11通信系统原理课程设计模拟信号的数字化处理.doc

通信原理课程设计 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 ： 陈 文 卿 班 级： 11通信工程1班 学 号： 20110306119 成 绩： 指 导 教 师： 吴 琼 开 课 时 间：2013-2014学年一学期目录一、课程设计目的1二、设计任务书1三、进度安排4四、具体要求4五、课程设计内容41. 基本原理41.1 抽样51.2 量化61.3 编码71.4 pcm编码的压缩和扩张原理81.5 a律压缩特性和律压缩特性介绍81.6 pcm的8位编码c1c2c3c4c5c6c7c8：121.7 增量调制的基本原理152. 仿真程序及程序编制162.1熟悉模拟信号数字化的处理步骤：抽样、量化、编码162.2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202.3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232.4 pcm的8位编码c1c2c3c4c5c6c7c8262.5 仿真实现增量调制的过程和并理解噪声产生的原理27六、运行程序过程中产生的问题及采取的措施29七、总结和展望29八、参考文献30一、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、设计任务书题目选题一：模拟信号的数字化处理选题二：数字频带传输系统的仿真设计选题三：数字基带传输系统的仿真设计选题四：语音信号的采集与加噪处理课程设计目的本课程是为通信工程、电子信息工程专业本科生开设的必修课，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。课程设计的主要内容和要求1、模拟信号的数字化处理 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。 2、数字频带传输系统的仿真设计要求： a利用所学的通信系统原理的基础知识，设计一个2ask数字调制器。完成对2ask的调制与解调仿真电路设计，并对其仿真结果进行分析。要求理解2ask信号的产生，给出其功率谱，并分析，掌握2ask信号的调制原理和实现方法并画出实现框图。b设计一个2fsk数字调制器。要求给出2fsk的产生原理框图（调频法、键控法），给出信号的频谱图、调制前与解调后数据波形比较覆盖图，加噪前后相关波形。 3、数字基带传输系统设计要求： a利用matlab和simulink对数字基带传输系统进行设计和仿真。b熟悉基带传输系统的基本结构。c给出基带信号的常见波形和hdb3码型的设计。d性能评价：通过观测眼图判断信号的传输质量。4、语音信号的采集与加噪处理要求： a利用计算机采集一句几个字的语音信号，保存并作为信号源。b利用软件给出该信号时域波形和功率谱。c构建相关的滤波器。d对语音信号进行加噪处理，模拟信号通过信道受到噪声影响的过程。给出噪声影响下的信号的波形和频域特征。e性能评价：经过滤波器滤除后的语音信号的效果，并保存。课程设计的工作进度安排18周的时间安排：星期一 查阅资料，确定选题和软件，思考总体设计方案 星期二 熟悉软件的编程环境星期三 总体设计方案的确定与设计星期四 各部分的具体实现（程序调试并程序注释）星期五 整理完成设计报告的电子版，并答辩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（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。主要参考书1.通信原理樊昌信 曹丽娜 国防工业出版社 2.现代通信系统分析与仿真matlab通信工具箱李建新 刘乃安西安电子科技大学出版社 3.数字信号处理教程matlab释义与实现陈怀琛 电子工业出版社 4.现代通信系统使用matlab约翰-g-普罗克斯 西安交通大学出版社5.matlab通信工程仿真张德丰 机械工业出版社6.matlab/simulink通信系统建模与仿真实例分析邵玉斌 清华大学出版社教研室意见 教研室主任（签字）： 年 月 日系（部）意见系主任（签字）： 年 月 日设计选题：选题一：模拟信号的数字化处理三、进度安排星期一 查阅资料，确定选题和软件，思考总体设计方案星期二 熟悉软件的编程环境星期三 总体设计方案的确定与设计星期四 各部分的具体实现（程序调试并程序注释）星期五 整理完成设计报告的电子版，并答辩四、具体要求要求：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。五、课程设计内容1. 基本原理下图是模拟信号数字传输的过程原理图：1.1 抽样1.1.1定义所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有的信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。1.1.2抽样定理设一个频带限制的（0，fh）hz内的时间连续信号m（t）如果它不少于2fh次每秒的速率进行抽样，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f s2 f h ，为了满足抽样定理，要求模拟信号的频谱限制在0f h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，采样率要做够的大，要不然会出现如下图所示的混叠现象，一般情况下tsws=2,wn2wm。1.1.3抽样过程如图所示：1.2 量化1.2.1定义所谓量化就是把一个连续函数的无限个数值的集合映射为一个离散函数的有限个数值的集合。