通信原理课程设计报告(增量调制通信系统)要点

1、武汉理工大学数字通信系统课程设计课程设计任务书学生姓名：吕义斌专业班级：电信1102班指导教师：吴魏工作单位：信息工程学院题目M通信系统设计初始条件：具备通信课程的理论知识； 具备模拟与数字电路基本电路 的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基 本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。 要求完成的主要任务： （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等 具体要求）、 M码速率128KB,有线通信，语音信号无明显失真；2、 对系统各个组成部分与模块进行设计，包括M编译码电路，同步脉冲序列，低通滤波器等；3、对厶M斜线、临界过载等进行误差分析，设计相应电路以检测上述

2、现象；4、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。时间安排：二十二周一周，其中 3天硬件设计，2天硬件调试 指导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名:武汉理工大学数字通信系统课程设计目录摘要21. 增量调制原理 32. 增量调制的过载特性与编码的动态范围 52.1增量调制系统的量化误差 522过载特性62.3动态范围73. 增量调制的抗噪性能 83.1量化信噪比83.2误码信噪比94. 增量调制系统模块电路设计分析104.1 加法器电路与限幅放大电路 104.2极性变换电路、积分器和射随器电路 114.3抽样脉冲发生器电路与定时判决器 124.4低通滤波器124.5总体电路设计1

3、35. 电路仿真及信号波形测量 146. 实物制作167. 课程设计实践心得体会 17附录1 18附录2 19参考文献20摘要增量调制简称：它是继PCM之后出现的又一种模拟信号数字化方法。最 早是由法国工程师De Loraine于1946年提出来的，其目的在于简化模拟信号的 数字化方法。在以后的三十多年间有了很大发展，特别是在军事和工业部门的专 用通信网和卫星通信中得到广泛应用， 不仅如此，近年来在高速超大规模集成电 路中已被用作A/D转换器。增量调制获得广泛应用的原因主要有以下几点：（1）在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于 PCM的量化信噪比；（2） 增量调制的抗误码性能好。能工作于误

4、码率为二；的信道中，而 PCM要求误比特率通常为-】.；（3）增量调制的编译码器比PCM简单。增量调制最主要的特点就是它所产生的二进制代码表示模拟信号前后两个 抽样值的差别（增加、还是减少）而不是代表抽样值本身的大小，因此把它称为增 量调制。在增量调制系统的发端调制后的二进制代码 1和0只表示信号这一个抽 样时刻相对于前一个抽样时刻是增加（用1码）还是减少（用0码）。收端译码器每 收到一个1码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量化阶，而收到一个0码，译码器的输出相对于前一个时刻的值下降一个量化阶。关键字：模拟信号数字化增量调制量化量化信噪比 误码性81. 增量调制原理增量调制(Delt

5、a Modulation ，是一种最简单的差分脉冲编码调制(DifferentialPCM DPCI)当DPC啄统中量化器的量化电平数取为 2时，此DPCMR统就成为增量调制系统。原理方框图如下：(a)编码器(b)译码器图1.1增量调制原理方框图图1.1示出增量调制原理方框图。图1.1中预测误差Q二mk -mk被量化成两个电平中和b。6置称为量化台阶(quantizationstep )。这就是说， 量化器输出信号rk只取两个值二或。因此，5可以用一个二进制符号表示。 例如，用“ T表示“ +厲”，及用“0”表示“ r ”。译码器由“延迟相加电路” 组成，它和编码器中的相同。所以无传输误码时，

6、 m； = mk。在实际系统电路设计中，为了简单起见，通常用一个积分器(in tegrator ) 来代替上述“延迟相加电路”，并将抽样器放在相加器后面，与量化器合并为抽 样判决器，如下图1.2所示。m(t) 积分器 +(b)译码器编码器图1.2增量调制原理方框图图1.2中编码器输入模拟信号为 m(t),它与预测信号m (t)值相减，得到预测误差e(t)。预测误差e(t)被周期为Ts的抽样冲击序列(t)抽样。若抽样值为 负值，则判决输出电压飞(用“T表示)；若抽样值为正值，则判决输出电压 -(用“0”表示)。这样就得到二进制输出数字信号。图1.3中示出了这一过 程。因积分器含抽样保持电路，故

