通信原理軟件AD轉(zhuǎn)換課程設(shè)計(jì)Maab

1、通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱A/D轉(zhuǎn)換的仿真實(shí)現(xiàn)（軟件部分）通信工程級(jí)XXXX號(hào)XXXXXXXX名XXXXX年1月20日刖言經(jīng)過幾天通信原理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)讓我受益菲淺。在通信原理實(shí)驗(yàn)課即將結(jié)束之時(shí)，我對(duì)在這4天的學(xué)習(xí)進(jìn)行了總結(jié)，取之長(zhǎng)補(bǔ)之短，在今后的學(xué)習(xí)和工作中有 所受用。這次通信原理實(shí)驗(yàn)，不僅是對(duì)已學(xué)的通信原理知識(shí)的一種回顧，更是將 這學(xué)期所幵設(shè)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，幵始對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)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(xué)的都是更為精細(xì)與補(bǔ)充，在不斷的時(shí)間投入與深入的 沉淀中，體會(huì)到學(xué)習(xí)的另一番樂趣。通過這次通信原理實(shí)驗(yàn)，我有認(rèn)真地去

2、翻閱思考通信原理的知識(shí)，認(rèn)真地去上機(jī)調(diào)試每個(gè)硬件模塊，用心地去編寫調(diào)試Matlab程序，也認(rèn)真地寫下這份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，我相信這份用心與耐心是經(jīng)得起考驗(yàn)的， 希望能得到老師的肯定與優(yōu)秀。指導(dǎo)教師XXXX2015軟件部分A/D轉(zhuǎn)換的仿真實(shí)現(xiàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄐ旁韺?shí)驗(yàn)是針對(duì)通信工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過這一環(huán)節(jié)，可使 學(xué)生鞏固相關(guān)課程知識(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手能力，提高學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的仿真技能。在強(qiáng)調(diào) 基本原理的同時(shí)，更突出設(shè)計(jì)過程的鍛煉，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。、實(shí)驗(yàn)基本要求1、培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)需要選學(xué)參考書，查閱手冊(cè)，圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，通過獨(dú)立思考、深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會(huì)自己分析解決問題的方法。2、通過

3、對(duì)硬件電路的安裝、調(diào)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(shè)計(jì)方法。3、掌握常用儀表的正確使用方法， 學(xué)會(huì)對(duì)電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)試和相關(guān)指標(biāo)測(cè)試方法， 提高動(dòng)手能力。4、通過對(duì)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(duì)實(shí)際通信 系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真的初步技能。5、提高和挖掘?qū)W生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)，團(tuán)隊(duì)合作精神和科研開發(fā)精神。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)1、學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)建立通信系統(tǒng)仿真模型的基本方法及基本技能，手段對(duì)通信系統(tǒng)的基本理論、基本算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。2、學(xué)習(xí)現(xiàn)有通信系統(tǒng)仿真軟件的基本使用方法， 學(xué)會(huì)通信仿真系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)與 調(diào)試，學(xué)會(huì)使用仿真軟件解決實(shí)際系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。培養(yǎng)

4、和鍛煉學(xué)生的學(xué)會(huì)利用仿真3、通過系統(tǒng)仿真加深對(duì)通信課程理論的理解，拓展知識(shí)面。學(xué)會(huì)查找資料，并結(jié)合通信原理的知識(shí)，對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)共有兩類實(shí)驗(yàn)題，每位同學(xué)可選擇兩類中其中一題。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中 仿真軟件的選擇，同學(xué)們可自由選取，建議用Matlab。I、基本任務(wù)：?jiǎn)晤l正弦波模擬信號(hào)的簡(jiǎn)單數(shù)字化。即對(duì)一個(gè)單頻正弦波模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、均勻量化、PCM二進(jìn)制自然編碼。主要步驟和要求：(1)單頻正弦波模擬信號(hào)的抽樣實(shí)現(xiàn)。要求輸入信號(hào)的幅度A頻率F和相位P可變；要求仿真時(shí)間從0到2/F，抽樣頻率為Fs=20F；要求給出抽樣信號(hào)的波形 圖。2)單頻正弦波模擬信號(hào)均勻量化的實(shí)現(xiàn)。要求對(duì)抽樣信號(hào)歸

