增量調(diào)制的設(shè)計與仿真課程設(shè)計

1、 課程設(shè)計 設(shè)計說明書增量調(diào)制的設(shè)計與仿真學(xué)生姓名 學(xué) 號 班 級 成 績 指導(dǎo)教師 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院2013 年 9 月 12 日 0課程設(shè)計任務(wù)書2013 2014 學(xué)年第 1 學(xué)期課程設(shè)計名稱： 課程設(shè)計 課程設(shè)計題目： 增量調(diào)制的設(shè)計與仿真 完 成 期 限：自 2013 年 9 月 2 日至 2013 年 9 月 13 日共 2 周設(shè)計內(nèi)容：本次課程設(shè)計的任務(wù)是對增量調(diào)制的設(shè)計與仿真，并用 MATLAB 仿真軟件進行驗證，并以圖形化的方式顯示出波形，并且要求對設(shè)計的內(nèi)容有必要的說明。 通過本次的實踐，要求學(xué)生完成以下任務(wù)：1)對課本知識的全面復(fù)習(xí)，了解增量調(diào)制的編碼與譯碼原理；2)

2、對 MATLAB 仿真軟件的學(xué)習(xí)，能夠使用該工具進行增量調(diào)制的仿真驗證；3)通過團隊合作，完成增量調(diào)制碼編碼與譯碼的設(shè)計，并用 MATLAB 軟件進行仿真驗證；4)課程設(shè)計的結(jié)果全面正確，功能模塊清晰分明；5)加強團隊合作精神，開拓創(chuàng)新能力；6)文檔資料完整規(guī)范。指導(dǎo)教師：李征 教研室負責(zé)人：課程設(shè)計評閱評語： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日摘 要隨著集成電路和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通信技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。而通訊系統(tǒng)中的模擬信號能否有效地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，讓信號無失真的數(shù)字化傳輸，很大程度上依賴于增量調(diào)制有無很好的編譯碼過程。增量調(diào)制編譯碼技術(shù)就是基本的通信調(diào)制解調(diào)方式之一。數(shù)字通信中，增量調(diào)制是預(yù)測

3、編碼中最簡單的一種。它將信號瞬時值與前一個抽樣時刻的量化值之差進行量化，而且只對這個差值的符號進行編碼，而不對差值的大小編碼。它是繼 PCM 后出現(xiàn)的又一種模擬信號數(shù)字化的方法。目的在于簡化模擬信號的數(shù)字化方法。主要在軍事通信和衛(wèi)星通信中廣泛使用，有時也作為高速大規(guī)模集成電路中的 A/D 轉(zhuǎn)換器使用。目前，隨著集成電路的發(fā)展，DM 的優(yōu)點已不再那么顯著。為了提高增量調(diào)制的質(zhì)量，出現(xiàn)了一些改進方案，例如，增量總和調(diào)制、數(shù)字壓擴式自適應(yīng)增量調(diào)制等。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：通信技術(shù)；增量調(diào)制；A/D 轉(zhuǎn)換器目 錄1 課題描述.12 增量調(diào)制簡介.23 基本概念.34 增量調(diào)制的調(diào)制原理.45 增量調(diào)制的解調(diào)原

4、理.66 程序調(diào)試與測試. .77 結(jié)果分析.98 增量調(diào)制存在的問題.119 總結(jié).1310 參考文獻.141 課題描述增量調(diào)制（DM）系統(tǒng)的設(shè)計，由 M 的調(diào)制方案和 M 的解調(diào)方案兩個子方案組成。通過發(fā)送端形成 f(t)信號并編制成相應(yīng)的二元碼序列, 比較在每個抽樣時刻 t 處的f(t)和 f(t)的值, 用一個比較電路（減法器）來完成 f(it)和f(it_)的差值的比較；通過分析f(t)的波形，階梯波形象地說明增量調(diào)制原理，實際積分器的輸出波形可以相應(yīng)得到，最后完成設(shè)計與仿真。2 增量調(diào)制簡介20 世紀 70 年代，美國新墨西哥大學(xué)計算機科學(xué)系主任 Cleve Moler 為了減輕學(xué)

