模擬信號數字化傳輸系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　1 模擬信號數字化傳輸原理2</p><p>　　1.1 模擬信號的數字化傳輸2</p><p>　　1.2 模擬信號的抽樣2</p><p>　　1.3 抽樣

2、信號的量化3</p><p>　　1.4 脈沖編碼調制6</p><p>　　1.5 差分脈沖編碼調制7</p><p>　　1.5.1 預測編碼 7</p><p>　　1.5.2 DPCM的基本原理 7</p><p>　　1.6 增量調制DM8</p><p&g

3、t;　　1.7自適應增量調制ADM9</p><p>　　1.8 自適應差分脈沖編碼（ADPCM）調制9</p><p>　　1.8.1 ADPCM的概念10</p><p>　　1.8.2 ADPCM的原理10</p><p>　　2 模擬信號數字化傳輸系統(tǒng)設計與仿真12</p><p>　　2.1 Sim

4、ulink組件使用介紹12</p><p>　　2.2 模擬信號抽樣的設計13</p><p>　　2.3 模擬信號量化的設計14</p><p>　　2.4 PCM編譯碼系統(tǒng)的設計15</p><p>　　2.5 DPCM編譯碼系統(tǒng)的設計16</p><p>　　3 模擬信號數字化傳輸系統(tǒng)的實現與分析18

5、</p><p>　　3.1 模擬信號抽樣的觀察與分析18</p><p>　　3.2 模擬信號量化的觀察與分析19</p><p>　　3.3 PCM編譯碼系統(tǒng)的觀察與分析20</p><p>　　3.4 DPCM編譯碼系統(tǒng)的觀察與分析21</p><p><b>　　總結22</b>

6、</p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　1837年，莫爾斯完成了電報系統(tǒng)，此系統(tǒng)于1844年在華盛頓和巴爾迪摩爾之間試運營，這可認為是電信或者遠程通信，也就是數字通信的開始。</p><p>　　數字化可從脈沖編碼調制開始說

7、起。1937年里夫提出用脈沖編碼調制對語聲信號編碼，這種方法優(yōu)點很多。例如易于加密，不像模擬傳輸那樣有噪聲積累等。但在當代代價太大，無法實用化；在第二次世界大戰(zhàn)期間，美軍曾開發(fā)并使用24路PCM系統(tǒng)，取得優(yōu)良的保密效果。但在商業(yè)上應用還要等到20世紀70年代。才能取代當時普遍采用的載波系統(tǒng)。我國70代初期決定采用30路的一次群標準，80年代初步引入商用，并開始了通信數字化的方向。數字化的另一個動向是計算機通信的發(fā)展。隨著計算機能力的強大

8、，并日益被利用，計算機之間的信息共享成為進一步擴大其效能的必需。60年代對此進行了很多研究，其結果表現在1972年投入使用的阿巴網。</p><p>　　由此可見，通信系統(tǒng)中的信息傳輸已經基本數字化。在廣播系統(tǒng)中，當前還是以模擬方式為主，但數字化的趨向也已經明顯，為了改進質量，數字聲頻廣播和數字電視廣播已經提前到日程上來，21世紀已經逐步取代模擬系統(tǒng)。尤為甚者，設備的數字化，更是日新月異。近年來提出的軟件無線電技

9、術，試圖在射頻進行模數，把調制解調和鎖相等模擬運算全部數字化，這使設備超小型化并具有多種功能，所以數字化進程還在發(fā)展。</p><p>　　1 模擬信號數字化傳輸原理</p><p>　　1.1 模擬信號的數字化傳輸</p><p>　　模擬信號的數字傳輸是指把模擬信號先變換為數字信號后，再進行傳輸。由于與模擬傳輸相比，數字傳輸有著抗干擾能力強、差錯可控等眾多優(yōu)點，

10、因而此技術越來越受到重視。模/數變換是把模擬基帶信號變換為數字基帶信號，盡管后者的帶寬會比前者大得很多，但本質上仍屬于基帶信號。這種傳輸可直接采用基帶傳輸，或經過數字調制后再做頻帶傳輸。</p><p>　　圖1-1 模擬信號數字化流程圖</p><p>　　數字化包括抽樣、量化、編碼三個步驟，如圖1-1所示：抽樣完成時間離散量化過程，所得抽樣值m(kT)為PAM信號；量化完成復制離散化過

