模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、 通信原理 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(guò)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(guò)程原理與仿真分析；(2)模擬信號(hào)量化過(guò)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)DPCM編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析。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(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)實(shí)物、圖紙等）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1份，不少于2000字，應(yīng)包含數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)原理、相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、相關(guān)軟件

2、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(xiě)說(shuō)明書(shū)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，20062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，

3、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）：目錄前言11 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸原理21.1 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸21.2 模擬信號(hào)的抽樣21.3 抽樣信號(hào)的量化31.4 脈沖編碼調(diào)制61.5 差分脈沖編碼調(diào)制71.5.1 預(yù)測(cè)編碼 71.5.2 DPCM的基本原理 72 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真92.1 Simulink組件使用介紹92.2 模擬信號(hào)抽樣的設(shè)計(jì)102.3 模擬信號(hào)量化的設(shè)計(jì)112.4 PCM編譯碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)122.5 DPCM編譯碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)133 模擬信號(hào)數(shù)字

4、化傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與分析153.1 模擬信號(hào)抽樣的觀察與分析153.2 模擬信號(hào)量化的觀察與分析163.3 PCM編譯碼系統(tǒng)的觀察與分析173.4 DPCM編譯碼系統(tǒng)的觀察與分析18總結(jié)19參考文獻(xiàn)20通信原理課程設(shè)計(jì)前言1837年，莫爾斯完成了電報(bào)系統(tǒng)，此系統(tǒng)于1844年在華盛頓和巴爾迪摩爾之間試運(yùn)營(yíng)，這可認(rèn)為是電信或者遠(yuǎn)程通信，也就是數(shù)字通信的開(kāi)始。數(shù)字化可從脈沖編碼調(diào)制開(kāi)始說(shuō)起。1937年里夫提出用脈沖編碼調(diào)制對(duì)語(yǔ)聲信號(hào)編碼，這種方法優(yōu)點(diǎn)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(dāng)代代價(jià)太大，無(wú)法實(shí)用化；在第二次世界大戰(zhàn)期間，美軍曾開(kāi)發(fā)并使用24路PCM系統(tǒng)，取得優(yōu)良的保密效果

5、。但在商業(yè)上應(yīng)用還要等到20世紀(jì)70年代。才能取代當(dāng)時(shí)普遍采用的載波系統(tǒng)。我國(guó)70代初期決定采用30路的一次群標(biāo)準(zhǔn)，80年代初步引入商用，并開(kāi)始了通信數(shù)字化的方向。數(shù)字化的另一個(gè)動(dòng)向是計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)能力的強(qiáng)大，并日益被利用，計(jì)算機(jī)之間的信息共享成為進(jìn)一步擴(kuò)大其效能的必需。60年代對(duì)此進(jìn)行了很多研究，其結(jié)果表現(xiàn)在1972年投入使用的阿巴網(wǎng)。由此可見(jiàn)，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)提前到日程上來(lái)，21世紀(jì)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(lái)提

6、出的軟件無(wú)線電技術(shù)，試圖在射頻進(jìn)行模數(shù)，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。1 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸原理1.1 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸是指把模擬信號(hào)先變換為數(shù)字信號(hào)后，再進(jìn)行傳輸。由于與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸有著抗干擾能力強(qiáng)、差錯(cuò)可控等眾多優(yōu)點(diǎn)，因而此技術(shù)越來(lái)越受到重視。模/數(shù)變換是把模擬基帶信號(hào)變換為數(shù)字基帶信號(hào)，盡管后者的帶寬會(huì)比前者大得很多，但本質(zhì)上仍屬于基帶信號(hào)。這種傳輸可直接采用基帶傳輸，或經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)制后再做頻帶傳輸。 s(t)mq(kT) m(kT)m(t)抽樣量化編碼樣圖1-1 模擬信號(hào)數(shù)字化流程圖數(shù)字化包括