5、一化后再進(jìn)行均勻量化；要求量化電平數(shù)D可變；要求輸出信號(hào)為平頂正弦波；要求給出量化輸出 信號(hào)的波形圖，并與抽樣信號(hào)畫在同一圖形窗口中進(jìn)行波形比較。(3)單頻正弦波模擬信號(hào)PCM二進(jìn)制自然編碼的實(shí)現(xiàn)。要求按量化序號(hào)給出PCM二進(jìn)制自然編碼；要求給出編碼后的數(shù)字序列pcm。n、選做任務(wù)：?jiǎn)晤l正弦波模擬信號(hào)的特殊數(shù)字化。按給定要求對(duì)一個(gè)單頻正弦波模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。主要步驟和要求：(1)單頻正弦波模擬信號(hào)的抽樣實(shí)現(xiàn)。要求輸入信號(hào)的幅度A頻率F和相位P可變；要求仿真時(shí)間從0到2/F，抽樣頻率為Fs=20F;要求給出抽樣信號(hào) 的波形 圖。2）單頻正弦波模擬信號(hào)非均勻量化的實(shí)現(xiàn)。 要求對(duì)抽樣信號(hào)歸一化后再

6、分別D可變；要求輸出信號(hào)為平頂正弦波；要求給出量化輸出信號(hào)的波形圖，并與抽樣信號(hào)畫在同一圖形窗口中進(jìn)行波形比較。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理信號(hào)的數(shù)字化需要三個(gè)步驟： 抽樣、量化和編碼 。抽樣是指用每隔一定時(shí)間散化。量化是用有限個(gè)幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值， 把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。 編碼貝是按照一定的規(guī)律， 把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示， 然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號(hào)流。 這樣得到的數(shù)字信號(hào)可以通過電纜、 微波干線、 衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸。 在接收端貝與上述模擬信號(hào)數(shù)字化過程相反， 再經(jīng)過后置濾波又恢復(fù)成原來的模擬信號(hào)。過程又稱為脈沖編碼調(diào)制。抽樣話音信號(hào)是模擬信號(hào)

7、，它不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時(shí)間上也是連行離散化處理，這一過程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時(shí)間間隔音信號(hào)的一個(gè)瞬時(shí)幅度值（抽樣值），抽樣后所得出的一系列在時(shí)間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣后的樣值序列在時(shí)間上是離散的，可進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用，也可將各個(gè)抽樣值經(jīng)過量化、 編碼變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。 理論和實(shí)踐證明， 只要抽樣脈沖的間隔T2fm）（fm是話音信號(hào)的最高頻率），貝9抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號(hào)。量化 抽樣把模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進(jìn)行離散化處理， 才能最終用數(shù)碼來表示。 這就要對(duì)幅值進(jìn)行舍零取進(jìn)行滿足A律和u律壓縮

8、的非均勻量化；要求壓縮參數(shù)a、u可變；要求量化電平數(shù)的信號(hào)樣值序列來代替原來在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離上述數(shù)字化的續(xù)的。要使話音信號(hào)數(shù)字化并實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用，首先要在時(shí)間上對(duì)話音信號(hào)進(jìn)T，抽取話整的處理， 這個(gè)過程稱為量化。 量化有兩種方式， 量化方式中， 取整時(shí)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(chǎn)生的量化誤差總是正的， 最大量化誤差等于兩個(gè)相鄰量化級(jí)的間隔。量化方式在取整時(shí)有舍有入，即00.5伏間的輸入電壓都輸出0伏，0.51?5伏間的輸出電壓都輸出1伏等等。 采用這種量化方

9、式量化誤差有正有負(fù)， 用有舍有入法進(jìn)行量化，誤差較小。要盡量減少量化級(jí)數(shù)， 又要使量化失真看不出來。 一般都用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)來表示 某一量化級(jí)數(shù)，經(jīng)過傳輸在接收端再按照這個(gè)二進(jìn)制數(shù)來恢復(fù)原信號(hào)的幅值。 謂量化比特?cái)?shù)是指要區(qū)分所有量化級(jí)所需幾位二進(jìn)制數(shù)。例如，有8個(gè)量化級(jí)， 那么可用三位二進(jìn)制數(shù)來區(qū)分，因?yàn)?，稱8個(gè)量化級(jí)的量化為3比特量化。8比 特量化則是指共有個(gè)量化級(jí)的量化。目前國(guó)際上普遍采用容易實(shí)現(xiàn)的A律13折線壓擴(kuò)特性和卩律15折線的壓擴(kuò) 特性。我國(guó)規(guī)定采用A律13折線壓擴(kuò)特性。采用13折線壓擴(kuò)特性后小信號(hào)時(shí)量化信噪比的改善量可達(dá)24dB,而這是靠犧牲大信號(hào)量化信噪比（虧損12dB）換來的。