11、程，所得量化信號值mq(kT)為多電平PAM信號；編碼完成多進制到二進制的變化過程，所得s(t)是二進制編碼信號。</p><p>　　1.2 模擬信號的抽樣</p><p>　　模擬信號通常是時間上連續(xù)的信號。在一系列離散點上，對這種信號抽取樣值稱為抽樣，如圖1-2所示。圖中m(t)是一個模擬信號，在等時間間隔T上，對它抽取樣值。在理論上，抽樣過程可以看作使用周期性單位沖激脈沖（impu

12、lse）和此模擬信號相乘。抽樣結果得到的是一系列周期性的沖激脈沖，其面積和模擬信號的取值成正比。沖激脈沖在圖1-2中用一些箭頭表示，實際上，是用周期性窄脈沖代替沖激脈沖與模擬信號相乘。</p><p>　　抽樣定理指出：設一個連續(xù)模擬信號m(t)中的最高頻率<fH，則以間隔時間為T<1/2fH的周期性沖激脈沖對它抽樣時，m(t)將被這些抽樣值所完全確定。由于抽樣時間間隔相等，所以此定理又成為均勻抽樣定

13、理。設有一個最高頻率小于的信號m(t)，如圖1-2(a)所示。將這個信號和周期性單位沖激脈沖相乘。如圖1-2(c)所示，其重復周期為T，重復頻率為fs=1/T。乘積就是抽樣信號，它是一系列間隔為T秒的強度不等的沖激脈沖，如圖1-2(e)所示。這些沖激脈沖的強度等于相應時刻上信號的抽樣值ms(t)，故有</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　

14、　模擬信號、沖激脈沖和抽樣信號的頻譜如圖1-2(b)，(d)，(f)所示。由圖1-2可知：抽樣信號ms(t)的頻譜就是將原始信號m(t)的頻譜M(ω)在頻率軸上以采樣角頻率ωs=2fs為周期進行周期延拓后的結果。</p><p>　　由抽樣信號ms(t)的頻譜Ms(ω)可以看出，如果ωs>2ωH（即fs>2fH），那么各相鄰頻移后的頻譜不會發(fā)生重疊。</p><p>　　圖1-

15、2 模擬信號的抽樣過程</p><p>　　這里就能設法（如利用低通濾波器）從抽樣信號的頻譜Ms(ω)中得到原信號的頻譜，即從取樣信號ms(t)中恢復原信號m(t)，如圖1-3所示。如果ωs<2ωH，那么頻移后的各相鄰頻譜將相互重疊，這樣就無法將它們分開，因而也不能再恢復原信號。頻譜重疊的這種現象常稱為混疊現象?？梢?，為了不發(fā)生混疊現象，必須滿足ωs≥2ωH。</p><p>　　圖

16、1-3 模擬信號的恢復</p><p>　　1.3 抽樣信號的量化</p><p>　　量化就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。</p><p>　　從數學上來看，量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數集合映像成一個離散幅度值的有限數集合。一個模擬信號經過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調制信號，它僅為有限個數值

17、。</p><p>　　如公式1-2所示，量化器輸出L個量化值yk，k=1，2，3，…，L。yk常稱為重建電平或量化電平。當量化器輸入信號幅度x落在xk與xk+1之間時，量化器輸出電平為yk。這個量化過程可以表達為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　圖1-4 量化器</b><

18、;/p><p>　　這里xk稱為分層電平或判決閾值。通常Δk=xk+1-xk稱為量化間隔。</p><p>　　模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。</p><p>　　均勻量化：采用相等的量化間隔對采樣得到的信號作量化，那么這種量化稱為均勻量化。均勻量化就是采用相同的“等分尺”來度量采樣得到的幅度，也稱為線性量化。量化后的樣本值Y和原始值X的差E=Y-X稱為量化誤

19、差或量化噪聲。均勻量化示意圖，如圖1-5所示：</p><p>　　圖1-5 均勻量化示意圖</p><p>　　用這種方法量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用相同的量化間隔。為了適應幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數。但是，對話音信號來說，大信號出現的機會并不多，增加的樣本位數就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現了非均勻量化的方法。&

20、lt;/p><p>　　非均勻量化：非均勻量化是根據信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間，其量化間隔Δv也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點。首先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度（實際中常常是這樣）時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，

21、即改善了小信號時的量化信噪比。</p><p>　　實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數式壓縮。廣泛采用的兩種對數壓縮律是壓縮律和A壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律，所謂A壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律：</p><p><b>　?。?-3）</b></p>&l

