通信原理課程設(shè)計基于MATLAB的模擬信號數(shù)字化系統(tǒng)的研究與仿真

1、通信原理課程設(shè)計基于matlab的模擬信號數(shù)字化系統(tǒng)的研究與仿真摘 要 本文研究的主要內(nèi)容是通信原理仿真實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)-模擬信號數(shù)字化matlab軟件仿真。若信源輸出的是模擬信號，如電話傳送的話音信號，模擬攝像機(jī)輸出的圖像信號等，若使其在數(shù)字信道中傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即進(jìn)行a/d變換，在接收端則要進(jìn)行d/a變換。模擬信號數(shù)字化由抽樣、量化、編碼三部分組成。由于數(shù)字信號的傳送具有穩(wěn)定性好，可靠性高，方便傳送和傳送等諸多優(yōu)點，使得被廣泛應(yīng)用到各種技術(shù)中。不僅如此，matlab仿真軟件是常用的工具之一，可用于通信系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。在科研教學(xué)方面發(fā)揮著重要的作用。matl

2、ab有諸多優(yōu)點，編程簡單、操作容易、處理數(shù)據(jù)迅速等。 本文主要闡述的是模擬信號數(shù)字化的理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法。利用matlab提供的可視化工具建立了數(shù)字化系統(tǒng)的仿真模型，詳細(xì)講述了抽樣、量化、編碼的設(shè)計，并指出了在仿真建模中要注意的問題。在給定的仿真條件下，運行了仿真程序，得到了預(yù)期的仿真結(jié)果。 關(guān)鍵詞：matlab、模擬信號數(shù)字化、仿真緒 論1837年，莫爾斯完成了電報系統(tǒng)，此系統(tǒng)于1844年在華盛頓和巴爾迪摩爾之間試運營，這可認(rèn)為是電信或者遠(yuǎn)程通信，也就是數(shù)字通信的開始。 數(shù)字化可從脈沖編碼調(diào)制開始說起。1937年里夫提出用脈沖編碼調(diào)制對語聲信號編碼，這種方法優(yōu)點很多。例如易于加密，不像模擬傳

3、輸那樣有噪聲積累等。但在當(dāng)代代價太大，無法實用化；在第二次世界大戰(zhàn)期間，美軍曾開發(fā)并使用24路pcm系統(tǒng)，取得優(yōu)良的保密效果。但在商業(yè)上應(yīng)用還要等到20世紀(jì)70年代。才能取代當(dāng)時普遍采用的載波系統(tǒng)。我國70代初期決定采用30路的一次群標(biāo)準(zhǔn)，80年代初步引入商用，并開始了通信數(shù)字化的方向。數(shù)字化的另一個動向是計算機(jī)通信的發(fā)展。隨著計算機(jī)能力的強(qiáng)大，并日益被利用，計算機(jī)之間的信息共享成為進(jìn)一步擴(kuò)大其效能的必需。60年代對此進(jìn)行了很多研究，其結(jié)果表現(xiàn)在1972年投入使用的阿巴網(wǎng)。 由此可見，通信系統(tǒng)中的信息傳輸已經(jīng)基本數(shù)字化。在廣播系統(tǒng)中，當(dāng)前還是以模擬方式為主，但數(shù)字化的趨向也已經(jīng)明顯，為了改進(jìn)質(zhì)

4、量，數(shù)字聲頻廣播和數(shù)字電視廣播已經(jīng)提前到日程上來，21世紀(jì)已經(jīng)逐步取代模擬系統(tǒng)。尤為甚者，設(shè)備的數(shù)字化，更是日新月異。近年來提出的軟件無線電技術(shù)，試圖在射頻進(jìn)行模數(shù)，把調(diào)制解調(diào)和鎖相等模擬運算全部數(shù)字化，這使設(shè)備超小型化并具有多種功能，所以數(shù)字化進(jìn)程還在發(fā)展。 第一章 基本原理 模擬信號的數(shù)字傳輸是指把模擬信號先變換為數(shù)字信號后，再進(jìn)行傳輸。由于與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸有著眾多優(yōu)點，因而此技術(shù)越來越受到重視。此變化成為a/d變換。a/d變換是把模擬基帶信號變換喂數(shù)字基帶信號，盡管后者的帶寬會比前者大得很多，但本質(zhì)上仍屬于基帶信號。這種傳輸可直接采用基帶傳輸，或經(jīng)過熟悉調(diào)制后再做頻帶傳輸。 a/

5、d變化包括抽樣、量化、編碼三個步驟，如圖。編碼量化 m(t) m(kts) mq(kts) s(t) 抽樣 圖1-1模擬信號數(shù)字化流程圖圖中，抽樣完成時間離散量化過程，所得m（kts）為pam信號；量化完成復(fù)制離散化過程，所得mq(kts)為多電平pam信號；編碼完成多進(jìn)制到二進(jìn)制的變化過程，所得s(t)是二進(jìn)制編碼信號。1.1抽樣 所謂抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。抽樣的抽樣速率下限是由抽樣定理確定的。抽樣包括兩種情況：低通型連續(xù)信號抽樣、帶通型連續(xù)信號抽樣。1.1

