通信原理軟件AD轉(zhuǎn)換課程設(shè)計Matlab講解

1、通信原理課程設(shè)計報告課程名稱 A/D 轉(zhuǎn)換的仿真實現(xiàn)（軟件部分）專業(yè)通信工程班級XXXX學(xué)號XXXXXXXX姓名XXXXX指導(dǎo)教師 XXXX2015 年 1 月 20 日經(jīng)過幾天通信原理實驗的學(xué)習(xí)讓我受益菲淺。 在通信原理實驗 課即將結(jié)束之時， 我對在這 4天的學(xué)習(xí)進(jìn)行了總結(jié)， 取之長補之短， 在今后的學(xué)習(xí)和工作中有所受用。這次通信原理實驗，不僅是對已學(xué)的通信原理知識的一種 回顧，更是將這學(xué)期所開設(shè)的 光纖通信，通信電子電路 和信 息論與編碼的一種有效鞏固，開始對數(shù)字基帶信號的碼型變換有 了更好的了解。通信原理是通信工程的重要基石，大三所學(xué)的 都是更為精細(xì)與補充，在不斷的時間投入與深入的沉淀中

2、，體會到 學(xué)習(xí)的另一番樂趣。通過這次通信原理實驗，我有認(rèn)真地去翻閱思考通信原理 的知識，認(rèn)真地去上機調(diào)試每個硬件模塊， 用心地去編寫調(diào)試 Matlab 程序，也認(rèn)真地寫下這份實驗報告，我相信這份用心與耐心是經(jīng)得 起考驗的，希望能得到老師的肯定與優(yōu)秀。軟件部分 A/D 轉(zhuǎn)換的仿真實現(xiàn)一、實驗?zāi)康?通信原理實驗是針對通信工程專業(yè)學(xué)生的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)， 通過這一環(huán)節(jié)， 可使學(xué)生鞏固相關(guān)課程知識，增強動手能力，提高學(xué)生對通信系統(tǒng)的仿真技 能。在強調(diào)基本原理的同時，更突出設(shè)計過程的鍛煉，強化學(xué)生的實踐創(chuàng)新 能力。二、實驗基本要求1、培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)需要選學(xué)參考書， 查閱手冊， 圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能 力，通過

3、獨立思考深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會自己分析解決問題的方法。2、通過對硬件電路的安裝、 調(diào)試等環(huán)節(jié)， 初步掌握通信原理電路的分析 方法和工程設(shè)計方法。3、掌握常用儀表的正確使用方法， 學(xué)會對電路的實驗調(diào)試和相關(guān)指標(biāo)測 試方法，提高動手能力。4、通過對通信系統(tǒng)的仿真模型的建立及其分析， 掌握使用仿真軟件對實 際通信系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真的初步技能。5、提高和挖掘?qū)W生對所學(xué)專業(yè)知識的應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識， 培養(yǎng)和鍛煉 學(xué)生的團(tuán)隊合作精神和科研開發(fā)精神。三、實驗設(shè)計任務(wù)（一）設(shè)計要求1、學(xué)習(xí)使用計算機建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能， 學(xué)會利 用仿真手段對通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進(jìn)行實際驗證。2、學(xué)習(xí)

4、現(xiàn)有通信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法， 學(xué)會通信仿真系統(tǒng)的基本 設(shè)計與調(diào)試，學(xué)會使用仿真軟件解決實際系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。3、通過系統(tǒng)仿真加深對通信課程理論的理解， 拓展知識面。 學(xué)會查找資料， 并結(jié)合通信原理的知識，對通信系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。（二）設(shè)計任務(wù) 設(shè)計型實驗共有兩類實驗題，每位同學(xué)可選擇兩類中其中一題。設(shè)計型 實驗中仿真軟件的選擇，同學(xué)們可自由選取，建議用 Matlab 。、基本任務(wù)： 單頻正弦波模擬信號的簡單數(shù)字化。 即對一個單頻正弦波模擬信號進(jìn)行抽樣、均勻量化、 PCM二進(jìn)制自然編碼主要步驟和要求：（1）單頻正弦波模擬信號的抽樣實現(xiàn)。要求輸入信號的幅度A、頻率 F和相位 P可變；要求仿真