22、t;p>　　圖1-6 A律函數13折線壓擴特性圖</p><p>　　這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用數字電路實現，本設計中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴特性來進行編碼的。</p><p>　　表1-1 13折線時的值與計算值的比較</p><p>　　表1-1中第二行的x值是根據A=87.6時計算得到的，第三行的x值是13折線分段時的

23、值?？梢?，13折線各段落的分界點與A律曲線十分逼近，同時A律按2的冪次分割有利于數字化。</p><p>　　1.4 脈沖編碼調制</p><p>　　所謂編碼就是把量化后的信號變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當然，這里的編碼和譯碼與差錯控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。把量化的電平值表示成二進制碼組的過程稱為編碼。將模擬信號的經過抽樣、量化、編碼變換為數字信號，然后

24、再傳輸，這種方式稱為脈沖編碼調制(PCM)。PCM原理方框圖如圖1-7所示：</p><p>　　圖1-7 PCM原理方框圖</p><p>　　在現有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內碼的順序排

25、列。下面結合13折線的量化來加以說明。</p><p><b>　　表1-2 段落碼</b></p><p>　　在13折線法中，無論輸入信號是正是負，均按8段折線（8個段落）進行編碼。若用8位折疊二進制碼來表示輸入信號的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對大小。</p><p>　　具體的

26、做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平，如表1-2所示。其它四位表示段內碼，它的16種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級，如表1-3所示。這樣處理的結果，8個段落被劃分成27＝128個量化級。 </p><p><b>　　表1-3 段內碼</b></p><p>　　1.5 差分脈沖編碼調制</

27、p><p>　　1.5.1 預測編碼 </p><p>　　預測編碼（Prediction Coding）：是指利用前面的一個或多個信號對下一個信號進行預測，然后對實際值和預測值的差進行編碼。預測編碼主要是減少了數據在時間和空間上的相關性，因而對于時間序列數據有著廣泛的應用價值。在數字通信系統(tǒng)中，例如語音的分析與合成，圖像的編碼與解碼，預測編碼已得到了廣泛的實際應用。兩種典型的預測編

28、碼：差分脈碼調制（DPCM）、自適應差分脈碼調制（ADPCM）。</p><p>　　預測編碼方法分線性預測和非線性預測編碼方法。線性預測編碼方法，也稱差值脈沖編碼調制法，簡稱DPCM（differential Pulse Code Modulation）。 </p><p>　　1.5.2 DPCM的基本原理 </p>&l

29、t;p>　　DPCM編碼，簡稱差值編碼，是對模擬信號幅度抽樣的差值進行量化編碼的調制方式。這種方式是用已經過去的抽樣值來預測當前的抽樣值，對它們的差值進行編碼。差值編碼可以提高編碼頻率，這種技術已應用于模擬信號的數字通信之中。</p><p>　　舉例說明DPCM編碼原理：設DPCM系統(tǒng)預測器的預測值為前一個樣值，假設輸入信號已經量化，差值不再進行量化。若系統(tǒng)的輸入為{0 1 2 1 1 2 3 3 4 4

30、 …}，則預測值為{0 0 1 2 1 1 2 3 3 4 …}，差值為{0 1 1 –1 0 1 1 0 1 0 …}，差值的范圍比輸入樣值的范圍有所減小，可以用較少的位數進行編碼。</p><p>　　差分脈沖編碼調制方式的主要特點是把增量值分為多個等級，然后把多個不同等級的增量值編為位二進制代碼m(t )再送到信道傳輸，因此，它兼有增量調制和PCM的各自特點。設這個誤差電壓經過量化后變?yōu)閭€電平中的

31、一個，電平間隔可以相等，也可以不等，這里認為它是間隔相等的均勻量化。量化了的誤差電壓經過脈沖調制器變?yōu)镻AM脈沖序列，這個PAM信號一方面經過PAM編碼器編碼后得到DPCM信號發(fā)送出去。另一方面把它經過積分器后變?yōu)榕c輸入信號x(t)進行比較，通過相減器得到誤差電壓e(t)。 </p><p>　　實驗表明，經過DPCM調制后的信號，其傳輸的比特率要比PCM的低，相應要求的系統(tǒng)傳輸帶寬也大大地減小了。此外

