通信原理軟件AD轉換課程設計Matlab

1、通信原理課程設計報告課程名稱A/D轉換的仿真實現（軟件部分）專業(yè)通信工程班級XXXX學號XXXXXXXX姓名XXXXX指導教師XXXX2015年1月20日前言經過幾天通信原理實驗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 4 天的學習進行了總結，取之長補之短，在今后的學習和工作中有所受用。這次通信原理實驗，不僅是對已學的通信原理知識的一種回顧，更是將這學期所開設的光纖通信，通信電子電路和信息論與編碼的一種有效鞏固，開始對數字基帶信號的碼型變換有了更好的了解。通信原理是通信工程的重要基石，大三所學的都是更為精細與補充，在不斷的時間投入與深入的沉淀中，體會到學習的另一番樂趣。通過這

2、次通信原理實驗，我有認真地去翻閱思考通信原理的知識，認真地去上機調試每個硬件模塊，用心地去編寫調試 Matlab 程序，也認真地寫下這份實驗報告， 我相信這份用心與耐心是經得起考驗的，希望能得到老師的肯定與優(yōu)秀。軟件部分 A/D 轉換的仿真實現一、實驗目的通信原理實驗是針對通信工程專業(yè)學生的實踐教學環(huán)節(jié)，通過這一環(huán)節(jié)，可使學生鞏固相關課程知識，增強動手能力，提高學生對通信系統(tǒng)的仿真技能。在強調基本原理的同時，更突出設計過程的鍛煉，強化學生的實踐創(chuàng)新能力。二、實驗基本要求1、培養(yǎng)學生根據需要選學參考書，查閱手冊，圖表和文獻資料的自學能力，通過獨立思考深入鉆研有關問題，學會自己分析解決問題的方法。

3、2、通過對硬件電路的安裝、調試等環(huán)節(jié)，初步掌握通信原理電路的分析方法和工程設計方法。3、掌握常用儀表的正確使用方法， 學會對電路的實驗調試和相關指標測試方法，提高動手能力。4、通過對通信系統(tǒng)的仿真模型的建立及其分析，掌握使用仿真軟件對實際通信系統(tǒng)性能進行仿真的初步技能。5、提高和挖掘學生對所學專業(yè)知識的應用能力和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)和鍛煉學生的團隊合作精神和科研開發(fā)精神。三、實驗設計任務（一）設計要求1、學習使用計算機建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能，學會利用仿真手段對通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進行實際驗證。2、學習現有通信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法，學會通信仿真系統(tǒng)的基本設計與調試，學會

4、使用仿真軟件解決實際系統(tǒng)出現的問題。3、通過系統(tǒng)仿真加深對通信課程理論的理解，拓展知識面。學會查找資料，并結合通信原理的知識，對通信系統(tǒng)進行性能分析。（二）設計任務設計型實驗共有兩類實驗題，每位同學可選擇兩類中其中一題。設計型實驗中仿真軟件的選擇，同學們可自由選取，建議用 Matlab 。、基本任務： 單頻正弦波模擬信號的簡單數字化。即對一個單頻正弦波模擬信號進行抽樣、均勻量化、 PCM二進制自然編碼。主要步驟和要求：（1）單頻正弦波模擬信號的抽樣實現。要求輸入信號的幅度A、頻率 F 和相位P 可變；要求仿真時間從 0 到 2/F ，抽樣頻率為 Fs=20F；要求給出抽樣信號的波形圖。（2）單

5、頻正弦波模擬信號均勻量化的實現。要求對抽樣信號歸一化后再進行均勻量化；要求量化電平數 D 可變；要求輸出信號為平頂正弦波；要求給出量化輸出信號的波形圖，并與抽樣信號畫在同一圖形窗口中進行波形比較。（3）單頻正弦波模擬信號 PCM二進制自然編碼的實現。 要求按量化序號給出 PCM 二進制自然編碼；要求給出編碼后的數字序列 pcm。、選做任務： 單頻正弦波模擬信號的特殊數字化。按給定要求對一個單頻正弦波模擬信號進行數字化。主要步驟和要求：（1）單頻正弦波模擬信號的抽樣實現。要求輸入信號的幅度A、頻率 F 和相位P 可變；要求仿真時間從 0 到 2/F ，抽樣頻率為 Fs=20F；要求給出抽樣信號

6、的波形圖。（2）單頻正弦波模擬信號非均勻量化的實現。要求對抽樣信號歸一化后再分別進行滿足 A 律和 u 律壓縮的非均勻量化；要求壓縮參數a、 u 可變；要求量化電平數D可變；要求輸出信號為平頂正弦波；要求給出量化輸出信號的波形圖，并與抽樣信號畫在同一圖形窗口中進行波形比較。四、實驗設計原理信號的數字化需要三個步驟： 抽樣、量化和編碼 。抽樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號， 也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值， 把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶盗康挠幸欢ㄩg隔的離散值。 編碼則是按照一定的規(guī)律， 把量化后的值用二進制數字表示，

