模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析

1、通信原理課程設(shè)計(jì)唐 山 學(xué) 院 通信原理 課 程 設(shè) 計(jì)題 目 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析 系 (部) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 2017 年 6 月 26 日至2017 年7月 8 日 共 2 周 通信原理 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目、內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)題目：模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析內(nèi)容及要求：1.了解Matlab/Simulink的運(yùn)行環(huán)境及應(yīng)用領(lǐng)域；2.逐步熟悉模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)的仿真過程，由簡(jiǎn)到難；3.系統(tǒng)仿真及波形分析(1) 模擬信號(hào)抽樣過程原理與仿真分析；(2) 模擬信號(hào)量化過程原理與仿真分析；(3) PCM編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析；(4) DP

2、CM編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析。(5) 在高斯信道下對(duì)PCM系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。（可選）二、設(shè)計(jì)原始資料 通信原理；軟件Matlab；計(jì)算機(jī)一臺(tái) 三、要求的設(shè)計(jì)成果（課程設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)實(shí)物、圖紙等）設(shè)計(jì)說明書1份，不少于2000字，應(yīng)包含模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)原理、相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、相關(guān)軟件Matlab/Simulink介紹、系統(tǒng)仿真及波形分析。四、進(jìn)程安排第1-2天 課設(shè)理論講解及仿真軟件介紹、學(xué)生練習(xí)使用軟件第3-4天 相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第5-6天 系統(tǒng)仿真及波形分析第7-8天 整理、撰寫說明書第9-10天 進(jìn)行測(cè)試或答辯五、主要參考資料1樊昌信、曹麗娜.通信原理.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006

3、2劉學(xué)勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真.北京:電子工業(yè)出版社，20113邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析.北京:清華大學(xué)出版社，20084張水英，徐偉強(qiáng).通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民郵電出版社，20125邵佳，董辰輝. MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例精講.北京:電子工業(yè)出版社，2009指導(dǎo)教師（簽名）：教研室主任（簽名）：課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績(jī)?cè)u(píng)定出勤情況及設(shè)計(jì)過程表現(xiàn)(20分)課設(shè)答辯(20分)設(shè)計(jì)成果(60分)總成績(jī)(100分)提問(答辯)問題情況 綜合評(píng)定 指

4、導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 目錄前言11模擬信號(hào)抽樣過程原理21.1抽樣原理21.1.1低通型連續(xù)信號(hào)的抽樣21.1.2 帶通信號(hào)的抽樣定理31.2 量化原理41.2.1均勻量化41.2.2 非均勻量化51.2.3 A律壓縮律51.2.4 13折線51.3脈沖編碼調(diào)制（PCM）61.4 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）72 Matlab/Simulink的簡(jiǎn)介93 基于Simulink的模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與仿真分析113.1抽樣過程的設(shè)計(jì)與仿真分析113.2量化過程的設(shè)計(jì)與仿真分析123.3 PCM編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析143.3.1 PCM編碼器設(shè)計(jì)143.3.2 PCM解碼器設(shè)計(jì)173.

5、3.3有干擾信號(hào)的PCM編碼與解碼173.4 DPCM編譯碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析214 總結(jié)245參考文獻(xiàn)25通信原理課程設(shè)計(jì)前言通信系統(tǒng)中的信息傳輸已經(jīng)基本數(shù)字化。在廣播系統(tǒng)中，當(dāng)前還是以模擬方式為主，但數(shù)字化的趨向也已經(jīng)明顯，為了改進(jìn)質(zhì)量，數(shù)字聲頻廣播和數(shù)字電視廣播已經(jīng)提到日程上來，21世紀(jì)數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代模擬系統(tǒng)。尤為甚者，設(shè)備的數(shù)字化，更是日新月異。近年來提出的軟件無線電技術(shù)，試圖在射頻進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把調(diào)制解調(diào)和鎖相等模擬運(yùn)算全部數(shù)字化，這使設(shè)備超小型化并具有多種功能，所以數(shù)字化進(jìn)程還在發(fā)展。Simulink工具是MATLAB軟件提供的可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的軟件包，它讓用戶把