32、，在相同比特速率條件下，DPCM比PCM信噪比也有很大的改善。與增量脈沖編碼調制（ΔM）相比，由于它增多了量化級，因此，在改善量化噪聲方面優(yōu)于ΔM系統(tǒng)。DPCM的缺點是易受到傳輸線路上噪聲的干擾，在抑制信道噪聲方面不如ΔM。 </p><p>　　DPCM編碼是廣泛運用的預測編碼方法之一。在DPCM編碼中，每個抽樣值不是獨立的編碼，而是將前一個抽樣值當做預測值，然后再取當前抽樣值和預測值之差進行編碼并傳

33、輸。DPCM譯碼同樣是將前一個值當做預測值，然后取當前值與預測值之差進行解碼，將一個個脈沖碼組轉換成對應的量化采樣值，最后經過一個低通濾波器重建原模擬信號。DPCM系統(tǒng)原理方框圖如圖1-8所示：</p><p>　　圖1-8 DPCM系統(tǒng)原理方框圖</p><p><b>　　1.6增量調制DM</b></p><p>　　DPCM 對輸入信號

34、與預測值之差進行編碼。當取樣的頻率提高時，樣值之間的變化減小，樣值之間的相對性變強。增量調制DM（Delta modulation）是一種特殊簡化的DPCM，只用了1 bit的量化器，它采用較高的取樣頻率和1比特的編碼。因為只能用一個量化級來代表樣值的變化，為了跟蹤信號的變化，必須使用高的取樣頻率，一般要求在 200kHz以上。因此編碼反映的只是差分本身，而不是原始的信號。而且在DM中，當語音波形幅度發(fā)生急劇變化時，譯碼波形不能充分跟蹤

35、這種急劇的變化而必然產生失真，這稱為斜率過載。而在沒有語音的無聲狀態(tài)時，或者信號幅度為固定值時，量化輸出都將呈現0、1交替的序列。這種噪聲稱為顆粒噪聲。</p><p>　　1.7自適應增量調制ADM</p><p>　　一般情況下，人耳對過載量化噪聲不是很敏感，而對顆粒噪聲較為敏感，所以要將△的幅值取得足夠小。但是△取得小，過載噪聲就會增大，因而這時必須增加采樣頻率，以減少信號量化過程中

36、的過載噪聲，然而如果提高采樣頻率，那么信息壓縮的效果就會降低。兼顧這兩方面的要求，應采用隨輸入波形自適應的改變△大小的自適應編碼方式，使△值隨信號平均斜率而變化：斜率大時，△自動增大；反之則減小。這就是自適應增量調制ADM（Adaptive DM）。</p><p>　　這個方法的原理是：在語音信號的幅值變化不太大的區(qū)間內，取小的△值來抑制顆粒噪音；在幅值變化大的地方，取大的△值來減小過載噪音。其增量幅度的確定方

37、法為，首先在顆粒噪音不產生大的影響的前提下，確定最小的△幅值。在同樣的符號持續(xù)產生的情況下，將△幅值增加到原來的2倍。即當+△、+△這樣持續(xù)增加時，如果下一個殘差信號還是相同的符號，那么再將△幅值增加一倍，如此下去，并且確定好某一個最大的△幅值上限，只要在這個最大的△幅值以內同樣的符號持續(xù)產生，就將△幅值繼續(xù)增加下去。如果相反，殘差信號值為異號時，就將前面的幅值△設為原來的1/2，重新以△/2為幅值。也就是說，如果同樣的符號持續(xù)產生兩次

38、以上，在第三次時就將△幅值增加一倍，如果產生異號，將△幅值減小1/2。而且，當異號持續(xù)產生而減小△幅值時，一直減小到以最初確定的最小的△幅值為下限為止。這種ADM算法中，它的采樣率至少是16 kHz。</p><p>　　1.8 自適應差分脈沖編碼調制</p><p>　　ADPCM是自適應差分脈沖編碼調制的簡稱，最早使用于數字通信系統(tǒng)中。該算法利用了語音信號樣點間的相關性，并針對語音信號

39、的非平穩(wěn)特點，使用了自適應預測和自適應量化，在32kbps◎8khz速率上能夠給出網絡等級話音質量。現在我們使用的是IMA ADPCM算法，該算法中對量化步長的調整使用了簡單的映射方法，對于一個輸入的PCM值X(n)，將其與前一時刻的X(n-1)預測值做差值 得到d(n)，然后根據當前的量化步長對d(n)進行編碼，再用此sample點的編碼值調整量化步長，同時還要得到當前sample點的預測值供下一sample點編碼使用。通過此算法可將