6、.1低通型連續(xù)信號的抽樣 定理內(nèi)容：抽樣定理在時域上可以表述為：對于一個頻帶限制在（0，fh）hz內(nèi)的時間連續(xù)信號f(t),如果以ts1/(2fh)秒間隔對其進(jìn)行等間隔抽樣，則f（t）將被所得到的抽樣值完全確定。模擬信號的抽樣過程如下圖。 圖1-2模擬信號抽樣的過程示意圖下圖分析可知模擬信號抽樣過程中各個信號的波形與頻譜。圖1-3抽樣過程中的信號波形與頻譜 以下為兩種情況下的頻譜分析結(jié)果。但抽樣頻率小于奈奎斯特頻率時，即如果wsb，其中b=fh-fl時，該信號通常被成為帶通型信號，其中b為帶通信號的頻帶。 對于帶通信號，如果采用低通抽樣定理的抽樣速率fs2fh，對頻率限制在fl與fh之間的帶通

7、型信號抽樣，肯定能滿足頻譜不混疊的要求，如圖所示。圖1-5帶通信號的抽樣頻譜 定理內(nèi)容：一個帶通信號f（t），其頻率限制在fl與fh之間，帶寬為b=fh-fl，如果最小抽樣速率fs=2fh/n，n是一個不超過fh/b的最大整數(shù)，那么f（t）就可以完全由抽樣值確定。下面兩種情況說明：（1） 若最高頻率fh為帶寬的整數(shù)倍，即fh=nb。此時fh/b=n是整數(shù)，m=n，所以臭氧速率fs=2fh/m=2b.（2） 若最高頻率fh不為帶寬的整數(shù)倍，即fh=nb+kb，0k1此時，fh/b=n+k,由定理知，m是一個不超過n+k的最大整數(shù)，顯然，m=n，所以能恢復(fù)出原信號f（t）的最小抽樣速率為： fs=

8、2(fl+fh)/(2n+1)式中n是一個不超過fh/b的最大整數(shù)，0k1通常k取1.1.2 量化 所謂量化，就是把經(jīng)過抽樣的得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的點評，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。模擬信號進(jìn)行平頂抽樣后，其抽樣值還是隨信號幅度連續(xù)變化的。當(dāng)這些連續(xù)變化的抽樣值通過噪聲信道傳輸是，接收端不能準(zhǔn)確地估值所發(fā)送的抽樣。如果發(fā)送端用魚線規(guī)定的有限個電平來表示抽樣值，且電平間隔比干擾噪聲大，則接受端將有可能準(zhǔn)確地估值所發(fā)送的抽樣。因此，有可能消除隨機(jī)噪聲的影響。由于量化在連續(xù)抽樣值和量化值之間產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。模擬信號的量化可以采用兩種方式：均勻量化和非均勻量化。1.2

9、.1均勻量化 如果用相等的量化間隔對抽樣得到的信號做量化，那么這種量化方法稱為均勻量化。工作原理：在均勻量化中，沒個量化區(qū)間的量化點評取在各區(qū)間的中點。 其量化間隔i取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。若設(shè)輸入信號的最小值和最大值分別為a和b表示，量化電平數(shù)為m，則均勻量化時的量化間隔為i=（b-a）/m量化器輸出為x=xl。圖1-6均勻量化特性與量化誤差曲線量化器的輸入與輸出關(guān)系可用量化特性來表示，語言編碼常采用上圖所示輸入-輸出特性的均勻量化器，當(dāng)輸入m在量化區(qū)間mi-1mmi變化時，量化電平qi是該區(qū)間的中點值。而相應(yīng)的量化誤差eq=m-mq與輸入信號幅度m之間的關(guān)系曲線如上圖所示。

10、過載區(qū)的誤差特性實現(xiàn)性增長的，因而過載誤差比量化誤差大，對重建信號有很壞的影響。在設(shè)計量化器是，應(yīng)考慮輸入信號的幅度范圍，是信號幅度不進(jìn)入過載區(qū)，或者只能以極小的概率進(jìn)去過載區(qū)。上述的量化誤差eq=m-mq通常稱為絕對量化誤差，它在每一個量化間隔內(nèi)的最大值均為/2。均勻量化廣泛應(yīng)用于現(xiàn)行a/d變換接口，例如在計算機(jī)中，m為a/d變化的位數(shù)，常用的有8位、12位、16位等不同精度。1.2.2非均勻量化 費均勻量化的主要缺點是，無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根都固定不變。因此，當(dāng)信號m（t）較小時，則信號量化噪聲比也就很小，這樣，對于弱信號時的量化噪聲比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比

11、要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍?？梢姙榱丝朔@個缺點，實際中往往采用非均勻量化。1.2.3 a律壓縮律 a壓縮律的壓縮特性為 y= ax/(1+lna) 0 x1/a (1+lnax)/(1+lna) 1/ax1其中，a是壓縮系數(shù)，y是歸一化的壓縮器輸出電壓，x為歸一化的壓縮器輸入電壓。 圖1-7 a律對數(shù)壓縮特性1.2.4 13折線實際中，a壓縮律通常采用13折線來近似，十三折線如下圖，圖中先把x軸的【0,1】區(qū)間分為8個不均勻段。 圖1-8 13折線示意圖其具體分法如下：將區(qū)間【0,1】一分為二，其中點為1/2，取區(qū)間【0,1/2】作為第八段；將剩下的區(qū)間【0,1/2】再一分為二，其

