通信原理课程设计说明书_通信原理课程设计

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目录前言..............................................................1 2 工程概况..........................................................1 3 正文..............................................................1 3.1 设计目的与意义..................................................1 3.2 设计方法和内容..................................................2 3.2.1 抽样定理与仿真................................................2 3.2.2 量化原理与仿真................................................3 3.2.3 编码与仿真....................................................5 3.3 结论............................................................8 4 致谢..............................................................8 5 参考文献..........................................................8

塔里木大学信息工程学院课程设计

前言

Matlab语言由于其语法的简洁性，代码接近于自然数学描述方式，以及具有丰富的专业函数库等诸多优点，吸引了众多科学研究工作者，越来越成为科学研究、数值计算、建模仿真，以及学术交流的事实标准。Simulink作为Matlab语言上的一个可视化建模仿真平台，起源于对自动控制系统的仿真需求，它采用方框图建模的形式，更加贴近于工程习惯。Simulink 是基于 Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散、条件执行、事件驱动、单速率、多速率和混杂系统等。Simulink 提供了利用鼠标拖动的方法建立系统框图模型的图形界面，而且 Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用 Simulink 几乎可以做到不用写一行代码完成整个动态系统的建模工作。随着Matlab/Simulink通信、信号处理专业函数库和专业工具箱的成熟，它们逐渐为广大通信技术领域的专家学者和工程师所熟悉，在通信理论研究、算法设计、系统设计、建模仿真和性能分析验证等方面的应用也更加广泛。

利用Simulink实现模拟信号数字化，能够以非常直观的方框图方式形象地对通信系统进行建模，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类。与模拟通信系统相比，数字通信系统具有抗干扰能力强、便于同计算机连接、保密性强、易于集成化等优点，其应用日益广泛，已成为现代通信发展的主流。然而自然界的信息源多数产生的是模拟信号。那么在利用数字通信系统传输模拟信号时，首先要将模拟信号抽样，使其成为一系列时间上离散的抽样值，再将抽样值量化、编码，从而完成模拟信号的数字化，然后再用数字通信方式传输。在接受端则要进行相反的变换，将接受到的数字信号恢复成模拟信号即可。最终实现模拟信号的数字化。

工程概况

本次课程设计的主要概况是了解模拟信号转换成数字信号的过程。主要概况是利用 Matlab中的Simulink 进行模拟仿真设计，对模拟信号进行抽样、量化、编码，从而实现模拟信号数字化，完成调制信号分析，并绘制相关的波形图及频谱图，分析信号波形及其频谱特点。

正文

3.1 设计目的与意义

利用MATLAB/Simulink模拟仿真，熟悉该仿真工具。通过课程设计来更好的掌握课本的相关知识，对模拟信号进行抽样、量化、编码，从而实现模拟信号数字化，掌握模拟信号转换成数字信号的基本过程，从而了解通信原理的相关知识，提高自己分析问题、实践创新等各方面能力，进一步巩固课本上的知识。

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3.2 设计方法和内容

3.2.1 抽样定理与仿真

抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。连续信号在时间上离散化的抽样过程如图1所示。

图1 抽样过程

设时间连续信号f(t)，其最高截止频率为f

m如果用时间间隔为

Ts1/2fm的开关信号对f(t)进行抽样，则f(t)就可被样值信号fs(t)f(nTs)来唯一地表示。或者说，要从样值序列无失真地恢复原时间连续信号，其抽样频率应选为fs2fm，这就是著名的奈奎斯特抽样定理、简称抽样定理。

根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样定理和非均匀抽样；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可分理想抽样和实际抽样。

下面是对抽样信号进行MATLAB/Simulink仿真，原理图如图2所示,Sine Wave来自Simulik模块的Sources部分，Pulse Generator来自Simulik模块的Sources部分，Product来自Simulik模块的Commonly Used Blocks部分，Constant来自Simulik模块的Sources部分，Scope自Simulik模块的Commonly Used Blocks部分。

图2 抽样信号原理图

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图中各个模块的作用、参数设置如下：

(1)Sine wave是一个正弦波信号，正弦波的频率设置为f=1赫兹，幅值A=1。

（2）Pulse Generator是一个脉冲发生器，产生脉冲信号，其中的参数Amplitude代表 脉冲（方波）的幅值，Period代表周期（一个完整波的长度），Pulse Width代表脉冲宽度，用%表示在这个周期里占的比重，Phase Delay代表初始相位偏离原点的距离，此图中周期为0.025，幅值为1.5。脉冲宽度为50%，偏离原点的距离是0。