5、生編程的負擔(dān)，用 FORTRAN 編寫了最早的 MATLAB。1984 年由 Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推向市場。到 20 世紀 90 年代，MATLAB 已成為國際控制界的標準計算軟件。增量調(diào)制簡稱 M 或增量脈碼調(diào)制方式（DM），它是繼 PCM 后出現(xiàn)的又一種模擬信號數(shù)字化的方法。1946 年由法國工程師 De Loraine 提出，目的在于簡化模擬信號的數(shù)字化方法。主要在軍事通信和衛(wèi)星通信中廣泛使用，有時也作為高速大規(guī)模集成電路中的 A/D轉(zhuǎn)換器使用。對模擬信號采樣，并用每個樣值與它的預(yù)測值的差值對周期

6、脈沖序列進行調(diào)制，簡稱墹 M 或 DM。已調(diào)脈沖序列以脈沖的有、無來表征差值的正負號，也就是差值只編成一位二進制碼 。增量調(diào)制的基本原理是于 1946 年提出的，它是一種最簡單的差值脈沖編碼。早期的語言增量調(diào)制編碼器是由分立元件組成的。隨著模擬集成電路技術(shù)的發(fā)展，70 年代末出現(xiàn)了音節(jié)壓擴增量調(diào)制集成單片，80 年代出現(xiàn)了瞬時壓擴集成單片，單片內(nèi)包括了開關(guān)電容濾波器與開關(guān)電容積分器，集成度不斷提高，使增量調(diào)制的編碼器的體積減小，功耗降低。3 基本概念在 PCM 系統(tǒng)中，為了得到二進制數(shù)字序列，要對量化后的數(shù)字信號進行編碼，每個抽樣量化值用一個碼組（碼字）表示其大小。碼長一般為 7 位或 8 位

7、，碼長越大，可表示的量化級數(shù)越多，但編、解碼設(shè)備就越復(fù)雜。那么能否找到其它更為簡單的方法完成信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換呢？我們看一下圖 1。圖中在模擬信號 f(t)的曲線附近，有一條階梯狀的變化曲線 f(t),f(t)與 f(t)的形狀相似。顯然，只要階梯“臺階” 和時間間隔 t 足夠小，則 f(t)與f(t)的相似程度就會提高。對 f(t)進行濾波處理，去掉高頻波動，所得到的曲線將會很好地與原曲線重合，這意味著 f(t)可以攜帶 f(t)的全部信息（這一點很重要）。因此，f(t)可以看成是用一個給定的“臺階” 對 f(t)進行抽樣與量化后的曲線。我們把“臺階”的高度 稱為增量，用“1”表示正增量，代表

8、向上增加一個 ；用“0”表示負增量，代表向下減少一個 。則這種階梯狀曲線就可用一個“0”、“1”數(shù)字序列來表示（如圖（1）所示），也就是說，對 f(t)的編碼只用一位二進制碼即可。此時的二進制碼序列不是代表某一時刻的抽樣值，每一位碼值反映的是曲線向上或向下的變化趨勢。這種只用一位二進制編碼將模擬信號變?yōu)閿?shù)字序列的方法（過程）就稱為增量調(diào)制（Delta Modulation），縮寫為 DM或 M 調(diào)制。增量調(diào)制最早由法國人 De Loraine 于 1946 年提出，目的是簡化模擬信號的數(shù)字化方法。其主要特點是：在比特率較低的場合，量化信噪比高于 PCM。抗誤碼性能好。能工作在誤比特率為 102

9、103 的信道中，而 PCM 則要求信道的誤比特率為 104106。設(shè)備簡單、制造容易。它與 PCM 的本質(zhì)區(qū)別是只用一位二進制碼進行編碼，但這一位碼不表示信號抽樣值的大小，而是表示抽樣時刻信號曲線的變化趨向。t111111111000000ttf (t)f (t)4 增量調(diào)制的調(diào)制原理如何在發(fā)送端形成 f(t)信號并編制成相應(yīng)的二元碼序列呢？仔細分析一上圖（1），比較在每個抽樣時刻 t 處的 f(t)和 f(t)的值可以發(fā)現(xiàn), 當 f(it)f(it_)時，上升一個 ，發(fā)“1”碼； 當 f(it)0，則 Po(0)=1 (1)t=t 時， e(t)=f(t)-f(t_)0，則 Po(t)=1

