模擬調(diào)制系統(tǒng)中FM的調(diào)制與解調(diào)

1、通信原理課程設(shè)計(jì)1.緒論1.1 模擬通信系統(tǒng)概述隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對(duì)傳遞消息的要求越來(lái)越高，通信，則承載著這個(gè)重要的任務(wù)。通信中要進(jìn)行消息的傳遞，必須有發(fā)送者和接收者，發(fā)送者和接收者可以是人也可以是各種通信終端設(shè)備。換言之，通信可以在人與人之間，也可以在人與機(jī)器活機(jī)器與機(jī)器之間進(jìn)行。必須有三大部分：一是發(fā)送端；二是接收端；三是收發(fā)兩端之間的信道。通信系統(tǒng)主要分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)通常由模擬信息源，調(diào)制器，信道，解調(diào)器與收信者組成。模型如下：圖1-1 模擬通信系統(tǒng)模型圖模擬通信在信道中傳輸?shù)男盘?hào)頻譜比較窄，因此可通過(guò)多路復(fù)用使信道的利用率提高，但它的缺點(diǎn)是: 1)傳

2、輸?shù)男盘?hào)是連續(xù)的，疊加噪聲干擾后不易消除，即抗干擾能力較差; 2)不易保密通信; 3)設(shè)備不易大規(guī)模集成; 4)不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求1.2 模擬信號(hào)調(diào)制解調(diào)模擬通信系統(tǒng)中，調(diào)制與解調(diào)是通信系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，它使信號(hào)發(fā)生本質(zhì)性的變化。本文主要對(duì)線性調(diào)制（AM,DSB,SSB）與非線性調(diào)制(FM,NBFM)的信號(hào)產(chǎn)生（調(diào)制）與接受（解調(diào)）的基本原理，方法技術(shù)加以討論，并通過(guò)System View仿真驗(yàn)證常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM），雙邊帶調(diào)幅（DSB），單邊帶調(diào)幅（SSB），頻率調(diào)制（FM），窄帶頻率調(diào)制（NBFM）。通過(guò)此軟件觀察信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程，并對(duì)輸出波形進(jìn)行分析。模擬調(diào)制和解調(diào)是

3、實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)模擬通信系統(tǒng)的重要組成部分。調(diào)制是將原始電信號(hào)變換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?hào)；解調(diào)是在接收端將信道中傳輸?shù)男盘?hào)還原成原始的電信號(hào)；經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)成為已調(diào)信號(hào);發(fā)送端調(diào)制前和接收端解調(diào)后的信號(hào)成為基帶信號(hào)。因此，原始電信號(hào)又稱為基帶信號(hào)，而已調(diào)信號(hào)又稱為頻帶信號(hào)。 模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)是通信原理課程的經(jīng)典內(nèi)容，也是模擬通信時(shí)代的核心技術(shù)。雖然當(dāng)代技術(shù)已發(fā)展為數(shù)字通信新時(shí)代，但模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)理論仍然是通信技術(shù)中的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。1.3仿真軟件簡(jiǎn)介1.3.1 System View軟件介紹1)System View是美國(guó)ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析

4、的可視化軟件工具。它界面友好，使用方便。2)System View是一個(gè)信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具盒，能滿足從數(shù)字信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì)、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)，仿真要求。它可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各種線性、非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。3)System View以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個(gè)嵌入式的分析引擎。使用System View你只需要關(guān)心項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思想和過(guò)程，而不必花費(fèi)大量的時(shí)間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。用戶只需要使用鼠標(biāo)器點(diǎn)擊圖標(biāo)即可

5、完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試，而不必學(xué)習(xí)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序編制，也不必?fù)?dān)心程序中是否存在編程錯(cuò)誤。1.3.2 System View仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)1)能仿真大量的應(yīng)用系統(tǒng)2)快速方便的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真3)在報(bào)告中方便地加入System View的結(jié)論4)提供基于組織結(jié)構(gòu)圖方式的設(shè)計(jì)5)多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)6)完備的濾波器和線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)7)先進(jìn)的信號(hào)分析和數(shù)據(jù)塊處理8)可擴(kuò)展性9)完善的自我診斷功能。System View是一個(gè)用于電路與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真的動(dòng)態(tài)分析工具,它實(shí)現(xiàn)了功能的軟件化,避開了復(fù)雜的硬件搭建,在不具備先進(jìn)儀器的條件下同樣也能完成復(fù)雜的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真.本文利用Syste

