通信原理课程设计模拟信号的数字化处理

课 程 设 计 报 告课程设计名称： 通信系统原理 系 ： 三 系 学 生 姓 名 ： 张梦瑶 班 级： 11 通信工程 1 班 学 号： 20110306111 成 绩： 指 导 教 师： 吴 琼 开 课 时 间：2013-2014 学年一学期通信原理课程设计模拟信号数字化第 2 页 共 33 页一、课程设计目的 本课程是为通信工程专业本科生开设的专业必修课，结合学生的专业方向的理论课程，充分发挥学生的主动性，使学生掌握应用 MATLAB 或者SYSTEMVIEW 等仿真软件建立通信系统，巩固理论课程内容，规范文档的建立，培养学生的创新能力，并能够运用其所学知识进行综合的设计。通信系统原理的课程设计是对通信系统仿真软件、课程学习的综合检验，配合理论课的教学，让学生亲自参加设计、仿真、验证通信系统的一般原理、调制解调原理、信号传输及受噪声影响等方面的知识点。二、设计选题模拟信号的数字化处理三、具体要求a.熟悉模拟信号数字化的处理步骤：抽样、量化、编码；b.模拟信号的抽样过程，理解抽样频率的变化对抽样信号的影响；c.用 MATLAB 或其它 EDA 工具软件对 PCM 编码进行使用 A 律和 律的压缩和扩张进行软件仿真；d.PCM 的 8 位编码 C1C2C3C4C5C6C7C8e仿真实现增量调制的过程和并理解噪声产生的原理。四、进度安排1、星期一 查阅资料，确定选题和软件，思考总体设计方案；2、星期二 熟悉软件的编程环境；3、星期三 总体设计方案的确定与设计；4、星期四 各部分的具体实现（程序调试并程序注释） ；5、星期五 整理完成设计报告的电子版，并答辩。五、成绩评定办法总成绩由平时成绩（考勤与课堂表现） 、程序设计成绩和报告成绩三部分组成，各部分比例为 30%,50%,20%。（1）平时成绩：无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为0 分，无故旷课三次总成绩为 0 分。迟到 15 分钟按旷课处理。通信原理课程设计模拟信号数字化第 3 页 共 33 页（2）设计成绩：按照实际的设计过程及最终的实现结果给出相应的成绩。（3）设计报告成绩：按照提交报告的质量给出相应的成绩。备注：每人提交一份课程设计报告（打印稿和电子稿各一份） ，课程设计报告按照模板撰写内容，要求详细、准确、完整。通信原理课程设计模拟信号数字化第 4 页 共 33 页目 录前言 .51、基本原理 .61.1 脉冲编码调制（PCM ） .61.2 PCM 编码原理 .61.2.1 抽样 .61.2.2 量化 .71.2.3 压缩律与 A 压缩律 .91.2.4 A 律 PCM 编码 .121.3 增量调制 .141.3.1 增量调制简介 .141.3.2 增量调制的原理 .142. 仿真程序、程序编制、仿真结果 .162.1 仿真程序编制 .162.1.1 抽样定理的验证 .162.1.2 量化与编码 .162.1.3 A 律与 u 律特性曲线 .192.1.4 PCM 的 8 位编码 C1C2C3C4C5C6C7C8 .212.1.5 增量调制 .222.2 仿真结果及分析 .232.2.1 抽样定理仿真结果 .232.2.2 量化与编码仿真结果 .262.2.3 PCM 的 8 位编码仿真结果 .272.2.4 A 律和 u 律特性曲线仿真结果 .272.2.5 增量调制仿真结果 .283. 运行程序过程中产生的问题及采取的措施 .304. 总结和展望 .315.参考文献 .32通信原理课程设计模拟信号数字化第 5 页 共 33 页前言数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用，借助于 MATLAB 软件，可以直观、方便地进行计算和仿真。因此可以通过运行结果，分析系统特性。MATLAB 是美国 Math Works 公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件，它既是一种直观、高效的计算机语言,同时又是一个科学计算平台。它为数据分析和数据可视化、算法和应用程序开发提供了最核心的数学和高级图形工具。根据它提供的 500 多个数学和工程函数，工程技术人员和科学工作者可以在它的集成环境中交互或编程以完成各自的计算。总的来说，该软件有三大特点。一是功能强大，二是界面友善、语言自然，三是开放性强。正是由于 MATLAB 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中，通过仿真展示了 PCM 编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。基于 MATLAB 的仿真模型，能够反映模拟通信系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供强有力的工具，也为学习通信系统理论提供了一条非常好的途径。当然理论与实际还会有很大的出入，在设计时还要考虑各种干扰和噪声等因素的影响。通信原理课程设计模拟信号数字化第 6 页 共 33 页1、基本原理1.1 脉冲编码调制（PCM ）脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)是概念上最简单、理论上最完善的编码系统，是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统，但也是数据量最大的编码系统。PCM 的编码原理比较直观和简单，下图为 PCM 系统的原理框图：抽样 量化 编码 信道 干扰m(t)ms(t)msq(t)A/D 变换译码低通滤波msq(t)m(t)图 1.1 PCM 系统原理框图图中，输入的模拟信号 m(t)经抽样、量化、编码后变成了数字信号(PCM信号)，经信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟基带信号 m(t)。