通信原理课程设计说明书

1、目录1 前言 (12 工程概况 (13 正文 (13.1 设计目的与意义 (13.2 设计方法和内容 (23.3 结论 (84 致谢 (85 参考文献 (8前言Matlab语言由于其语法的简洁性,代码接近于自然数学描述方式,以及具有丰富的专业函数库等诸多优点,吸引了众多科学研究工作者,越来越成为科学研究、数值计算、建模仿真,以及学术交流的事实标准。Simulink作为Matlab语言上的一个可视化建模仿真平台,起源于对自动控制系统的仿真需求,它采用方框图建模的形式,更加贴近于工程习惯。Simulink 是基于 Matlab的框图设计环境,可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真,它的建模范围

2、广泛,可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模,如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等,其中包括了连续、离散、条件执行、事件驱动、单速率、多速率和混杂系统等。Simulink 提供了利用鼠标拖动的方法建立系统框图模型的图形界面,而且 Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合,利用Simulink 几乎可以做到不用写一行代码完成整个动态系统的建模工作。随着Matlab/Simulink通信、信号处理专业函数库和专业工具箱的成熟,它们逐渐为广大通信技术领域的专家学者和工程师所熟悉,在通信理论研究、算法设计、系统设计、建模仿真和性能分析验证等方面的应用也

3、更加广泛。利用Simulink实现模拟信号数字化,能够以非常直观的方框图方式形象地对通信系统进行建模,通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类。与模拟通信系统相比,数字通信系统具有抗干扰能力强、便于同计算机连接、保密性强、易于集成化等优点,其应用日益广泛,已成为现代通信发展的主流。然而自然界的信息源多数产生的是模拟信号。那么在利用数字通信系统传输模拟信号时,首先要将模拟信号抽样,使其成为一系列时间上离散的抽样值,再将抽样值量化、编码,从而完成模拟信号的数字化,然后再用数字通信方式传输。在接受端则要进行相反的变换,将接受到的数字信号恢复成模拟信号即可。最终实现模拟信号的数字化。工程概况本次

4、课程设计的主要概况是了解模拟信号转换成数字信号的过程。主要概况是利用Matlab中的Simulink 进行模拟仿真设计,对模拟信号进行抽样、量化、编码,从而实现模拟信号数字化,完成调制信号分析,并绘制相关的波形图及频谱图,分析信号波形及其频谱特点。正文3.1 设计目的与意义利用MATLAB/Simulink模拟仿真,熟悉该仿真工具。通过课程设计来更好的掌握课本的相关知识,对模拟信号进行抽样、量化、编码,从而实现模拟信号数字化,掌握模拟信号转换成数字信号的基本过程,从而了解通信原理的相关知识,提高自己分析问题、实践创新等各方面能力,进一步巩固课本上的知识。3.2 设计方法和内容抽样是把时间上连续

5、的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。连续信号在时间上离散化的抽样过程如图1所示。 图1 抽样过程设时间连续信号(t f ,其最高截止频率为m f 如果用时间间隔为m s f T 2/1的开关信号对(t f 进行抽样,则(t f 就可被样值信号(nTs f t fs =来唯一地表示。或者说,要从样值序列无失真地恢复原时间连续信号,其抽样频率应选为fm fs 2,这就是著名的奈奎斯特抽样定理、简称抽样定理。根据信号是低通型的还是带通型的,抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理;根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的,又分均匀抽样定理和非均匀抽样;根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲

6、击序列,又可分理想抽样和实际抽样。下面是对抽样信号进行MATLAB/Simulink 仿真,原理图如图2所示,Sine Wave 来自Simulik 模块的Sources 部分,Pulse Generator 来自Simulik 模块的Sources 部分,Product 来自Simulik 模块的Commonly Used Blocks 部分,Constant 来自Simulik 模块的Sources 部分,Scope 自Simulik 模块的Commonly Used Blocks 部分。 图2 抽样信号原理图图中各个模块的作用、参数设置如下:(1 Sine wave是一个正弦波信号,正弦

7、波的频率设置为f=1赫兹,幅值A=1。(2Pulse Generator是一个脉冲发生器,产生脉冲信号,其中的参数Amplitude代表脉冲(方波的幅值, Period代表周期(一个完整波的长度,Pulse Width代表脉冲宽度,用%表示在这个周期里占的比重, Phase Delay代表初始相位偏离原点的距离,此图中周期为0.025,幅值为1.5。脉冲宽度为50%,偏离原点的距离是0。(3Produt是乘运器。(4Constant是一个常数信号。(5Scope示波器,用来显示各个仿真信号的时域波形图。信号的仿真时域波形图为如图3所示 图3 仿真时域波形图图3所示为平顶抽样的仿真图,图中黄色的

8、线是原始正弦波信号,蓝色线为原始方波脉冲信号,正弦波信号与脉冲信号通过相乘器,经过取样形成如红色曲线所示的叠加信号,实现了一个简单的取样过程。量化是把幅度上仍连续(无穷多个取值的抽样信号进行幅度离散,即指定M个规定的电平,把抽样值用最接近的电平表示;利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列,虽然在时间上离散,但在幅度上仍然是连续的,即抽样值m(kT可以取无穷多个可能值,因此仍属模拟信号。如果用N位二进制码组来表示该样值的大小,以便利用数字传输系统来传输的话,那么, N位二进制码组只能同M=2N个电平样值相对应,而不能同无穷多个可能取值相对

