 .3.1PCM编码器设计204 .3.2PCM解码器设计233.3.3有干扰信号的PCM编码与解码243.4DPCM编译码系统的设计与仿真分析284总结315参考文献33刖三通信系统中

5、的信息传输已经基本数字化。在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提到日程上来，21世纪数字系统已经逐步取代模拟系统。尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。近年来提出的软件无线电技术，试图在射频进行模数转换，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化，这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展。Simulink工具是MATLAB软件提供的可以实现动态系统建模和仿真的软件包，它让用户把精力从语言编程转向仿真模型的构造，为用户省去了很多重复的代码编写工作。SimUIink中的每个模块对我们来说都是透明的，我们只须知道模块的输

6、入、输出和每个模块的功能，而不需要关心模块内部是如何实现的，留给我们的事情就是如何利用这些模块来建立仿真模型以完成自己的任务。至于SimUlink中的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样的，事件是如何驱动的等问题，我们可以不去关心。正是由于SimUlink具有这些特点，所以它被广泛应用在通信仿真中。1模拟信号抽样过程原理Ll抽样原理抽样是按照等时间等间隔进行的，模拟信号被抽样后成为抽样信号，把该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。抽样的抽样速率下限是由抽样定理确定的。抽样定理告诉我们，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输抽样定

7、理得到的抽样值。因此该定理就为模拟信号的数字化传输提供了理论基础。LLl低通型连续信号的抽样定理内容：抽样定理在时域上可以表述为：对于一个频带限制在(0ffH)fe内的时间连续信号/Y如果以7sW/C刀秒间隔对其进行等间隔抽样，则f(t)将被所得到的抽样值完全确定。模拟信号抽样过程中各个信号的波形与频谱。(a)模拟信号的波形及频谱图17抽样过程中的信号波形与频谱以下为两种情况下的频谱分析结果。但抽样频率小于奈奎斯特频率时，即如呆32,是一个不超过M的最大整数，那么外,就可以完全由抽样值确定。下面两种情况说明：(1)若最高频率。为带宽的整数倍，即。=及此时8/5=是整数，m=n,所以臭氧速率fs

8、=2f,im=2B.(2)若最高频率力,不为带宽的整数倍，要ftl=nB+kB,Okl此时，由定理知，勿是一个不超过%的最大整数，显然，m=n,所以能恢复出原信号Fg的最小抽样速率为：fs=2(ftfll)(2nl)式中是一个不超过/的最大整数，047通常在取1。1.2量化原理量化就是把经过抽样的得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。量化的结果使抽样信号变成量化信号，其值是离散的。故量化信号已经是数字信号了，可以看成是多进制脉冲信号。量化在连续抽样值和量化值之间产生误差，称为量化误差。1.2.1均匀量化如果用相等的量化间隔对抽样得到的信号做量化，那么

9、这种量化方法称为均匀量化。工作原理：在均匀量化中，每个量化区间的量化电平取在各区间的中点。其量化间隔，取决于输入信号的变化范围和量化电平数。若设输入信号的最小值和最大值分别为H和b表示，量化电平数为机则均匀量化时的量化间隔为C=(b-a)/M量化器输出为X=Xjo图1-4均匀量化特性与量化误差曲线量化器的输入与输出关系可用量化特性来表示，语言编码常采用上图所示输入-输出特性的均匀量化器，当输入R在量化区间例TWRWE变化时，量化电平S是该区间的中点值。而相应的量化误差erm-/%与输入信号幅度加之间的关系曲线如上图所示。过载区的误差特性是线性增长的，因而过载误差比量化误差大，对重建信号有很坏的

10、影响。在设计量化器时，应考虑输入信号的幅度范围，是信号幅度不进入过载区，或者只能以极小的概率进去过载区。上述的量化误差e产片外通常称为绝对量化误差，它在每一个量化间隔内的最大值均为/X均匀量化广泛应用于现行A/D变换接口，例如在计算机中，财为A/D变化的位数，常用的有8位、12位、16位等不同精度。1.2.2 非均匀量化非均匀量化的方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数采用对数式压缩。广泛采用的两种对数式压缩率是U压缩率和A压缩率。1.2.3 A律压缩律A压缩律的压缩特性为Ax/(HlnA)0 xSl/AY=(1 +InAx)/(1 +ln)lAe 1=g时图3-

11、9 Scopel的仿真波形显示波形中，第一个波形显示的是进行自然量化之后的波形，第二个波形是经过压缩之后再量化的波形，近似于13折线的波形。3.3PCM编译码系统设计与仿真分析3.3.1PCM编码器设计PCM编码器的设计如图3-10所示：图3T0PCM编码器原理电路图PCM编码器设计图中各模块的参数设置如下。继电器设置如图3T1所示，在两个常数中选出一个作为输出。图371ReIay参数设置图限制信号变化范围，设置SatUratiOn的参数，如图3T2所示:图3-12Saturation参数设置图图373输入输出绝对值设置图A律压缩器进行相应的设置，如图3T4所示，对输入信号进行A律压缩。图37