5、時間從 0到 2/F ，抽樣頻率為 Fs=20F；要求給出抽 樣信號的波形圖。（2）單頻正弦波模擬信號均勻量化的實現(xiàn)。 要求對抽樣信號歸一化后再 進(jìn)行均勻量化；要求量化電平數(shù) D 可變；要求輸出信號為平頂正弦波；要求 給出量化輸出信號的波形圖，并與抽樣信號畫在同一圖形窗口中進(jìn)行波形比 較。（3）單頻正弦波模擬信號 PCM二進(jìn)制自然編碼的實現(xiàn)。 要求按量化序號 給出 PCM二進(jìn)制自然編碼；要求給出編碼后的數(shù)字序列 pcm。、選做任務(wù)： 單頻正弦波模擬信號的特殊數(shù)字化。 按給定要求對一個單頻正弦 波模擬信號進(jìn)行數(shù)字化。主要步驟和要求：（1）單頻正弦波模擬信號的抽樣實現(xiàn)。要求輸入信號的幅度A、頻率

6、F和相位 P可變；要求仿真時間從 0到 2/F ，抽樣頻率為 Fs=20F；要求給出抽 樣信號 的波形圖。（2）單頻正弦波模擬信號非均勻量化的實現(xiàn)。 要求對抽樣信號歸一化后 再分別進(jìn)行滿足 A律和 u律壓縮的非均勻量化； 要求壓縮參數(shù) a、u 可變；要 求量化電平數(shù) D 可變；要求輸出信號為平頂正弦波；要求給出量化輸出信號 的波形圖，并與抽樣信號畫在同一圖形窗口中進(jìn)行波形比較。四、實驗設(shè)計原理信號的數(shù)字化需要三個步驟： 抽樣、量化和編碼 。抽樣是指用每隔一定 時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號， 也就是在時間上將模 擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬

7、 信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。 編碼則是按照一定的 規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號 流。這樣得到的數(shù)字信號可以通過電纜、微波干線、衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳 輸。在接收端則與上述模擬信號數(shù)字化過程相反，再經(jīng)過后置濾波又恢復(fù)成 原來的模擬信號。上述數(shù)字化的過程又稱為脈沖編碼調(diào)制。抽樣話音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時間上也 是連續(xù)的。要使話音信號數(shù)字化并實現(xiàn)時分多路復(fù)用，首先要在時間上對話 音信號進(jìn)行離散化處理，這一過程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時間間 隔 T，抽取話音信號的一個瞬時幅度值 （ 抽樣值 ） ，抽樣后所得出

8、的一系列在 時間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣后的樣值序列在時間上是離散的， 可進(jìn)行時分多路復(fù)用，也可將各個抽樣值經(jīng)過量化、編碼變換成二進(jìn)制數(shù)字 信號。理論和實踐證明，只要抽樣脈沖的間隔 T1/ （ 2fm）（或 f 2fm）（fm 是話音信號的最高頻率 ） ，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來的話 音信號。量化 抽樣把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，但脈沖的幅度仍然是模 擬的，還必須進(jìn)行離散化處理，才能最終用數(shù)碼來表示。這就要對幅值進(jìn)行 舍零取整的處理，這個過程稱為量化。量化有兩種方式，量化方式中，取整 時只舍不入，即 01 伏間的所有輸入電壓都輸出 0 伏， 1 2伏間所有輸入

9、電壓都輸出 1 伏等。采用這種量化方式，輸入電壓總是大于輸出電壓，因此 產(chǎn)生的量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個相鄰量化級的間隔 。量 化方式在取整時有舍有入， 即 00.5 伏間的輸入電壓都輸出 0 伏，0.5 1?5 伏間的輸出電壓都輸出 1 伏等等。采用這種量化方式量化誤差有正有負(fù)，量 化誤差的絕對值最大為 /2 。因此，采用有舍有入法進(jìn)行量化，誤差較小。最小量化間隔越小，失真就越小。最小量化間隔越小，用來表示一定幅 度的模擬信號時所需要的量化級數(shù)就越多， 因此處理和傳輸就越復(fù)雜。 所以， 量化既要盡量減少量化級數(shù)，又要使量化失真看不出來。一般都用一個二進(jìn) 制數(shù)來表示某一量化級數(shù)，

10、經(jīng)過傳輸在接收端再按照這個二進(jìn)制數(shù)來恢復(fù)原 信號的幅值。所謂量化比特數(shù)是指要區(qū)分所有量化級所需幾位二進(jìn)制數(shù)。例 如，有 8 個量化級，那么可用三位二進(jìn)制數(shù)來區(qū)分，因為，稱 8 個量化級的 量化為 3比特量化。 8比特量化則是指共有個量化級的量化。目前國際上普遍采用容易實現(xiàn)的 A律 13折線壓擴特性和 律 15折線的 壓擴特性。我國規(guī)定采用 A律 13 折線壓擴特性。采用 13 折線壓擴特性后小信號時量化信噪比的改善量可達(dá) 24dB，而這 是靠犧牲大信號量化信噪比 （ 虧損 12dB）換來的。編碼 抽樣、量化后的信號還不是數(shù)字信號，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖， 這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式