（3）Produt是乘运器。

（4）Constant是一个常数信号。

（5）Scope示波器，用来显示各个仿真信号的时域波形图。信号的仿真时域波形图为如图3所示

图3 仿真时域波形图

图3所示为平顶抽样的仿真图，图中黄色的线是原始正弦波信号，蓝色线为原始方波脉冲信号，正弦波信号与脉冲信号通过相乘器，经过取样形成如红色曲线所示的叠加信号，实现了一个简单的取样过程。3.2.2 量化原理与仿真

量化是把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示；利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列，虽然在时间上离散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值m(kT)可以取无穷多个可能值，因此仍属模拟信号。如果用N位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么, N位二进制码组只能同M=2N个电平样值相对应，而不能同无穷多个可能取值相对应。这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的M个离散电平，此电平被称为量化电平。

量化间隔是均匀的，这种量化称为均匀量化。还有一种是量化间隔不均匀的非均匀量化，非均匀量化克服了均匀量化的缺点，是语音信号实际应用的量化方式。

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1、均匀量化

把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，其量化间隔Δi取决于输入信号的变化范围和量化电平数。若设输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示, 量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为iba，量化器输出为mqqi，mi1mmi，式中, mi是第i个量M化区间的终点（也称分层电平），可写成miai，qi是第i个量化区间的量化电平，可表示为qim1mi12，i1,2,...,M。

2、非均匀量化

非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平，以改善量化性能。由均方误差式即NqE[(mmq)](xmq)2f(x)d(x)。

2非均匀量化的特点是：

信号幅度小时，量化间隔小其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比，可以做到在不增大量化级数N的条件下，使信号在较宽的动态范围内的（S/Nq)dB达到指标的要求。

利用Matlab /Simulink模拟量化的仿真原理图如图4所示，Singal Generrater来自Simulink模块中的Sources部分,A-Law Compreor来自Communications Blockset模块中的Sourcecoding部分,Quantizer decode来自Siqnal Proceinq Blockset模块中的Quantizer部分,Scalar Quantizer来自Siqnal Proceinq Blockset模块中的Quantizer部分,A—Law Expandershi来自Communicationsblockset模块中的Sourcecoding部分，Integer to Bit Converter来自Communications blockset模块中的Utility Blocks部分，To Workspac来自Simulink模块中的 Sinks部分，Scope来自Simulink模块中的 Sinks部分，Terminator来自Simulink模块中的 Commonly Used Blocks部分。

图4 量化的仿真原理图

图中各个模块的作用、参数设置如下：

（1）Singal Generrater信号信号发生器。其主要作用是可以产生正弦、方波、锯齿波及 第4页，共8页

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任意波。本次实验中产生的是正弦波信号。正弦波的频率设置为f=1赫兹，幅值A=1。

（2）A—Law Compreor是A律压缩器，其主要作用是对信号进行压缩。取值为90。（3）Quantizer Decode是量化解码器，主要是对信号进行量化解码。（4）Scalar Quantizer是一个抽样量化编码器，抽样时间为0.1。（5）A—Law Expandershi A律解压器，取值为90。

（6）Integer to Bit Converter是一个整型位变换器，每个字节数为20。（7）Terminator是连接到没有连接的输入端。(8)Simout是输出的数据

利用matlab /simulink模拟量化仿真后，信号发生器产生的正弦波和A律解压器产生的波形图即量化前信号如图5所示，利用抽样量化编码器，A律压缩器和量化解码器量化出来的信号如图6所示。

图5 量化前的信号

图6 量化后的信号

3.2.3 编码与仿真

把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码。模拟信息源输出的模拟信号m(t)经抽样和量化后得到的输出脉冲序列是一个M进制（一般 第5页，共8页

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常用128或256）的多电平数字信号，如果直接传输的话，抗噪声性能很差，因此还要经过编码器转换成二进制数字信号(PCM信号)后，再经数字信道传输。在接收端，二进制码组经过译码器还原为M进制的量化信号，再经低通滤波器恢复原模拟基带信号，完成这一系列过程的系统如图7所示的脉冲编码调制（PCM）系统。其中，量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D变换器)。