7、抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟，如圖1-1所示：抽樣完成時(shí)間離散量化過(guò)程，所得抽樣值m(kT)為PAM信號(hào)；量化完成復(fù)制離散化過(guò)程，所得量化信號(hào)值mq(kT)為多電平PAM信號(hào)；編碼完成多進(jìn)制到二進(jìn)制的變化過(guò)程，所得s(t)是二進(jìn)制編碼信號(hào)。1.2 模擬信號(hào)的抽樣模擬信號(hào)通常是時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)。在一系列離散點(diǎn)上，對(duì)這種信號(hào)抽取樣值稱(chēng)為抽樣，如圖1-2所示。圖中m(t)是一個(gè)模擬信號(hào)，在等時(shí)間間隔T上，對(duì)它抽取樣值。在理論上，抽樣過(guò)程可以看作使用周期性單位沖激脈沖（impulse）和此模擬信號(hào)相乘。抽樣結(jié)果得到的是一系列周期性的沖激脈沖，其面積和模擬信號(hào)的取值成正比。沖激脈沖在圖1-2中用一些箭頭表示

8、，實(shí)際上，是用周期性窄脈沖代替沖激脈沖與模擬信號(hào)相乘。抽樣定理指出：設(shè)一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)m(t)中的最高頻率<fH，則以間隔時(shí)間為T(mén)<1/2fH的周期性沖激脈沖對(duì)它抽樣時(shí)，m(t)將被這些抽樣值所完全確定。由于抽樣時(shí)間間隔相等，所以此定理又成為均勻抽樣定理。設(shè)有一個(gè)最高頻率小于的信號(hào)m(t)，如圖1-2(a)所示。將這個(gè)信號(hào)和周期性單位沖激脈沖相乘。如圖1-2(c)所示，其重復(fù)周期為T(mén)，重復(fù)頻率為fs=1/T。乘積就是抽樣信號(hào)，它是一系列間隔為T(mén)秒的強(qiáng)度不等的沖激脈沖，如圖1-2(e)所示。這些沖激脈沖的強(qiáng)度等于相應(yīng)時(shí)刻上信號(hào)的抽樣值ms(t)，故有（1-1）模擬信號(hào)、沖激脈沖和抽樣

9、信號(hào)的頻譜如圖1-2(b)，(d)，(f)所示。由圖1-2可知：抽樣信號(hào)ms(t)的頻譜就是將原始信號(hào)m(t)的頻譜M()在頻率軸上以采樣角頻率s=2fs為周期進(jìn)行周期延拓后的結(jié)果。由抽樣信號(hào)ms(t)的頻譜Ms()可以看出，如果s>2H（即fs>2fH），那么各相鄰頻移后的頻譜不會(huì)發(fā)生重疊。圖1-2 模擬信號(hào)的抽樣過(guò)程這里就能設(shè)法（如利用低通濾波器）從抽樣信號(hào)的頻譜Ms()中得到原信號(hào)的頻譜，即從取樣信號(hào)ms(t)中恢復(fù)原信號(hào)m(t)，如圖1-3所示。如果s<2H，那么頻移后的各相鄰頻譜將相互重疊，這樣就無(wú)法將它們分開(kāi)，因而也不能再恢復(fù)原信號(hào)。頻譜重疊的這種現(xiàn)象常稱(chēng)為混疊現(xiàn)

10、象。可見(jiàn)，為了不發(fā)生混疊現(xiàn)象，必須滿足s2H。圖1-3 模擬信號(hào)的恢復(fù)1.3 抽樣信號(hào)的量化量化就是把經(jīng)過(guò)抽樣得到的瞬時(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(lái)表示。從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映像成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。如公式1-2所示，量化器輸出L個(gè)量化值yk，k=1，2，3，L。yk常稱(chēng)為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度x落在xk與xk+1之間時(shí)，量化器輸出電平為yk。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為：（1-2）模擬入量化器量化值圖1-4 量化器這里xk稱(chēng)為分層

11、電平或判決閾值。通常k=xk+1-xk稱(chēng)為量化間隔。模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。均勻量化：采用相等的量化間隔對(duì)采樣得到的信號(hào)作量化，那么這種量化稱(chēng)為均勻量化。均勻量化就是采用相同的“等分尺”來(lái)度量采樣得到的幅度，也稱(chēng)為線性量化。量化后的樣本值Y和原始值X的差E=Y-X稱(chēng)為量化誤差或量化噪聲。均勻量化示意圖，如圖1-5所示：圖1-5 均勻量化示意圖用這種方法量化輸入信號(hào)時(shí)，無(wú)論對(duì)大的輸入信號(hào)還是小的輸入信號(hào)一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號(hào)，同時(shí)又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對(duì)話音信號(hào)來(lái)說(shuō)，大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)并不多，增加的樣本位數(shù)就沒(méi)有充分利用。為了克服