6、m View軟件設(shè)計(jì)模擬調(diào)制和解調(diào)電路,通過(guò)分析其輸入輸出。1.3.3 Multisim簡(jiǎn)介Multisim軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的 EDA 工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具， Multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問(wèn)題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。1.3.4Multisim軟件特點(diǎn)(1)直觀的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試

7、儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫(kù)：Multisim大大擴(kuò)充了EWB的元器件庫(kù)， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、TTL和CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC及其他各種部件，且用戶可通過(guò)元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過(guò)liT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。(3)豐富的測(cè)試儀器：除EWB具備的數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜

8、分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與EWB不同的是：所有儀器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。(4)完備的分析手段：除了EWB提供的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)一零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基本上能滿足一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。(5)強(qiáng)大的仿真能力：Multisim 既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其是新增了射頻(RF) 電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果

9、可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。2.設(shè)計(jì)題目2.1模擬調(diào)制系統(tǒng)中FM的調(diào)制與解調(diào)要求：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)和電路級(jí)的仿真結(jié)果并同時(shí)給出過(guò)程分析和說(shuō)明，并按照學(xué)校要求撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，提交電子版和紙質(zhì)的說(shuō)明書及源程序代碼或文件。 備注：此題為傳統(tǒng)的廣播，電視通信系統(tǒng)中主要通信技術(shù)的原理的驗(yàn)證及仿真，除了進(jìn)行MATLAB或SystemView環(huán)境下的系統(tǒng)仿真，還要進(jìn)行Multsim、Pspice環(huán)境下的電路級(jí)仿真。得分與仿真的數(shù)量的質(zhì)量成正比。2.2 PCM編譯碼。PCM編譯碼原理和基帶信號(hào)的形成過(guò)程要求：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)和電路級(jí)的仿真結(jié)果并同時(shí)給出過(guò)程分析和說(shuō)明，并按照學(xué)校要求撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，提交電子版和紙質(zhì)的說(shuō)明書及

10、源程序代碼或文件。備注：此為傳統(tǒng)PSTN電話網(wǎng)中語(yǔ)音模擬信號(hào)數(shù)字化后的基帶數(shù)字信號(hào)格式，比較編譯碼前后信號(hào)的差異，并和增量調(diào)制信號(hào)做比較。3.頻率調(diào)制系統(tǒng)部分3.1 角度調(diào)制基本概念角度調(diào)制與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號(hào)頻譜不再是原調(diào)制信號(hào)頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會(huì)產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調(diào)制。角度調(diào)制可分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）,即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號(hào)變化的調(diào)制方式。如果載波的頻率變化量與調(diào)制信號(hào)電壓成正比，則稱為調(diào)頻（FM）；如果載波的相位變化量與調(diào)制信號(hào)電壓成正比，則稱為調(diào)相（PM）。由于載波頻率的變化和相位的變化都

11、表現(xiàn)為載波總相角的變化，因此將調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為調(diào)角。本節(jié)將介紹頻率調(diào)制（FM）。3.2 頻率調(diào)制（FM）3.2.1 FM的調(diào)制與解調(diào)原理1)調(diào)制原理:角度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)角度（頻率或相位）變化的一種信號(hào)變換方式，信號(hào)經(jīng)過(guò)角度調(diào)制后，頻率結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。也就是說(shuō)，比如在調(diào)頻信號(hào)中，載波信號(hào)的頻率隨著基帶調(diào)制信號(hào)的幅度變化而變化。調(diào)制信號(hào)幅度變大時(shí)，載波信號(hào)的頻率也變大（或變小），調(diào)制信號(hào)幅度變小時(shí)，載波信號(hào)的頻率也變小（或變大）；在角度調(diào)制中，載波的幅度保持不變。在模擬調(diào)制中，一個(gè)連續(xù)波有三個(gè)參數(shù)可以用來(lái)攜帶信息而構(gòu)成已調(diào)信號(hào)。當(dāng)幅度和相位保持不變時(shí)，改變載波的頻率使之隨未調(diào)信號(hào)的