40、樣點編碼成4bit的碼流，一個符號位和三個幅度位。該算法較簡單，通過映射簡化了運算。對于編碼后的數據我們采用了wav文件格式，該格式對編碼后的數據流進行了包裝，由文件頭和數據碼流組成，文件頭中指出了音頻數據所采用格式、采樣率、比特率、塊長度、比特數及聲道數等信息。數據碼流以塊為單位，塊頭指出了該塊起始的預測值和index值，碼流中每byte的高四位和低四位分別對應一個PCM。當前該算法以其簡單實用的特點廣泛應用到數字音樂盒和數字錄音筆中

41、。</p><p>　　1.8.1 ADPCM的概念</p><p>　　自適應脈沖編碼調制(adaptive pulse code modulation，APCM)是根據輸入信號幅度大小來改變量化階大小的一種波形編碼技術。這種自適應可以是瞬時自適應，即量化階的大小每隔幾個樣本就改變，也可以是音節(jié)自適應，即量化階的大小在較長時間周期里發(fā)生變化。 改變量化階大小的方法有兩種：一種稱為前向自適

42、應(forward adaptation)，另一種稱為后向自適應(backward adaptation)。前者是根據未量化的樣本值的均方根值來估算輸入信號的電平，以此來確定量化階 的大小，并對其電平進行編碼作為邊信息(side information)傳送到接收端。后者是從量化器剛輸出的過去樣本中來提取量化階信息。由于后向自適應能在發(fā)收兩端自動生成量化階，所以它不需要傳送邊信息。前向自適應和后向自適應APCM的基本概念，如圖所示。 &

43、lt;/p><p>　　S(k)</p><p>　　S(k)</p><p>　　1.8.2 ADPCM的原理 </p><p>　　ADPCM(adaptive difference pulse code modulation)綜合了APCM的自適應特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性，是一種性能比較好的波形編碼。它的核心想法

44、是：①利用自適應的思想改變量化階的大小，即使用小的量化階(step-size)去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值,②使用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預測值，使實際樣本值和預測值之間的差值總是最小。它的編碼簡化框圖如圖所示。接收端的譯碼器使用與發(fā)送端相同的算法，利用傳送來的信號來確定量化器和逆量化器中的量化階大小，并且用它來預測下一個接收信號的預測值。差分脈沖編碼調制(DPCM)的概念 差分脈沖編碼調制DPCM(d

45、ifferential pulse code modulation)是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度來進行編碼的一種數據壓縮技術。差分脈沖編碼調制的思想是，根據過去的樣本去估算(estimate)下一個樣本信號的幅度大小，這個值稱為預測值，然后對實際信號值與預測值之差進行量化編碼，從而就減少了表示每個樣本信號的位數。它與脈沖編碼調制(PCM)不同的是，PCM是直接對</p><p>　　2 模擬信號數字化傳輸

46、系統(tǒng)設計與仿真</p><p>　　2.1 Simulink組件使用介紹</p><p>　　美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學校的老師和學生更好的授課和學習。從Matlab誕生開始，由于其高度的集成性及應用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便

47、，能非?？斓膶崿F科研人員的設想，極大的節(jié)約了科研人員的時間，受到了大多數科研人員的支持，經過一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.X版本。Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫。目前的Matlab版本已經可以方便的設計漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設計漂亮的用戶接口，

48、同時因為有最豐富的函數庫（工具箱），所以計算的功能實現也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，Matlab和其它高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現與其它語言的混合編程，進一步拓寬了Matlab的應用潛力?？梢哉f，Matlab已經也很有必要成為大學生的</p><p>　　Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應用最廣泛的工具之一。確切的說，Simul

49、ink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。Simulink工作環(huán)境經過幾年的發(fā)展，已經成為學術和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進行簡單的點擊和拖動就能完成建模，并可直接進

50、行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結果。它的主要特點在于建模方便、快捷，易于進行模型分析，優(yōu)越的仿真性能。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink模塊庫（或函數庫）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）、Linear（線性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其它環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數運算的Simulink</p

51、><p>　　電子設計選擇用Simulink而不是直接用Matlab編程，一定程度上減小了設計難度，而且設計效果更加直觀。在庫函數中可以找到相應的濾波器，乘法器等等，而且可以通過參數設置，近似的實現實際中的效果，因此能夠更好地反映實際通信系統(tǒng)的情況。</p><p>　　2.2 模擬信號抽樣的設計</p><p>　　根據抽樣定理的內容，對抽樣過程進行設計。計算器中所處