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D 变换器)；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A 变换器)。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号的变换。PCM 在通信系统中完成将语音信号数字化功能，它的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据 CCITT 的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为 A 律和 律方式，我国采用了 A 律方式，由于A 律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化 PCM 编码。通信原理课程设计模拟信号数字化第 7 页 共 33 页1.2 PCM 编码原理1.2.1 抽样抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。抽样定理：设一个频带限制的（0，f H）Hz 内的时间连续信号 m(t)如果它不少于 2fH 次/秒的速率进行抽样，则 m(t)可以由抽样值完全确定。抽 样 定 理 指 出 ， 由 样 值 序 列 无 失 真 恢 复 原 信 号 的 条 件 是 fs2fH ， 为 了满 足 抽 样 定 理 ， 要 求 模 拟 信 号 的 频 谱 限 制 在 0 fH 之 内 （ fH 为 模 拟 信 号 的最 高 频 率 ） 。 为 此 ， 在 抽 样 之 前 ， 先 设 置 一 个 前 置 低 通 滤 波 器 ， 将 模 拟 信 号的 带 宽 限 制 在 fH 以 下 ， 如 果 前 置 低 通 滤 波 器 特 性 不 良 或 者 抽 样 频 率 过 低 都 会产 生 折 叠 噪 声 。 抽 样 频 率 小 于 2 倍 频 谱 最 高 频 率 时 ， 信 号 的 频 谱 有 混 叠 。 抽 样 频 率 大 于 2 倍 频 谱 最 高 频 率 时 ， 信 号 的 频 谱 无 混 叠 。另外要注意的是，采样间隔的周期要足够的小，采样率要足够的大，要不然会出现如图 1.2(b)所示的混叠现象，一般情况下 TsWs=2,Wn2Wm。(a) 不发生混叠现象 (b) 发生混叠现象图 1.2抽样过程如图所示：图 1.3 抽样过程t0 0t t0f (t) y (t)k (t)通信原理课程设计模拟信号数字化第 8 页 共 33 页1.2.2 量化1定义量化，就是把经过抽样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。从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。如下图所示，量化器输出L个量化值 ，k=1，2，3，L。 常称为重yky建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在 与 之间时，量化器输出kx1电平为 。这个量化过程可以表达为：ky1() ,23,kkkQxxyL这里 k称为分层电平或判决阈值。通常 称为量化间隔。kkx1图1.4 量化过程2.分类模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化： 用这种方法量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，就出现了非均匀量化的方法。非均匀量化：非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔 也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个v突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中输入yx量化器量化值通信原理课程设计模拟信号数字化第 9 页 共 33 页常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实际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，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。美国采用 压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律。3.量化信噪比在量化时候会产生量化误差，这里不作详细介绍，其量化误差计算公式如下：量化后量化输出为:我们衡量一个量化器的性能好坏用信噪比来表示:信噪比定义如下：其中：xq(t) 与x(t) 近似程度的好坏用 Sq/Nq 衡量。 Sq /Nq越大,说明近似程度越好。1.2.3 压缩律与 A 压缩律1. 压缩律压缩规律 压缩特性近似满足以下对数规律：=0时:无压缩作用(直线), 0时:压缩明显, 压缩作用:y是均匀的，而x是非均匀的，信号越小x也越小。iqiikTxm)(122)()(kTxENSqq22)()(sqsqkENSln(1),1xyyx301010通信原理课程设计模拟信号数字化第 10 页 共 33 页图1.5 律压缩特性压缩特性早期是用二极管的非线性来实现的，但要保证压缩特性的一致性、稳定性以及压缩与扩张特性的匹配是很困难的。因此通常都是采用近似理想压缩特性曲线的折线来代替理想特性。对于律曲线，采用 15段折线近似。2. A压缩律所谓 A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：，