量化分为均匀量化和非均匀量化。1.2.2量化过程：-mq(t)与ms(t)的近似程度用下参数衡量:1.2.3均匀量化定义：所谓均匀量化就是指量化间隔相等的量化。分类：均匀中升型（无0电平）均匀中平型（含0电平）量化间隔-设ms(t)幅值域为（a,b） 则量阶 v=(b-a)m量化输出qi=(mi+mi-1)/2 当mi-1mmimi(=a+iv )-第i量化级终点电平qi -第i量化级的量化电平特点：(1）量化间隔与量化级数成反比。(2）量化噪声与量化间隔成正比，即量化间隔愈大，最大量化噪声的绝对值越大。(3）量化噪声与量化级数成反比，量化级数越大，量化噪声越小。(4）无论信号抽样值大小如何，量化噪声的功率值固定不变，因此在小信号时（信号功率相对较小），信号的量化信噪比也很小。1.2.4非均匀量化定义：就是对信号的不同部分用不同的量化间隔，具体地说，就是对小信号部分采用较小的量化间隔，而对大信号部分就用较大的量化间隔。实现方法：压缩与扩张法1.3 编码定义:所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。1.4 pcm编码的压缩和扩张原理1.4.1压扩特性数学分析当量化区间划分很多时，在每一量化区间内压缩特性曲线可以近似看作为一段直线，其斜率为：对此压缩器的输入和输出电压范围均作归一化，且纵坐标y在0和1之间均匀划分成n 个量化区间，则每个量化区间的间隔应该等于：为了对不同的信号强度保持信号量噪比恒定，当输入电压x减小时，应当使量化间隔dx按比例地减小，即：dx x。将边界条件(当x=1时，y=1)，代入可得：k+c=0 c=-k1.5 a律压缩特性和律压缩特性介绍1.5.1 a压缩律所谓的 a压缩率就是压缩器具有如下特性：ax1+lna1+lna上式中：x为归一化的压缩器输入电压；归一化的压缩器输出电压；a为压扩参数，表示压缩程度。1.5.2 压缩律压缩规律 压缩特性近似满足下对数规律 =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a律曲线，采用13段折线近似；对于律曲线，采用15段折线近似。1.5.3 13折线的形成：(1）首先把输入信号的幅值归一化（横坐标），把01的值域划分为不均匀的8个区间，每个区间的长度以2倍递增。具体地说就是01/128为第一区间，1/1281/64为第二区间，1/641/32为第三区间，1/321/16为第四区间，直到1/21为第八区间。(2）再把输出信号的幅度也归一化（纵坐标），并均匀分成8个区间，即01/8，1/82/8，2/83/8，直到7/81。(3）然后以横轴各区间的右端点为横坐标，以相对应纵轴区间的上端点为纵坐标，就可得到（1/128，1/8），（1/64，2/8），（1/32，3/8），, （1，1）等8个点。(4）将原点及这8个点依次用直线段连接起来就得到一条近似a律的折线，见下图。(5）第一区间和第三区间的线段斜率一样，可以看成一条线段，则正值曲线就只有7条线段，与之对应的负值曲线也只有7条线段，而正、负值曲线合画在一起后，各自的第一段折线斜率也一样，所以在14条线段中再减去一条就成为13折线。13折线编码特点：基本上保持压缩特性，又便于数字实现。折线的各段斜率：线段8斜率：1/81/2=1/4 线段7斜率：1/81/4=1/2线段6斜率：1/81/8= 1 线段5斜率：1/81/16=2线段4斜率：1/81/32=4 线段3斜率：1/81/64=8线段2斜率：1/81/128=16 线段1斜率： 1/81/128=16完整的13折线特性：下图是完整的13折线图：完整13折线的图的特性：负向8段斜线按同样方法得到 ；第像限的折线与第像限呈奇对称；斜率相同的段合为一段，共13段，称为13折线法。13折线的绘制方法：（1）将输入输出的电压归一。（2）将x轴的区间（0，1）不均匀的划分为8段，划分的规律是：每一次以二分之一取段。（3）将x轴上分好的8段，在段内分成均匀的16段，每一等份作为一个量化层。（4）将y轴的区间（0，1）均匀的划分为8段，在段内分成均匀的16段，每一等份作为一个量化层。（5）将相应的交点连接起来得到8个折线段。（6）因为还包括小于0的电平，所以在第三象限也有8个折线段，但是在第一象限中第一，二段的折线的斜率和第三象限第一，二段相同，所以四条连成一条，这样整个平面有13条线，所以一称为13折线. 虽然在理论分析时候我们把量化和编码是分开的，其实，在实际的pcm设备中，量化和编码是一起进行的。通信中采用高速编码方式。1.6 pcm的8位编码c1c2c3c4c5c6c7c8：c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c81 正 0 0 0 0 0 0 00 负 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 8 4 2 1权值逐次比较型编码器，电阻网络型译码器下表左边是段落码和段落之间的关系，右边是 段内码和16个量化级之间的关系 段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000pcm系统m（t） ms（t） mq（t） p0（t） ms（t）译码数字信道编码量化抽样抽样脉冲噪声 m（t） lpf特点：段内均匀，段间非均匀，即段内的16个量化级均匀划分，而由于各段落长度不等，段间属于非均匀的量化级。小信号段落短，量化间隔小；打信号段落长，量化间隔大。 第一、二段最短，只有归一化的1/128，再将它等分16小段，每一小段长度（1/128）/16=1/2048,。