模拟信 数字化传输系统的设计与仿真分析说明书

一、设计题目、内容及要求

设计题目：模拟信 数字化传输系统的设计与仿真分析
内容及要求：
1.了解MATLAB/Simulink的运行环境及应用领域；
2.逐步熟悉模拟信 数字化传输系统的仿真过程，由简到难；
3.系统仿真及波形分析
(1) 模拟信 抽样过程原理与仿真分析；
(2) 模拟信 量化过程原理与仿真分析；
(3) PCM编译码系统设计与仿真分析；
(4) DPCM编译码系统设计与仿真分析。
(选做) (5)在高斯信道下对PCM系统的性能进行仿真分析。

二、设计原始资料

通信原理；软件MATLAB；计算机一台

三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）

设计说明书1份，不少于2000字，应包含模拟信 数字化传输系统原理、相关系统设计、相关软件MATLAB/Simulink介绍、系统仿真及波形分析。

四、进程安排

第12天 课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件
第34天 相关系统设计
第57天 系统仿真及波形分析
第89天 整理、撰写说明书
第10天 进行测试或答辩

五、主要参考资料

[1]樊昌信、曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版 ，2012
[2]徐盛威.基于MATLAB/Simulink的通信系统建模与仿真.北京：清华大学出版 ，2019
[3]张瑾、周原.基于MATLAB/Simulink的通信系统建模与仿真.北京：北京航空航天大学出版 ，2017
[4]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京：人民邮电出版 ，2012
[5]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京：电子工业出版 ，2011

目录
前言 1
1MATLAB简介 2
1.1软件介绍 2
1.2 MATLAB的特点 2
2Simulink简介 3
3仿真设计简介 4
3.1仿真系统介绍 4
3.2仿真的优越性 5
4系统仿真及波形分析 6
4.1模拟信 抽样过程 6
4.1.1抽样原理 6
4.1.2低通型连续信 的抽样 6
4.1.3 带通信 的抽样定理 7
4.1.4抽样过程的设计与仿真分析 8
4.2模拟信 量化过程 9
4.3 PCM编译码系统 14
4.4DPCM编译码系统 22
4.4.1DPCM原理 22
4.4.2DPCM编译码系统设计与仿真 23
5总结 24
参考文献 25

前言

• 随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视，通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能，从而为新系统的简历或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。
• 通信系统中的信息传输已经基本数字化。在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提前到日程上来，21世纪已经逐步取代模拟系统。尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。近年来提出的软件无线电技术，试图在射频进行模数，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化，这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展。
• MATLAB是一种先进的高级技术程序设计语言，是一种编程语言和可视化工具主要用于数值计算及可视化图形处理，MATLAB
  在20世纪90年代，已经成为国际控制界的标准计算软件。它能够对数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系清晰明了。MATLAB
  提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。Simulink
  提供了基于MATLAB核心的数值、图形、编程功能的一个块状图界面，通过块与块的联线和属性设置，构建出符合特定要求的模型，并对模型进行分析和模拟。Simulink能让用户把精力从语言编程转向仿真模型的构造，为用户省去了很多重复的代码编写工作。Simulink中的每个模块对我们来说都是透明的，我们只须知道模块的输入、输出和每个模块的功能，而不需要关心模块内部是如何实现的，正是由于Simulink具有这些特点，所以它被广泛应用在通信仿真中。

1MATLAB简介

1.1软件介绍

• MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是由美国Math Works
  公司推出的用于数值计算和图形处理的计算系统环境，除具备卓越的数值计算能力以外，还提供了专业的符 计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，因此，使用MATLAB来解决问题比用C语言，Fortran语言等要简洁很多。
• MATLAB
  是国际公认的优秀应用软件之一。MATLAB产品族可以进行数值分析、数值、符 计算、控制系统的设计和仿真、数字图像处理、工程与科学绘图、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程、数字信 处理这些工作。
• MATLAB的应用范围很广，如信 和图像处理、控制系统设计、测试和测量、通讯、计算生物学、财务建模和分析等应用领域。附加的工具箱拓展了MATLAB环境，以及解决这些应用领域内特定类型的问题。

1.2 MATLAB的特点

2Simulink简介

• Simulink是MATLAB软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为：从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观，看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。
• Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信 源模块库(Source) 、接收模块库(Sinks)、连续系统模块库(Continuous)、离散系统模块库(Discrete)、非连续系统模块库( Signal Routing)，信 属性模块库(Signal Attributes) ，数学运算模块库(Math Operations)，逻辑和位操作库(Logic and Bit Operations)等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。
• Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面(GUI)。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者Fortran语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。
• 本次设计选择用Simulink而不是直接用MATLAB编程，一定程度上减小了设计难度，而且设计效果更加直观。在库函数中可以找到相应的示波器、滤波器、乘法器等等，而且可以通过参数设置，近似的实现实际中的效果，因此能够更好地反映实际通信系统的情况。

