模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析

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7月8日共2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：1.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。（可选）二、设计原始资料通信原理；软件Matlab；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，2006[2]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，2011[3]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[4]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版社，2012[5]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绩评定出勤情况及设计过程表现(20分)课设答辩(20分)设计成果(60分)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..............................................21.1抽样原理.....................................................21.1.1低通型连续信号的抽样....................................21.1.2带通信号的抽样定理......................................31.2量化原理.....................................................41.2.1均匀量化................................................41.2.2非均匀量化..............................................51.2.3A律压缩律..............................................51.2.413折线..................................................51.3脉冲编码调制（PCM）.........................................61.4差分脉冲编码调制（DPCM）...................................72Matlab/Simulink的简介.............................................93基于Simulink的模拟信号数字化传输的设计与仿真分析................113.1抽样过程的设计与仿真分析....................................113.2量化过程的设计与仿真分析....................................123.3PCM编译码系统设计与仿真分析...............................143.3.1PCM编码器设计........................................143.3.2PCM解码器设计........................................173.3.3有干扰信号的PCM编码与解码.............................173.4DPCM编译码系统的设计与仿真分析............................214总结.............................................................245参考文献.........................................................25通信原理课程设计1前言通信系统中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。Simulink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。通信原理课程设计21模拟信号抽样过程原理1.1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。1.1.1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（0，fH）Hz内的时间连续信号f(t),如果以Ts≤1/(2fH)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(b)冲激函数的波形及频谱(c)抽样信号的波形及频谱图1-1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，即如果ωs2ωH，则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，如图1-2所示，当抽样频率大于或等于奈奎斯特频率时，接收端回复出来的信号才与原信号基本一致。通信原理课程设计3(a)信号的频谱(b)fs2fm时抽样信号的频谱(c)fs2fm时抽样信号的频谱图1-2两种情况下的抽样信号频谱分析应该注意的一点是：抽样频率并不是越高越好。只要能满足抽样频率大于奈奎斯特频率，并留有一定的防卫带即可。1.1.2带通信号的抽样定理实际中遇到的许多信号是带通型信号，模拟信号的频率限制在fL～fH之间，fL为信号最低频率，fH为最高频率。而且当fHB，其中B=fH-fL时，该信号通常被成为带通型信号，其中B为带通信号的频带。对于带通信号，如果采用低通抽样定理的抽样速率fs≥2fh，对频率限制在fL与fH之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求，如图1-3所示：图1-3带通信号的抽样频谱定理内容：一个带通信号f(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为B=fh-fl，如果最小抽样速率fs=2fh/n，n是一个不超过fh/B的最大整数，那么f(t)就可以完全由抽样值确定。下面两种情况说明：通信原理课程设计4（1）若最高频率fh为带宽的整数倍，即fh=nB。此时fh/B=n是整数，m=n，所以臭氧速率fs=2fh/m=2B。（2）若最高频率fh不为带宽的整数倍，即fh=nB+kB,0k1此时，fh/B=n+k,由定理知，m是一个不超过n+k的最大整数，显然，m=n，所以能恢复出原信号f（t）的最小抽样速率为：fs=2(fL+fH)/(2n+1)式中n是一个不超过fH/B的最大整数，0k1通常k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△i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a和b表示，量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为△i=（b-a）/M量化器输出为x=xl。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m在量化区间mi-1≤m≤mi变化时，量化电平qi是该区间的中点值。而相应的量化误差eq=m-mq与输入信号幅度m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，是信号幅度不进通信原理课程设计5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eq=m-mq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△/2。均匀量化广泛应用于现行A/D变换接口，例如在计算机中，M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。1.2.3A律压缩律A压缩律的压缩特性为Ax/(1+lnA)0x≤1/AY=(1+lnAx)/(1+lnA)1/Ax≤1其中，A是压缩系数，y是归一化的压缩器输出电压，x为归一化的压缩器输入电压。图1-5A律对数压缩特性1.2.413折线实际中，A压缩律通常采用13折线来近似，十三折线如图1-6所示，图中先把x轴的[0,1]区间分为8个不均匀段。图1-613折线示意图通信原理课程设计6其具体分法如下：将区间[0,1]一分为二，其中点为1/2，取区间[0,1/2]作为第八段；将剩下的区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4，取区间[1/4,1/2]作为第七段；将剩下的区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段；将剩下的区间[0,1/8]再一分为二，其中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段；将剩下的区间[0,1/16]再一分为二，其中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段；将剩下的区间[0,1/32]再一分为二，其中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段；将剩下的区间[0,1/64]再一分为二，其中点为1/128,取区间[1/128,1/64]作为第二段；最后