增量调制的设计与仿真课程设计

1、课程设计I设计说明书增量调制的设计与仿真学生姓名 学 号 班 级 成 绩 指导教师 数学与计算机科学学院2013年9月12日课程设计任务书课程设计名称：课程设计题2013 2014学年第1学期课程设计 I增量调制的设计与仿真完成期限： 自2013年9月2日至2013年9月13 日共2周设计内容：本次课程设计的任务是对增量调制的设计与仿真，并用MATLAB仿真软件进行验证，并以图形化的方式显示出波形，并且要求对设计的内容有必要的说明。通过本次的实践，要求学生完成以下任务：1）对课本知识的全面复习，了解增量调制的编码与译码原理；2）对MATLAB仿真软件的学习，能够使用该工具进行增量调制的仿真验证

2、；3）通过团队合作，完成增量调制码编码与译码的设计，并用MATLAB软件进行仿真验证；4）课程设计的结果全面正确，功能模块清晰分明；5）加强团队合作精神，开拓创新能力；6）文档资料完整规范。指导教师：李征教研室负责人：课程设计评阅评语：指导教师签名：年 月 日摘要随着集成电路和信息技术的不断发展， 通信技术得到广泛的应用。 而通讯系统中的模拟 信号能否有效地转换为数字信号， 让信号无失真的数字化传输， 很大程度上依赖于增量调制 有无很好的编译码过程。增量调制编译码技术就是基本的通信调制解调方式之一。数字通信中， 增量调制是预测编码中最简单的一种。 它将信号瞬时值与前一个抽样时刻 的量化值之差进

3、行量化， 而且只对这个差值的符号进行编码， 而不对差值的大小编码。 它是 继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字化的方法。目的在于简化模拟信号的数字化方法。主 要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有时也作为高速大规模集成电路中的 A/D 转换器使 用。目前，随着集成电路的发展， DM 的优点已不再那么显著。为了提高增量调制的质量， 出现了一些改进方案，例如，增量总和调制、数字压扩式自适应增量调制等。关键词 ：通信技术；增量调制； A/D 转换器目录1 课题描述 12 增量调制简介 23 基本概念 34 增量调制的调制原理 45 增量调制的解调原理 66 程序调试与测试 . 77 结果分析 98

4、增量调制存在的问题 119 总结 1310 参考文献 141 课题描述增量调制(DM系统的设计，由M的调制方案和M的解调方案两个子方案组成。通 过发送端形成f (t)信号并编制成相应的二元码序列，比较在每个抽样时刻 t处的f(t)和f (t)的值,用一个比较电路(减法器)来完成 f(i t)和f (i t_)的差值的比较； 通过分析f (t)的波形，阶梯波形象地说明增量调制原理，实际积分器的输出波形可以相 应得到，最后完成设计与仿真。2增量调制简介20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用 FORTRA编写了最早的 MATLAB 1984

5、 年由 Little 、Moler、Steve Bangert 合作 成立了的 MathWorks公司正式把 MATLAB!向市场。至U 20世纪90年代，MATLABB成为国际 控制界的标准计算软件。增量调制简称 M或增量脉码调制方式 (DM ,它是继PCM后出现的又一种模拟信号数 字化的方法。1946年由法国工程师 De Loraine提出，目的在于简化模拟信号的数字化方法。 主要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。对模拟信号采样，并用每个样值与它的预测值的差值对周期脉冲序列进行调制，简称墹 M或DM已调脉冲序列以脉冲的有、无来表征差值的正负号

6、，也就是差值只编 成一位二进制码。增量调制的基本原理是于1946年提出的，它是一种最简单的差值脉冲编码。早期的语言增量调制编码器是由分立元件组成的。随着模拟集成电路技术的发展，70年代末出现了音节压扩增量调制集成单片，80年代出现了瞬时压扩集成单片，单片内包括了开关电容滤波器与开关电容积分器，集成度不断提高，使增量调制的编码器的体积减小，功耗降低。3基本概念在PCM系统中，为了得到二进制数字序列，要对量化后的数字信号进行编码，每个抽样量化值用一个码组(码字)表示其大小。码长一般为7位或8位，码长越大，可表示的量化级数越多，但编、解码设备就越复杂。那么能否找到其它更为简单的方法完成信号的模/数转