10、編碼 抽樣、量化后的信號(hào)還不是數(shù)字信號(hào)，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。 最簡(jiǎn)單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。 具體說來， 就是用n比特二進(jìn) 制碼來表示已經(jīng)量化了的樣值， 每個(gè)二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化值， 然后把它們排列， 得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。 編碼過程在接收端， 可以按所收到的信息重 新組成原來的樣值， 再經(jīng)過低通濾波器恢復(fù)原信號(hào)。 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?cái)?shù)的積， 稱為所傳輸數(shù)字信號(hào)的數(shù)碼率。 顯然， 抽 樣頻率越高，量化比特?cái)?shù)越大，數(shù)碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。量化誤差的絕對(duì)值最大為/2。因此，采最小量化間隔越小， 失真就越小。模擬信號(hào)

11、時(shí)所需要的量化級(jí)數(shù)就越多，最小量化間隔越小， 用來表示一定幅度的 因此處理和傳輸就越復(fù)雜。 所以， 量化既非均勻量化 為了克服均勻量化的缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是一種在輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)量化間隔不相等的量化。非均勻量化是根據(jù)輸入信號(hào)的概率密度函數(shù)來分布量化電平，以改善量化性能。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)主要的優(yōu)點(diǎn):當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比非均勻量化時(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

12、信噪比。五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路假設(shè)量化電平數(shù)D已知，要求由PCM二進(jìn)制自然編碼序列恢復(fù)出單頻正弦波 模擬信號(hào)。要求PCM二進(jìn)制自然編碼序列可以是數(shù)字型也可以是字符型；要求對(duì)（按照量化電平數(shù)D推導(dǎo)出一個(gè)碼字的碼 長(zhǎng)n,如果PCM二進(jìn)制自然編碼序列的長(zhǎng)度不是n的整數(shù)倍， 貝y補(bǔ)0） ;1.PCM編碼概念PCM二進(jìn)制編碼：（又叫脈沖編碼調(diào)制）主要過程是將話音、圖像等模擬信 號(hào)每隔一定時(shí)間進(jìn)行取樣，使其離散化，同時(shí)將抽樣值按分層單位四舍五入取 整量化，同時(shí)將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來表示抽樣脈沖的幅值。換言之,非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)PCM二進(jìn)制自然編碼序列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

13、內(nèi)插函數(shù)：禾y用以下內(nèi)插公式可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的恢復(fù):二xa(t)，其中g(shù)(t)=sin(nt)/(nt)=sinc(FsXt);Fs為采樣頻率。2. PCM編碼生成由于題目要求用pcm編碼恢復(fù)一個(gè)單頻正弦波的波形，為了得到較準(zhǔn)確的單頻正弦波的pcm編碼(隨便找一個(gè)編碼不能確定它是正弦波)，因此，本人先做了A/D轉(zhuǎn)換，以得到正弦波編碼。 通過查閱MATLAB函數(shù)大全，找到了兩個(gè)函數(shù)Lloyd算法優(yōu)化標(biāo)量算法的函數(shù)lloyds()和量化輸出值的函數(shù)qua ntiz()，通過一些例子了解的它們的用法，利用以上函數(shù)可以得到準(zhǔn)確的量化值以完成較準(zhǔn)確的pcm編碼，為D/A轉(zhuǎn)換提供一個(gè)前提準(zhǔn)備。信號(hào)xa=3

14、sin(2n*3000t)為例，采樣頻率為80*3200，量化電平數(shù)六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果:采樣頻率為20F的輸入信號(hào)量化后形的B BFigureFigure 3 3RioRio EditEdit yi(vyi(v IftiortIftiort T&olcT&olc DesktopDesktop WindWind ex?ex? HelpHelp的波左 a a 尋 氐兩個(gè)波比較圖(以正弦D=19)單頻正弦波模擬信號(hào)的抽樣實(shí)現(xiàn)單頻正弦波模擬信號(hào)非均勻量化的實(shí)現(xiàn)pcm編碼如下:00001過matlab完成了D/A轉(zhuǎn)換，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)出的波形與原始單頻正弦模擬信號(hào)大體一致，也存在一些誤差。在實(shí)驗(yàn)中通過