12、這個(gè)不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。非均勻量化：非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔v也??；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度（實(shí)際中常常是這樣）時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是壓縮律和

13、A壓縮律。美國(guó)采用壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)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：（1-3）由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用13折線法編碼，壓擴(kuò)特性圖如下圖所示：圖1-6 A律函數(shù)13折線壓擴(kuò)特性圖這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的PCM編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來(lái)進(jìn)行編碼的。表1-1 13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較y01/82/83/84/85/86/87/81A律的x值01/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.98113折線法的x01/1281/641/321/161/81/41/21折線段號(hào)

14、12345678折線斜率161684211/21/4表1-1中第二行的x值是根據(jù)A=87.6時(shí)計(jì)算得到的，第三行的x值是13折線分段時(shí)的值?？梢?jiàn)，13折線各段落的分界點(diǎn)與A律曲線十分逼近，同時(shí)A律按2的冪次分割有利于數(shù)字化。1.4 脈沖編碼調(diào)制所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過(guò)程稱(chēng)為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)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(jìn)制碼組的過(guò)程稱(chēng)為編碼。將模擬信號(hào)的經(jīng)過(guò)抽樣、量化、編碼變換為數(shù)字信號(hào)，然后再傳輸，這種方式稱(chēng)為脈沖編碼調(diào)制(PCM)。PCM原理方框圖如圖1-7所示：PCM信號(hào)抽樣量化編碼信道譯碼低通濾波模

15、擬信號(hào)沖激脈沖干擾模擬信號(hào)輸出圖1-7 PCM原理方框圖在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類(lèi)：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類(lèi)。編碼器的種類(lèi)大體上可以歸結(jié)為三類(lèi)：逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無(wú)論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合13折線的量化來(lái)加以說(shuō)明。表1-2 段落碼段落序號(hào)段落碼段落序號(hào)段落碼81114011711030106101200151001000在13折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用8位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示輸入信號(hào)的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其

16、余七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。具體的做法是：用第二至第四位表示段落碼，它的8種可能狀態(tài)來(lái)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平，如表1-2所示。其它四位表示段內(nèi)碼，它的16種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的16個(gè)均勻劃分的量化級(jí)，如表1-3所示。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級(jí)。 表1-3 段內(nèi)碼量化級(jí)段內(nèi)碼量化級(jí)段內(nèi)碼151111701111411106011013110150101121100401001110113001110101020010910011000181000000001.5 差分脈沖編碼調(diào)制1.5.1 預(yù)測(cè)編碼 預(yù)測(cè)編碼（Pre

17、diction Coding）：是指利用前面的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)對(duì)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差進(jìn)行編碼。預(yù)測(cè)編碼主要是減少了數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，因而對(duì)于時(shí)間序列數(shù)據(jù)有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，例如語(yǔ)音的分析與合成，圖像的編碼與解碼，預(yù)測(cè)編碼已得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。兩種典型的預(yù)測(cè)編碼：差分脈碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM）。預(yù)測(cè)編碼方法分線性預(yù)測(cè)和非線性預(yù)測(cè)編碼方法。線性預(yù)測(cè)編碼方法，也稱(chēng)差值脈沖編碼調(diào)制法，簡(jiǎn)稱(chēng)DPCM（differential Pulse Code Modulation）。 1.5.2

18、DPCM的基本原理 DPCM編碼，簡(jiǎn)稱(chēng)差值編碼，是對(duì)模擬信號(hào)幅度抽樣的差值進(jìn)行量化編碼的調(diào)制方式。這種方式是用已經(jīng)過(guò)去的抽樣值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前的抽樣值，對(duì)它們的差值進(jìn)行編碼。差值編碼可以提高編碼頻率，這種技術(shù)已應(yīng)用于模擬信號(hào)的數(shù)字通信之中。 舉例說(shuō)明DPCM編碼原理：設(shè)DPCM系統(tǒng)預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)值為前一個(gè)樣值，假設(shè)輸入信號(hào)已經(jīng)量化，差值不再進(jìn)行量化。若系統(tǒng)的輸入為0 1 2 1 1 2 3 3 4 4 ，則預(yù)測(cè)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(shù)進(jìn)行編碼。 差分脈

