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模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析说明书

时间：2023-07-25 02:27:11

一、设计题目、内容及要求

设计题目：模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析

内容及要求：

1.了解MATLAB/Simulink的运行环境及应用领域；

2.逐步熟悉模拟信号数字化传输系统的仿真过程，由简到难；

3.系统仿真及波形分析

(1) 模拟信号抽样过程原理与仿真分析；

(2) 模拟信号量化过程原理与仿真分析；

(3) PCM编译码系统设计与仿真分析；

(4) DPCM编译码系统设计与仿真分析。

(选做) (5)在高斯信道下对PCM系统的性能进行仿真分析。

二、设计原始资料

通信原理；软件MATLAB；计算机一台

三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）

设计说明书1份，不少于2000字，应包含模拟信号数字化传输系统原理、相关系统设计、相关软件MATLAB/Simulink介绍、系统仿真及波形分析。

四、进程安排

第12天课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件

第34天相关系统设计

第57天系统仿真及波形分析

第89天整理、撰写说明书

第10天进行测试或答辩

五、主要参考资料

[1]樊昌信、曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，

[2]徐盛威.基于MATLAB/Simulink的通信系统建模与仿真.北京：清华大学出版社，

[3]张瑾、周原.基于MATLAB/Simulink的通信系统建模与仿真.北京：北京航空航天大学出版社，

[4]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京：人民邮电出版社，

[5]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京：电子工业出版社，

前言 1

1MATLAB简介 2

1.1软件介绍 2

1.2 MATLAB的特点 2

2Simulink简介 3

3仿真设计简介 4

3.1仿真系统介绍 4

3.2仿真的优越性 5

4系统仿真及波形分析 6

4.1模拟信号抽样过程 6

4.1.1抽样原理 6

4.1.2低通型连续信号的抽样 6

4.1.3 带通信号的抽样定理 7

4.1.4抽样过程的设计与仿真分析 8

4.2模拟信号量化过程 9

4.3 PCM编译码系统 14

4.4DPCM编译码系统 22

4.4.1DPCM原理 22

4.4.2DPCM编译码系统设计与仿真 23

5总结 24

参考文献 25

前言

随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视，通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能，从而为新系统的简历或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。通信系统中的信息传输已经基本数字化。在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提前到日程上来，21世纪已经逐步取代模拟系统。尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。近年来提出的软件无线电技术，试图在射频进行模数，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化，这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展。MATLAB是一种先进的高级技术程序设计语言，是一种编程语言和可视化工具主要用于数值计算及可视化图形处理，MATLAB

在20世纪90年代，已经成为国际控制界的标准计算软件。它能够对数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系清晰明了。MATLAB

提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。Simulink

提供了基于MATLAB核心的数值、图形、编程功能的一个块状图界面，通过块与块的联线和属性设置，构建出符合特定要求的模型，并对模型进行分析和模拟。Simulink能让用户把精力从语言编程转向仿真模型的构造，为用户省去了很多重复的代码编写工作。Simulink中的每个模块对我们来说都是透明的，我们只须知道模块的输入、输出和每个模块的功能，而不需要关心模块内部是如何实现的，正是由于Simulink具有这些特点，所以它被广泛应用在通信仿真中。

1MATLAB简介

1.1软件介绍

MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是由美国Math Works

公司推出的用于数值计算和图形处理的计算系统环境，除具备卓越的数值计算能力以外，还提供了专业的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，因此，使用MATLAB来解决问题比用C语言，Fortran语言等要简洁很多。MATLAB

是国际公认的优秀应用软件之一。MATLAB产品族可以进行数值分析、数值、符号计算、控制系统的设计和仿真、数字图像处理、工程与科学绘图、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程、数字信号处理这些工作。MATLAB的应用范围很广，如信号和图像处理、控制系统设计、测试和测量、通讯、计算生物学、财务建模和分析等应用领域。附加的工具箱拓展了MATLAB环境，以及解决这些应用领域内特定类型的问题。