10、 (2)t=2t 時，e(2t)=f(2t)-f(2t_)0，則 Po(3t)=1; (4)t=4t 時，e(4t)=f(4t)-f(4t_)0，則 Po(5t)=1; (6)t=6t 時，e(6t)=f(6t)-f(6t_)0，則 Po(6t)=1; (7)以此類推，即可得到如圖 3 所示的波形。會發(fā)現(xiàn)圖 3 中的 f(t)和圖 1 的波形不一樣。其實，圖 1 的階梯波只是為了形象地說明增量調(diào)制原理，而實際積分器的輸出波形如圖 3df (t) f (t)T(t)e(t)Po(t)RC(a) ()(b) RC所示。 tt02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t1

11、4tT(t)(a) (b) tt02t3t4t5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tf (t)f (t)(d) t110101111110000t02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tPo(t)t0f (t)5 增量調(diào)制的解調(diào)原理為了完成整個通信過程，發(fā)送端調(diào)制出的信號必須在接收端通過解調(diào)恢復(fù)出原始模擬信號。M 信號的解調(diào)比較簡單，用一個和本地解碼器一樣的積分器即可。在接收端和發(fā)送端的積分器一般都是一個 RC 積分器。解調(diào)過程就是圖 43 中的積分過程。當積分器輸入“1”碼時，積分器輸出產(chǎn)生一個正斜變的電壓并上升一個量化臺階 ；而當輸

12、入“0”碼時，積分器輸出電壓就下降一個量化臺階 。為了保證解調(diào)質(zhì)量，對解碼器有兩個要求：（1）每次上升或下降的大小要一致，即正負斜率大小一樣。（2）解碼器應(yīng)具有“記憶”功能，即輸入為連續(xù)“1”或“0”碼時，輸出能連續(xù)上升或下降。對積分器的輸出信號進行低通濾波，濾除波形中的高頻成分，即可得到與原始模擬信號十分近似的解調(diào)信號，如圖 4 所示圖 4 增量調(diào)制譯碼(解調(diào))示意示Po(t)f (t)fo(t)(a) ()t0f (t)(b) fo(t)6 程序調(diào)試與測試Ts=1e-3;t=0:Ts:20*Ts;x=sin(2*pi*50*t)+0.5*sin(2*pi*150*t);delta=0.4;

13、D(1+length(t)=0;for k=1:length(t) e(k)=x(k)-D(k); e_q(k)=delta*(2*(e(k)=0)-1); D(k+1)=e_q(k)+D(k); codeout(k)=(e_q(k)0);endsubplot(3,1,1);plot(t,x,-o);axis(0 20*Ts,-2 2);hold on;subplot(3,1,2);stairs(t,codeout);axis(0 20*Ts,-2 2);Dr(1+length(t)=0;for k=1:length(t) eq(k)=delta*(2*codeout(k)-1); xr(k)

14、=eq(k)+Dr(k); Dr(k+1)=xr(k);endsubplot(3,1,3);stairs(t,xr);hold on;subplot(3,1,3);plot(t,x);采用 Simulink 基本模塊實現(xiàn)和采用 DPCM 編解碼模塊實現(xiàn)。仿真測試模型如圖（6）所示。仿真步進設(shè)置為 0.001s，模型中所有需要設(shè)置采樣時間的地方均設(shè)置采樣時間為0.001s。在增量調(diào)制部分，Relay 模塊作為量化器適應(yīng)，其門限設(shè)置為 0，輸出值分別設(shè)置為 0.4 和-0.4；Relay 作為編碼器使用，其門限設(shè)置為 0，輸出值設(shè)置為 1 和 0；解碼端Relay2 模塊作為解碼器使用，其門限設(shè)置

15、為 0.5，輸出值分別為 0.4 和-0.4；使用單位延時器 Unit Delay 作為預(yù)測濾波器，初始狀態(tài)均設(shè)置為零。使用 DPCM 編解碼模塊進行等價實現(xiàn)，DPCM 編碼模塊的設(shè)置是，預(yù)測器分子系數(shù)為0,1，分母系數(shù)是 1，量化分割值為 0，碼書為-0.4,0.4，解碼器與編碼器設(shè)置相同。仿真時間設(shè)置為 0.02s，即仿真前 20 個采樣點。仿真結(jié)果如圖（7）所示，采用 Simulink基本模塊實現(xiàn)的解碼結(jié)果與編程法得到的波形相同。但是，由于初始值設(shè)置問題，采用DPCM 編解碼模塊得出的解碼結(jié)果與采用 Simulink 基本模塊實現(xiàn)的解碼結(jié)果在起始部分稍有不同，隨著仿真時間的增加，兩者輸出