15、變換輸入信號(hào)的采樣頻率，以及內(nèi)插點(diǎn)數(shù)的多少還發(fā)現(xiàn)：采樣頻率越大，恢復(fù)出來的信號(hào)越接近原始信號(hào)；插入的點(diǎn)數(shù)越多恢復(fù)了D/A轉(zhuǎn)換的仿真。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)：剛拿到實(shí)驗(yàn)題目的時(shí)候，就開始通過通信原理對(duì)它進(jìn)行復(fù)習(xí)，逐漸明白了抽樣量化編碼的原理。但是要讓它在matlab上實(shí)現(xiàn)還是一個(gè)問題，于是又幵始讀MATLA及在電子信息課程中的應(yīng)用。在對(duì)pern碼以及用pern碼恢復(fù)序列的時(shí)候多次利用查找matlab函數(shù)大全，獲得一些可以直接利用的函數(shù)，為設(shè)計(jì)提供了很 多便捷，比如Lloyd算法優(yōu)化標(biāo)量算法的函數(shù)lloyds( )和量化輸出值的函數(shù)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

16、如矩陣出來的信號(hào)越接近于原始信號(hào)，與 理論上完全相符。 證明本次實(shí)驗(yàn)比較成功的實(shí)現(xiàn)左右翻轉(zhuǎn)函數(shù)fliplr(),和二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制函數(shù)bi2de()。 通過對(duì)大量的資料的查閱 可以發(fā)現(xiàn)matlab應(yīng)用的靈活性，更重要的一點(diǎn)是：我們應(yīng)該把重點(diǎn)放在解題思想和 程序設(shè)計(jì)的方法問題上， 而對(duì)于很多函數(shù)的應(yīng)用問題可以通過查表等方法簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)?？傊?，通過這次D/A轉(zhuǎn)換的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)MATLA的操作更見熟練了，鞏固了許多 基礎(chǔ)知識(shí)，也讓我在解決問題的過程中獲得了很多樂趣，對(duì)許多理論上的東西有了 更深的認(rèn)識(shí)。八、實(shí)驗(yàn)代碼A=5; F=2500;P=0; D=20;%設(shè)定原始模擬信號(hào)的參數(shù)Fs=20*F;t1=0:

17、1/Fs:2/F;xa=A*sin(2*pi*F*t1);figure(1) hold on;plot(t1,xa,b.);axis(0,2/F,-5,5);title(采樣頻率為20F的輸入信號(hào));plot(t1,xa,k); %顯示輸入信號(hào)波形以及采樣點(diǎn)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(shù)分界點(diǎn)矢量（參數(shù)），碼本indx ,quant=quantiz(x1 ,partition ,codebook);% %根據(jù)pa

18、rtition來對(duì)x1輸入信號(hào)產(chǎn)生量化索引 （量化索引的長(zhǎng)度和x1的長(zhǎng)度相同）%碼本是長(zhǎng)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（量化后的波形）;xlabel(x(t);ylabel(t);量化輸出值函數(shù) 量化索引hold on;plot(t1,xa,b.);hold on stem(t1,quant,g.);%顯示量化后波形axis(0,2/F,-5,5);title(兩個(gè)波形比較圖);xlabel(x(t);ylabel(t) %編碼nu=ceil(log2(D); %對(duì)log2(D)向上取整pcm=

19、zeros(length(x1),nu);%待賦值的零矩陣，前一個(gè)系數(shù)是行，后一個(gè)系數(shù)是列for i=1:le ngth(x1) %通過對(duì)每一位進(jìn)行檢驗(yàn)得到pcm編碼for j=nu:-1:0 if(fix(i ndx(i)/2Aj)=1)in dx(i)=i ndx(i)-2Aj;endendfigure(3)plot(t1,xa,k); %顯示輸入信號(hào)波形以及采樣點(diǎn)pcm(i,nu-j)=1;end disp(pcm編碼如下:);disp(pcm) %單頻正弦波模擬信號(hào)的抽樣實(shí)現(xiàn)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(hào)的原波形）;subplot(312);plot(t12,samp12,y);xlabel(t);ylabel(samp12);title（單