12、大小而改變，這就是調(diào)頻的概念。角度調(diào)制的一般原理:其中:為已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位（rad）為已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位偏移（rad）為已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率（rad/s）為已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率偏移（rad/s）頻率調(diào)制（FM）即已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率偏移隨原始基帶信號(hào)線性變化，亦即： ，其中為調(diào)頻靈敏度或有 其中，A 是載波的振幅，是角度調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位，而是瞬時(shí)相位偏移;為信號(hào)的瞬時(shí)頻率，而稱為瞬時(shí)頻率偏移，即相對(duì)于的瞬時(shí)頻率偏移。其框圖如下圖所示：圖 3-1頻率調(diào)制系統(tǒng)框圖2)解調(diào)原理:頻率調(diào)制的非相干解調(diào)（鑒頻法）鑒頻器的作用是輸出一個(gè)與輸入信號(hào)頻率成線性關(guān)系的信號(hào)，包括斜率鑒頻器、鎖相環(huán)鑒頻器、頻率

13、負(fù)反饋解調(diào)器等類型，理想鑒頻器可以等效成帶微分器的包絡(luò)檢波器。 圖3-2 頻率調(diào)制鑒頻法原理圖r過(guò)微分器：解調(diào)輸出：其中：為鑒頻器靈敏度鑒頻器的缺點(diǎn)是對(duì)信道噪聲以及其他因素引起的已調(diào)信號(hào)幅度畸變有反應(yīng)，故常在鑒頻器前加限幅器和帶通濾波器。在小信噪比情況下，由于鑒頻器的非線性解調(diào)作用，F(xiàn)M信號(hào)的解調(diào)存在門限效應(yīng)。FM解調(diào)器就是所謂的積分鑒頻器或積分檢波器。如下圖所示， 圖3-3 FM解調(diào)器原理圖輸入的調(diào)頻信號(hào)被連接到乘法器的一個(gè)輸入端。經(jīng)過(guò)一個(gè)耦合電容與一個(gè)LC并聯(lián)諧振回路組成的移相電路產(chǎn)生正交信號(hào)，作為乘法器的另一個(gè)輸入。電容及諧振回路的相移可以用簡(jiǎn)單的延遲電路來(lái)產(chǎn)生。該延遲電路可以產(chǎn)生相當(dāng)于

14、載波信號(hào)四分之一周期的延遲。4. 仿真模型4.1 系統(tǒng)級(jí)仿真本模型是將一個(gè)聲音文件（.WAV）表示的信號(hào)通過(guò)FM調(diào)制，再經(jīng)過(guò)一個(gè)具有高斯噪聲的信道傳輸，然后用延遲積分鑒頻器將聲音解調(diào)出來(lái)。4.1.1仿真電路原理圖圖4-1 設(shè)計(jì)模型圖4.1.2模塊說(shuō)明及參數(shù)設(shè)置：(1) 模塊0：Source Library說(shuō)明：該模塊是一個(gè)信號(hào)源，通過(guò)外部文件輸入一個(gè).wav的音頻信號(hào)，然后被系統(tǒng)重新采樣3倍后輸出。 WAV 1ch：Windows XP 電話撥入聲.wav16-bit WAV 1channel 16位的1聲道wav文件Audio Rate=22050Hz 音頻22050HzAudio Play

15、er=Off 關(guān)閉播放器Pad=3 samples 每節(jié)拍3倍采樣頻率Pad with last valueStart sample=1 Token=0(2) 模塊5：Operator Library說(shuō)明：該模塊是一個(gè)巴特沃思低通濾波器，截止頻率為5000Hz，將輸入的波形濾掉高頻部分后輸出。 Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 3 PloesFc=5000Hz 截止頻率為 5000HzQuant bits=none Init cndtn=TransientDsp mode disabled 數(shù)字調(diào)制Toke5(3) 模塊1：Function Library說(shuō)

