模擬信號(hào)數(shù)字傳輸?shù)难芯繄?bào)告

模擬信號(hào)數(shù)字傳輸研究匯報(bào)摘要數(shù)字信號(hào)處理相對(duì)模擬信號(hào)處理有許多優(yōu)點(diǎn)，且有些處理功效是模擬信號(hào)所不能完成。但實(shí)際中很多信號(hào)都是時(shí)間連續(xù)信號(hào)，希望將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，從而完成一些更高質(zhì)量或者模擬信號(hào)處理所不能完成功效。所以，我們研究采取PCM編碼譯碼將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行2PSK調(diào)制與解調(diào)。該傳輸系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊組成，分別是：模擬信號(hào)數(shù)字化、2PSK調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)。關(guān)鍵字：PCM；2PSK；SYSTEMVIEW一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本設(shè)計(jì)研究是基于SYSTEMVIEW仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)PCM傳輸系統(tǒng)。該傳輸系統(tǒng)主要包含模擬信號(hào)數(shù)字化、2PSK調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)三個(gè)部分，最終經(jīng)過(guò)觀察比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)波形，以及在無(wú)噪情況、低噪情況、高噪情況分別來(lái)分析該系統(tǒng)性能。二、電路設(shè)計(jì)原理脈沖編碼調(diào)制（PCM）簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制，PCM，即脈沖編碼調(diào)制，用一組二進(jìn)制代碼代替連續(xù)信號(hào)抽樣值。首先，對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，使其成為時(shí)域離散信號(hào)，此處必須滿足采樣定理，然后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將時(shí)域離散信號(hào)用一組二進(jìn)制代碼來(lái)表示，詳細(xì)有兩步：量化、編碼。然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行2PSK調(diào)制與解調(diào)，最終經(jīng)過(guò)譯碼、低通濾波將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。為改進(jìn)小信號(hào)量化性能，采取A律壓縮，通常使用13折線法編碼。電路設(shè)計(jì)分為兩部分，首先是2PSK調(diào)制與解調(diào)設(shè)計(jì)，在確保調(diào)制與解調(diào)無(wú)誤后，設(shè)計(jì)PCM編碼與譯碼電路，然后將二者聯(lián)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字傳輸。1、2PSK調(diào)制與解調(diào)原理2PSK,即二進(jìn)制相移鍵控，用輸入信號(hào)控制載波相位隨之改變，通常情況下，用載波”0○”表示二進(jìn)制基帶信號(hào)“0”，”180○”表示二進(jìn)制基帶信號(hào)“1”，也可反過(guò)來(lái)。輸入信號(hào)形式通常為s(t)=∑ang(t-nTs),an以概率P取“1”,以1-P取“0”，g（t）通常是脈寬為T(mén)S，高為1方波（也可取三角波等）。（1）2PSK調(diào)制2PSK調(diào)制可采取模擬調(diào)制和數(shù)字鍵控兩種方式，本試驗(yàn)以模擬調(diào)制為主，調(diào)制原理以下：e2PSK(t)=s(t)coswct若輸入不是雙極性不歸零波形，我們能夠經(jīng)過(guò)碼型改變將其轉(zhuǎn)換為雙極性不歸零波形。調(diào)制波形以下所表示： 經(jīng)過(guò)觀察波形，我們能夠得到，當(dāng)輸入為“1”時(shí)，已調(diào)載波相位為0；當(dāng)輸入為“0”時(shí)，已調(diào)載波相位為180。（2）2PSK解調(diào)2PSK解調(diào)通常采取相干解調(diào)法，原理以下：解調(diào)時(shí)各點(diǎn)波形以下所表示：經(jīng)過(guò)對(duì)以上波形分析，我們能夠看出，當(dāng)恢復(fù)載波相位差180○時(shí)，輸出波形剛好與輸入波形相反。經(jīng)過(guò)對(duì)理論學(xué)習(xí)，我們稱之為180○相位含糊，能夠經(jīng)過(guò)采取2DPSK來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。