3仿真设计简介

3.1仿真系统介绍

• 随着计算机和多媒体技术的广泛应用，计算机仿真已成为培养工程实践能力的重要内容。实践证明：基于MATLAB软件平台的实验教学，对于促进用户的感性认识，巩固数字通信原理的理论，在培养计算机应用能力和创新能力方面起到了积极的作用。

4系统仿真及波形分析

4.1模拟信 抽样过程
4.1.1抽样原理

• 抽样是按照等时间等间隔进行的，模拟信 被抽样后成为抽样信 ，把该模拟信 经过抽样后还应当包含原信 中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信 。抽样的抽样速率下限是由抽样定理确定的。抽样定理告诉我们，
  若要传输模拟信 ，不一定要传输模拟信 本身，可以只传输抽样定理得到的抽样值。因此该定理就为模拟信 的数字化传输提供了理论基础。

4.1.2低通型连续信 的抽样

图4-4抽样过程的原理电路图

• 量化器的输入与输出关系可用量化特性来表示，语言编码常采用上图所示输入—输出特性的均匀量化器，当输入m在量化区间变化时，量化电平是该区间的中点值。相应的量化误差与输入信 幅度m之间的关系曲线如图4-6所示.
• 过载区的误差特性是线性增长的，因而过载误差比量化误差大，对重建信 有很坏的影响。在设计量化器时，应考虑输入信 的幅度范围，是信 幅度不进入过载区，或者只能以极小的概率进去过载区。上述的量化误差通常称为绝对量化误差，它在每一个量化间隔内的最大值均为。均匀量化广泛应用于现行A/D变换接口，例如在计算机中，M为A/D变化的位数，常用的有8位、12 位、16位等不同精度。

4.2.3非均匀量化

• 非均匀量化的方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数采用对数式压缩。广泛采用的两种压缩率是u压缩率和A压缩率。

1.A律压缩律
A压缩律的压缩特性为：


图4-7 A律对数压缩特性
2.13折线

图4-13 LookupTable1参数设置图


图4-15示波器Scopel仿真波形

• 显示波形中，第一个波形显示的是进行自然量化之后的波形，第二个波形是经过压缩之后再量化的波形，近似于13 折线的波形。

4.3 PCM编译码系统
4.3.1脉冲编码调制(PCM)

图4-19Relay参数设置图

• 量化器设置，以指定的时间间隔离散化输入，如图4-24所示：
  

• 混合设置，将几条输入连线组合成一条向量连线，如图4-26所示：
  

• Demux的输出设置为8，Mux的输出设置为7，起解混作用，将向量信 分解为多个信 。 其他模块的参数设置同编码器部分参数的设置相同。

3.有干扰信 的PCM编码与解码
为了验证PCM编译码系统的特性，设计了一个有干扰的编译码过程。
有干扰信 的PCM编码与解码设计图如图4-28所示：


图4-29 Sine Wave参数设置图

图4-31Frame Conversion参数设置图

• 对第二个缓冲器进行设置，如图4-34所示：
• 总体参数进行简单的设置即可，参数设置如下：

• 第一个波形是经过二进制对称信道的波形，第二个波形为经过信道以前的波形，由此可以看出，经过一个二进制对称信道以后，一部分波被衰减掉。
  

图4-39DPCM编译码系统设计图

• 图中示波器的显示波形如下图4-40所示：

图4-40示波器显示波形

5总结

• 通过本次课程设计我较系统地掌握了有关PCM脉冲编码调制的设计思路和设计方法，主要对MATLAB的仿真方法与开发环境等有了一定的了解并对其进行测试和应用。掌握了利用MATI
  AB集成环境下的Simulink仿真平台，完成对脉冲编码调制系统的建模与仿真分析的基本方法。以前对PCM编码的了解只是理论层面上的，通过这次课程设计加深了对理论知识的理解，并对其在实际中的应用有了一定的了解。
• 在课程设计刚开始的时候，由于对MATLAB的使用不太熟悉觉得无从下手使课程设计进展困难。为此，我借助 络、图书等资源一步一步熟悉MATLAB,并在熟练的同学的帮助下，渐渐摸索找到了方法。我认识到在以后的学习过程中要时刻保持着刻苦钻研的精神和坚持不懈的毅力。本此课程设计的成功离不开自己的努力，离不开同学的帮助，更离不开指导老师的教育。老师一方面在理论课上很详细很专业的为我们讲解了本次课程设计的理论知识,让我对此在宏观上了解并能够掌握这些理论知识，为以后的实际操作提供了坚实的基础。另一方面在实际操作时也给我们很多技术上的指导让我们能在此过程中学到更多的操作技能。
• 总的来说，这次的课程设计让我受益匪浅。不仅是我体验到了动手操作的乐趣，而且培养了我的设计思维和增强了实践能力。

参考文献

[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理.北京:国防工业出版 .2006
[2]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京:电子工业出版 .2011
[3]邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版 .2008
[4]张水英,徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版 .2012
[5]邵佳,董辰辉. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京:电子工业出版 .2009

声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！