模拟信号的数字化传输系统设计

模拟信号的数字化传输系统设计

摘要

本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。课题中主要分为三部分对脉冲编码调制（PCM）系统原理进行建模与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的建模仿真。通过对脉冲编码调制（PCM）系统原理的仿真分析，设计者对PCM原理及性能有了更深刻的认识，并进一步掌握MATLAB软件的使用。

第一章绪论

数字通信系统由于具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而日常生活中大部分信号都是模拟信号。相对于模拟通信来说，数字通信有抗干扰能力强、保密性好、可以再生、没有噪声积累等优势。但是，现实生活中有很多模拟新源，模拟信源输出的信号是模拟信号，要将其在数字通信系统中进行传输，则必须经过相应的处理。研究模拟信号的数字化传输有着极其重要的意义。

在1937年，英国人里费（A.H.Reeves）提出了脉冲编码调制（PCM）方式。从此揭开了近代数字传输的序幕。PCM系统的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。另外，由于PCM可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合通信方式，而且还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。PCM的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。因此，PCM是一种极有发展前途的通信方式。

第二章MATLAB简介

2.1 MATLAB软件简介

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一

个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。其具有以下特点：友好的工作平台和编程环境；简单易用的程序语言；强大的科学计算机数据处理能力；出色的图形处理功能；应用广泛的模块集合工具箱；实用的程序接口和发布平台；应用软件开发（包括用户界面）。

2.2 MATLAB程序设计方法

MATLAB有两种工作方式：一种是交互式的命令行工作方式；另一种是M文件的程序工作方式。在前一种工作方式下，MATLAB被当做一种高级数学演算纸和图形表现器来使用，MATLAB提供了一套完整的而易于使用的编程语言，为用户提供了二次开发的工具，下面主要介绍MATLAB控制语句和程序设计的基本方法。

用MATLAB语言编写的程序，称为M文件。M文件有两类：命令文件和函数文件。两者区别在于：命令文件没有输入参数，也不返回输出参数；而函数文件可以输入参数，也可以返回输出参数。命令文件对MATLAB工作空间的变量进行操作，而且函数文件中定义的变量为局部变量，当函数文件执行完毕时，这些变量被清除。M文件可以使用任何编辑程序建立和编辑，而一般常用的是使用MATLAB提供的M文件窗口。

首先从MATLAB命令窗口的File菜单中选择New菜单项，在选择M-file命令，将得到的M文件窗口。在M文件窗口输入M文件的内容，输入完毕后，选择此窗口File菜单的save as命令，将会得到save as 对话框。在对话框的File 框中输入文件名，再选择OK按钮即完成新的M文件的建立。

然后在从MATLAB 命令窗口的File 菜单中选择Open对话框，则屏幕出现Open对话框，在Open对话框中的File Name 框中输入文件名，或从右边的directories框中打开这个M文件。在M文件所在的目录，再从File Name 下面的列表框中选中这个文件，然后按OK按钮即打开这个M文件。在M文件窗口可以对打开的M文件进行编辑修改。在编辑完成后，选择File菜单中的Save命

令可以把这个编辑过的M文件报存下来。

当用户要运行的命令较多或需要反复运行多条命令时，直接从键盘逐渐输入命令显得比较麻烦，而命令文件则可以较好地解决这一问题。我们可以将需要运行的命令编辑到一个命令文件中，然后再MATLAB命令窗口输入该命令文件的名字，就会顺序执行命令文件中的命令。

第三章模拟信号的数字化传输原理

3.1总体模型

如图所示，时域连续信号v(t)经过相乘器与抽样信号P(t)相乘得到时域离散信号k(t),再经过量化器得到幅值离散信号m(t),最后通过编码器得到适合传输的二进制信号即数字信号d(t)。

图3-1模拟信号的数字化传输模型

3.2 模拟信号的抽样及频谱分析

3.2.1 信号的抽样

离散时间信号通常是对连续时间信号按照一定的时间间隔抽样得到的。完成抽样功能的器件称为抽样器，下图所示为抽样器的示意图。图3―2是一个抽样概念示意图，假设一个模拟信号f(t)通过一个开关，则开关的输出与开关的状态有关，当开关处于闭合状态，开关的输出就是输入，即y(t)=f(t)，若开关处在断

开位置，输出y (t )就为零。

图3―2 抽样概念示意图

可见，如果让开关受一个窄脉冲串（序列）的控制，则脉冲出现时开关闭合，则脉冲消失时开关断开，此输出y (t )就是一个幅值变化的脉冲串（序列），每个脉冲的幅值就是该脉冲出现时刻输入信号f (t )的瞬时值，因此，y (t )就是对f (t )抽样后的信号或称样值信号。