52、理的信號本質上不能是模擬信號，為了在計算器中近似表示模擬信號，可以減小對模擬信號的模擬步進，也就是把高模擬抽樣率下的信號近似地看作模擬信號。此次模擬信號最高頻率設為200Hz，可將模擬步進設為0.00025秒，即系統(tǒng)模擬采樣率4000次/秒，這樣，可模擬計算的信號頻率區(qū)間為0Hz到2000Hz。在此系統(tǒng)模擬抽樣率下，頻率為4000Hz的抽樣窄脈沖串的一個周期占10個模擬采樣點。在產生抽樣窄脈沖串時，可在其一個周期內設置其中1個樣點為高電

53、平，其余點為低電平。通過乘法器來仿真抽樣過程。模擬基帶信號以Random number模塊產生隨機信號再通過模擬低通濾波器得出，隨機信號抽樣時間設為1/200，濾波器的截止頻率設為200Hz。采樣輸出信號通過另一個低通濾波器濾波來恢復模擬信號，其濾波截止頻率設為200Hz，為使之接近理想低通特性，可將濾波器階數設的高些，如設為10階。最后通過示波器觀察各信號的波形。</p><p>　　雙擊示波器設置示波器的參數

54、，單擊示波器Scope界面左上角第二個Parameters鍵，在彈出的對話框中設置參數：在General頁面的Numbers of Axes項中設置需要觀察的波形路數。</p><p>　　基帶信號的采樣定理是指，對于一個頻譜寬度限制于BHz的基帶連續(xù)時間信號，可惟一地被均勻間隔不大于12B秒的樣值序列所確定。采樣定理表明，如果以不小于2B次/秒的速率對基帶仿真信號均勻采樣，那么所得到的樣值序

55、列就包含了基帶信號的全部信息，換句話說，就是通過該序列可以無失真地重建對應的基帶仿真信號。如果采樣率低于基帶信號最高頻率的2倍，那么采樣輸出序列的頻譜就會發(fā)生交迭，從而無法恢復原基帶仿真信號。</p><p>　　2.3 模擬信號量化的設計</p><p>　　A律PCM數字電話系統(tǒng)國際標準中，參數A=87.6。Simulink通信模塊庫中提供了A-Law Compressor、A-Law

56、 Expander來實現A律壓縮擴張計算。</p><p>　　仿真模型如圖2-2所示，其中量化器的量化級為8，級數值設為1/8。A-Law Compressor模塊和A-Law Expander模塊的A律壓縮系數為87.6。輸入信號為0.5Hz的鋸齒波，幅度為1。增益Gain為-1。</p><p>　　壓縮系數為87.6的A律壓縮擴張曲線可以用折線來近似。其中靠近原點的4段折線的斜率相

57、等，可視為一段，因此總折線數為13段，故稱13段折線近似。用Simulink中的Lookup Table查表模塊可以實現對13段折線近似的壓縮擴張計算的建模，其中，壓縮模塊的輸入值向量設置為[-1，-1/2，-1/4，-1/8，-1/16，-1/32，-1/64，-1/128，0，1/128，1/64，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2，1]，輸出值向量設置為[-1，-7/8，-6/8，-5/8，-4/8，-3/8，-2/8，-

58、1/8，0，1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8，1]，擴張模塊的設置與壓縮模塊的設置相反。</p><p>　　最后A律與13折線仿真結果相似。</p><p>　　2.4 PCM編譯碼系統(tǒng)的設計</p><p>　　限制信號變化范圍，設置Saturation的參數-1到1。設置繼電器，在兩個常數中選出一個作為輸出，Output when on設

59、為1，Output when on設為0，Sample time值設為0.001，以后此值也如此設置。輸入輸出絕對值，Sample time值設為0.001。增益設置，即將模塊的輸入乘以一個數值，為127。比特輸出設置輸出為7bit，混合器mux設為7。</p><p>　　其中以Saturation作為限幅器，講輸入信號幅值限定在PCM定義的范圍內，Relay模塊的門限設置為0，其輸出可作為PCM編碼輸出的最高