A / D变化m(t)抽样ms(t)低通滤波译码mq(t)

图7 PCM系统原理框图

量化mq(t)编码信道干扰m(t)抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号；量化是把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示；编码是用二进制码组表示量化后的M个样值脉冲。综上所述，PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。

在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关，这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高，造成数字化的信号带宽大大增加。然而，大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性，有很大的冗余度。利用信源的这种相关性，一种比较简单的解决方法是对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样，用样点之间差值的编码来代替样值本身的编码，可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码数显著减少，信号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）。如果将样值之差仍用N位编码传送，则DPCM的量化信噪比显然优于PCM系统。实现差分编码的一个好办法是根据k个样值预测当前时刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量化编码。DPCM系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此, 要求DPCM系统达到与PCM系统相同的信噪比，则可降低对量化器信噪比的要求，即可减小量化级数，从而减少码位数，降低比特率。下面主要利用Matlab /Simulink中的DPCM模块实现模拟信号数字化的仿真原理图如图8所示。

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图8 DPCM模拟信号数字化的仿真原理图

图中各个模块的作用、参数设置如下：

（1）Singal Generrater信号发生器。其主要作用是产生各种信号。本次实验中采用的正弦波信号。正弦波的频率设置为f=1赫兹。幅值A=1。（2）DPCM encoder是一个解码器，抽样时间为0.01。

（3）Scope示波器，用来显示各个仿真信号的时域波形图。

（4）To Workspace是将需要绘制波形的变量，通过To Workspace传到工作区，时与其变量都要设置为同样的存储类型。

仿真波形图如图9所示，Singal Generrater来自Simulink模块中的Sources部分，To Workspac来自Simulink模块中的 Sinks部分，Terminator来自Simulink模块中的Co mmonly Used Blocks部分，Constant来自Simulink模块中的Comm only Used Blocks部分，Scope来自Simulink模块中的 Sinks部分。

图9 仿真波形图

如图所示基带信号为正弦波信号，调制后的信号为上图中红色的信号，量化编码后的信号为图中蓝色的信号。

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3.3 结论

这次课程设计，主要是利用Matlab/Simulink进行模拟信号数字化仿真，实现了模拟信号的数字化，其过程分三步走：一是抽样，按一定的抽样速率，把时间上一些连续的模拟信号变成时间上离散的抽样过程。二是量化，把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，其中量化又有均匀量化和非均匀量化。均匀量化是输入信号的取值域等间隔划分的方法，它与信号的大小无关。在非均匀量化时，量化间隔是随信号抽样值的不同而变化的，它能提高小信号的信号量噪比。三是编码，把量化后的信号电平值变换成二进制码组，最终实现模拟信号的数字化。

致谢

在这次的课程设计过程中，我对Matlab/Simulink软件有了更熟悉的掌握并且我懂得了很多，课程设计不光是让我们去“设计”，更重要的是培养我们的能力！

本次课程设计我查阅书籍的重要性，通过翻阅书籍我找到了与我课设题目有关的内容，顺利进行了课程设计，我希望通过更多这样有价值的课设来充实自己。虽然课设中有很多困难，但经过指导老师的帮助和我的努力都一一克服了，增强了自信心。此外，在此特别感谢王会鲜老师，她耐心的给我讲解，仔细地给我分析，不厌其烦的帮我调适仿真，我非常感谢老师在课程设计中对我的帮助，如果没有老师的精心指导，我的课设也不会顺利完成，在次特别感谢王会鲜老师的耐心指导。

参考文献

[1]许波.刘征.MATLAB工程数学应用.北京:清华大学出版社，2002：92～99 [2]谭杨林.数字通信原理.北京:电子工业出版社，2001：69～70 [3] 吴家安.数字通信系统原理.西安:陕西教育出版社，2000 [4] 罗新民.现代通信原理.北京：电子工业出版社，2002 [5] 陈仁发.数字通信原理.北京：科学技术文献出版社，1994 [6] 邓华.MATLAB通信仿真及应用实例.北京：人民邮电出版社,2003：89～96 [7] 姚俊.马松辉.Simulink建模与仿真基础.北京：西安电子科技大学出版社,2002：97～120 [8] 王沫然.Simulink4建模及动态仿真.北京：电子工业出版社,2001:46～64