3.2.2 抽样定理

模拟信号进行抽样会丢失信号的部分信息，要无失真地还原原始信号抽样必须满足抽样定理（也称为奈奎斯特-香农采样定理）。

抽样定理：如果信号是带限的，即信号的频谱存在最高的频率 ωm ，并且采样频率 ωs 大于信号带宽的一倍（ωs > 2ωm ），那么原来的连续信号可以从采样样本中完全重建。抽样定理是信息论、通讯、信号处理等学科中的一个重要的基本结论。

设 Xa(t)是连续时间信号,Xa(t)的傅立叶变换为：

Xa(j )=[Xa(t)]=()j Xa t e tdt -ΩΩ? (3.1)

设 p(t) 为周期冲激脉冲信号, Ts 为采样周期,

()()n P t t nTs δ∞

=∞-∑ (3.2)

以?()Xa

t 表示采样输出, 则： ?()()()n Xa

t Xa t t nTs δ∞

=-∞=-∑ (3.3) 根据傅立叶变换性质,采样信号?()Xa

t 的傅立叶变换为 ?()1/2[()()]Xa

j Xa j P j πΩ=Ω*Ω (3.4)

其中 P(jΩ) 为 ()p t 的傅立叶变换, 因此,

?()1/[()2/)]n Xa

j T Xa j jn T π∞

=-∞

Ω=Ω-∑ (3.5)

从 (2.5) 式我们又可得到

?()()()()()n n Xa

t Xa t t nTs Xa nTs t nTs δδ∞∞

=-∞

=-∞

=-=-∑∑ (3.6)

采样信号?()Xa

t 的傅立叶变换的另一种表示形式为 ???()[()]()[()()]j j n Xa j Xa t Xa t e dt Xa nT t nTs e dt ?δ∞

∞∞

-Ω-Ω-∞

-∞

=-∞Ω===-∑??

()()()j j Ts

n n Xa nTs t nTs e

dt Xa nTs e

δ∞

∞

∞

-Ω

-Ω-∞

=-∞

=-∞

=

-=

∑∑?

(3.7)

由此可见，采样信号 x p (t ) 的频谱 X p (j ω) 是原信号频谱 X (j ω) 的周期延拓，每个周期的强度是原信号的1/Ts 。如果 x (t ) 是一个带限信号，频率范围为 ?ωm ≤ ω ≤ ωm ，那么当 ωs > 2ωm ，周期延拓的频谱将不会发生混叠。这时只要将采样信号 x p (t ) 输入一个理想低通滤波器，其增益为 T s ，截止频率满足 ωm ≤ ωc < ωs ? ωm ，滤除 n = 0 以外的高频成分，就可以完全重建原信号。而如果不满足 ωs > 2ωm 的条件，X p (j ω) 会发生频谱混叠现象，导致重建信号的失真。

图3―3 频谱重叠示意图

如图以信号x(t) = cos(20πt)为例，信号的最高频率为10Hz ，我们分别用 15Hz 、20Hz 和 60Hz 的采样频率对其进行采样，所得的离散时间序列和相应的频谱如图3-3所示。

s

s

s

s

s

s

图3-4 x(t) = cos(20πt)时域与频谱

当采样频率fs = 15Hz 时为欠采样，此时发生的频谱混叠现象可以从图3-3中看出。如果不能从频谱中不失真的分离出原信号的频谱，则无法从信号的样值序列中恢复原信号。

3.3信号的量化

3.3.1量化的概念

量化，就是把抽样信号的取值离散化，将无限个可能的抽样值（不是指抽样点的个数，而是每个抽样点的可能取值）变成有限个可能取值。因此量化信号会造成信息损失，称之为量化误差。量化是将幅度域连续取值的信号在幅度域上划分为若干个分层，在每一个分层范围内的信号值用“四舍五入”的办法取某一个固定的值来表示。

量化器

模拟值量化值

图3-5 量化器

3.3.2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。均匀量化的量化间隔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：Δi=(b-a)/M。量化电平取在量化间隔的中点，量化器输出为

y k=Q(x k

2

(x k+x k+1)

如图3-5所示，q1~q6为量化级，将信号幅值区域分为5层。m1~m5为信号量化值，是信号确定量化后的取值。M个抽样值区间是等间隔划分的，称为均匀量化。M个抽样值区间也可以不均匀划分，称为非均匀量化。