6、精力從語言編程轉(zhuǎn)向仿真模型的構(gòu)造，為用戶省去了很多重復(fù)的代碼編寫工作。Simulink中的每個(gè)模塊對(duì)我們來說都是透明的，我們只須知道模塊的輸入、輸出和每個(gè)模塊的功能，而不需要關(guān)心模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，留給我們的事情就是如何利用這些模塊來建立仿真模型以完成自己的任務(wù)。至于Simulink中的各個(gè)模塊在運(yùn)行時(shí)是如何執(zhí)行，時(shí)間是如何采樣的，事件是如何驅(qū)動(dòng)的等問題，我們可以不去關(guān)心。正是由于Simulink具有這些特點(diǎn)，所以它被廣泛應(yīng)用在通信仿真中。1模擬信號(hào)抽樣過程原理1.1抽樣原理抽樣是按照等時(shí)間等間隔進(jìn)行的，模擬信號(hào)被抽樣后成為抽樣信號(hào)，把該模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說

7、能無失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。抽樣的抽樣速率下限是由抽樣定理確定的。抽樣定理告訴我們，若要傳輸模擬信號(hào)，不一定要傳輸模擬信號(hào)本身，可以只傳輸抽樣定理得到的抽樣值。因此該定理就為模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸提供了理論基礎(chǔ)。1.1.1低通型連續(xù)信號(hào)的抽樣定理內(nèi)容：抽樣定理在時(shí)域上可以表述為：對(duì)于一個(gè)頻帶限制在（0，fH）Hz內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t),如果以Ts1/(2fH)秒間隔對(duì)其進(jìn)行等間隔抽樣，則f（t）將被所得到的抽樣值完全確定。 模擬信號(hào)抽樣過程中各個(gè)信號(hào)的波形與頻譜。(a) 模擬信號(hào)的波形及頻譜(b) 沖激函數(shù)的波形及頻譜(c) 抽樣信號(hào)的波形及頻譜圖1-1抽樣過程中的信號(hào)波形與頻譜以下為兩種情況下

8、的頻譜分析結(jié)果。但抽樣頻率小于奈奎斯特頻率時(shí)，即如果s<2H，則抽樣后信號(hào)的頻譜在相鄰的周期內(nèi)發(fā)生混疊，如圖1-2所示，當(dāng)抽樣頻率大于或等于奈奎斯特頻率時(shí)，接收端回復(fù)出來的信號(hào)才與原信號(hào)基本一致。(a)信號(hào)的頻譜(b)fs>2fm時(shí)抽樣信號(hào)的頻譜(c)fs<2fm時(shí)抽樣信號(hào)的頻譜 圖1-2兩種情況下的抽樣信號(hào)頻譜分析應(yīng)該注意的一點(diǎn)是：抽樣頻率并不是越高越好。只要能滿足抽樣頻率大于奈奎斯特頻率，并留有一定的防衛(wèi)帶即可。1.1.2 帶通信號(hào)的抽樣定理實(shí)際中遇到的許多信號(hào)是帶通型信號(hào)，模擬信號(hào)的頻率限制在fLfH之間，fL為信號(hào)最低頻率，fH為最高頻率。而且當(dāng)fH>B，其中B

9、=fH-fL時(shí)，該信號(hào)通常被成為帶通型信號(hào)，其中B為帶通信號(hào)的頻帶。對(duì)于帶通信號(hào)，如果采用低通抽樣定理的抽樣速率fs2fh，對(duì)頻率限制在fL與fH之間的帶通型信號(hào)抽樣，肯定能滿足頻譜不混疊的要求，如圖1-3所示：圖1-3帶通信號(hào)的抽樣頻譜定理內(nèi)容：一個(gè)帶通信號(hào)f(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為B=fh-fl，如果最小抽樣速率fs=2fh/n，n是一個(gè)不超過fh/B的最大整數(shù)，那么f(t)就可以完全由抽樣值確定。下面兩種情況說明：（1）若最高頻率fh為帶寬的整數(shù)倍，即fh=nB。此時(shí)fh/B=n是整數(shù)，m=n，所以臭氧速率fs=2fh/m=2B。（2）若最高頻率fh不為帶寬的整數(shù)倍，即

10、fh=nB+kB,0<k<1此時(shí)，fh/B=n+k,由定理知，m是一個(gè)不超過n+k的最大整數(shù)，顯然，m=n，所以能恢復(fù)出原信號(hào)f（t）的最小抽樣速率為： fs=2(fL+fH)/(2n+1)式中n是一個(gè)不超過fH/B的最大整數(shù)，0<k<1通常k取1。1.2 量化原理量化就是把經(jīng)過抽樣的得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來表示。量化的結(jié)果使抽樣信號(hào)變成量化信號(hào)，其值是離散的。故量化信號(hào)已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)了，可以看成是多進(jìn)制脈沖信號(hào)。量化在連續(xù)抽樣值和量化值之間產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。1.2.1均勻量化如果用相等的量化間隔對(duì)抽樣得到的信號(hào)