16、明：該模塊是一個(gè)FM調(diào)制器，將輸入的信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，從而獲得10倍的增益輸出。Freq modAmp=1v 振幅為1vFreq=5000Hz 頻率為5000HzPhase=0 degMod Gain=10 Hz/v 調(diào)制增益為 10Hz/V Output 0=quadrature(sin) t6 Output 1=In-Phase(Cos)Token1(4) 模塊7：Gauss Noise說(shuō)明：該模塊是一個(gè)加噪模塊，給信道中加入高斯噪聲，模擬實(shí)際生活中的信號(hào)傳輸。Std Dev=0.001v 標(biāo)準(zhǔn)差為0.001v Mean=0v 均值是0vToken 1(5) 模塊9：Multiplier

17、說(shuō)明：該模塊是一個(gè)乘法器，將輸入的信號(hào)相乘后輸出。Non ParametircInputs from 6 and 8 輸入信號(hào)為 模塊6到8的輸出Outputs to 10 輸出到模塊10 Token 9(6) 模塊8：Operator Library說(shuō)明：該模塊是一個(gè)延遲模塊，根據(jù)積分鑒頻器的原理，給輸入信號(hào)一個(gè)250ms的延遲，然后輸出DelayInterpolatingDelay=250e-6 sec 250ms的延遲Output 0= delay t9 輸出0 Output 1= delay-dt 輸出1Token 8(7) 模塊2：Sink Library說(shuō)明：該模塊是一個(gè)音頻信號(hào)輸

18、出模塊，積分鑒頻器最后解調(diào)出來(lái)的信號(hào)通過(guò)一個(gè)巴特沃思濾波器濾波后輸出到該模塊，最后以音頻文件的形式輸出。Received voiceWav 1ch:VoiceOut.wav8-bit Wav 1 channel 8位的1聲道wav波形Audio rate=(set at run time)Audio player=on 打開播放器Input from t4 output port 0 t4端口輸入，0口輸出Token 24.1.3仿真結(jié)果分析圖4-2 X(t)處的時(shí)域波形圖圖 4-3 X(t)處的頻域波形圖圖 4-4 Xc(t)的時(shí)域波形圖圖 4-5 Xc(t) 的頻域波形圖 4-6 N(t)

19、的時(shí)域波形圖圖 4-7 Xc(t)+N(t)的時(shí)域波形圖圖 4-8解調(diào)后未濾波波形圖圖 4-9 X(t)的時(shí)域波形圖圖 4-10 X(t)的頻域波形圖通過(guò)對(duì)仿真圖形分析可以得出，這次仿真中，輸入與輸出有輕微失真，其原因可以概括為兩點(diǎn)：（1）所選波形文件頻率與參數(shù)設(shè)置匹配沒(méi)有理論上理想，導(dǎo)致解調(diào)輪廓出現(xiàn)少量失真；（2）該波形文件受高斯白噪聲的影響太大，以致解調(diào)輸出波形出現(xiàn)輕微失真。4.2 FM調(diào)制與解調(diào)4.2.1FM的調(diào)制直接調(diào)頻電路的振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低,而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路, 調(diào)頻范圍又太窄。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決這個(gè)矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖4-11 所示。圖4-11鎖相環(huán)鑒頻原理

20、框4.2.2FM的解調(diào)用鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào), 其原理框圖如圖4-12 所示。為了實(shí)現(xiàn)不失真的解調(diào), 要求鎖相環(huán)的捕捉帶必須大于調(diào)頻波的最大頻偏, 環(huán)路帶寬必須大于調(diào)頻波中輸入信號(hào)的頻譜寬度。 圖4-12鎖相環(huán)鑒頻原理框圖4.3 仿真結(jié)果及分析4.3.1調(diào)頻仿真根據(jù)圖4-1建立的調(diào)頻仿真電路如圖4-13所示。圖中,設(shè)置壓控振蕩器V1 在控制電壓為0 時(shí), 輸出頻率為0; 控制電壓為5V 時(shí), 輸出頻率為50kHz。這樣, 實(shí)際上就選定了壓控振蕩器的中心頻率為25kHz, 為此設(shè)定直流電壓V3 為2. 5V。調(diào)制電壓V4 通過(guò)電阻R5 接到V CO 的輸入端, R5 實(shí)際上是作為調(diào)制信號(hào)源