60、位——極性碼。樣值取絕對值后，以上圖所示的查表模塊進行13折線壓縮，并用增益模塊將樣值范圍放大到0到127內，然后用間距為1的量化器進行四舍五入取整，最后將整數編碼為7bit二進制序列，作為PCM編碼的低7位。可以將該模型中虛線所圍部分封裝為一個PCM編碼子系統(tǒng)備用。</p><p>　　PCM譯碼器中首先分離并行數據中的最高位（極性碼）和7位數據，然后將7bit數據轉換為整數值，再進行歸一化、擴張后與雙極性的極

61、性碼相乘得出解碼值?？梢詫⒃撃Ｐ椭刑摼€所圍部分封裝為一個PCM譯碼子系統(tǒng)備用。</p><p>　　圖2-4 串行的PCM編譯碼系統(tǒng)設計</p><p>　　PCM編碼輸出經過并串轉換后得到二進制碼流送入二進制對稱信道。在解碼端信道輸出的碼流經過串并轉換后送入PCM譯碼，之后輸出譯碼結果并顯示波形。模型中沒有對PCM解碼結果作低通濾波處理，但實際系統(tǒng)中PCM譯碼輸出總是經過低通濾波后送入揚

62、聲器的。</p><p>　　對輸入信號進行設置，使其產生一個正弦波。對Zero-Oder-Hold設置，實現一個采樣周期的零階保持。模擬信號經過DPCM編碼、數碼轉換后的波形在示波器中是并行輸出的，為了便于觀察，我們需要進行串并轉換。把數據打成幀格式，對一下模塊進行設置，選擇frame based。對緩沖器進行設置output值為1。二進制對稱信道設置，誤碼率為0.01，以觀察信道誤碼對PCM傳輸的影響。對緩沖

63、器進行設置output值為8。</p><p>　　2.5 DPCM編譯碼系統(tǒng)的設計</p><p>　　圖2-5 DPCM編譯碼系統(tǒng)設計圖</p><p>　　Simulink通信模塊庫中提供了DPCM編碼譯碼模塊DPCM Encoder和DPCM Decoder。</p><p>　　正弦波信號發(fā)生器種類設為time based，幅度為3

64、，頻率為1，抽樣時間為0.1。</p><p>　　對DPCM編碼模塊，此模塊的作用就是對信號進行差分脈沖編碼調制，Predictor number為[0 0.05]，Predictor denomnaitor為1，Quantination partation為[-2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5]，Quantination codebook為[-3 -2 -1 0 1 2 3]，抽樣時間為0.

65、1。進行完模擬信號的DPCM編碼后，就將模擬信號轉化為了數字信號，此時的數字信號是以整數的形式表示的。</p><p>　　對DPCM解碼模塊設置，此模塊的作用就是對經過差分脈沖編碼調制的信號進行解碼，Predictor number為[0 0.1]，Predictor denomnaitor為1，Quantination codebook為[-3 -2 -1 0 1 2 3]，抽樣時間為0.1。</p&g

66、t;<p>　　3 模擬信號數字化傳輸系統(tǒng)的實現與分析</p><p>　　3.1 模擬信號抽樣的觀察與分析</p><p>　　圖3-1 模擬信號、沖激脈沖波形</p><p>　　圖3-2 原信號與采樣信號、恢復信號波形</p><p>　　在圖3-1、圖3-2中，依次是原始輸入信號、沖激脈沖、抽樣之后的波形、恢復之后的波形

67、。從時域仿真結果看，恢復波形與原信號波形之間的區(qū)別僅僅是幅度比例和一定的延時，波形形狀是無失真的。</p><p>　　3.2 模擬信號量化的觀察與分析</p><p>　　圖3-3 輸入信號、壓縮器輸出信號</p><p>　　如圖3-3所示：第一個波形顯示的是輸入信號波形，第二個波形是經過壓縮之后的波形，壓縮之后不再是斜率單一的直線，而是A律壓縮波形。</

68、p><p>　　圖3-4 等價非均勻量化結果、量化輸出信號</p><p>　　如圖3-4所示：第一個波形顯示的是擴張之后的波形，與壓縮之前的波形相對應，是等價的非均勻量化結果，第二個波形是壓縮器輸出結果進行13折線量化之后的波形。</p><p>　　3.3 PCM編譯碼系統(tǒng)的觀察與分析</p><p>　　圖3-5 誤碼信號、PCM信號波形&