11、做量化，那么這種量化方法稱為均勻量化。 工作原理： 在均勻量化中，每個(gè)量化區(qū)間的量化電平取在各區(qū)間的中點(diǎn)。其量化間隔i取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。若設(shè)輸入信號(hào)的最小值和最大值分別為a和b表示，量化電平數(shù)為M，則均勻量化時(shí)的量化間隔為i=（b-a）/M量化器輸出為x=xl。圖1-4均勻量化特性與量化誤差曲線量化器的輸入與輸出關(guān)系可用量化特性來表示，語言編碼常采用上圖所示輸入-輸出特性的均勻量化器，當(dāng)輸入m在量化區(qū)間mi-1mmi變化時(shí)，量化電平qi是該區(qū)間的中點(diǎn)值。而相應(yīng)的量化誤差eq=m-mq與輸入信號(hào)幅度m之間的關(guān)系曲線如上圖所示。過載區(qū)的誤差特性是線性增長(zhǎng)的，因而過載誤差比量化誤

12、差大，對(duì)重建信號(hào)有很壞的影響。在設(shè)計(jì)量化器時(shí)，應(yīng)考慮輸入信號(hào)的幅度范圍，是信號(hào)幅度不進(jìn)入過載區(qū)，或者只能以極小的概率進(jìn)去過載區(qū)。上述的量化誤差eq=m-mq通常稱為絕對(duì)量化誤差，它在每一個(gè)量化間隔內(nèi)的最大值均為/2。 均勻量化廣泛應(yīng)用于現(xiàn)行A/D變換接口，例如在計(jì)算機(jī)中，M為A/D變化的位數(shù)，常用的有8位、12位、16位等不同精度。1.2.2 非均勻量化非均勻量化的方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多數(shù)采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)式壓縮率是u壓縮率和A壓縮率。1.2.3 A律壓縮律A壓縮律的壓縮特性為 Ax/(1+lnA) 0< x1/A Y= (1+

13、lnAx)/(1+lnA) 1/A<x1其中，A是壓縮系數(shù)，y是歸一化的壓縮器輸出電壓，x為歸一化的壓縮器輸入電壓。圖1-5 A律對(duì)數(shù)壓縮特性1.2.4 13折線實(shí)際中，A壓縮律通常采用13折線來近似，十三折線如圖1-6所示，圖中先把x軸的0,1區(qū)間分為8個(gè)不均勻段。圖1-6 13折線示意圖其具體分法如下：將區(qū)間0,1一分為二，其中點(diǎn)為1/2，取區(qū)間0,1/2作為第八段；將剩下的區(qū)間0,1/2再一分為二，其中點(diǎn)為1/4，取區(qū)間1/4,1/2作為第七段；將剩下的區(qū)間0,1/4再一分為二，其中點(diǎn)為1/8,取區(qū)間1/8,1/4作為第六段；將剩下的區(qū)間0,1/8再一分為二，其中點(diǎn)為1/16,取區(qū)

14、間1/16,1/8作為第五段；將剩下的區(qū)間0,1/16再一分為二，其中點(diǎn)為1/32,取區(qū)間1/32,1/16作為第四段；將剩下的區(qū)間0,1/32再一分為二，其中點(diǎn)為1/64,取區(qū)間1/64,1/32作為第三段；將剩下的區(qū)間0,1/64再一分為二，其中點(diǎn)為1/128,取區(qū)間1/128,1/64作為第二段；最后剩下的區(qū)間0,1/128作為第一段。然后將y軸的0,1區(qū)間均勻的分成八段，從第一段到第八段分別為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分別與x軸的八段一一對(duì)應(yīng)。1.3脈沖編碼調(diào)制（PCM）若信源輸出的是模擬信號(hào)，