1.2 MATLAB的特点

被称为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB

最突出的特点就是简洁，它给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。MATLAB的主要特点如下几点：

1.语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数及其丰富

2. 此高级语言可用于技术计算，既具有结构化的控制语句又有面向对象编程的特性

3. MATLAB 图形功能强大，数据可视化非常简单，具有较强的编辑图形界面的能力

4.具有功能强大的工具箱，交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题

5.各种工具可用于构建自定义的图形用户界面

6.各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言集成

2Simulink简介

Simulink是MATLAB软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为：从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观，看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库(Source) 、接收模块库(Sinks)、连续系统模块库(Continuous)、离散系统模块库(Discrete)、非连续系统模块库( Signal Routing)，信号属性模块库(Signal Attributes) ，数学运算模块库(Math Operations)，逻辑和位操作库(Logic and Bit Operations)等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面(GUI)。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者Fortran语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。本次设计选择用Simulink而不是直接用MATLAB编程，一定程度上减小了设计难度，而且设计效果更加直观。在库函数中可以找到相应的示波器、滤波器、乘法器等等，而且可以通过参数设置，近似的实现实际中的效果，因此能够更好地反映实际通信系统的情况。

3仿真设计简介

3.1仿真系统介绍

当采用Simulink进行建模和仿真时，一般是从Simulink模型库中提供的模块出发，通过组合各种模块的设计。Simulink模块库提供了一种模块的继承环境，通过它可以快速地开发各种仿真模型。Simulink的模块库如图3-1所示：

图3-1Simulink模块库

根据输出信号与输入信号的关系，SIMULINK

提供3种类型的模块：连续模块、离散模块和混合模块。连续模块是指输出信号随着输入信号发生连续变化的模块，离散模块则是输出信号以固定间隔变化的模块，对于连续的模块，SIMULINK

采用积分方式计算输出信号的数值离散模块的输出信号在下一个抽样时刻到来之前保持恒定，这时候SIMULINK只需以一定的间隔计算输出信号的数值。混合模块是根据输入信号的类型来确定输出信号类型的，它既能够产生连续输出信号，也能够产生离散输出信号。

3.2仿真的优越性随着通信系统的复杂性不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的仿真技术越来越受到技术人员的重视。传统的系统设计方法主要是手工分析与电路板试验，这些方法比较繁杂，而且需要花很多的时间。通信系统仿真环境可以称为软件试验板，它可以使用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对它进行仿真，计算机通信系统仿真环境是介于手工分析与电路试验板的一种系统的设计方法。

通信系统模拟仿真环境构成如图3-2所示，它包括：标准的子程序库，管理与执行程序，输出模块等。

图3-2通信系统模拟仿真环境构成图

随着计算机和多媒体技术的广泛应用，计算机仿真已成为培养工程实践能力的重要内容。实践证明：基于MATLAB软件平台的实验教学，对于促进用户的感性认识，巩固数字通信原理的理论，在培养计算机应用能力和创新能力方面起到了积极的作用。

4系统仿真及波形分析

4.1模拟信号抽样过程

4.1.1抽样原理

抽样是按照等时间等间隔进行的，模拟信号被抽样后成为抽样信号，把该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。抽样的抽样速率下限是由抽样定理确定的。抽样定理告诉我们，

若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输抽样定理得到的抽样值。因此该定理就为模拟信号的数字化传输提供了理论基础。

4.1.2低通型连续信号的抽样

图4-1抽样过程中的信号波形与频谱

以下为两种情况下的频谱分析结果。但抽样频率小于奈奎斯特频率时，即如果ws<wh，则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，如图4-2所示，当抽样频率大于或等于奈奎斯特频率时，接收端回复出来的信号才与原信号基本一致。