9、应。这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的M个离散电平,此电平被称为量化电平。量化间隔是均匀的,这种量化称为均匀量化。还有一种是量化间隔不均匀的非均匀量化,非均匀量化克服了均匀量化的缺点,是语音信号实际应用的量化方式。1、均匀量化把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中,每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点, 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用a 和b 表示, 量化电平数为M ,则均匀量化时的量化间隔为Ma b i -=,量化器输出为i q q m =,i i m m m -1,式中, i m 是第i 个量化区间的终

10、点(也称分层电平,可写成+=i a m i , i q 是第i 个量化区间的量化电平,可表示为211-+=i i m m q ,M i ,.,2,1=。2、非均匀量化非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。换言之,非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平,以改善量化性能。由均方误差式即-=-=(22x d x f m x mq m E N q q 。 非均匀量化的特点是:信号幅度小时,量化间隔小其量化误差也小;信号幅度大时,量化间隔大,其量化误差也大。采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比,可以做到在不增大量化级数N 的条件下,使信号在较宽的动态范围内的(S/Nq

11、d B 达到指标的要求。利用Matlab /Simulink 模拟量化的仿真原理图如图4所示,Singal Generrater 来自Simulink 模块中的Sources 部分,A-Law Compressor 来自Communications Blockset 模块中的Sourcecoding 部分,Quantizer decode 来自Siqnal Processinq Blockset 模块中的Quantizer 部分,Scalar Quantizer 来自Siqnal Processinq Blockset 模块中的Quantizer 部分,A Law Expandershi 来自

12、Communicationsblockset 模块中的Sourcecoding 部分, Integer to Bit Converter 来自Communications blockset 模块中的Utility Blocks 部分,To Workspac 来自Simulink 模块中的 Sinks 部分,Scope 来自Simulink 模块中的 Sinks 部分,Terminator 来自Simulink 模块中的 Commonly Used Blocks 部分。 图4 量化的仿真原理图图中各个模块的作用、参数设置如下:(1Singal Generrater 信号信号发生器。其主要作用是可

13、以产生正弦、方波、锯齿波及塔里木大学信息工程学院课程设计 常用 128 或 256）的多电平数字信号，如果直接传输的话，抗噪声性能很差，因此还要经过 编码器转换成二进制数字信号(PCM 信号后，再经数字信道传输。在接收端，二进制码组经 过译码器还原为 M 进制的量化信号， 再经低通滤波器恢复原模拟基带信号， 完成这一系列过 程的系统如图 7 所示的脉冲编码调制（PCM）系统。其中，量化与编码的组合称为模/数变换 器(A/D 变换器。 A / D变化 m(t 抽样 ms(t 低通 滤波 m(t 图 7 PCM 系统原理框图 量化 mq(t 编码 信道 干扰 译码 mq(t 抽样是按抽样定理把时间

14、上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号； 量化是把幅 度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，即指定 M 个规定的电平，把抽样值 用最接近的电平表示；编码是用二进制码组表示量化后的 M 个样值脉冲。综上所述，PCM 信 号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。 在 PCM 中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关， 这样，样值的整个幅值编码 需要较多位数，比特率较高， 造成数字化的信号带宽大大增加。然而，大多数以奈奎斯特 或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性， 有很大的冗余度。利用信 源的这种相关性，一种比较简单的解决方法是对相邻样值的差值而

15、不是样值本身进行编码。 由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样，用样点之间差值 的编码来代替样值本身的编码， 可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变） ，编码数 显著减少，信号带宽大大压缩。这种利用差值的 PCM 编码称为差分 PCM（DPCM） 。如果将样 值之差仍用 N 位编码传送，则 DPCM 的量化信噪比显然优于 PCM 系统。实现差分编码的一个 好办法是根据 k 个样值预测当前时刻的样值。 编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的 量化编码。DPCM 系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此, 要求 DPCM 系统达到与 PCM 系统相同的信噪比，则

16、可降低对量化器信噪比的要求，即可减小量化级数，从而减少码 位数， 降低比特率。 下面主要利用 Matlab /Simulink 中的 DPCM 模块实现模拟信号数字化的仿 真原理图如图 8 所示。 第 6 页，共 8 页 塔里木大学信息工程学院课程设计 模拟信号数字化的仿真原理图 图 8 DPCM 模拟信号数字化的仿真原理图 图中各个模块的作用、参数设置如下： （1）Singal Generrater 信号发生器。其主要作用是产生各种信号。本次实验中采用的正 弦波信号。正弦波的频率设置为 f=1 赫兹。幅值 A=1。 （2）DPCM encoder 是一个解码器，抽样时间为 0.01。 （3）Scope 示波器，用来显示各个仿真信号的时域波形图。 （4）To Workspace 是将需要绘制波形的变量，通过 To Workspace 传到工作区，时与其 变量都要设置为同样的存储类型。 仿真波形图如图 9 所示，Singal Generrater 来自 Simulink 模块中的 S