2、PCM編碼與譯碼試驗(yàn)原理PCM，即脈沖編碼調(diào)制，用一組二進(jìn)制代碼代替連續(xù)信號(hào)抽樣值，原理框圖以下：（1）PCM編碼首先，對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，使其成為時(shí)域離散信號(hào)，此處必須滿足采樣定理，然后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將時(shí)域離散信號(hào)用一組二進(jìn)制代碼來(lái)表示，詳細(xì)有兩步：量化、編碼。1）量化量化即用有限電平來(lái)表示抽樣得到離散值。詳細(xì)量化方法有均勻量化和非均勻量化。均勻量化相對(duì)比較簡(jiǎn)單，不過(guò)它量化信噪比隨信號(hào)電平減小而下降，所以當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大量化誤差。所以，我們引入非均勻量化，使得量化電平集中在幅度密度高區(qū)域。慣用方法為A律壓擴(kuò)和μ律壓擴(kuò)。本試驗(yàn)中采取為A律壓擴(kuò)，但因?yàn)锳律壓縮較為復(fù)雜，通常慣用A律13折線，其壓縮特征以下：由此可見(jiàn)，即使縱坐標(biāo)是均勻分級(jí)，不過(guò)反應(yīng)到橫坐標(biāo)，則小信號(hào)時(shí)，量化間隔較小，大信噪比時(shí)，量化間隔較大，改進(jìn)了量化信噪比。2）編碼編碼即把量化后電平用二進(jìn)制來(lái)表示，本試驗(yàn)中采取8位二進(jìn)制碼，從高到低分別為極性碼、段落碼、段內(nèi)碼，采取是逐次比較性編碼，詳細(xì)方法可查閱相關(guān)資料。（2）PCM譯碼譯碼即把收到PCM信號(hào)還原成對(duì)應(yīng)PAM樣值信號(hào)，此處需要用解壓擴(kuò)器對(duì)其進(jìn)行解壓擴(kuò)，然后經(jīng)過(guò)低通濾波器即可得到輸入模擬信號(hào)。譯碼能夠看作是編碼逆過(guò)程。三、仿真電路設(shè)計(jì)1、2PSK模擬調(diào)制和相干解調(diào)系統(tǒng)仿真各圖符參數(shù)設(shè)置以下表所表示：編號(hào)庫(kù)/名稱參數(shù)21Comm:PNGenRegLen=5，Taps=[2-5]，Seed=-1，Threshold=0，True=1，F(xiàn)alse=-1，MaxRate=560e+3Hz22Source:PulseTrainAmp=1v，F(xiàn)req=14e+3Hz，PulseW=35.7143e-6sec，Offset=-500e-3vPhase=0deg，MaxRate=560e+3Hz23Logic:BufferGateDelay=0sec，Threshold=500e-3vTrueOutput=1v，F(xiàn)alseOutput=-1v，RiseTime=0sec，F(xiàn)allTime=0sec，MaxRate=560e+3Hz2Multiplier:NonParametricInputsfromt23p0t15p0，Outputsto417MaxRate=560e+3Hz15Source:SinusoidAmp=1v，F(xiàn)req=56e+3Hz，Phase=0degOutput0=Sinet2，Output1=CosineMaxRate(Port0)=560e+3Hz3Operator:LinearSysButterworthBandpassIIR3Poles，LowFc=42e+3Hz，HiFc=70e+3Hz，QuantBits=None，InitCndtn=Transient，DSPModeDisabled，MaxRate=560e+3Hz6Multiplier:NonParametricInputsfromt18p0t3p0，Outputsto8，MaxRate=560e+3Hz18Source:SinusoidAmp=1v，F(xiàn)req=56e+3Hz，Phase=0degOutput0=Sinet6，Output1=Cosine，MaxRate(Port0)=560e+3Hz8Operator:LinearSysButterworthLowpassIIR3Poles，F(xiàn)c=14e+3Hz，QuantBits=None，InitCndtn=Transient，DSPModeDisabled，MaxRate=560e+3Hz，10Operator:DelayNon-Interpolating，Delay=0sec=0.0smp，Output0=Delayt9，Output1=Delay-dTMaxRate(Port0)=560e+3Hz9Operator:SamplerInterpolating，Rate=560e+3Hz，Aperture=0sec，ApertureJitter=0sec，MaxRate=560e+3Hz11Operator:HoldLastValue,Gain=1,OutRate=560e+3Hz,MaxRate=560e+3Hz12Logic:BufferGateDelay=0sec,Threshold=0v,TrueOutput=1v,FalseOutput=0v,RiseTime=0sec,FallTime=0sec,MaxRate=560e+3Hz2、PCM編碼和解碼系統(tǒng)仿真各圖符參數(shù)設(shè)置以下表所表示：編號(hào)庫(kù)/名稱參數(shù)73Source:SinusoidAmp=2v，F(xiàn)req=600Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet3，Output1=Cosine，MaxRate(Port0)=560e+3Hz72Source:SinusoidAmp=2v，F(xiàn)req=400Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet3，Output1=Cosine，MaxRate(Port0)=560e+3Hz71Source:SinusoidAmp=2v，F(xiàn)req=200Hz，Phase=0deg，Output0=Sinet3，Output1=Cosine，MaxRate(Port0)=560e+3Hz3Adder:NonParametricInputsfromt71p0t72p0t73p0，Outputsto46，MaxRate=560e+3Hz6Comm:CompanderA-LawMaxInput=±5，MaxRate=560e+3Hz8Logic:ADCTwo'sComplementGateDelay=0sec，Threshold=500e-3v，TrueOutput=1v，F(xiàn)alseOutput=0v，No.Bits=8，MinInput=-5v，MaxInput=5v，RiseTime=0sec，Analog=t6Output0，Clock=t14，Output014Source:PulseTrainAmp=2v，F(xiàn)req=1.75e+3Hz，PulseW=285.714e-6sec，Offset=-1v，Phase=0deg，MaxRate=560e+3Hz40MetaSystem:Untitled1NotAuto-Linked41Comm:TDMuxNo.Inputs=8，TimeperInput=571.429e-6sec，TimeSlot0=t32Output0，TimeSlot1=t33Output0，TimeSlot2=t34Output0，TimeSlot3=t35Output0，TimeSlot4=t36Output0，TimeSlot5=t37Output0，TimeSlot6=t38Output0，TimeSlot7=t39Output0，MaxRate=560e+3Hz43Operator:HoldLastValueGain=1，OutRate=560e+3Hz，MaxRate=560e+3Hz46MetaSystem:Untitled2C:\Users\Administrator\Desktop...\Untitled1.mtaAuto-Linked74Operator:DelayNon-InterpolatingDelay=521.429e-6sec=292.0smp，Output0=Delayt45，Output1=Delay-dT，MaxRate(Port0)=560e+3Hz45Comm:TDDeMuxNo.Outputs=8，TimeperOutput=571.429e-6sec，Output0=TimeSlot0t9，Output1=TimeSlot1t9，Output2=TimeSlot2t9，Output3=TimeSlot3t9，Output4=TimeSlot4t9，Output5=TimeSlot5t9，Output6=TimeSlot6t9，Output7=TimeSlot7t9，MaxRate(Port0)=70e+3Hz9Logic:DACTwo'sComplementGateDelay=0sec，Threshold=500e-3v，No.Bits=8，MinOutput=-5v，MaxOutput=5v，D-0=t45Output0，D-1=t45Output1，D-2=t45Output2，D-3=t45Output3，D-4=t45Output47Comm:DeCompandA-LawMaxInput=±5，MaxRate=70e+3Hz12Operator:LinearSysButterworthLowpassIIR3Poles，F(xiàn)c=600Hz，QuantBits=None，InitCndtn=Transient，DSPModeDisabled，MaxRate=70e+3Hz四、仿真結(jié)果及對(duì)應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)分析1、各點(diǎn)時(shí)域波形（1）輸入m序列波形系統(tǒng)產(chǎn)生一串偽隨機(jī)序列，并將其設(shè)置為雙極性不歸零波形，如上圖所表示。（2）未調(diào)載波波形未調(diào)載波為高頻正弦信號(hào)，其頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)，便于傳輸。3）模擬調(diào)制波形由調(diào)制信號(hào)能夠看出，當(dāng)輸入為“1”時(shí)，已調(diào)載波相位為0；當(dāng)輸入為“0”時(shí)，已調(diào)載波相位為180○，即用載波”0○”表示二進(jìn)制基帶信號(hào)“1”，”180○”表示二進(jìn)制基帶信號(hào)“0”。