对于均匀量化，要保证同样的小信号量化误差，必须有2048个量化级，即11位编码（211=2048）.1.7 增量调制的基本原理增量调制是脉冲编码调制的一种特殊形式，即1比特量化的差值脉码。在pcm系统中，将信号抽样值编为多位二进制码。为提高编码质量，要增加码长，导致设备复杂。而增量调制每次抽样只用一位二进制码表示，它表示了相邻样值的增减变化，这样，编码设备十分简单。增量调制的基本思想是用一个阶梯波去逼近一个模拟信号，如图所示。首先，根据信号的幅度大小和和抽样频率确定阶梯信号的台阶。在抽样时刻，比较信号和前一时刻的阶梯波形取值，其中:1 .如果，则用上升一个台阶表示，此时编码器输出1码;2 .如果，则用下降一个台阶表示，此时编码器输出0码。下次编码按上述方法将与比较，使之上升或下降一个台阶电压去逼近模拟信号。如果抽样频率足够高，台阶电压足够小，则阶梯波形近似为m(t)，而上升台阶和下降台阶的二进制代码分别用1和0表示。这个过程就是增量编码。如图所示的模拟信号m(t)采用增量调制编码编出的二进制代码为:01010111111100011。2. 仿真程序及程序编制2.1熟悉模拟信号数字化的处理步骤：抽样、量化、编码源程序如下：t=0.002; %取时间间隔为0.01t=-0.1:t:0.1; %时域间隔dt为间隔从0到10画图xt=cos(2*pi*30*t)+sin(2*pi*30*t); %xt方程%采样：时间连续信号变为时间离散模拟信号fs=500; %抽样fs=2fc，每秒钟内的抽样点数目将等于或大于2fc个sdt=1/fs; %频域采样间隔0.002t1=-0.1:sdt:0.1; %以sdt为间隔从-0.1到0.1画图st=cos(2*pi*30*t1)+sin(2*pi*30*t1); % 离散的抽样函数figure(1); subplot(3,1,1);plot(t,xt);title(原始信号); %画出原始的信号图,以好对比grid on %画背景subplot(3,1,2);stem(t1,st,.); %这里画出来的是抽样后的离散图title(抽样信号);grid on %画背景%量化过程n=length(st); %取st的长度为nm=max(st);a=(st/m)*2048; %a1(极性码) a2a3a4（段落码）a5a6a7a8（段内电平码） code=zeros(i,8); %产生i*8的零矩阵%极性码a1 for i=1:n %if循环语句 if a(i)=0code(i,1)=1; %代表正值elsecode(i,1)=0; %代表负值end % 这里就是量化的过程，划分成几个不等的段，然后用码元来代替，也就是俗称编码 if abs(a(i)=0&abs(a(i)16code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=1;start=0;elseif 16=abs(a(i)&abs(a(i)32code(i,2)=0;code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=1;start=16;elseif 32=abs(a(i)&abs(a(i)64code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=2;start=32;elseif 64=abs(a(i)&abs(a(i)128code(i,2)=0;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=4;start=64;elseif 128=abs(a(i)&abs(a(i)256code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=0;step=8;start=128;elseif 256=abs(a(i)&abs(a(i)512code(i,2)=1;code(i,3)=0;code(i,4)=1;step=16;start=256;elseif 512=abs(a(i)&abs(a(i)1024code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=0;step=32;start=512;elseif 1024=abs(a(i)&abs(a(i)2048code(i,2)=1;code(i,3)=1;code(i,4)=1;step=64;start=1024; endb=floor(abs(a(i)-start)/step); %段内码编码floor取整(四舍五入)t=dec2bin(b,4)-48; %dec2bin定义将b变为4位2进制码，-48改变格式code(i,5:8)=t(1:4); %输出段内码endcode=reshape(code,1,8*n); %reshape代表从新塑形codesubplot(3,1,3);stem(code,.);axis(1 64 0 1); %这里我们先取前面八个点编码输出,输出时候有64个点title(编码信号);grid on 仿真结果如下图： 量化编码程序输出的编码序列如下，由于数据较多，这里只显示前104位数据：code = columns 1 through 13 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 columns 14 through 26 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 columns 27 through 39 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 columns 40 