11、是二進(jìn)制編碼。具體說來，就是用 n 比特二進(jìn)制碼來表示已經(jīng)量化了的樣值，每個二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)一個量化值，然 后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。編碼過程在接收端，可 以按所收到的信息重新組成原來的樣值，再經(jīng)過低通濾波器恢復(fù)原信號。用 這樣方式組成的脈沖串的頻率等于抽樣頻率與量化比特數(shù)的積， 稱為所傳輸 數(shù)字信號的數(shù)碼率。 顯然，抽樣頻率越高， 量化比特數(shù)越大， 數(shù)碼率就越高， 所需要的傳輸帶寬就越寬。非均勻量化 為了克服均勻量化的缺點，實際中，往往采用非均勻量化。 非均勻量化是一種在輸入信號的動態(tài)范圍內(nèi)量化間隔不相等的量化。換 言之，非均勻量化是根據(jù)輸入信號的概率密度函數(shù)來分布量化電平，

12、以改善 量化性能。非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。 對于信號取值小 的區(qū)間，其量化間隔也小 ; 反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩 個主要的優(yōu)點 :當(dāng)輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度時，非均勻量化器的輸 出端可以較高的平均信號量化噪聲功率比 ;非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。 因此，量化噪聲對大、 小信號的影響大致相同， 即改善了小信號時的量化信 噪比。五、實驗設(shè)計思路假設(shè)量化電平數(shù) D 已知，要求由 PCM二進(jìn)制自然編碼序列恢復(fù)出單頻正 弦波模擬信號。要求 PCM二進(jìn)制自然編碼序列可以是數(shù)字型也可以是字符型； 要求對 PCM二進(jìn)制

13、自然編碼序列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 （按照量化電平數(shù) D 推導(dǎo)出一 個碼字的碼長 n，如果 PCM二進(jìn)制自然編碼序列的長度不是 n 的整數(shù)倍，則 補 0 ）；1.PCM編碼概念PCM二進(jìn)制編碼：（又叫脈沖編碼調(diào)制）主要過程是將話音、圖像等模擬 信號每隔一定時間進(jìn)行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍 五入取整量化，同時將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來表示抽樣脈沖的幅值。內(nèi)插函數(shù) ：利用以下內(nèi)插公式可以實現(xiàn)模擬信號的恢復(fù)：x(n ) g (t nt ) =xa(t) ，n其中 g(t)=sin( t)/( t)=sinc(Fs t);Fs 為采樣頻率。2. PCM 編碼生成由于題目要求用 pcm編碼恢復(fù)一

14、個單頻正弦波的波形， 為了得到較準(zhǔn) 確的單頻正弦波的 pcm編碼(隨便找一個編碼不能確定它是正弦波) ，因此， 本人先做了 A/D 轉(zhuǎn)換，以得到正弦波編碼。通過查閱 MATLAB函數(shù)大全，找 到了兩個函數(shù) Lloyd 算法優(yōu)化標(biāo)量算法的函數(shù) lloyds( ) 和量化輸出值的 函數(shù) quantiz( ) ，通過一些例子了解的它們的用法，利用以上函數(shù)可以 得到準(zhǔn)確的量化值以完成較準(zhǔn)確的 pcm編碼，為 D/A 轉(zhuǎn)換提供一個前提準(zhǔn) 備。(以正弦信號 xa=3sin(2 *3000t) 為例，采樣頻率為 80*3200，量化電 平數(shù) D=19)六、實驗結(jié)果：采樣頻率為 20F的輸入信號量化后的波形兩

15、個波形的比較圖單頻正弦波模擬信號的抽樣實現(xiàn)單頻正弦波模擬信號非均勻量化的實現(xiàn)pcm編碼如下 :0100101101011111001010011100111001110001011100110001001001100010000001000000000000000000100010000111010100110101110100011001110011100111001001111011100100000110000110000100000000000000000001001010010101010過matlab 完成了D/A轉(zhuǎn)換，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)出的波形與原始單頻正弦模擬信號 大體一致，也存在一些誤