16、結(jié)果相同。圖 6 增量調(diào)制編碼仿真測試模型其中 f(u)=sin(2*pi*50*u)+0.5*sin(2*pi*150*u)7 結(jié)果分析程序執(zhí)行結(jié)果如圖 5 所示。從圖中原信號和解碼結(jié)果對比看，在輸入信號變化平緩的部分，編碼器輸出 1、0 交替碼，相應(yīng)的解碼結(jié)果以正負階距交替變化，形成顆粒噪聲，稱空載失真；在輸入信號變化過快的部分，解碼信號因不能跟蹤上信號的變化而引起斜率過載失真。量化階距越小，則空載失真就越小，但是容易發(fā)生過載失真；反之，量化階距增大，則斜率過載失真減小，但空載失真增大。如果量化階距能根據(jù)信號的變化緩急自適應(yīng)調(diào)整，則可以兼顧優(yōu)化空載失真和過載失真，這就是自適應(yīng)增量調(diào)制的意思

17、。圖 5 增量調(diào)制編碼解碼波形仿真結(jié)果（一）波形解析：第一個圖形是原信號及離散樣值第二個圖形是編碼輸出二進制序列的波形第三個圖形解碼結(jié)果和信號波形對比0.0040.006 為空載失真部分0.0090.012 為過載失真部分圖 7 增量調(diào)制編碼解碼波形仿真結(jié)果（二）8 增量調(diào)制存在的問題增量調(diào)制盡管有前面所述的不少優(yōu)點，但它也有兩個不足：一個是一般量化噪聲問題;另一個是過載噪聲問題。兩者可統(tǒng)一稱為量化噪聲。觀察圖 1 可以發(fā)現(xiàn)，階梯曲線（調(diào)制曲線）的最大上升和下降斜率是一個定值，只要增量 和時間間隔 t 給定，它們就不變。那么，如果原始模擬信號的變化率超過調(diào)制曲線的最大斜率，則調(diào)制曲線就跟不上原

18、始信號的變化，從而造成誤差。我們把這種因調(diào)制曲線跟不上原始信號變化的現(xiàn)象叫做過載現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的波形失真或者信號誤差叫做過載噪聲。另外，由于增量調(diào)制是利用調(diào)制曲線和原始信號的差值進行編碼，也就是利用增量進行量化，因此在調(diào)制曲線和原始信號之間存在誤差，這種誤差稱為一般量化誤差或一般量化噪聲。兩種噪聲示意圖如圖 8 所示。 圖 8 兩種量化噪聲示意圖 仔細分析兩種噪聲波形我們發(fā)現(xiàn)，兩種噪聲的大小與階梯波的抽樣間隔 t 和增量 有關(guān)。我們定義 K 為階梯波一個臺階的斜率 式中,fs 是抽樣頻率。該斜率被稱為最大跟蹤斜率。當信號斜率大于跟蹤斜率時，稱為過載條件，此時就會出現(xiàn)過載現(xiàn)象；當信號斜率等于跟蹤

19、斜率時，稱為臨界條件；當信號斜率小于跟蹤斜率時，稱為不過載條件?？梢姡ㄟ^增大量化臺階（增量） 進而提高階梯波形的最大跟蹤斜率，就可以減小過載噪聲；而降低 則可減小一般量化噪聲。顯然，通過改變量化臺階進行降噪出現(xiàn)了矛盾，因此， 值必須兩頭兼顧，適當選取。不過，利用增大抽樣頻率（即減小抽樣時間間隔 t），卻可以“左右逢源”，既能減小過載噪聲，又可降低一般量化噪聲。因此，實際應(yīng)用中，M 系統(tǒng)的抽樣頻率要比 PCM 系統(tǒng)高得多（一般在兩倍以上，對于話音信號典型值為 16kHz 和 32kHz）。ttf (t)f (t)n(t)n(t)f (t)f (t)sKft圖 5 增量調(diào)制編碼解碼波形仿真結(jié)果（一）波形解析：第一個圖形是原信號及離散樣值第二個圖形是編碼輸出二進制序列的波形第三個圖形解碼結(jié)果和信號波形對比0.0040.006 為空載失真部分0.0090.012 為過載失真部分9 總結(jié)由于基礎(chǔ)不扎實，以前 Matlab 并沒怎么學(xué)，這一次用上了，還