12、中點為1/4，取區(qū)間【1/4,1/2】作為第七段；將剩下的區(qū)間【0，1/4】再一分為二，其中點為1/8,取區(qū)間【1/8,1/4】作為第六段；將剩下的區(qū)間【0,1/8】再一分為二，其中點為1/16,取區(qū)間【1/16,1/8】作為第五段；將剩下的區(qū)間【0,1/16】再一分為二，其中點為1/32,取區(qū)間【1/32,1/16】作為第四段；將剩下的區(qū)間【0,1/32】再一分為二，其中點為1/64,取區(qū)間【1/64,1/32】作為第三段；將剩下的區(qū)間【0,1/64】再一分為二，其中點為1/128,取區(qū)間【1/128,1/64】作為第二段；最后剩下的區(qū)間【0,1/128】作為第一段。然后將y軸的【0,1】區(qū)

13、間均勻的分成八段，從第一段到第八段分別為【0,1/8】,【1/8,2/8】、【2/8,3/8】、【3/8,4/8】、【4/8,5/8】、【5/8,6/8】、【6/8,7/8】、【7/8,1】。分別與x軸的八段一一對應(yīng)。1.3 脈沖編碼調(diào)制（pcm） 若信源輸出的是模擬信號，如電話機(jī)傳送的事語音信號等，要使其在數(shù)字信道中傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即進(jìn)行a/d變換，在接收端要進(jìn)行d/a。對語音信號最典型的數(shù)字編碼就是脈沖編碼調(diào)制（pcm）。 所謂脈沖編碼調(diào)制：就是將模擬信號的抽樣量化值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組的過程。下圖給出了脈沖編碼調(diào)制的示意圖。圖1-9脈沖編碼調(diào)制示意圖脈沖編碼調(diào)制（

14、pcm）原理：pcm系統(tǒng)的原理方框圖如下圖所示，同種，輸入的模擬信號m（t）經(jīng)抽樣、量化、編碼后變換成數(shù)字信號，經(jīng)心道傳送到接收端的譯碼器，由譯碼器還原出抽樣值，再經(jīng)過低通濾波器濾出模擬信號。其中，量化與編碼的組合成為a/d變換器；而譯碼與低通濾波的組合成為d/a變換。圖1-10 pcm通信系統(tǒng)方框圖第二章 基于simulink的模擬信號數(shù)字化的仿實現(xiàn)2.1 pcm編碼器電路設(shè)計參數(shù)設(shè)置如下： （飽和，限制信號變化范圍） （輸出輸入的絕對值）（a律壓縮器，對輸入信號進(jìn)行a律壓縮） （增益，將模塊的輸入乘以一個數(shù)值）（量化，以指定的時間間隔離散化輸入） （混合，將幾條輸入連線組合成一條向量連線）

15、（顯示輸入的值）（繼電器，在兩個常數(shù)中選出一個作為輸出）2.2 編碼部分封裝封裝后2.3 pcm解碼器設(shè)計參數(shù)設(shè)置（解混，將向量信號分解為多個信號） （產(chǎn)生各模塊的簡積或商）2.4 解碼部分封裝2.5 有干擾信號的pcm編碼與解碼參數(shù)設(shè)置：（實現(xiàn)一個采樣周期的零階保持） （把數(shù)據(jù)打成幀格式）（緩沖器） （二進(jìn)制對稱通道） （將一列數(shù)據(jù)變成矩陣）（產(chǎn)生一個正弦波） （顯示仿真期間產(chǎn)生的信號） 系統(tǒng)總參數(shù)仿真波形scope1輸出波形如下：scope輸出波形如下：第三章 心得體會通過本次課程設(shè)計我教系統(tǒng)地掌握了有關(guān)pcm脈沖編碼調(diào)制的設(shè)計思路和設(shè)計方法，主要對matlab的仿真方法與開發(fā)環(huán)境等有了一定的了解并對其進(jìn)行測試和應(yīng)用。掌握了利用matlab集成環(huán)境下的simulink仿真平臺,完成對脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的建模與仿真分析的基本方法。以前對pcm編碼的了解只是理論層面上的，通過這次課程設(shè)計加深了對理論知識的理解，并對其在實際中的應(yīng)用有了一定的了解。 在課程設(shè)計剛開始的時候，由于對matlab的使用不太熟悉覺得無從下手使課程設(shè)計進(jìn)展困難。為此，我借助網(wǎng)絡(luò)、圖書等資源一步一步熟悉matlab，并在熟練的同學(xué)的幫助下，漸漸摸索找到了方法。我認(rèn)識到在以后的學(xué)習(xí)過程中要時刻保持著刻苦鉆研的精神和堅持不懈的毅力。