16、差。在實驗中通過變換輸入信號的采樣頻率，以及 內(nèi)插點數(shù)的多少還發(fā)現(xiàn)：采樣頻率越大，恢復(fù)出來的信號越接近原始信號； 插入的點數(shù)越多恢復(fù)出來的信號越接近于原始信號， 與 理論上完全相符。 證 明本次實驗比較成功的實現(xiàn)了 D/A轉(zhuǎn)換的仿真。七、實驗總結(jié)： 剛拿到實驗題目的時候，就開始通過通信原理對它進(jìn)行復(fù)習(xí)，逐漸 明白了抽樣量化編碼的原理。但是要讓它在 matlab 上實現(xiàn)還是一個問題，于 是又開始讀 MATLA及B在電子信息課程中的應(yīng)用。在對 pcm編碼以及用 pcm 編碼恢復(fù)序列的時候多次利用查找 matlab 函數(shù)大全，獲得一些可以直接利用 的函數(shù)，為設(shè)計提供了很多便捷，比如 Lloyd 算法

17、優(yōu)化標(biāo)量算法的函數(shù) lloyds( ) 和量化輸出值的函數(shù) quantiz( ) ，通過一些例題演示可以大致了 解他們的用法以及作用， 還有比如矩陣左右翻轉(zhuǎn)函數(shù) fliplr(), 和二進(jìn)制轉(zhuǎn)十 進(jìn)制函數(shù) bi2de() 。通過對大量的資料的查閱可以發(fā)現(xiàn) matlab 應(yīng)用的靈活性， 更重要的一點是：我們應(yīng)該把重點放在解題思想和程序設(shè)計的方法問題上， 而對于很多函數(shù)的應(yīng)用問題可以通過查表等方法簡單實現(xiàn)?？傊ㄟ^這次 D/A轉(zhuǎn)換的仿真實驗，對 MATLA的B 操作更見熟練了，鞏 固了許多基礎(chǔ)知識，也讓我在解決問題的過程中獲得了很多樂趣，對許多理 論上的東西有了更深的認(rèn)識。八、實驗代碼A=5;

18、F=2500;P=0; D=20;% 設(shè)定原始模擬信號的參數(shù)Fs=20*F;t1=0:1/Fs:2/F;xa=A*sin(2*pi*F*t1);figure(1)plot(t1,xa,k); % 顯示輸入信號波形以及采樣點hold on;plot(t1,xa,b.);axis(0,2/F,-5,5);titl e(采樣頻率為 20F 的輸入信號 );xlabel(x(t);ylabel(t)m=max(xa);x1=xa/m; %歸一化，以便還原%量化partition ,cod ebook=lloyds(x1,D); %Ll oyd(勞埃德)算法優(yōu)化量化算法函數(shù) 分 界點矢量(參數(shù))，碼本i

19、ndx ,quant=quantiz(x1 ,partition ,cod ebook);% 量化輸出值函數(shù) 量化索引%根據(jù) partition 來對 x1 輸入信號產(chǎn)生量化索引(量化索引的長度和 x1 的長度 相同)%碼本是長度為 N 的輸出集figure(2)stem(t1,quant,g.);% 顯示量化后波形axis(0,2/F,-2,2); titl e(量化后的波形 );xlabel(x(t);ylabel(t);figure(3)plot(t1,xa,k); % 顯示輸入信號波形以及采樣點hold on;plot(t1,xa,b.);hold onstem(t1,quant,g.

20、);% 顯示量化后波形axis(0,2/F,-5,5);titl e(兩個波形比較圖 );xlabel(x(t);ylabel(t)%編碼nu=ceil(l og2(D); %對 log2(D)向上取整pcm=zeros(length(x1),nu); % 待賦值的零矩陣，前一個系數(shù)是行，后一個系數(shù)是 列for i=1:l ength(x1) % 通過對每一位進(jìn)行檢驗得到 pcm 編碼for j=nu:-1:0if(fix(indx(i)/2j)=1)pcm(i,nu-j)=1;indx(i)=indx(i)-2j;endendenddisp(pcm 編碼如下 :);disp(pcm)%單頻正弦波模擬信號的抽樣實現(xiàn)Fs1=F;Fs2=2*F;Fs3=20*F;t11=0:1/Fs1:2/F;t12=0:1/Fs2:2/F;t13=0:1/Fs3:2/F;samp11=A*sin(2*pi*F*t11+P);samp12=A*sin(2*pi*F*t12+P);samp13=A*sin(2*pi*F*t13+P);figure(4)subplot(311);plot(t11,samp11,b);xlabel(t);ylabel(samp11);titl e(單頻正弦波模擬信號的原波形 );subplot(312);plot(t12,samp12,y);xlabel(t);ylab