7、换呢？我们看一下图1。图中在模拟信号f(t)的曲线附近，有一条阶梯状的变化曲线f(t),f (t)与f(t)的形状相似。显然，只要阶梯“台阶”b和时间间隔 t足够小，则f(t)与f(t)的相似程度就会提高。对f (t)进行滤波处理，去掉高频波动，所得到的曲线将会很好地与原曲线重合，这意味着f 可以携带f(t)的全部信息(这一点很重要)。因此，f (t)可以看成是用一个给定的“台阶”b对f(t)进行抽样与量化后的曲线。我们把“台阶”的高度b称为增量，用“1”表示正增量，代表向上增加一个 b；用“0”表示负增 量，代表向下减少一个 b。则这种阶梯状曲线就可用一个“ 0”、“1”数字序列来表示(如图

8、(1)所示)，也就是说，对f(t)的编码只用一位二进制码即可。此时的二进制码序列不是代表某一时刻的 抽样值，每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化趋势。这种只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序列的方法(过程)就称为增量调制(Delta Modulation )，缩写为DM或 A M调制。增量调制最早由法国人 De Loraine于1946年提出，目的是简化模拟信号的数字化方法。 其主要特点是：在比特率较低的场合，量化信噪比高于PCM抗误码性能好。能工作在误比特率为102103的信道中，而PCM则要求信道的误比特率为104106。设备简单、制造容易。它与PCM的本质区别是只用一位二进制码进行编

9、码，但这一位码不表示信号抽样值的大小，而是表示抽样时刻信号曲线的变化趋向。编码后的数字信号4增量调制的调制原理如何在发送端形成f 信号并编制成相应的二元码序列呢？仔细分析一上图( 1), 比较在每个抽样时刻 t处的f(t)和f 的值可以发现,当 f(i t)f (i t_)时，上升一个发 “1”码；当 f(i t)0 ，贝y Po(0)=1(1)t= t 时，e( t)=f( t)-f ( t_)0，贝U Po( t)=1(2)t=2 t 时,e(2 t)=f(2 t)-f(2 t_)0，贝U Po(3 t)=1;(4)t=4 t 时，e(4 t)=f(4 t)-f(4 t_)0，贝U Po(

10、5 t)=1;(6)t=6 t 时,e(6 t)=f(6 t)-f(6 t_)0，贝U Po(6 t)=1;以此类推，即可得到如图3所示的波形。会发现图 3中的f (t)和图1的波形不一样。其实，图1的阶梯波只是为了形象地说明增量调制原理，而实际积分器的输出波形如图所示。(b)样值信号f(t)f (t)0.t2.住丁 3山5占60 Mt 8出9也0山I |i Kf aIIIIIII j/fjT iIilull1111Jjjja4斷. . . .(d)积分器输岀信号5增量调制的解调原理为了完成整个通信过程，发送端调制出的信号必须在接收端通过解调恢复出原始模拟信 号。M信号的解调比较简单，用一个和

11、本地解码器一样的积分器即可。在接收端和发送端 的积分器一般都是一个 RC积分器。解调过程就是图4 3中的积分过程。当积分器输入“ 1” 码时，积分器输出产生一个正斜变的电压并上升一个量化台阶(7 ;而当输入“ 0”码时，积分器输出电压就下降一个量化台阶7。为了保证解调质量，对解码器有两个要求:(1) 每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率大小一样。(2) 解码器应具有“记忆”功能，即输入为连续“ 1”或“0”码时，输出能连续上升 或下降。对积分器的输出信号进行低通滤波,滤除波形中的高频成分,即可得到与原始模拟信号十分近似的解调信号，如图4所示Po(t)禾口分器f (t)低通滤波f)积、分器t(

12、a)增量解调器译码器匡图图4增量调制译码(解调)示意示6 程序调试与测试Ts=1e-3;t=0:Ts:20*Ts;x=sin(2*pi*50*t)+0.5*sin(2*pi*150*t);delta=0.4;D(1+length(t)=0;for k=1:length(t)e(k)=x(k)-D(k);e_q(k)=delta*(2*(e(k)=0)-1);D(k+1)=e_q(k)+D(k);codeout(k)=(e_q(k)0);endsubplot(3,1,1);plot(t,x,-o);axis(0 20*Ts,-2 2);hold on;subplot(3,1,2);stairs(

13、t,codeout);axis(0 20*Ts,-2 2);Dr(1+length(t)=0;for k=1:length(t)eq(k)=delta*(2*codeout(k)-1);xr(k)=eq(k)+Dr(k);Dr(k+1)=xr(k);endsubplot(3,1,3);stairs(t,xr);hold on;subplot(3,1,3);plot(t,x);采用Simulink基本模块实现和采用DPCM解码模块实现。仿真测试模型如图(6)所示。仿真步进设置为 0.001s ，模型中所有需要设置采样时间的地方均设置采样时间为 0.001s 。在增量调制部分， Relay 模块作