图4-2两种情况下的抽样信号频谱分析

应该注意的一点是抽样频率并不是越高越好。只要能满足抽样频率大于奈奎斯特频率，并留有一定的防卫带即可。

4.1.3 带通信号的抽样定理

图4-3带通信号的抽样频谱

式中n是一个不超过的最大整数，0<k<I 通常k取1。

4.1.4抽样过程的设计与仿真分析

基于MATLAB抽样过程的设计图如图4-4所示：

图4-4抽样过程的原理电路图

根据抽样定理的内容，对抽样过程进行设计，用正弦波作为原始输入信号，频率设置为10Hz，抽样脉冲的频率设置为30Hz，使得抽样频率大于基带信号最高频率的二倍。然后再通过一个低通滤波器，设置带宽为10Hz，

从而滤除其他信号无失真的得到原始输入信号。抽样过程示波器显示的图形如图4-5所示:

图4-5抽样过程波形图在波形图中，第一个波形是原始正弦输入信号，第四个波形为抽样脉冲，第三个波形是抽样之后的波形，第二个波形为恢复之后的波形。由于抽样频率大于基带信号最高频率的二倍,所以能够无失真的恢复出原始信号。如果使正弦信号频率增大，或者降低抽样脉冲的频率，使其不满足无失真抽样的条件，最后输出的波形也不能无失真的恢复原始的正弦信号。

4.2模拟信号量化过程

4.2.1量化原理量化就是把经过抽样的得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。量化的结果使抽样信号变成量化信号，其值是离散的。故量化信号已经是数字信号了，可以看成是多进制脉冲信号。量化在连续抽样值和量化值之间产生误差，称为量化误差。

4.2.2均匀量化如果用相等的量化间隔对抽样得到的信号做量化，那么这种量化方法称为均匀量化。

工作原理：在均匀量化中，每个量化区间的量化电平取在各区间的中点。其量化间隔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为a和b表示，量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为=(b-a)/M量化器输出为x=x1。

图4-6均匀量化特性与量化误差曲线量化器的输入与输出关系可用量化特性来表示，语言编码常采用上图所示输入—输出特性的均匀量化器，当输入m在量化区间变化时，量化电平是该区间的中点值。相应的量化误差与输入信号幅度m之间的关系曲线如图4-6所示.过载区的误差特性是线性增长的，因而过载误差比量化误差大，对重建信号有很坏的影响。在设计量化器时，应考虑输入信号的幅度范围，是信号幅度不进入过载区，或者只能以极小的概率进去过载区。上述的量化误差通常称为绝对量化误差，它在每一个量化间隔内的最大值均为。均匀量化广泛应用于现行A/D变换接口，例如在计算机中，M为A/D变化的位数，常用的有8位、12 位、16位等不同精度。

4.2.3非均匀量化

非均匀量化的方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数采用对数式压缩。广泛采用的两种压缩率是u压缩率和A压缩率。

1.A律压缩律

A压缩律的压缩特性为：

其中，A是压缩系数，y是归一化的压缩器输出电压，x为归一化的压缩器输入电压。

图4-7 A律对数压缩特性

2.13折线

实际中，A压缩律通常采用13折线来近似，十三折线如图4-8所示，图中先把x轴的[0,1]区间分为8个不均匀段。

图4-8 13折线示意图其具体分法如下: 将区间[0,1]一分为二，其中点为1/2，取区间[0,1/2]作为第八段；

将剩下的区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4，取区间[1/4,1/2]作为第七段；

将剩下的区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8，取区间[1/8,1/4]作为第六段；

将剩下的区间[0,1/8]再一分为二，其中点为1/16，取区间[1/16,1/8]作为第五段；

将剩下的区间[0,1/16]再一分为二，其中点为1/32，取区间[1/32,1/16]作为第四段；

将剩下的区间[0,1/32]再一分为二，其中点为1/64，取区间[1/64,1/32]作为第三段；

将剩下的区间[0,1/64]再一分为二，其中点为1/128，取区间[1/128,1/64]作为第二段；

最后剩下的区间[0,1/128]作为第一段。

然后将y轴的[0,1]区间均匀的分成八段，从第一段到第八段分别为[0,1/8]、[1/8,2/8]、[2/8,3/8]、[3/8,4/8]、[4/8,5/8]、[5/8,6/8]、[6/8,7/8]、[7/8,1]分别与x轴的八段一一对应。