19、沖編碼調(diào)制方式的主要特點(diǎn)是把增量值分為多個(gè)等級(jí)，然后把多個(gè)不同等級(jí)的增量值編為位二進(jìn)制代碼m(t )再送到信道傳輸，因此，它兼有增量調(diào)制和PCM的各自特點(diǎn)。設(shè)這個(gè)誤差電壓經(jīng)過(guò)量化后變?yōu)閭€(gè)電平中的一個(gè)，電平間隔可以相等，也可以不等，這里認(rèn)為它是間隔相等的均勻量化。量化了的誤差電壓經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制器變?yōu)镻AM脈沖序列，這個(gè)PAM信號(hào)一方面經(jīng)過(guò)PAM編碼器編碼后得到DPCM信號(hào)發(fā)送出去。另一方面把它經(jīng)過(guò)積分器后變?yōu)榕c輸入信號(hào)x(t)進(jìn)行比較，通過(guò)相減器得到誤差電壓e(t)。   實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)DPCM調(diào)制后的信號(hào)，其傳輸?shù)谋忍芈室萈CM的低，相應(yīng)要求的系統(tǒng)傳輸帶

20、寬也大大地減小了。此外，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(diào)制（M）相比，由于它增多了量化級(jí)，因此，在改善量化噪聲方面優(yōu)于M系統(tǒng)。DPCM的缺點(diǎn)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M。 DPCM編碼是廣泛運(yùn)用的預(yù)測(cè)編碼方法之一。在DPCM編碼中，每個(gè)抽樣值不是獨(dú)立的編碼，而是將前一個(gè)抽樣值當(dāng)做預(yù)測(cè)值，然后再取當(dāng)前抽樣值和預(yù)測(cè)值之差進(jìn)行編碼并傳輸。DPCM譯碼同樣是將前一個(gè)值當(dāng)做預(yù)測(cè)值，然后取當(dāng)前值與預(yù)測(cè)值之差進(jìn)行解碼，將一個(gè)個(gè)脈沖碼組轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的量化采樣值，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器重建原模擬信號(hào)。DPCM系統(tǒng)原理方框圖如圖1-8所

21、示：抽樣量化器編碼器信道譯碼器延遲Ts延遲Ts圖1-8 DPCM系統(tǒng)原理方框圖2 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真2.1 Simulink組件使用介紹美國(guó)Mathworks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)室“Matrix Laboratory”（縮寫(xiě)為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。開(kāi)發(fā)的最早的目的是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課和學(xué)習(xí)。從Matlab誕生開(kāi)始，由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性，在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便，能非?？斓膶?shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大的節(jié)約了科研人員的時(shí)間，受到了大多數(shù)科研人員的支持，經(jīng)過(guò)一代代人的努力，目前已發(fā)展到了7.X版本。Matlab是一種

22、解釋性執(zhí)行語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便，尤其是世界上有成千上萬(wàn)的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過(guò)程中擴(kuò)充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識(shí)寶庫(kù)。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面，它可以像VB等語(yǔ)言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶接口，同時(shí)因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫(kù)（工具箱），所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外，Matlab和其它高級(jí)語(yǔ)言也具有良好的接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與其它語(yǔ)言的混合編程，進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力?？梢哉f(shuō)，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一，掌握這門(mén)工具對(duì)學(xué)習(xí)各門(mén)學(xué)科有非常重要的

23、推進(jìn)作用。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，也是目前在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一。確切的說(shuō)，Simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jìn)程的。Simulink工作環(huán)境經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界用來(lái)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(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型圖就如同用手在紙上畫(huà)模型一樣自如、方便，故用戶只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖動(dòng)就能完成建模，并可直接進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，快速

24、的得到仿真結(jié)果。它的主要特點(diǎn)在于建模方便、快捷，易于進(jìn)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(diǎn)。Simulink模塊庫(kù)（或函數(shù)庫(kù)）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(shù)運(yùn)算的Simulink庫(kù)模塊（或庫(kù)函數(shù)），而且每個(gè)子模型庫(kù)中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建

25、模型。用戶可以從最高級(jí)開(kāi)始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類(lèi)推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過(guò)Simulink的菜單或Matlab的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其它的顯示模塊，可以在仿真進(jìn)行的同時(shí)就可立即觀看到仿真結(jié)果，若改變模塊的參數(shù)并再次運(yùn)行即可觀察到相應(yīng)的結(jié)果，這適用于因果關(guān)系的問(wèn)題研究。仿真的結(jié)果還可以存放到Matlab的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和整理工具，Ma