7、m (t)为阶梯波形。Ts0101011111 110 0输出二进制波图1.3增量调制波形图在解调器中，积分器只要每收到一个“ 1”码元就使其输出升高匚，每收到 一个“0”码元就使其输出降低匚，如下图1.4所示。这样就可以恢复图1.3中 的阶梯形电压。这个阶梯电压通过低通滤波器平滑后，就可以得到十分接近编码器的原来输入的模拟信号。d (t)图1.4解调器中积分器译码原理图2. 增量调制的过载特性与编码的动态范围2.1增量调制系统的量化误差由上述增量调制原理可知，译码器恢复的信号是阶梯形电压经过低通滤波平 滑后的解调电压。它与编码器输入模拟信号的波形相似，但存在误差，即量化噪声(quantiza

8、tion noise)。在分析W系统量化噪声时，通常假设信道加性噪声很小，不造成误码。在 这种情况下，二1系统中量化噪声有两种形式，一种是一般量化噪声，另一种则 被称为过载量化噪声。如图1.3所示的量化过程，本地译码器输出与输入的模拟信号作差，就可以得到量化误差e(t)，具体计算方法为：e(t) = x(t) - x (t)，e(t) t的波形是一个随 机过程。如果e(t)的绝对值小于量化阶二，即|e(t) | =| x(t) -x (t) I： ；，e(t)在-广到二范围内随机变化，这种噪声被称为一般量化噪声。过载量化噪声(有时简称过载噪声)发生在模拟信号斜率陡变时，由于量化阶 匚是固定的，

9、而且每秒内台阶数也是确定的，因此，阶梯电压波形就有可能跟不 上信号的变化，形成了包含很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称为过载现象， 也称过载噪声，具体情况如图 2.2(b)所示；如果无过载噪声发生，则模拟信号 与阶梯波形之间的误差就是一般的量化噪声，如图2.1(a)所示。图中的，可e(t) =x(t) -x(t)以统称其为量化噪声。(a) 一般量化误差;(b)过载量化误差图2.1增量调制的量化噪声2.2过载特性当出现过载时，量化噪声将急剧增加，因此，在实际应用中要尽量防止出现 过载现象。为此，需要对系统中的量化过程和系统的有关参数进行分析。设抽样时间间隔为，则上升或下降一个量化阶可以达到的最

10、大斜率K（这里 仅考虑上升的情况），可以表示为：旌=匸=6扎加（2.1）=b人工这也就是译码器的最大跟踪斜率。 显然，当译码器的最大跟踪斜率大于 或等于模拟信号x（t）的最大变化斜率时，即(2.2)译码器输出能够跟上输入信号 门的变化，不会发生过载现象，因而不会形成很大的失真。但是，当信号实际斜率超过这个最大跟踪斜率时， 则将造成过 载噪声。因此，为了不发生过载现象，则必须使 厂和二的乘积达到一定的数值， 以使信号实际斜率不会超过这个数值。因此，可以适当地增大 或I来达到这个目的。对于一般量化噪声，由图2.1（a）不难看出，如果增大则这个量化噪声就会 变大，-小则噪声小。采用大的厂虽然能减小过