15、如電話機(jī)傳送的語音信號(hào)等，要使其在數(shù)字信道中傳輸，必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)即進(jìn)行A/D變換，在接收端要進(jìn)行D/A變換。對(duì)語音信號(hào)最典型的數(shù)字編碼就是脈沖編碼調(diào)制（PCM）。脈沖編碼調(diào)制，就是將模擬信號(hào)的抽樣量化值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組的過程。圖1-7給出了脈沖編碼調(diào)制的示意圖。(a)抽樣脈沖 (b)PCM抽樣(c)PCM量化 (d)PCM編碼圖1-7脈沖編碼調(diào)制示意圖PCM系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-8所示，輸入的模擬信號(hào)m（t）經(jīng)抽樣、量化、編碼后變換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)信道傳送到接收端的譯碼器，由譯碼器還原出抽樣值，再經(jīng)過低通濾波器濾出模擬信號(hào)。其中，量化與編碼的組合成為A/D變換器；而譯碼與

16、低通濾波的組合成為D/A變換。圖1-8 PCM通信系統(tǒng)方框圖1.4 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM） PCM體制需要用64kb/s的速率傳輸1路數(shù)字電話信號(hào)，而傳輸1路模擬信號(hào)僅占用3kHz帶寬。相比之下，傳輸PCM信號(hào)占用更大的帶寬。為了降低數(shù)字電話信號(hào)的比特率，改進(jìn)的方法之一是采用預(yù)測(cè)編碼方法。DPCM是廣泛應(yīng)用的一種預(yù)測(cè)方法。DPCM與預(yù)測(cè)編碼類似，只是它有一個(gè)量化步驟。量化步驟和PCM中的量化步驟類似，可以是均勻量化，也可以是非均勻量化。在預(yù)測(cè)編碼中每個(gè)抽樣值不是獨(dú)立地編碼，而是先根據(jù)前幾個(gè)抽樣值計(jì)算出一個(gè)預(yù)測(cè)值，再取當(dāng)前抽樣值和預(yù)測(cè)值之差。將此差值編碼并傳輸。此差值稱為預(yù)測(cè)誤差。話音信號(hào)

17、等連續(xù)變化的信號(hào)，其相鄰抽樣值之間有一定的相關(guān)性，這個(gè)相關(guān)性使信號(hào)中含有冗余信息。由于抽樣值及其預(yù)測(cè)值之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，即抽樣值和其預(yù)測(cè)值非常接近，使此預(yù)測(cè)誤差的可能取值范圍比抽樣值的變化范圍小。對(duì)于有些信號(hào)(例如圖像信號(hào))，由于信號(hào)的瞬時(shí)斜率比較大，很容易引起過載。因此，不能用簡(jiǎn)單增量調(diào)制進(jìn)行編碼。除此之外，這類信號(hào)也沒有像話音信號(hào)那種音節(jié)特性，因而也不能采用像音節(jié)壓擴(kuò)那樣的方法，只能采用瞬時(shí)壓擴(kuò)的方法。但瞬時(shí)壓擴(kuò)實(shí)現(xiàn)起來比較困難，因此，對(duì)于這類瞬時(shí)斜率比較大的信號(hào)，通常采用一種綜合了增量調(diào)制和脈沖編碼調(diào)制兩者特點(diǎn)的調(diào)制方法進(jìn)行編碼，這種編碼方式被簡(jiǎn)稱為脈碼增量調(diào)制，或稱差值脈碼調(diào)制，用D

18、PCM表示。2 Matlab/Simulink的簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡(jiǎn)稱。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。 當(dāng)前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算,可視化建模仿真,文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包,控制工具包,信號(hào)處理工具包,通信工具包等都屬于此類。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)

19、式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以使用。MATLAB有著強(qiáng)大的功能，可以用來進(jìn)行多種工作，具體如下： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處

20、理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程等。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，可以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。Simulink是Matlab軟件下的一個(gè)附加組件，是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時(shí)它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析，可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來調(diào)試及

21、整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。Simulink仿真與分析的主要步驟按先后順序?yàn)?從模塊庫中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。Simulink模塊庫提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號(hào)源模塊庫(Source) ,接收模塊庫（Sinks），連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous），離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete），非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Signal Routing），信號(hào)屬性模塊庫（Signal Attributes），數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫（Math Operations），邏輯和位操作庫（Logic and Bit Operatio