图3-6信号实际值与量化值

3.3.3非均匀量化

所谓非均匀量化就是对信号的不同部分用不同的量化间隔，具体地说，就是对小信号部分采用较小的量化间隔，而对大信号部分就用较大的量化间隔。

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信号量化噪声比（S/Nq) dB达到指标的要求。

在抽样电路后面加上一个叫做压缩器的信号处理电路，该电路的特点是对弱小信号有比较大的放大倍数（增益），而对大信号的增益却比较小。抽样后的信号经过压缩器后就发生了“畸变”，大信号部分没有得到多少增益，而弱小信号部分却得到了“不正常”的放大（提升），相比之下，大信号好像被压缩了，压缩器由此得名。对压缩后的信号再进行均匀量化，就相当于对抽样信号进行了非均匀量化。

图3-7非均匀量化

在收信端为了恢复原始抽样信号，就必须把接收到的经过压缩后的信号还原成压缩前的信号，完成这个还原工作的电路就是扩张器，它的特性正好与压缩器相反，对小信号压缩，对大信号提升。为了保证信号的不失真，要求压缩特性与扩张特性合成后是一条直线，也就是说，信号通过压缩再通过扩张实际上好像通过了一个线性电路。

广泛采用的两种对数压缩律是μ压缩律和A 压缩律。美国采用μ压缩律，我国和欧洲各国均采用A 压缩律，因此，PCM 编码方式采用的也是A 压缩律。所谓A 压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：

A X A Ax y 1

0,ln 1≤<+=

11,ln 1ln 1<≤++=X A A Ax y

式中，x 为压缩器归一化输入电压，规格化成 -1≤x ≤1；y 为压缩器归一化输出电压；A 为常数，确定压缩量的参数，它反映最大量化间隔和最小量化间隔之比。A 压缩律中的常数A 不同，则压缩曲线的形状也不同，它将特别影响小电压时的信号量噪比的大小，在实用中，选择A 等于87.6。

A 律压缩律表示式是一条连续的平滑曲线，用电子线路很难准确的实现。由于A 律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码, 压扩特性图如下图所示

均匀量化

编码

解码

f(x)

瞬时扩张

f(x)

瞬时压缩

图3-8 A律函数13折线压扩特性图

图中横坐标x在0~1区间中分为不均匀的8段。2/1~1间的线段称为第8段；4/1~2/1间的线段称为第7段；8/1~4/1间的线段称为第6段；依此类推，直到0~128

/1间的线段称为第1段。图中纵坐标y则均匀的划分为8段。将这8段相应的坐标点（x,y）相连，就得到了一条折线。由图可见，除第1和2段外，其他各段折线的斜率都不相同。在下表中列出了这些斜率：

μ律特性输出y与输入信号x之间满足下式：

y=ln(1+μx)

ln(1+μ)

,0≤x≤1

式中,y为归一化输出电压；x为输入信号幅度，规格化成-1≤x≤1；μ为确定压缩量的参数，它反映最大量化间隔和最小量化间隔之比，取100≤u≤500。具体计算时，用μ＝255，把对数曲线变成8条折线以简化计算过程。

A律与μ律的特性曲线见图3―8。A律与μ律的性能基本相似，在μ=255，

量化级为256时，μ律对小信号信噪比的改善优于A律。图3―8的曲线只是压缩特性的一半，另一半在第三象限，与第一象限的曲线奇对称，为简单计，一般

都不画出来。

图3―9 两种对数压缩特性示意图

对于A 律曲线，采用13段折线近似；对于μ律曲线，采用15段折线近似。

图3-10 μ律函数15折线压扩特性图

3.4 信号的编码

编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D 。 理论上，任何一种从量化电平值到二进制码组的一一映射都可以作为一种编码。用的码组长度越长，码组个数就越多，可表示的状态就越多，则量化级数就可以增加，量化

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

y

x

A ＝87.6

A ＝10

A ＝1

1.0

0.80.60.40.2

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

y

x

μ＝255

μ＝30

μ＝0

1.0

0.80.60.40.2

(a) A 律压缩特性

(b) μ律压缩特性

间隔随之减小，量化噪声也随之减小。但码组长度越长，对电路的精度要求也越高，同时，要求码元速率（波特率）越高，从而要求信道带宽越宽。对于A律量化来说，量化级数为256，则一个码组的长度就是8位。目前常用的编码主要有：折叠码、自然码、格雷码。