11、载噪声，但却增大了一般量化噪 声。因此，值应适当选取，不能太大。不过，对于系统而言，可以选择较高的抽样频率，因为这样，既能减小 过载噪声，又能进一步降低一般量化噪声，从而使 系统的量化噪声减小到给 定的容许数值。通常，系统中的抽样频率要比PCM系统的抽样频率高得多（通 常要高两倍以上）。武汉理工大学数字通信系统课程设计2.3动态范围当If系统的有关参数确定以后，信号VI能够进行正常If编码的幅度范围， 就是系统编码的动态范围。为此，需要确定幅度上限I:.二和幅度下限:口_。dt实现2系统正常编码条件之一，就是要确保在编码时不发生过载现象。现 在以正弦型信号为例来确定 门幅度上限5.二。设输入信

12、号为：，此 时信号：T的斜率为：(2.3)分析式(2.2)和式(2.3)可知，不过载且信号幅度又是最大值的条件为(2.4)氢ds 二 H % = Ana - J式(2.4)中的就是正弦波信号允许出现的最大振幅确定幅度下限吐。这里同样假设输入信号为 儿；亠此时信号：:H的幅度很小，以至于图1.2所示的框图中，输出码序列为一系列0、1交替码, 可以证明当：的幅度小于二/2时，：仍为正、负极性相同的周期性方波，只有当：振幅超过匚/2时，：才会受啲影响，从而改变输出码序列。所以，开始编码正弦信号振幅u = /2。这样，丄系统编码的动态范围可以定义为:(2.5)9武汉理工大学数字通信系统课程设计3. 增

13、量调制的抗噪性能对于简单增量调制系统的抗噪声性能，用系统的输出信号和噪声功率比来表 征。二f系统的噪声成分有两种，即量化噪声与加性噪声。由于这两种噪声互不 相关的，所以可以分别进行讨论和分析，由信号功率与这两种噪声功率的比值， 分别被称为量化信噪比和误码信噪比。3.1量化信噪比从前面的分析可知，量化误差有两种，即一般量化误差和过载量化误差, 于在实际应用中都是采用了防过载措施，因此，这里仅考虑一般量化噪声。假设在不过载情况下，一般量化噪声e(t)的幅度在一-至片范围内随机变化。在此区域内量化噪声为均匀分布，于是 e(t)的一维概率密度函数为:/() =丄，一b兰空莖b(3.1)2cr因而e(t

14、)的平均功率可表示成:AW(3.2)28从图应当注意，上述的量化噪声功率并不是系统最终输出的量化噪声功率，1.2可以看到，译码输出端还有一个低通滤波器，因此，需要将低通滤波器对输 出量化噪声功率的影响考虑在内。为了简化运算，可以近似的认为 e(t)的平均功率均匀地分布在频率范围 之内。这样，通过低通滤波器(截止频率为)之后的输出量化噪声功率为:(3.3)设信号工作于临界状态，则对于频率为的正弦信号来说，结合式(2.4 ) 给出的信号幅值最大值，可以推导出信号最大输出功率:(3.4)利用式(3.3)和式(3.4)经化简和近似处理之后，可以得系统最大量化信噪比:Sofm)0.04(3.5)3.2误

15、码信噪比分析误码信噪比，首先求出积分器前面由误码引起的误码电压及由它产生的噪声功率和噪声功率谱密度，然后求出经过积分器以后的误码噪声功率谱密度， 最后求出经过低通滤波器以后的误码噪声功率 Ne为：(3.6)式中二为低通滤波器低端截止频率，二为系统误码率,结合式(3.4)可以求出 误码信噪比为(3.7)结合式(3.5)和式(3.7)可以得到总的信噪比为:(3.8)从上面分析可以看出，为提高-匸系统抗噪声性能，采样频率二越大越好;但从节省频带考虑，二越小越好，这两者是矛盾的，要根据对通话质量和节省频 带两方面的要求提出一个恰当的数值。4. 增量调制系统模块电路设计分析由图1.2得，增量调制通信系统