12、4A律压缩器参数设置量化器设置，以指定的时间间隔离散化输入，如图3-15所示:图3T5量化器参数设置图增益设置，即将模块的输入乘以一个数值，如图376所示:FunctonBlockPar*a*terasIatertoBitCc*vrtr图3T7比特输出参数设置图比特输出设置输出为7bit,如图3T7所示:混合设置，将几条输入连线组合成一条向量连线，如图3T8所示:图3-18MUX参数设置图3.3.2PCM解码器设计PCM解码器的设计如图3-19所示:I1Demux的输出设置为8,Mux的输出设置为7,起解混作用，将向量信号分解为多个信号。其他模块的参数设置同编码器部分参数的设置相同。3.3.3

13、有干扰信号的PCM编码与解码为了验证PCM编译码系统的特性，设计了一个有干扰的编译码过程。有干扰信号的PCM编码与解码设计图如图3-20所示:图3-20有干扰信号的PCM编码与解码设计图部分的模块参数设置如下:对输入信号进行设置，使其产生一个正弦波。图3-21SineWaVe参数设置图对ZerC)-Oder-Hold设置，实现一个采样周期的零阶保持，如图3-22所示:FiunctonNlockPArZtro-OrdcrHolrf图3-22ZerO-Oder-Hold参数设置图把数据打成帧格式，对一下模块进行设置，如图3-23所示:图3-23FrameConversion参数设置图对缓冲器进行设

14、置，如图3-24所示：I n FwcQ . Un Dloek P*og* : Duffet图3-24 BUffer参数设置图二进制对称信道设置，如图3-25所示:图3-25BinarySymmetric参数设置图对缓冲器进行设置，如图3-26所示:图3-26Bufferl参数设置图对数据设置，将一列数据变成矩阵，如图3-27所示:图3-27Reshape参数设置图总体参数也需要进行设置，如图3-28所示:OC1rAAA(Mawtn(DB0OJJUUIUIUIUUUL11I三JU1-oi-1Ijvwwwwwvj1h1h图3-30示波器Scope的显示波形波形显示中第一个波形为经过PCM编码和解码

15、之后的波形，第二个波形为原始波形的锯齿状波形。经过两个波形的对比可以发现，加入干扰之后恢复出来的波形与原始波形有一定的误差，但是仍然能够看出PCM编译码器的作用。3.4DPCM编译码系统的设计与仿真分析DPCM编译码的设计图如图3-31所示：图3-31DPCM编译码的设计图对设计图中的部分模块进行设置。首先对输入信号进行设置，使得产生一个正弦波，如图3-32所示:O 5ourc D 1 oc P r * c tl 1 07kX fofer用图3-34 DPCM译码模块的参数设置图设计图中的示波器显示如图3-35所示:图3-35示波器Scope的显示波形示波器中显示的第一个波形为原始正弦锯齿状信

16、号，第二个波形为经过DPCM编码系统之后的效果，第三个波形为DPeM译码系统之后的波形，由此可以看出经过编译码之后的波形与原始波形相比还是有一定误差的。但是定性的分析，DPCM编译码系统的性能要优于PeM编译码系统。4总结通过本次课程设计我较系统地掌握了有关PCM脉冲编码调制的设计思路和设计方法，主要对MATLAB的仿真方法与开发环境等有了一定的了解并对其进行测试和应用。掌握了利用MATLAB集成环境下的SimUiink仿真平台，完成对脉冲编码调制系统的建模与仿真分析的基本方法。以前对PCM编码的了解只是理论层面上的，通过这次课程设计加深了对理论知识的理解，并对其在实际中的应用有了一定的了解。

17、在课程设计刚开始的时候，由于对MATLAB的使用不太熟悉觉得无从下手使课程设计进展困难。为此，我借助网络、图书等资源一步一步熟悉MATLAB,并在熟练的同学的帮助下，渐渐摸索找到了方法。我认识到在以后的学习过程中要时刻保持着刻苦钻研的精神和坚持不懈的毅力。本此课程设计的成功离不开自己的努力，离不开同学的帮助，更离不开指导老师的教育。老师一方面在理论课上很详细很专业的为我们讲解了本次课程设计的理论知识，让我对此在宏观上了解并能够掌握这些理论知识，为以后的实际操作提供了坚实的基础。另一方面在实际操作时也给我们很多技术上的指导让我们能在此过程中学到更多的操作技能。总的来说，这次的课程设计让我受益匪浅。不仅是我体验到了动手操作的乐趣，而且培养了我的设计思维和增强了实践能力。5参考文献1樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社.20062刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京：电子工业出版社.20113邵玉斌.MATLAB/SimUlik通信系统建模与仿真实例分析.北京：清华大学出版社.2008张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京：人民邮电出版社.20125邵佳，董辰辉.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京：电子工业出版社.2009