26、tlab的所有工具及Simulink本身的應(yīng)用工具箱都包含這些工具。由于Matlab和Simulink的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離Matlab而獨(dú)立工作。電子設(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(kù)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(guò)參數(shù)設(shè)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。2.2 模擬信號(hào)抽樣的設(shè)計(jì)圖2-1 模擬信號(hào)抽樣設(shè)計(jì)圖根據(jù)抽樣定理的內(nèi)容，對(duì)抽樣過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算器中所處理的信號(hào)本質(zhì)上不能是模擬

27、信號(hào)，為了在計(jì)算器中近似表示模擬信號(hào)，可以減小對(duì)模擬信號(hào)的模擬步進(jìn)，也就是把高模擬抽樣率下的信號(hào)近似地看作模擬信號(hào)。此次模擬信號(hào)最高頻率設(shè)為200Hz，可將模擬步進(jìn)設(shè)為0.00025秒，即系統(tǒng)模擬采樣率4000次/秒，這樣，可模擬計(jì)算的信號(hào)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(gè)周期占10個(gè)模擬采樣點(diǎn)。在產(chǎn)生抽樣窄脈沖串時(shí)，可在其一個(gè)周期內(nèi)設(shè)置其中1個(gè)樣點(diǎn)為高電平，其余點(diǎn)為低電平。通過(guò)乘法器來(lái)仿真抽樣過(guò)程。模擬基帶信號(hào)以Random number模塊產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)再通過(guò)模擬低通濾波器得出，隨機(jī)信號(hào)抽樣時(shí)間設(shè)為1/200，濾波器的截止頻率設(shè)為20

28、0Hz。采樣輸出信號(hào)通過(guò)另一個(gè)低通濾波器濾波來(lái)恢復(fù)模擬信號(hào)，其濾波截止頻率設(shè)為200Hz，為使之接近理想低通特性，可將濾波器階數(shù)設(shè)的高些，如設(shè)為10階。最后通過(guò)示波器觀察各信號(hào)的波形。雙擊示波器設(shè)置示波器的參數(shù)，單擊示波器Scope界面左上角第二個(gè)Parameters鍵，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)：在General頁(yè)面的Numbers of Axes項(xiàng)中設(shè)置需要觀察的波形路數(shù)?；鶐盘?hào)的采樣定理是指，對(duì)于一個(gè)頻譜寬度限制于BHz的基帶連續(xù)時(shí)間信號(hào)，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(duì)基帶仿真信號(hào)均勻采樣，那么所得到的樣

29、值序列就包含了基帶信號(hào)的全部信息，換句話說(shuō)，就是通過(guò)該序列可以無(wú)失真地重建對(duì)應(yīng)的基帶仿真信號(hào)。如果采樣率低于基帶信號(hào)最高頻率的2倍，那么采樣輸出序列的頻譜就會(huì)發(fā)生交迭，從而無(wú)法恢復(fù)原基帶仿真信號(hào)。2.3 模擬信號(hào)量化的設(shè)計(jì)圖2-2 模擬信號(hào)量化設(shè)計(jì)圖A律PCM數(shù)字電話系統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，參數(shù)A=87.6。Simulink通信模塊庫(kù)中提供了A-Law Compressor、A-Law Expander來(lái)實(shí)現(xiàn)A律壓縮擴(kuò)張計(jì)算。仿真模型如圖2-2所示，其中量化器的量化級(jí)為8，級(jí)數(shù)值設(shè)為1/8。A-Law Compressor模塊和A-Law Expander模塊的A律壓縮系數(shù)為87.6。輸入信號(hào)為0.5

30、Hz的鋸齒波，幅度為1。增益Gain為-1。壓縮系數(shù)為87.6的A律壓縮擴(kuò)張曲線可以用折線來(lái)近似。其中靠近原點(diǎn)的4段折線的斜率相等，可視為一段，因此總折線數(shù)為13段，故稱(chēng)13段折線近似。用Simulink中的Lookup Table查表模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)13段折線近似的壓縮擴(kuò)張計(jì)算的建模，其中，壓縮模塊的輸入值向量設(shè)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(shè)置為-1，-7/8，-6/8，-5/8，-4/8，-3/8，-2/8，-1/8，0，1/8，2/8，3/8，4