7、然后轉換成二值或多值的數字信號流。 這樣得到的數字信號可以通過電纜、微波干線、 衛(wèi)星通道等數字線路傳輸。在接收端則與上述模擬信號數字化過程相反， 再經過后置濾波又恢復成原來的模擬信號。 上述數字化的過程又稱為脈沖編碼調制。抽樣話音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時間上也是連續(xù)的。要使話音信號數字化并實現時分多路復用， 首先要在時間上對話音信號進行離散化處理，這一過程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時間間隔 T，抽取話音信號的一個瞬時幅度值 ( 抽樣值 ) ，抽樣后所得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣后的樣值序列在時間上是離散的，可進行時分多路復用，也可將各個抽樣

8、值經過量化、編碼變換成二進制數字信號。理論和實踐證明，只要抽樣脈沖的間隔 T1/ （ 2fm）( 或 f 2fm)(fm 是話音信號的最高頻率 ) ，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號。量化抽樣把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進行離散化處理， 才能最終用數碼來表示。這就要對幅值進行舍零取整的處理，這個過程稱為量化。 量化有兩種方式， 量化方式中，取整時只舍不入，即 01 伏間的所有輸入電壓都輸出 0 伏，12 伏間所有輸入電壓都輸出 1 伏等。采用這種量化方式，輸入電壓總是大于輸出電壓， 因此產生的量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個相鄰量

9、化級的間隔 。 量化方式在取整時有舍有入， 即 0伏間的輸入電壓都輸出 0 伏， 1?5 伏間的輸出電壓都輸出 1 伏等等。采用這種量化方式量化誤差有正有負，量化誤差的絕對值最大為 /2 。因此，采用有舍有入法進行量化，誤差較小。最小量化間隔越小，失真就越小。 最小量化間隔越小，用來表示一定幅度的模擬信號時所需要的量化級數就越多， 因此處理和傳輸就越復雜。所以，量化既要盡量減少量化級數， 又要使量化失真看不出來。 一般都用一個二進制數來表示某一量化級數， 經過傳輸在接收端再按照這個二進制數來恢復原信號的幅值。所謂量化比特數是指要區(qū)分所有量化級所需幾位二進制數。例如，有8 個量化級，那么可用三位

10、二進制數來區(qū)分，因為，稱8 個量化級的量化為3 比特量化。 8 比特量化則是指共有個量化級的量化。目前國際上普遍采用容易實現的A 律 13 折線壓擴特性和律15 折線的壓擴特性。我國規(guī)定采用A 律 13 折線壓擴特性。采用 13 折線壓擴特性后小信號時量化信噪比的改善量可達24dB，而這是靠犧牲大信號量化信噪比( 虧損 12dB)換來的。編碼抽樣、量化后的信號還不是數字信號，需要把它轉換成數字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進制編碼。具體說來，就是用 n 比特二進制碼來表示已經量化了的樣值， 每個二進制數對應一個量化值， 然后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數字信息流。 編碼過

11、程在接收端， 可以按所收到的信息重新組成原來的樣值， 再經過低通濾波器恢復原信號。 用這樣方式組成的脈沖串的頻率等于抽樣頻率與量化比特數的積， 稱為所傳輸數字信號的數碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特數越大，數碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。非均勻量化為了克服的缺點，實際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是一種在輸入信號的動態(tài)范圍內量化間隔不相等的量化。換言之，非均勻量化是根據輸入信號的概率密度函數來分布量化電平， 以改善量化性能。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，其量化間隔也小 ; 反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個主要的優(yōu)點 :當輸入量化

12、器的信號具有非均勻分布的概率密度時，非均勻量化器的輸出端可以較高的平均信號量化噪聲功率比 ;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，即改善了小信號時的量化信噪比。五、實驗設計思路假設量化電平數 D 已知，要求由 PCM二進制自然編碼序列恢復出單頻正弦波模擬信號。要求 PCM二進制自然編碼序列可以是數字型也可以是字符型；要求對PCM二進制自然編碼序列進行數據處理 （按照量化電平數 D推導出一個碼字的碼長 n，如果 PCM二進制自然編碼序列的長度不是 n 的整數倍，則補 0）；編碼概念PCM二進制編碼：（又叫脈沖編碼調制）主要過程是

13、將話音、圖像等模擬信號每隔一定時間進行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時將抽樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值。內插函數 ：利用以下內插公式可以實現模擬信號的恢復：=xa(t)，其中 g(t)=sin(t)/( t)=sinc(Fs t);Fs為采樣頻率。2. PCM 編碼生成由于題目要求用pcm編碼恢復一個單頻正弦波的波形， 為了得到較準確的單頻正弦波的 pcm編碼（隨便找一個編碼不能確定它是正弦波），因此，本人先做了 A/D 轉換，以得到正弦波編碼。 通過查閱 MATLAB函數大全，找到了兩個函數 Lloyd 算法優(yōu)化標量算法的函數lloyds( )和量化輸

