通信原理课程设计-luoll

PAGEPAGE1河南农业大学通信原理课程设计题目：模拟信号的数字化班级：08电信(2)班学生姓名：罗练练学号：0804101048指导教师：季宝杰完成日期：2011.6.20机电工程学院一、设计题目：模拟信号的数字化二、设计目的:掌握使用matlab语言及其工具箱进行基本新信号分析与处理。用matlab和simulink设计一个通信系统，加深对通信原理基本原理和matlab所用技术的理解。提高和挖掘学生将所学知识与实际应用相结合的能力，培养学生的合作精神和独立分析问题的和解决问题的能力，提高学生科技论文的写作水平三、实验原理：基带信号的采样定理是指，对于一个频谱宽度为BHz的基带信号，可惟一地被均匀间隔不大于1/(2B)秒的样值序列所确定。采样定理表明，如果以不小于1/(2B)次/秒的速率对基带模拟信号均匀采样，那么所得到样值序列就包含了基带信号的全部信息，这时对该序列可以无失真地重建对应的基带模拟信号。例如，电话话音信号的最高频率为3400Hz，为了保证无失真采样，对其进行采样的最低速率必须大于等于6800次/秒，考虑到实际低通滤波器的非理想特性，数字电话通信系统中规定采样率为8000次/秒。模拟信号的数字化也可简单地理解为模数转换，即首先对输入的模拟信号进行采样，然后对采样结果进行幅度离散化（量化）并编码为字符串，一般输出为二进制序列。为了保证在足够大的动态范围内数字电话话音具有足够高的信噪比，提出了非均匀量化：在小信号时采用较小的量化间距，而在大信号时用大的量化间距。在数学上，非均匀量化等价于对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量化。小信号通过压缩器时增益大，大信号通过压缩器时增益小。这样就使小信号在均匀量化之前得到较大的放大，等价于以较小间距直接对小信号进行量化，而以较大间距对大信号进行量化。在接收端要进行相应的反变换，即扩张处理，以补偿压缩过程引起的信号非线性失真。中国和欧洲的PCM数字电话系统采用A律压扩方式，即：压缩系数A=87.6。A律压缩扩张曲线可用折线来近似，16段折线点是：其中靠近原点的4根折线斜率相等，可视为一段，因此总折线数为13段，称为13段折线近似。用Simulink中的Look-UpTable查表模块可以实现对13折线近似的压缩扩张计算的建模，压缩模块的输入向量设置为：输出量向量设置为：。扩张模块的设置与压缩模块的设置相反。四、设计任务与步骤：（一）设计一个13折线近似的PCM编码器。使它能够对取舍在[-1,1]内归一化信号样值进行编码。PCM是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。A律PCM数字电话系统中规定：传输语音的信号频段为300~3400Hz，采样率为8000次/s，对样值进行13折线压缩后编码为8位二数字序列。因此，PCM编码输出的数码速率为64kbps。PCM编码的二进制序列中，每个样值用8位二进制码表示，其中最高比特位表示样值的正负极性，规定负值用0表示，正值用1表示。接下来的3位比特表示样值的绝对值所在的8段折线的段落号，最后4位是样值处于段落内16个均匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM编码较低的7位相当于对样值的绝对值进行13折线近似压缩后的7位均匀量化编码输出。测试模型和仿真结果如图所示。其中信号源用一个常数表示。以Saturation作为限幅器，Relay模块的门限设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位，即确定极性码。样值取绝对值后，以Look-UpTable(查表)模块进行13折线压缩，并用增益模块将样值范围放大到0~127，然后用间距为1的Quantizer模块进行四舍五入取整量化，并用IntegertoBitConverter将整数转换成长度为8个比特的二进制数据，最后用Display模块显示编码结果。将PCM编码器封装成一个子系统，整个文件模型保存为ex2_1.mdl。图2-113折线A率编码器信号源常数可以设置为—1到1之间任意数，对应的编码结果就会随之变化。Saturation模块参数设置：upperlimit1,lowerlimit:-1重点是LookupTable模块要根据A律压缩扩张曲线的16段折线点来设置参数，由于我们之前加入了一个求绝对值模块，所以这里应该舍去负数取值部分：Vectorofinputvalues:[0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]Vectorofoutputvalues:[0:1/8:1]增益模块系数可以设置为127;更多参数设置依照设计说明。