21、V4 的內(nèi)阻, 這樣可以保證加到VCO 輸入端的電壓是低通濾波器的輸出電壓和調(diào)制電壓之和, 從而滿足了原理圖的要求。本電路中, 相加功能也可以通過(guò)一個(gè)加法器來(lái)完成, 但電路要變得相對(duì)復(fù)雜一些。圖4-13鎖相環(huán)調(diào)頻的仿真電路VCO 輸出波形和輸入調(diào)制電壓V4 的關(guān)系如圖4-14所示。由圖可見, 輸出信號(hào)頻率隨著輸入信號(hào)的變化而變化, 從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻功能。圖4-14鎖相環(huán)調(diào)頻實(shí)驗(yàn)波形4.3.2鑒頻仿真圖4-15相應(yīng)鎖相鑒頻電路的仿真電路。圖中的壓控振蕩器的設(shè)置與鎖相環(huán)調(diào)頻電路相同。為了進(jìn)一步改善低通濾波器的輸出波形, 在R1、C1 的輸出端, 又串接了一級(jí)低通濾波電路(R4、C2 ) 。圖4-15

22、鎖相環(huán)鑒頻的仿真電路由于鎖相環(huán)鑒頻時(shí)要求調(diào)制信號(hào)要處于低通濾波器的通帶之內(nèi), 因此電阻R1 的阻值要比調(diào)頻電路中的阻值小。本例中, R1= 10k 。仿真波形如圖4-16所示。由圖可見, 該電路實(shí)現(xiàn)了鑒頻功能。如果將R4、C2 的輸出作為VCO 的輸入, 則仿真結(jié)果不再正確, 這在實(shí)際仿真時(shí)需要注意。圖4-16鎖相環(huán)鑒頻頻實(shí)驗(yàn)波形5.脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真5.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）設(shè)計(jì)原理SystemView 仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)多層次的通信系統(tǒng)仿真。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是現(xiàn)代語(yǔ)音通信中數(shù)字化的重要編碼方式。利用SystemView 實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制(PCM)仿真，可以為硬件電路

23、實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。通過(guò)仿真展示了PCM編碼實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路及具體過(guò)程，并加以進(jìn)行分析。如圖5-1所示，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣和量化以后，可以得到一系列輸出，它們共有Q個(gè)電平狀態(tài)。當(dāng)Q比較大時(shí)，如果直接傳輸Q進(jìn)制的信號(hào)，其抗噪性能是會(huì)很差的，因此，通常在發(fā)射端通過(guò)編碼器把Q進(jìn)制信號(hào)變換為位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。而接收端將收到的二進(jìn)制碼元經(jīng)過(guò)譯碼器再還原為Q進(jìn)制信號(hào)，這種系統(tǒng)就是脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)。PCM即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。PCM的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù)CCITT的建議，為改善小信號(hào)量化性

24、能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為A律和律方式，我國(guó)采用了A律方式，由于A律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折線法編碼,采用非均勻量化PCM編碼示意圖見圖5-1。 圖5-1 PCM原理框圖5.1.1 PCM編碼中抽樣、量化及編碼的原理(a) 抽樣所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。(b) 量化從數(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)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖5-2所示，量化器Q輸出L個(gè)量化值，k=1，2

25、，3，L。常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度落在與之間時(shí)，量化器輸出電平為。這個(gè)量化過(guò)程可以表達(dá)為：模擬入量化器量化值這里稱為分層電平或判決閾值。通常稱為量化間隔。圖5-2 模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點(diǎn)是：無(wú)論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見，均勻量化時(shí)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)

26、間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔也?。环粗?，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，因此，PCM編碼方式采