14、出值的函數quantiz( )，通過一些例子了解的它們的用法，利用以上函數可以得到準確的量化值以完成較準確的pcm編碼，為D/A 轉換提供一個前提準備。（以正弦信號xa=3sin(2*3000t)為例，采樣頻率為80*3200，量化電平數D=19）六、實驗結果：采樣頻率為20F的輸入信號量化后的波形個波較圖兩形的比頻正擬信樣實單弦波模號的抽現單頻正弦波模擬信號非均勻量化的實現pcm編碼如下 :010010110101111100101001110011100111000101110011000100100110001000000100000000000000000010001000011101

15、0100110101110100011001110011100111001001111011100100000110000110000100000000000000000001001010010101010過 matlab 完成了 D/A轉換，發(fā)現恢復出的波形與原始單頻正弦模擬信號大體一致，也存在一些誤差。在實驗中通過變換輸入信號的采樣頻率，以及內插點數的多少還發(fā)現：采樣頻率越大，恢復出來的信號越接近原始信號；插入的點數越多恢復出來的信號越接近于原始信號，與理論上完全相符。證明本次實驗比較成功的實現了D/A轉換的仿真。七、實驗總結：剛拿到實驗題目的時候，就開始通過通信原理對它進行復習，逐漸明白

16、了抽樣量化編碼的原理。但是要讓它在matlab 上實現還是一個問題，于是又開始讀MATLAB及在電子信息課程中的應用。在對pcm編碼以及用 pcm編碼恢復序列的時候多次利用查找 matlab 函數大全，獲得一些可以直接利用的函數，為設計提供了很多便捷，比如 Lloyd 算法優(yōu)化標量算法的函數lloyds( )和量化輸出值的函數quantiz( )，通過一些例題演示可以大致了解他們的用法以及作用，還有比如矩陣左右翻轉函數 fliplr(),和二進制轉十進制函數 bi2de() 。通過對大量的資料的查閱可以發(fā)現 matlab 應用的靈活性，更重要的一點是：我們應該把重點放在解題思想和程序設計的方法

17、問題上，而對于很多函數的應用問題可以通過查表等方法簡單實現。總之，通過這次 D/A轉換的仿真實驗， 對 MATLAB的操作更見熟練了， 鞏固了許多基礎知識，也讓我在解決問題的過程中獲得了很多樂趣，對許多理論上的東西有了更深的認識。八、實驗代碼A=5; F=2500;P=0; D=20;% 設定原始模擬信號的參數 Fs=20*F;t1=0:1/Fs:2/F;xa=A*sin(2*pi*F*t1);figure(1)plot(t1,xa,k); % 顯示輸入信號波形以及采樣點 hold on;plot(t1,xa,b.);axis(0,2/F,-5,5);title(采樣頻率為 20F 的輸入信號

18、 );xlabel(x(t);ylabel(t)m=max(xa);x1=xa/m;%歸一化，以便還原%量化partition,codebook=lloyds(x1,D);%Lloyd（勞埃德）算法優(yōu)化量化算法函數分界點矢量（參數），碼本indx ,quant=quantiz(x1 ,partition ,codebook);%量化輸出值函數量化索引%根據 partition 來對 x1 輸入信號產生量化索引（量化索引的長度和 x1 的長度相同）%碼本是長度為 N 的輸出集figure(2)stem(t1,quant,g.);%顯示量化后波形axis(0,2/F,-2,2);title(量化后

19、的波形 );xlabel(x(t);ylabel(t);figure(3)plot(t1,xa,k); % 顯示輸入信號波形以及采樣點 hold on;plot(t1,xa,b.);hold onstem(t1,quant,g.);%顯示量化后波形axis(0,2/F,-5,5);title(兩個波形比較圖 );xlabel(x(t);ylabel(t)%編碼nu=ceil(log2(D); %對 log2(D) 向上取整pcm=zeros(length(x1),nu); %待賦值的零矩陣，前一個系數是行，后一個系數是列for i=1:length(x1) % 通過對每一位進行檢驗得到 pcm

20、編碼 for j=nu:-1:0if(fix(indx(i)/2j)=1)pcm(i,nu-j)=1;indx(i)=indx(i)-2j;endendenddisp(pcm編碼如下 :);disp(pcm)%單頻正弦波模擬信號的抽樣實現Fs1=F;Fs2=2*F;Fs3=20*F;t11=0:1/Fs1:2/F;t12=0:1/Fs2:2/F;t13=0:1/Fs3:2/F;samp11=A*sin(2*pi*F*t11+P);samp12=A*sin(2*pi*F*t12+P);samp13=A*sin(2*pi*F*t13+P);figure(4)subplot(311);plot(t11,samp11,b);xlabel(t);ylabel(samp11);title(單頻正弦波模擬信號的原波形);subplot(312);plot(t12,samp12,y);xlabel(t);yla