表3―1 三种常用二进制码组

自然二进码用（a n，a n-1，…a1）表示，每个码元只有二种状态，取“1”或“0”，一组自然二进码代表的量化电平为

Ｑ=a n2n-1+a n-12n-2+…+a120

式中n为二进码位数。

格雷码(反射二进码)的特点是相邻两组代码间的码距为1，由于因电平误差造成错判到相邻量化区间的概率最大，这种编码使之造成一个比特误码的概率最

大。

折叠二进码用（C n，C n-1，…，C1）表示，它可由自然二进码变换而得。

在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位C1表示量化值的极性正负。后面的7位分为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。其中第2~4位（C2~C4）是段落码，共计3位，可以表示8种斜率的段落；其他4位（C5~C8）为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总共能表示128种量化值。段落码和8个段落之间的关系如表3-2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3-3所示。

表3-2 段落码表3-3 段内码

第四章程序设计

4.1 MATLAB GUI的介绍与设计

4.1.1图形用户界面的设计原则

一．使用图形用户界面主要是为了达到以下目的:

（1）编写一个需多次反复使用的实用函数,菜单!按钮!文本框作为输入方法具有意义.

（2）编写函数或开发应用程序供别人使用.

（3）创建一个过程!技术或分析方法的交互式示例.

二．为了实现这一目的,一个优良的图形用户界面应具备以下特性:

（1）可使用性:包括以下几点:使用的简单性!用户界面中的术语标准化和一致性!拥有帮助功能!快速的系统响应和较低的系统成本!用户界面应具有容错能力.（2）灵活性:包括以下几点:算法的可隐可显性!用户可以根据需要制定和修改界面方式!能够按照用户的希望和需要,提供不同详细程度的系统响应信息!与其它软件系统应有标准的界面.

（3）复杂性和可靠性:界面的复杂性指的是用户界面的规模和组织的复杂程度.在完成预定功能的前提下,应使用户界面越简单越好.但不是把所有功能和界面安排成线性序列就一定简单.用户界面的可靠性是指无故障使用的间隔时间.用户界面应能保证用户正确!可靠地使用系统,保证有关程序和数据的安全性.

4. 2 图形用户界面设计过程

4.2.1 界面设计初步规划

设计一个应用程序界面时,应该先对整个系统界面进行初步规划.考虑应该使用单文档还是多文档样式?需要多少不同的窗体?菜单中将包含什么命令?要不要使用工具栏重复菜单的功能?提供什么对话框与用户交互?需要提供什么样的帮助?界面设计也需要考虑应用程序的目的是什么!预期的用户是谁等问题.经常使用的应用程序和偶尔使用的辅助程序要区别对待,用来显示信息的应用程序与用来收集信息的应用程序也应有所不同.目标是针对初学者的应用程序,界面设计要求简单明了,而针对有经验用户却可以复杂一些。

4.2.2 设计MATLAB的GUI

在MATLAB中提供了图形用户界面设计向导,利用该向导,用户可以非常方便和快捷地设计一个图形用户界面,如同在一张纸上绘图.可以把图形界面的外观,包括

所有的按钮以及图形的位置确定下来,然后就可以利用MATLAB的回调程序编辑器来编写其函数代码,从而可以使该图形界面完成预定的任务.MATLAB中的图形用户界面设计向导包括以下5个工具:

（1）对象设计编辑器(LayoutEditor):提供了9种不同的图形控制对象和一个坐标轴对象,可以使用户按照自己的需要在图形上非常方便地添加和删除图形控制对象

（2）菜单编辑器(MenuEditor):可创建!设置!修改下拉式菜单和内容式菜单

（3）对象属性编辑器(PropertyEditor):可查看每个对象的属性值,也可修改!设置对象的属性值

（4）位置调整工具(AlignmentTool):用来调整图形窗口中各个图形对象的位置的工具

（5）对象浏览编辑器(ObjectBrowser):可观察当前设计阶段的各个句柄图形对象4.2.3 创建菜单

菜单项的设置可以通过uimenu函数来完成,该函数的调用格式为：menuhandle=uimenu(windowshandle，PropertyName1，PropertyValue1，……)其中，windowshandle是创建的菜单所在的图形窗口的句柄值或者子菜单所属的主菜单的句柄值;PropertyName1是菜单的某个属性的属性名,PropertyValue1是与菜单属性名相对应的属性值.uimenu函数最基本的属性包括:菜单名称Label,回调函数Callback,使能状态enable等.利用GUI设计工具也可创建菜单:首先输入Guide打开对象设计编辑器,然后选择Layout菜单下的MenuEditor子菜单,就可以打开菜单编辑器.利用菜单编辑器创建菜单更加方便灵活[4]。