（二）设计一个对应上面编码器的PCM解码器。其中PCM编码子系统就是图2-1中已编好部分。可以应用建立子模块调用，直接运用于PCM解码器。PCM解码器中首先分离并行数据中的最位(极性码)和7位数据，然后将7位数据转换为整数值，再进行归一化、扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。将该模型中的部分封装为一个PCM解码子系统。整个文件模型保存为ex2_2.mdl。图2-213折线A律解码器此任务过程中应学会子模块建立，调用和使用。相关参数设置可以参照第一个任务。很多设置是正好相反的。比如增益模块系数设为1/127。Display模块Decimation参数设为1而第一任务中设为了8.这与要显示的数据有关。LookupTable模块参数设置为：Vectorofoutputvalues:[0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]Vectorofinputvalues:[0:1/8:1]举几个例子如下：第二个任务也基本可以实现。（三）在以上编码器和解码器的基础上，建立PCM串行传输模式，并在传输信道中加入指定错误概率的随机误码。仿真模型如图2-3所示，其中PCM编码和解码子系统内部结构参见图2-1和图2-2。加入正弦信号，PCM编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对称信道。在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入PCM编码，通过低通滤波器后输出解码结果并显示波形。文件模型保存为ex2_3.mdl。其实发现用AnalogFilterDesign低通滤波器容易出现问题比如:The"VariableStepDiscrete"solvercannotbeusedtosimulateblockdiagram'ex2_3'becauseitcontainscontinuousstates.图2-3PCM串行传输模型不如用万能数字滤波器,如下运行结果如下:可以分析得到,解码后波形由于误码波形会出现非正常拐度,并且波形幅度比原波形小.注意:仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍，这里模型中信道传输速率最高为64bps，故仿真步进设置为1/64000s。信道错误比特率设为0.001，以观察信道误码对PCM传输的影响。信号源可以采用比如200Hz的正弦波。解码输出存在延迟。对应于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个PCM编码字串中的位置，位于最高位时将导致解码值极性错误，这时干扰最大，而位于最低位的误码引起的误码最轻微。通过改变BinarySymmetricChannel中的ErrorProbability的大小，观察原信号和解码后的输出的变化。（四）测试指定误码率条件下PCM解码语间信号的音质。使用Simulink中DSP模块库的音频输入模块可以对真实音频信号进行处理，首先录制或选择一个.wav文件，由FromWaveFile导入作为信号源，再通过ToWaveDevice模块模块播放声音。改变BSC信道的误码率，可听到不同音质的声音。测试模型如图2-5所示。仿真时间20s，步进时间1/64000s。设置SBC信道的误码率后启动仿真，可以听到在指定误码率下传输的PCM解码语音信号，Gain模块用于调整输入声音信号的幅度。文件模型保存为ex2_4.mdl。指定误码率条件下PCM解码语音测试模型（五）通过编程方法，连续改变SBC信道的误码率，对每一个误码率的值，调用一次ex2_4.mdl，从而观察在不同误码率情况下声音信号。在matlab空间调用ex2_4.mdl的函数是sim(‘ex2_4.mdl’)。编程文件取名为ex2.m。%ex2,mclear;x=0.001fori=1:10sim('ex2_4.mdl')x=x+0.003;end运行以上M-file文件时应提前把BSC中Errorprobability定义为变量x;通过连续听音,就可以发现音质不断变化.五、课程设计总结1．本次课程设计使我对模拟信号的数字化有了更深一步的理解，复习巩固了通信原理的理论知识。2．通过使用simulink进行模块设计、修改各个模块的参数以及调试运行，最终得出正确的仿真结果，使我对simulink的运用更加熟悉，基本掌握了使用matlab语言及其工具箱进行基本信号分析与处理的方法。3．通过本次仿真练习，巩固理论知识的同时，也提高了自己的分析问题、发现问题、解决问题和动手实践的能力。4．在这几天的课程设计实验中也暴露出自己的很多