27、用的也是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：圖5-3 A律函數(shù)13折線A律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實(shí)際中，往往都采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（A=87.6）的壓擴(kuò)特性。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。圖5-3所示出了這種壓擴(kuò)特性。表5-1列出了13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較。表5-1 13折線時(shí)的值與計(jì)算值的比較0101按折線分段時(shí)的01段落12345678斜率16168421表5-1中第二行值是根據(jù)時(shí)計(jì)算得到的，第三行

28、的值是13折線分段時(shí)的值?？梢?3折線各段落的分界點(diǎn)與曲線很逼近，同時(shí)按2的冪次分割有利于數(shù)字化。(c) 編碼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。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：低速編碼和高速編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：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5-2 段落碼 表5-3 段內(nèi)碼段落序號(hào)段落碼量化級(jí)段內(nèi)碼81

29、11151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000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。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

30、級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8個(gè)段落被劃分成27128個(gè)量化級(jí)。段落碼和8個(gè)段落之間的關(guān)系如表5-2所示；段內(nèi)碼與16個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表5-3。PCM編譯碼器的實(shí)現(xiàn)可以借鑒單片PCM編碼器集成芯片，如：TP3067A、CD22357等。單芯片工作時(shí)只需給出外圍的時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，仿真時(shí)將PCM編譯碼器分為編碼器和譯碼器模塊分別實(shí)現(xiàn)。5.2 信號(hào)源子系統(tǒng)的組成由三個(gè)幅度相同、頻率不同的正弦信號(hào)（圖符7、8、9）合成，如圖5-4 圖5-4 信號(hào)源子系統(tǒng)的組成5.3 PCM編碼器模塊 PCM編碼器模塊主要由信號(hào)源（圖符7）、低通濾波器（圖符15）、瞬時(shí)壓縮器（圖符16）、A/D轉(zhuǎn)換器（圖

31、符8）、并/串轉(zhuǎn)換器（圖符10）、輸出端子構(gòu)成（圖符9），實(shí)現(xiàn)模型如下圖5-5所示: 圖5-5 PCM編碼器模塊信源信號(hào)經(jīng)過(guò) PCM 編碼器低通濾波器（圖符15）完成信號(hào)頻帶過(guò)濾，由于PCM量化采用非均勻量化，還要使用瞬時(shí)壓縮器實(shí)現(xiàn)A律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，A/D轉(zhuǎn)換器（圖符8）完成采樣及量化，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是并行數(shù)據(jù)，必須通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器（圖符10）完成并/串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，最后通過(guò)圖符（9）輸出PCM編碼信號(hào)。5.4 PCM編碼器組件功能實(shí)現(xiàn) (a)低通濾波器：為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的語(yǔ)音頻率特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過(guò)渡，采用了低通濾波器，而沒(méi)有設(shè)計(jì)帶通濾波器。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)在 300H

32、z3400Hz的語(yǔ)音頻帶內(nèi)，在這里采用了一個(gè)階數(shù)為3階的切比雪夫?yàn)V波器，其具有在通帶內(nèi)等波紋、阻帶內(nèi)單調(diào)的特性。(b)瞬時(shí)壓縮器：瞬時(shí)壓縮器（圖符16）使用了我國(guó)現(xiàn)采用A律壓縮，注意在譯碼時(shí)擴(kuò)張器也應(yīng)采用A律解壓。對(duì)比壓縮前后時(shí)域信號(hào)（見圖5-6, 圖5-7），明顯看到對(duì)數(shù)壓縮時(shí)小信號(hào)明顯放大，而大信號(hào)被壓縮，從而提高了小信號(hào)的信噪比，這樣可以使用較少位數(shù)的量化滿足語(yǔ)音傳輸?shù)男枰?圖5-6 壓縮前 圖5-7 壓縮后 (c) A/D轉(zhuǎn)換器：完成經(jīng)過(guò)瞬時(shí)壓縮后信號(hào)時(shí)間及幅度的離散，通常認(rèn)為語(yǔ)音的頻帶在300Hz3400Hz，根據(jù)低通采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率兩倍以上，在這里A/D的采樣