through 52 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 columns 53 through 65 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 columns 66 through 78 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 columns 79 through 91 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 columns 92 through 104 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 02.2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源程序如下：clear;t = -0.1:0.001:0.1; %该参数用于画原信号图形f =cos(2*pi*30*t)+sin(2*pi*30*t); %原函数, 由t的取值可得f有201个值subplot(2,1,1) %matlab矩阵区域设置plot(t, f) ;%画出采原函数序列图title(原信号);xlabel(时间t/s);t= 1/500; %抽样周期，500是抽样频率，可以调整抽样频率gs = -0.1:t:0.1;fg = cos(2*pi*30*gs)+sin(2*pi*30*gs); %对信号进行以t周期抽样subplot(2,1,2)stem(gs, fg,.) %画图title(采样信号);xlabel(时间t/s);仿真结果如下图：将抽样频率改为f=1000，得到仿真结果如下图：将抽样频率改为f=100，得到仿真结果如下图：2.3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源程序如下：%a律13折线 u律15折线%u and a law for quantize,filename:a_u_law.m%u=255 y=ln(1+ux)/ln(1+u)%a=87.6 y=ax/(1+lna)(0x1/a) y=(1+lnax)/(1+lna)clear all;close all;dx=0.01;x=0:dx:1;u=255;%u lawyu=log(1+u*x)/log(1+u);%a lawa=87.6;for i=1:length(x) if x(i) 0 c(i,1)=1; %代表正值 else c(i,1)=0; %代表负值end if abs(x(i)=0&abs(x(i)16 c(i,2)=0;c(i,3)=0;c(i,4)=0;step=1;start=0;elseif 16=abs(x(i)&abs(x(i)32 c(i,2)=0;c(i,3)=0;c(i,4)=1;step=1;start=16;elseif 32=abs(x(i)&abs(x(i)64 c(i,2)=0;c(i,3)=1;c(i,4)=0;step=2;start=32;elseif 64=abs(x(i)&abs(x(i)128 c(i,2)=0;c(i,3)=1;c(i,4)=1;step=4;start=64;elseif 128=abs(x(i)&abs(x(i)256 c(i,2)=1;c(i,3)=0;c(i,4)=0;step=8;start=128;elseif 256=abs(x(i)&abs(x(i)512 c(i,2)=1;c(i,3)=0;c(i,4)=1;step=16;start=256;elseif 512=abs(x(i)&abs(x(i)1024 c(i,2)=1;c(i,3)=1;c(i,4)=0;step=32;start=512;elseif 1024=abs(x(i)&abs(x(i)=2048) c(i,1:8)=1 1 1 1 1 1 1 1else tmp=floor(abs(x(i)-start)/step); t=dec2bin(tmp,4)-48; c(i,5:8)=t(1:4);endend运行结果如下：x = 696ans = 1 1 1 0 0 1 0 12.5 仿真实现增量调制的过程和并理解噪声产生的原理源程序如下：ts=1e-3; %采样间隔 t=0:ts:20*ts; %仿真时间序列x=sin(2*pi*50*t)+0.5*sin(2*pi*150*t); %信号 delta=0.4; %量化阶距 d(1+length(t)=0; %预测器初始状态 for k=1:length(t) e(k)=x(k)-d(k); %误差信号 e_q(k)=delta*(2*(e(k)=0)-1); %量化器输出 d(k+1)=e_q(k)+d(k); %延迟器状态更新 codeout(k)=(e_q(k)0); %编码输出 end subplot(3,1,1);plot(t,x,-o);axis(0 20*ts,-2 2);hold on; subplot(3,1,2);stairs(t,codeout);axis(0 20*ts,-2 2); %解码端 dr(1+length(t)=0; %解码端预测器初始状态 for k=1:length(t) eq(k)=delta*(2*codeout(k)-1); %解码 xr(k)=eq(k)+dr(k); dr(k+1)=xr(k); %延迟器状态更新 end subplot(3,1,3);stairs(t,xr);hold on; %解码输出 subplot(3,1,3);plot(t,x); %原信号得到仿真