22、ns）等等，此外還有一些特定學(xué)科仿真的工具箱。Simulink為用戶提供了一個(gè)圖形化的用戶界面（GUI）。對(duì)于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡(jiǎn)單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點(diǎn)。不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與MATLAB、C或者FORTRAN語言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴(kuò)展了它的功能。本次設(shè)計(jì)選擇用Simulink而不是直接用Matlab編程，一定程度上減小了設(shè)計(jì)難度，而且設(shè)計(jì)效果更加直觀。在庫函數(shù)中可以找到相應(yīng)的濾波器，乘法器等等，而且可以通過參數(shù)設(shè)

23、置，近似的實(shí)現(xiàn)實(shí)際中的效果，因此能夠更好地反映實(shí)際通信系統(tǒng)的情況。3 基于Simulink的模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與仿真分析3.1抽樣過程的設(shè)計(jì)與仿真分析基于Matlab抽樣過程的設(shè)計(jì)圖如圖3-1所示：圖3-1抽樣過程的原理電路圖根據(jù)抽樣定理的內(nèi)容，對(duì)抽樣過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，用正弦波作為原始輸入信號(hào)，頻率設(shè)置為10Hz，抽樣脈沖的頻率設(shè)置為30Hz，使得抽樣頻率大于基帶信號(hào)最高頻率的二倍。然后再通過一個(gè)低通濾波器，設(shè)置帶寬為10Hz，從而濾除其他信號(hào)無失真的得到原始輸入信號(hào)。 抽樣過程示波器顯示的圖形如圖3-2所示：圖3-2抽樣過程波形圖在波形圖中，第一個(gè)波形是原始正弦輸入信號(hào)，第二個(gè)波形為抽樣脈

24、沖，第三個(gè)波形是抽樣之后的波形，第四個(gè)波形為恢復(fù)之后的波形。由于抽樣頻率大于基帶信號(hào)最高頻率的二倍，所以能夠無失真的恢復(fù)出原始信號(hào)。如果使正弦信號(hào)頻率增大，或者降低抽樣脈沖的頻率，使其不滿足無失真抽樣的條件，最后輸出的波形也不能無失真的恢復(fù)原始的正弦信號(hào)。應(yīng)該注意的一點(diǎn)是：抽樣頻率并不是越高越好。只要能滿足抽樣頻率大于奈奎斯特頻率，并留有一定的防衛(wèi)帶即可。3.2量化過程的設(shè)計(jì)與仿真分析基于Matlab量化過程的設(shè)計(jì)圖如圖3-3所示：圖3-3量化過程設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)圖中各模塊參數(shù)的一系列設(shè)置如圖3-4所示：圖3-4 Signal Generation參數(shù)設(shè)置圖LookupTable進(jìn)行設(shè)置如圖3-5所

25、示，對(duì)單一斜率的原信號(hào)進(jìn)行壓縮，使其出現(xiàn)多個(gè)頻率，以便于更好地量化。 圖3-5 LookupTable參數(shù)設(shè)置圖對(duì)量化器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置如圖3-6所示，對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，分為八個(gè)量化間隔。圖3-6 Quantizer參數(shù)設(shè)置圖LookupTable1進(jìn)行設(shè)置如圖3-7所示，把各段的斜率進(jìn)行詳細(xì)設(shè)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。圖3-7 LookupTable1參數(shù)設(shè)置圖圖3-8 Scope的仿真波形設(shè)計(jì)圖中示波器Scope的仿真波形如圖3-8所示：顯示波形中，第一個(gè)波形顯示

26、的是原始波形，第二個(gè)波形是經(jīng)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。設(shè)計(jì)圖中示波器Scope1的仿真波形如圖3-9所示：圖3-9 Scope1的仿真波形顯示波形中，第一個(gè)波形顯示的是進(jìn)行自然量化之后的波形，第二個(gè)波形是經(jīng)過壓縮之后再量化的波形，近似于13折線的波形。3.3 PCM編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析3.3.1 PCM編碼器設(shè)計(jì)PCM編碼器的設(shè)計(jì)如圖3-10所示：圖3-10 PCM編碼器原理電路圖PCM編碼器設(shè)計(jì)圖中各模塊的參數(shù)設(shè)置如下。繼電器設(shè)置如圖3-11所示，在兩個(gè)常數(shù)中選出一個(gè)作為輸出。圖3-11 Relay參數(shù)設(shè)置圖限制信號(hào)變化范圍,設(shè)置Saturatio