14、为量化器适应，其门限设置为 0，输出值分别设置 为0.4 和-0.4 ；Relay 作为编码器使用， 其门限设置为 0，输出值设置为 1和0；解码端 Relay2 模块作为解码器使用， 其门限设置为 0.5 ，输出值分别为 0.4 和-0.4 ；使用单位延时器 Unit Delay 作为预测滤波器，初始状态均设置为零。使用DPCMw解码模块进行等价实现，DPCM编码模块的设置是，预测器分子系数为0,1, 分母系数是1,量化分割值为0，码书为-0.4,0.4，解码器与编码器设置相同。仿真时间 设置为0.02s，即仿真前20个采样点。仿真结果如图（7）所示，采用 Simulink基本模块 实现的解

15、码结果与编程法得到的波形相同。但是，由于初始值设置问题，采用DPCM编解码模块得出的解码结果与采用Simuli nk基本模块实现的解码结果在起始部分稍有不同，随着仿真时间的增加，两者输出结果相同。图6增量调制编码仿真测试模型其中 f(u)=sin(2*pi*50*u)+0.5*sin(2*pi*150*u)7结果分析程序执行结果如图5所示。从图中原信号和解码结果对比看，在输入信号变化平缓的部分，编码器输出1、0交替码，相应的解码结果以正负阶距交替变化，形成颗粒噪声，称空 载失真；在输入信号变化过快的部分，解码信号因不能跟踪上信号的变化而引起斜率过载失真。量化阶距越小，则空载失真就越小，但是容易

16、发生过载失真；反之，量化阶距增大，则斜率过载失真减小，但空载失真增大。如果量化阶距能 根据信号的变化缓急自适应调整，则可以兼顾优化空载失真和过载失真，这就是自适应增量调制的意思。图5增量调制编码解码波形仿真结果（一）波形解析：第一个图形是原信号及离散样值第二个图形是编码输出二进制序列的波形 第三个图形解码结果和信号波形对比0.004 0.006为空载失真部分0.009 0.012为过载失真部分8增量调制存在的问题增量调制尽管有前面所述的不少优点，但它也有两个不足：一个是一般量化噪声问题 另一个是过载噪声问题。两者可统一称为量化噪声。观察图1可以发现，阶梯曲线（调制曲线）的最大上升和下降斜率是一

17、个定值，只要增 量b和时间间隔t给定，它们就不变。那么，如果原始模拟信号的变化率超过调制曲线的 最大斜率，则调制曲线就跟不上原始信号的变化，从而造成误差。我们把这种因调制曲线跟不上原始信号变化的现象叫做过载现象，由此产生的波形失真或者信号误差叫做过载噪声。另外，由于增量调制是利用调制曲线和原始信号的差值进行编码，也就是利用增量进行量化，因此在调制曲线和原始信号之间存在误差,声。两种噪声示意图如图 8所示。图8两种量化噪声示意图仔细分析两种噪声波形我们发现，两种噪声的大小与阶梯波的抽样间隔t和增量b有关。我们定义 K为阶梯波一个台阶的斜率式中,fs是抽样频率。该斜率被称K =J fs为最大跟踪斜

18、率。当信号斜率大于跟踪斜率时，称为过载条件，此时就会出现过载现象；当 信号斜率等于跟踪斜率时，称为临界条件；当信号斜率小于跟踪斜率时，称为不过载条件。可见，通过增大量化台阶（增量）b进而提高阶梯波形的最大跟踪斜率，就可以减小过 载噪声；而降低b则可减小一般量化噪声。显然，通过改变量化台阶进行降噪出现了矛盾， 因此，b值必须两头兼顾，适当选取。不过，利用增大抽样频率（即减小抽样时间间隔 t）, 却可以“左右逢源”，既能减小过载噪声，又可降低一般量化噪声。因此，实际应用中，M系统的抽样频率要比 PCM系统高得多（一般在两倍以上，对于话音信号典型值为16kHz和32kHz）。Figure No. 1.Nle Edit View Insert Tools Window Help00 002 0 Q04 0 006 0 0080 010 012 0 014 0 016 0 0180 02图5增量调制编码解码波形仿真结果（一）波形解析：第一个图形是原信号及离散样值第二个图形是编码输出二进制序列的波形 第三个图形解码结果和信号波形对比0.004 0.006为空载失真部分0.009 0.012为过载失真部分9 总结由于基础不扎实，以前 Matlab 并没怎么学，这一次用上了，还真是无从下手。在网上 查看了很多资料， 本来以为随便找一个程序能运行就行了， 但发现这