4.2.4量化过程的设计与仿真分析

基于MATLAB量化过程的设计图如图4-9所示：

图4-9量化过程设计图

设计图中各模块的参数的一系列设计如图4-10所示：

图4-10Signal Generation参数设置图

LookupTable进行设置如图4-11所示，对单一斜率的原信号进行压缩，使其出现多个频率，以便于更好地量化。

图4-11 LookupTable参数设置图

对量化器参数进行设置如图4-12所示，对信号进行量化，分为八个量化间隔。

图4-12 Quantizer参数设置图

LookupTablel进行设置如图4-13

所示，把各段的斜率进行详细设置，[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]。

图4-13 LookupTable1参数设置图

图4-14示波器Scope仿真波形图

设计图中示波器Scope的仿真波形如图4-14所显示波形中，第一个波形显示的是原始波形，第二个波形是经过压缩之后的波形，压缩之后不再是斜率单一的直线，而是A律压缩波形。

设计图中示波器Scopel的仿真波形如图4-15所示：

图4-15示波器Scopel仿真波形

显示波形中，第一个波形显示的是进行自然量化之后的波形，第二个波形是经过压缩之后再量化的波形，近似于13 折线的波形。

4.3 PCM编译码系统

4.3.1脉冲编码调制(PCM)

若信源输出的是模拟信号，如电话机传送的语音信号等，要使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号即进行A/D变换，在接收端要进行D/A变换。对语音信号最典型的数字编码就是脉冲编码调制(PCM)。脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值转换成二进制码组的过程。图4-16给出了脉冲编码调制的示意图。

图4-16脉冲编码调制示意图

PCM系统的原理方框图如图4-17所示，输入的模拟信号经抽样、量化、编码后变换成数字信号，经信道传送到接收端的译码器，由译码器还原出抽样值，再经过低通滤波器滤出模拟信号。其中，量化与编码的组合成为AD变换器；而译码与低通滤波的组合成为D/A变换。