27、n的參數(shù)，如圖3-12所示：圖3-12 Saturation參數(shù)設(shè)置圖圖3-13 輸入輸出絕對(duì)值設(shè)置圖A律壓縮器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如圖3-14所示，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A律壓縮。圖3-14 A律壓縮器參數(shù)設(shè)置量化器設(shè)置，以指定的時(shí)間間隔離散化輸入，如圖3-15所示：圖3-15 量化器參數(shù)設(shè)置圖增益設(shè)置，即將模塊的輸入乘以一個(gè)數(shù)值，如圖3-16所示：圖3-16 增益參數(shù)設(shè)置圖3-17比特輸出參數(shù)設(shè)置圖比特輸出設(shè)置輸出為7bit，如圖3-17所示：混合設(shè)置，將幾條輸入連線組合成一條向量連線，如圖3-18所示： 圖3-18 Mux參數(shù)設(shè)置圖3.3.2 PCM解碼器設(shè)計(jì)PCM解碼器的設(shè)計(jì)如圖3-19所示：圖3

28、-19 PCM編碼器設(shè)計(jì)圖Demux的輸出設(shè)置為8，Mux的輸出設(shè)置為7，起解混作用，將向量信號(hào)分解為多個(gè)信號(hào)。其他模塊的參數(shù)設(shè)置同編碼器部分參數(shù)的設(shè)置相同。3.3.3有干擾信號(hào)的PCM編碼與解碼為了驗(yàn)證PCM編譯碼系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)有干擾的編譯碼過程。有干擾信號(hào)的PCM編碼與解碼設(shè)計(jì)圖如圖3-20所示：圖3-20有干擾信號(hào)的PCM編碼與解碼設(shè)計(jì)圖部分的模塊參數(shù)設(shè)置如下：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，使其產(chǎn)生一個(gè)正弦波。圖3-21 Sine Wave參數(shù)設(shè)置圖對(duì)Zero-Oder-Hold設(shè)置，實(shí)現(xiàn)一個(gè)采樣周期的零階保持，如圖3-22所示： 圖3-22 Zero-Oder-Hold參數(shù)設(shè)置圖把數(shù)據(jù)打

29、成幀格式，對(duì)一下模塊進(jìn)行設(shè)置，如圖3-23所示：圖3-23 Frame Conversion參數(shù)設(shè)置圖對(duì)緩沖器進(jìn)行設(shè)置，如圖3-24所示：圖3-24 Buffer參數(shù)設(shè)置圖二進(jìn)制對(duì)稱信道設(shè)置，如圖3-25所示：圖3-25 Binary Symmetric參數(shù)設(shè)置圖對(duì)緩沖器進(jìn)行設(shè)置，如圖3-26所示：圖3-26 Buffer1參數(shù)設(shè)置圖對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)置，將一列數(shù)據(jù)變成矩陣，如圖3-27所示：圖3-27 Reshape參數(shù)設(shè)置圖總體參數(shù)也需要進(jìn)行設(shè)置，如圖3-28所示：圖3-28總體參數(shù)設(shè)置圖設(shè)計(jì)圖中示波器Scope的顯示波形如圖3-29、3-30所示：圖3-29示波器Scope1的顯示波形第一個(gè)波形是

30、經(jīng)過二進(jìn)制對(duì)稱信道的波形，第二個(gè)波形為經(jīng)過信道以前的波形，由此可以看出，經(jīng)過一個(gè)二進(jìn)制對(duì)稱信道以后，一部分波被衰減掉。圖3-30示波器Scope的顯示波形波形顯示中第一個(gè)波形為經(jīng)過PCM編碼和解碼之后的波形，第二個(gè)波形為原始波形的鋸齒狀波形。經(jīng)過兩個(gè)波形的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，加入干擾之后恢復(fù)出來的波形與原始波形有一定的誤差，但是仍然能夠看出PCM編譯碼器的作用。3.4 DPCM編譯碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析DPCM編譯碼的設(shè)計(jì)圖如圖3-31所示：圖3-31 DPCM編譯碼的設(shè)計(jì)圖對(duì)設(shè)計(jì)圖中的部分模塊進(jìn)行設(shè)置。首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，使得產(chǎn)生一個(gè)正弦波，如圖3-32所示：圖3-32 輸入信號(hào)參數(shù)設(shè)置圖對(duì)DPCM編碼模塊設(shè)置，此模塊的作用就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分脈沖編碼調(diào)制，如圖3-33所示：圖3-33 DPCM編碼模