（4）帶通濾波輸出波形經(jīng)過(guò)帶通濾波器能夠?yàn)V除帶外噪聲，減小噪聲對(duì)信號(hào)傳輸影響。（5）恢復(fù)載波波形2PSK信號(hào)解調(diào)只能用相干解調(diào)這種方式。從上圖以及未調(diào)載波圖可看出，解調(diào)器中當(dāng)?shù)貐⒖疾ㄏ辔槐仨毢桶l(fā)送端解調(diào)器載波同頻同相。（6）解調(diào)端乘法器輸出波形從上圖能夠看出，2PSK相干解調(diào)中已調(diào)信號(hào)與載波相乘輸出波形里包含有頻率不低部分，即高頻載波分量。（7）低通濾波輸出波形由上圖得出經(jīng)過(guò)低通濾波器處理后，只剩下低頻波形，然后對(duì)該低頻分量進(jìn)行采樣，就能夠得到基帶信號(hào)了，要注意采樣時(shí)必須符合采樣定理，這么才能確保信號(hào)不會(huì)失真。（8）解調(diào)輸出波形在仿真過(guò)程中，判決電壓即為峰值二分之一。從上圖能夠清楚看出，2PSK相干解調(diào)得到波形基本上與原基帶信號(hào)保持一致，延遲較小，而且在誤差允許范圍內(nèi)，所以仿真結(jié)果是正確，同時(shí)也有雙極性轉(zhuǎn)換為單極性波形，但所包含信息不一樣。2、加入不一樣噪聲接收端眼圖（1）無(wú)噪時(shí)眼圖由上圖能夠看出，在不加入噪聲時(shí)，眼圖展現(xiàn)“單眼皮大眼睛”，噪聲容限也較大，說(shuō)明信號(hào)傳輸過(guò)程中干擾較小。（2）低噪（0.5v）時(shí)眼圖當(dāng)加入低噪聲（0.5v）時(shí)，我們能夠很清楚看到眼圖相比無(wú)噪時(shí)變含糊了，說(shuō)明噪聲對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生了一定干擾。（3）高噪聲（1v）時(shí)眼圖當(dāng)加入1v高噪聲時(shí)，眼圖已經(jīng)變得十分混亂含糊，說(shuō)明噪聲對(duì)信號(hào)傳輸影響非常大。3、輸入m序列和解調(diào)輸出瀑布圖經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸入和輸出瀑布圖比較，我們能夠看到輸出相對(duì)于輸入大約有50e-6一個(gè)延時(shí)，不過(guò)這個(gè)是正常，因?yàn)槲覀冚斎胄盘?hào)頻率為14kHZ,50e-6<1/14000,所以出現(xiàn)延時(shí)是意料之中。4、各信號(hào)功率譜圖（1）輸入m序列功率譜（2）未調(diào)載波功率譜（3）2PSK信號(hào)功率譜經(jīng)過(guò)調(diào)制信號(hào)、高頻載波以及2PSK信號(hào)，我們能夠看出2PSK信號(hào)在載波頻率附近功率譜有顯著改變。（4）帶通濾波器輸出功率譜因?yàn)?PSK信號(hào)頻率為56kHZ,所以我們采取中心頻率為56KHZ，通帶為28KHZ帶通濾波器使調(diào)制信號(hào)能夠完全經(jīng)過(guò)，同時(shí)又能夠有效濾除帶外噪聲。（5）乘法器輸出功率譜已調(diào)信號(hào)與恢復(fù)載波相乘后，現(xiàn)有高頻分量又有低頻分量，分別為差頻和和頻。(6)低通濾波后波形功率譜經(jīng)過(guò)低通濾波器后，我們只保留了我們需要低頻分量，去除了高頻分量。（6）解調(diào)輸出信號(hào)功率譜輸出信號(hào)頻譜與輸入信號(hào)頻譜基本一樣，說(shuō)明我們成功實(shí)現(xiàn)了2PSK調(diào)制與解調(diào)。5、濾波器幅頻特征曲線（1）帶通濾波器幅頻特征曲線（2）低通濾波器幅頻特征曲線（二）PCM編碼與譯碼仿真結(jié)果1、各點(diǎn)時(shí)域波形：（1）輸入模擬信號(hào)波形輸入三個(gè)不一樣頻率正弦信號(hào)疊加時(shí)域波形（2）A律壓擴(kuò)后波形經(jīng)過(guò)A率壓縮，對(duì)于小信號(hào)量化間隔較小，大信號(hào)量化間隔較大，使量化性能愈加好。（3）采樣時(shí)鐘波形采樣頻率滿足采樣定理，使得信號(hào)不會(huì)失真，能夠完整恢復(fù)信號(hào)。（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換后波形經(jīng)過(guò)PCM編碼，將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸。（5）2PSK調(diào)制解調(diào)后波形成功實(shí)現(xiàn)了2PSK調(diào)制與解調(diào)。（6）D/A轉(zhuǎn)換后波形將數(shù)字信號(hào)經(jīng)PCM譯碼轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（7）A律解壓擴(kuò)后波形對(duì)應(yīng)于編碼過(guò)程A律壓縮（8）低通濾波輸出波形輸出有一些失真，但與輸入差異不大。2、各信號(hào)功率譜圖（1）輸入模擬信號(hào)功率譜圖輸入三個(gè)正弦信號(hào)分別為200/400/600KHZ（2）低通濾波輸出信號(hào)功率譜