图4-17 PCM通信系统方框图

4.3.1 PCM编译码系统设计与仿真分析

1.PCM编码器设计

PCM编码器的设计如图4-18所示：

图4-18 PCM编码器原理电路图

PCM编码器设计图中各模块的参数设置如下：继电器设置如图4-19所示，在两个常数中选出一个作为输出。

图4-19Relay参数设置图

限制信号变化范围,设置Saturation的参数，如图4-20所示：

图4-20 Saturation参数设置图

对输入输出进行绝对值操作，如图4-21所示：

图4-21 Abs参数设置图A律压缩器进行相应的设置，如图4-22所示，对输入信号进行A律压缩。

图4-22 A-Law Compressor参数设置图

增益设置，将模块的输入乘以一个数值，如图4-23所示：

图4-23Gain参数设置图

量化器设置，以指定的时间间隔离散化输入，如图4-24所示：

图4-24Quantizer参数设置图

比特输出设置输出为7bit，如图4-25所示：

图4-25 Integer to Bit Converter参数设置图

混合设置，将几条输入连线组合成一条向量连线，如图4-26所示：

图4-26Mux参数设置

2.PCM解码器设计

PCM解码器的设计如图4-27所示：

图4-27PCM解码器设计图

Demux的输出设置为8，Mux的输出设置为7，起解混作用，将向量信号分解为多个信号。其他模块的参数设置同编码器部分参数的设置相同。

3.有干扰信号的PCM编码与解码

为了验证PCM编译码系统的特性，设计了一个有干扰的编译码过程。

有干扰信号的PCM编码与解码设计图如图4-28所示：

图4-28有干扰信号的PCM编码与解码设计图

部分模块参数设置如下：对输入信号进行设置，使其产生一个正弦波。

图4-29 Sine Wave参数设置图

对Zero-Oder-Hold设置，实现- -个采样周期的零阶保持，如图4-30所示：

图4-30Zero-Oder-Hold参数设置图

把数据打成帧格式，对一下模块进行设置，如图4-31所示：

图4-31Frame Conversion参数设置图

对缓冲器进行设置，如图4-32所示：

图4-32Buffer参数设置图

二进制对称信道设置，如图4-33所示：

图4-33Binary Symmetric Channel1参数设置图

对第二个缓冲器进行设置，如图4-34所示：

图4-34 Buffer1参数设置图

对数据设置，将一列数据变成矩阵，如图4-35所示：

图4-35 Reshape参数设置图

总体参数进行简单的设置即可，参数设置如下：

图4-36总体参数设置图

设计图中示波器的波形如下所示：

图4-37示波器scope1显示波形图

第一个波形是经过二进制对称信道的波形，第二个波形为经过信道以前的波形，由此可以看出，经过一个二进制对称信道以后，一部分波被衰减掉。

图4-38示波器scope显示波形图

波形显示中第一个波形为经过PCM编码和解码之后的波形，第二个波形为原始波形的锯齿状波形。经过两个波形的对比可以发现，加入干扰之后恢复出来的波形与原始波形有一定的误差，但是仍然能够看出PCM编译码器的作用。

4.4DPCM编译码系统

4.4.1DPCM原理

PCM体制需要用64kb/s的速率来传输1路数字信号，而传输1路数字信号仅仅占用3KHZ带宽。相比之下，传输PCM信号占用更大的带宽。为了降低数字电话的比特率，改进的方法之一是采用预测编码方法。DPCM是广泛应用的一种预测方法。DPCM与预测编码类似，只是它有一个量化步骤。量化步骤和PCM中的量化步骤类似，可以是均匀量化，也可以是非均匀量化。在预测编码中每个抽样值不是独立的编码，而是先根据几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差。将此差值编码并传输。此差值称为预测误差。语音信号等连续变化的信号，其相邻抽样值之间有一定的相关性。这个相关性使语音信号中含有冗余信息。由于抽样值与预测值之间有比较强的相关性，即抽样值和预测值非常接近，使此预测误差的可能取值范围比抽样值的变化范围小。对于有些信号(例如图像信号)，由于信号的瞬时斜率比较大，很容易引起过载。因此，不能用简单增量调制进行编码。除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方法，只能采用瞬时压扩的.方法。但瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这类瞬时斜率比较大的信号,通常采用一种综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方法进行编码,这种编码方式被简称为脉码增量调制，或称差值脉码调制，用DPCM表示。

4.4.2DPCM编译码系统设计与仿真

DPCM编译码系统设计图如图4-39所示：

图4-39DPCM编译码系统设计图

图中示波器的显示波形如下图4-40所示：

图4-40示波器显示波形

5总结

通过本次课程设计我较系统地掌握了有关PCM脉冲编码调制的设计思路和设计方法，主要对MATLAB的仿真方法与开发环境等有了一定的了解并对其进行测试和应用。掌握了利用MATI

AB集成环境下的Simulink仿真平台，完成对脉冲编码调制系统的建模与仿真分析的基本方法。以前对PCM编码的了解只是理论层面上的，通过这次课程设计加深了对理论知识的理解，并对其在实际中的应用有了一定的了解。在课程设计刚开始的时候，由于对MATLAB的使用不太熟悉觉得无从下手使课程设计进展困难。为此，我借助网络、图书等资源一步一步熟悉MATLAB,并在熟练的同学的帮助下，渐渐摸索找到了方法。我认识到在以后的学习过程中要时刻保持着刻苦钻研的精神和坚持不懈的毅力。本此课程设计的成功离不开自己的努力，离不开同学的帮助，更离不开指导老师的教育。老师一方面在理论课上很详细很专业的为我们讲解了本次课程设计的理论知识,让我对此在宏观上了解并能够掌握这些理论知识，为以后的实际操作提供了坚实的基础。另一方面在实际操作时也给我们很多技术上的指导让我们能在此过程中学到更多的操作技能。总的来说，这次的课程设计让我受益匪浅。不仅是我体验到了动手操作的乐趣，而且培养了我的设计思维和增强了实践能力。