31、/8，5/8，6/8，7/8，1，擴(kuò)張模塊的設(shè)置與壓縮模塊的設(shè)置相反。最后A律與13折線仿真結(jié)果相似。2.4 PCM編譯碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-3 PCM解碼器、解碼器設(shè)計(jì)圖限制信號(hào)變化范圍，設(shè)置Saturation的參數(shù)-1到1。設(shè)置繼電器，在兩個(gè)常數(shù)中選出一個(gè)作為輸出，Output when on設(shè)為1，Output when on設(shè)為0，Sample time值設(shè)為0.001，以后此值也如此設(shè)置。輸入輸出絕對(duì)值，Sample time值設(shè)為0.001。增益設(shè)置，即將模塊的輸入乘以一個(gè)數(shù)值，為127。比特輸出設(shè)置輸出為7bit，混合器mux設(shè)為7。其中以Saturation作為限幅器，講輸入信號(hào)

32、幅值限定在PCM定義的范圍內(nèi)，Relay模塊的門(mén)限設(shè)置為0，其輸出可作為PCM編碼輸出的最高位極性碼。樣值取絕對(duì)值后，以上圖所示的查表模塊進(jìn)行13折線壓縮，并用增益模塊將樣值范圍放大到0到127內(nèi)，然后用間距為1的量化器進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7bit二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位?？梢詫⒃撃Ｐ椭刑摼€所圍部分封裝為一個(gè)PCM編碼子系統(tǒng)備用。PCM譯碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位（極性碼）和7位數(shù)據(jù)，然后將7bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化、擴(kuò)張后與雙極性的極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(gè)PCM譯碼子系統(tǒng)備用。圖2-4 串行的PCM編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)PC

33、M編碼輸出經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道。在解碼端信道輸出的碼流經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后送入PCM譯碼，之后輸出譯碼結(jié)果并顯示波形。模型中沒(méi)有對(duì)PCM解碼結(jié)果作低通濾波處理，但實(shí)際系統(tǒng)中PCM譯碼輸出總是經(jīng)過(guò)低通濾波后送入揚(yáng)聲器的。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，使其產(chǎn)生一個(gè)正弦波。對(duì)Zero-Oder-Hold設(shè)置，實(shí)現(xiàn)一個(gè)采樣周期的零階保持。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)DPCM編碼、數(shù)碼轉(zhuǎn)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(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。把數(shù)據(jù)打成幀格式，對(duì)一下模塊進(jìn)行設(shè)置，選擇frame based。對(duì)緩沖器進(jìn)行設(shè)置output值為1。二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道設(shè)置，誤碼率為0.01，以觀察信道誤碼對(duì)

34、PCM傳輸?shù)挠绊?。?duì)緩沖器進(jìn)行設(shè)置output值為8。2.5 DPCM編譯碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2-5 DPCM編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Simulink通信模塊庫(kù)中提供了DPCM編碼譯碼模塊DPCM Encoder和DPCM Decoder。正弦波信號(hào)發(fā)生器種類(lèi)設(shè)為time based，幅度為3，頻率為1，抽樣時(shí)間為0.1。對(duì)DPCM編碼模塊，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，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 co

35、debook為-3 -2 -1 0 1 2 3，抽樣時(shí)間為0.1。進(jìn)行完模擬信號(hào)的DPCM編碼后，就將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為了數(shù)字信號(hào)，此時(shí)的數(shù)字信號(hào)是以整數(shù)的形式表示的。對(duì)DPCM解碼模塊設(shè)置，此模塊的作用就是對(duì)經(jīng)過(guò)差分脈沖編碼調(diào)制的信號(hào)進(jìn)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(shí)間為0.1。3 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與分析3.1 模擬信號(hào)抽樣的觀察與分析圖3-1 模擬信號(hào)、沖激脈沖波形圖3-2 原信號(hào)與采樣信號(hào)、恢復(fù)信號(hào)波形在圖3-1、圖3-2中，依次是原始輸入信號(hào)、沖激脈沖、抽樣之后的波形、恢復(fù)之后的波形。從時(shí)域仿真結(jié)果看，恢復(fù)波形與原信號(hào)波形之間的區(qū)別僅僅是幅度比例和一定的延時(shí)，波形形狀是無(wú)失真的。3.2 模擬信號(hào)量化的觀察與分析圖3-3 輸入信號(hào)、壓縮器輸出信號(hào)如圖3-3所示：第一個(gè)波形顯示的是輸入信號(hào)波形，第二個(gè)