16、由加法器、抽样脉冲判决器、积分器、低通 滤波器几个模块组成。在设计电路系统时，需要设计的电路模块有：加法器电路、 限幅放大电路、抽样脉冲发生器电路、定时判决器(D触发器)、极性变换电路射随器电路和低通滤波器电路。4.1加法器电路与限幅放大电路加法器和限幅放大器共同构成比较器，其电路原理图如图4.1所示。相加器由Q1和Q2组成，音频信号f(t)和本地译码器送来的比较信号一 f(t)，各 通过 一个1KQ电阻加到BG1共基放大器的射极进行电流相加。由于 f(t)和f(t)反 相，所以是两信号相减或者说是比较。用共基接法做成比较器是一个比较理想的 电路，因为电流比较器的动态范围大，其基极放大输人阻抗

17、低，可以减少- fo(t) 与f(t)彼此之间的干扰，而且共基电路的频率特性好。BG2采用共集射随电路，起隔离作用。图4-1比较器电路原理图限幅放大器由Q3与Q4组成，当e(t) 0时，Q4的输出为+3V,当e(t) 0,则p(t)为 “1” 码，若 e(t) a. o o图4.5增量调制系统总电路电路总设计图详见附录1.5. 电路仿真及信号波形测量1. 主时钟信号和抽样脉冲信号测量用双踪示波器同时观测并记录输出主时钟信号和抽样脉冲信号的波形， 观测 时以主时钟信号作示波器的同步。 可以得到如图5.1所示波形。可以看到抽样脉 冲和主时钟为同步的，抽样脉冲为尖脉冲并且频率为256KHZ的一半，即

18、128KHZ2. 输入模拟信号fx和预测信号一fx测量同上用双踪示波器根据图4.5,测量输入模拟信号fx和预测信号_fx，测量 波形如下图5.2所示。3. 误差信号e(t)的测量根据总电路图4.5，用示波器测量误差信号波形如下图5.3所示图5.3误差信号波形4. 编码信号输出波形测量根据总电路图4.5，用示波器测量编码信号输出波形如下图5.4所示1图5.4编码信号输出波形5. 本地译码器中双极性脉冲信号和积分后的信号测量 根据总电路图4.5，用双踪示波器测量双极脉冲点和积分后信号波形, 波形如下图5.5所示。图5.5双极脉冲和积分信号由图5.7可以看到译码器的解码输出信号波形和输入模拟信号波形

19、非常相 似，故通过低通滤波器后，译码输出信号能够很好地反映原输入的模拟信号。6.实物制作实物制作产品如下图所6.1所示图6.1实物产品图元件清单见附录2.7.课程设计实践心得体会经过两周的通信原理课程设计的学习让我受益菲浅。 在通信原理实验课即将 结束之时，我对在这两周来的学习进行了总结， 总结这一周来的收获与不足。取 之长、补之短，在今后的学习和工作中有所受用。在这近一周通信原理课程设计的学习中， 让我受益颇多。一、让我养成了课 前预习的好习惯。一直以来就没能养成课前预习的好习惯 （虽然一直认为课前预 习是很重要的），但经过这一周，让我深深的懂得课前预习的重要。只有在课前 进行了认真的预习，

20、才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。二、培 养了我的动手能力。“实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚 不是深刻理解的东西。”每个步骤我都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。经过 这两周，让我的动手能力有了明显的提高。三、让我在探索中求得真知。那些伟 大的科学家之所以伟大就是他们利用实验证明了他们的伟大。实验是检验理论正确与否的试金石。为了要使你的理论被人接受，你必须用事实（实验）来证明， 让那些怀疑的人哑口无言。虽说我们的通信原理实验只是对前人的经典实验的重 复，但是对于一个知识尚浅、探索能力还不够的人来说，这些探索也非一件易事。 通信原理实验都是一些经典的给人类带来了难以想象的便利与财富。对于这些实验，我在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。通信原理实验让我慢慢开 始“摸着石头过河”。学习就是为了能自我学习，这正是实验课的核心，它让我 在探索、自我学习中获得知识。四、教会了我处理数据的能力。实验就有数