33、頻率為8Hz即可滿足，均勻量化電平數(shù)為256級(jí)量化，編碼用8bit表示，其中第一位為極性表示，這樣產(chǎn)生了64kbit/s的語(yǔ)音壓縮編碼。 圖5-9 系統(tǒng)模型子系統(tǒng)（圖符12）如下圖10： 圖5-10 子系統(tǒng)以上圖5-9、圖5-10各方塊的有關(guān)參數(shù)如表5-4：5.5 仿真波形5.5.1信號(hào)源的波形5.5.2信號(hào)源經(jīng)壓縮后的波形5.5.3 PCM編碼的波形5.5.4 PCM譯碼時(shí)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴(kuò)張后的輸出波形5.5.5 譯碼后恢復(fù)源信號(hào)的輸出波形由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過(guò)程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復(fù)，傳輸?shù)倪^(guò)程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的傳輸

34、過(guò)程。5.6設(shè)計(jì)過(guò)程中需解決的問(wèn)題首先，必須根據(jù)實(shí)際情況合理的設(shè)計(jì)采樣頻率和抽樣脈沖的參數(shù)，以防波形的失真，由于在剛開始的時(shí)候,沒(méi)有合理設(shè)置采樣頻率的參數(shù),出現(xiàn)了在譯碼時(shí)恢復(fù)波形的失真,最后根據(jù)采樣頻率fs大于等于2fH條件,通過(guò)不斷調(diào)試,最終可以合理地恢復(fù)源信號(hào)波形。但由于在信道傳輸過(guò)程中由于各種原因而引起譯碼波形有一定的延時(shí)現(xiàn)象。其次，在調(diào)試帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器在實(shí)現(xiàn)PCM編碼輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出時(shí)，起初由于沒(méi)有合理應(yīng)用選擇控制端，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出毫無(wú)規(guī)律，即八路數(shù)據(jù)當(dāng)中隨機(jī)地從哪一路輸出，最后通過(guò)設(shè)置頻率不同的三路脈沖方波作用于選擇控制端，去控制每一路的數(shù)據(jù)輸出，然后經(jīng)過(guò)調(diào)

35、試完成了PCM編碼的正確輸出。最后,在設(shè)計(jì)濾波器時(shí),首先要看系統(tǒng)信號(hào)源輸出信號(hào)頻率到底是處于在哪個(gè)頻率范圍,再根據(jù)其他參考參數(shù)和系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)要求,決定是要設(shè)計(jì)哪種類型的濾波器,是低通型還是帶通型濾波器。5.7 設(shè)計(jì)心得本次課程設(shè)計(jì)在剛開始的過(guò)程中無(wú)從下手，手忙腳亂，時(shí)間又緊，最終決定用軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)PCM的編碼過(guò)程。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，掌握了PCM編碼的工作原理及PCM系統(tǒng)的工作過(guò)程，學(xué)會(huì)了使用仿真軟件 SystemView（通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真軟件），并學(xué)會(huì)通過(guò)應(yīng)用軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作都起到了一定的作用，加強(qiáng)了動(dòng)手能力和學(xué)業(yè)技能?？傮w來(lái)說(shuō)，這次實(shí)習(xí)我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。在讓我體會(huì)到了設(shè)計(jì)電路的艱辛的同時(shí)，更讓我體會(huì)到成功的喜悅和快樂(lè)。6.仿真總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)給我很大的收獲，使我對(duì)System View操作系統(tǒng)的基本知識(shí)有了初步的認(rèn)識(shí)，并在實(shí)踐中對(duì)所學(xué)習(xí)的基本知識(shí)和原理方法有了進(jìn)一步的深化，和形象具體的理解。本次課設(shè)我選擇了模擬調(diào)制系統(tǒng)的AM和FM，通過(guò)對(duì)它們的調(diào)制解調(diào)過(guò)程的實(shí)踐達(dá)到課設(shè)的目的。首先，我對(duì)System View仿真系統(tǒng)進(jìn)行了了解和學(xué)習(xí)，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其操作有了較為熟練的掌握。通過(guò)認(rèn)真老師給的System View