69、lt;/p><p>　　如圖3-5所示：第一個波形是二進制對稱信道誤碼的波形，第二個波形為經過信道以前的波形，即PCM信號波形。</p><p>　　圖3-6 解碼輸出、原信號信號</p><p>　　如圖3-6所示：波形顯示中第一個波形為經過PCM編碼和解碼之后的波形，第二個波形為原始信號波形。經過兩個波形的對比可以發(fā)現，加入干擾之后恢復出來的波形與原始波形有一定的誤

70、差。</p><p>　　傳輸信號為200Hz正弦波，解碼輸出存在延遲。對應于信道產生誤碼的位置，譯碼輸出波形中出現了干擾脈沖，干擾脈沖的大小取決于信道中錯誤比特位于一個PCM編碼字符串中的位置，位于最高位（極性）時將導致解碼值極性錯誤，這時引起的干擾最大，而位于最低位的誤碼引起的干擾最輕微。</p><p>　　3.4 DPCM編譯碼系統(tǒng)的觀察與分析</p><p&g

71、t;　　圖3-7 原信號與恢復信號、DPCM信號波形</p><p>　　圖3-8 原信號波形</p><p>　　如圖3-8所示：波形為原始正弦信號。如圖3-7所示：第一個波形為DPCM譯碼系統(tǒng)之后的階梯形電壓，第二個波形為經過DPCM編碼系統(tǒng)之后的電壓，由此可以看出經過譯碼輸出的波形若經過低通濾波器平滑后，就得到十分接近編碼器原輸入信號的模擬信號，從圖中看出信號恢復的效果還是相當不錯的

72、。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　經過兩周的通信原理課程設計的學習讓我受益菲淺。在通信原理實驗課即將結束之時，我對在這兩周來的學習進行了總結，總結這一周來的收獲與不足。取之長、補之短，在今后的學習和工作中有所受用。</p><p>　　本次課程設計中，主要進行的是MATLAB中Simulink仿真平臺的應用。由于

73、操作過程器件都是英文，所以不免在選取器件時遇到很多困難。而且在參數設置上也遇到了很多問題，通過查閱相關資料不僅解決了課設中的問題也基本掌握了MATLAB在通信工程應用中的相關知識。通過本次課程設計，我們不僅加深理解和鞏固了理論課上所學習通信原理中數字通信的基本概念、基本理論和基本方法，而且還學會了利用MATLAB軟件對模擬信號數字化進行建模和仿真，從對抽樣定理、量化以及AD和DA轉換器模型的認識，為今后更好地學習通信相關專業(yè)知識和在實際

74、中的應用打下了堅實的基礎。</p><p>　　在這兩周通信原理課程設計的學習中，讓我受益頗多。首先，讓我養(yǎng)成了課前預習的好習慣。一直以來就沒能養(yǎng)成課前預習的好習慣（雖然一直認為課前預習是很重要的），但經過這一周，讓我深深的懂得課前預習的重要。只有在課前進行了認真的預習，才能在課上更好的學習，收獲的更多、掌握的更多。然后，培養(yǎng)了我的動手能力?！皩嶒灳褪菫榱俗屇銊邮肿?，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理解的東西。

75、”每個步驟我都親自去做，不放棄每次鍛煉的機會。經過這兩周，讓我的動手能力有了明顯的提高。再有，讓我在探索中求得真知。那些偉大的科學家之所以偉大就是他們利用實驗證明了他們的偉大。實驗是檢驗理論正確與否的試金石。為了要使你的理論被人接受，你必須用事實（實驗）來證明，讓那些懷疑的人啞口無言。雖說我們的通信原理實驗只是對前人的經典實驗的重復，但是對于一個知識尚淺、探索能力還不夠的人來說，這些探索也非一件易事。通信原理實驗都是一些經典的給人類帶來

76、了難以想象的便利與財富。對于這些實驗，我在探索中學習、在模仿中理解、在實踐中掌握。通信原理實驗讓我慢慢開始“摸著石頭過河”。學習就是為了能自我學習，這正是實驗課的核心，它讓我在探索、自我學習中</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　樊昌信, 曹麗娜. 通信原理[M]. 北京國防工業(yè)出版社, 2006:259-297.</p>

77、<p>　　劉學勇. 詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M]. 北京電子工業(yè)出版社, 2011</p><p>　　邵玉斌. MATLAB/Simulik通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M]. 北京清華大學出版社, 2008</p><p>　　張水英, 徐偉強. 通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M]. 北京人民郵電出版社, 2012</p&g