4.2.4 控件的设计

在绝大多数的图形用户界面中都包含控件.控件是图形对象,它与菜单一起用于建立图形用户界面.通过使用各种类型的控件,可以建立起操作简便,功能强大的图形用户界面.MATLAB提供了10种控件对象:复选框(Checkboxes)!可编辑文本框(Editabletext)!框架(Frames)!列表框(Listboxes)!弹出式菜单(Pop-upmenus)!命令按钮(Pushbuttons)!单选按钮(Radiobuttons)!滑标(Sliders)!静态文本框(Statictext)!开关按钮(Togglebuttons).与菜单对象一样,可以通过命令行方式与GUI设计工具两种方式来建立控件.在命令行方式下,可以通过函数uicontrol来建立控件对象.该函数的调用格式为:controlhandle=uimenu(.PropertyName1.,PropertyValue1,,)其中,controlhandle是创建的控件对象的句柄值;PropertyName1是控件的某个属性

的属性名,PropertyValue1是与属性名相对应的属性值.利用controlhandle函数的Style属性可以创建上述10种控件中任意一种.利用GUI设计工具也可创建控件:首先输入Guide打开对象设计编辑器,然后利用向导控制面板可以方便地创建任何一种控件,而且通过对象属性查看器可以方便地修改!设置创建的控件的属性值.

4.2.5 对象属性编辑器

在GUI设计向导控制面板中按下PropertyEditor按钮可打开对象属性编辑器.对象属性编辑器的界面分为2个部分:上部是图形对象列表.它列出了所有根对象下的子对象.包括每个图形窗口对象以及窗口对象中的各控件对象.用户可以在此选择自己所需要设置的图形对象.下部的是图形对象的属性列表.这里列出了用户所选中的图形对象的所有属性名称以及属性的值.当用户选中一个属性,则在两个文本框中会分别显示出属性的名称和当前的属性值.可以利用此对其属性的修改.

4.2.6 回调函数的编写

回调程序编辑器的打开有如下方法:

（1）在GUI设计向导控制面板中按下CallbackEditor按钮.

（2）在图形窗口中的Tools菜单下选择CallbackEditor选项.

一个GUI应用软件的实现,最终是要通过对控件对象的操作来完成,而这些操作必定是通过MATLAB中函数代码的执行来完成的.函数代码的编制既可以通过编写回调函数完成,然后在编写时可以把该控件的函数代码直接书写在/CallBack0中;也可以把函数代码放在一个自定义的.M文件中,而在0CallBack0中只将其文件名写上.在编写回调函数时,handles是一个特别有用的结构数组,它以图形窗口中的所有对象的Tag值为域,存储着所有图形对象的句柄,通过handles可以方便地进行数据调用.再利用所有对象都具有的UserData属性来进行数据存储!传递,编写一个完美的回调函数就是一件轻而易举的事了。

4.3 图形用户界面具体设计

模拟信号的数字化传输设计需要“抽样”“量化”“编码”“译码”四个控件，因此在GUI设计向导控制面板添加4个命令按钮（Pushbuttons）；还需要输入模拟信号及抽样频率，再添加两个可编辑文本框(Editabletext)；最后添加3个静态文本框(Statictext)“模拟信号的数字化传输系统”“输入模拟信号”“输入抽样频率”。对上述控件更改Tag值及String值，对齐排版后，如图所示

4.4 程序设计步骤

4.4.1 抽样

以y=Sa2(x)为例，进行抽样。y=Sa2(x)函数最大频率2，抽样频率应大于等于4；以fs=10Hz进行抽样如图所示

4.4.2 量化

本设计采用A律13折线量化。输入抽样信号，归一化后判断在0~1区间中不均匀的8段中属于哪一段，并进行赋值。上例y=Sa2(x)函数量化值如图所示

4.4.3 编码

信号量化后变为幅度离散信号，使用8bit二进制数编码，首先判断量化信号的正负，再进行段落判断以及段内判断，最后将C1~C8输出。流程图如下

开始

输入信号

判断符号

段落判断

段内判断

输出

结束

上例y=Sa2(x)函数编码值：10000000 10110101 11010110 11100011 11101001 11101011 11101011 11101010 11100100 11010000 10000000 11011000 11101110 11110100 11111000 11111010 11111100 11111101 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111101 11111100 11111010 11111000 11110100 11101110 11011000 10000000 11010000 11100100 11101010 11101011 11101011 11101001 11100011 11010110 10110101 10000000

4.4.5 译码

译码是编码的逆过程，输入的二进制码组根据首位判断正负，根据C2~C4判断其段落并乘以相应的值，根据C5~C8判断其段内并乘以相应的值，段落与段内输出值相加添上正负号就得到译码值。上例y=Sa2(x)函数译码值，如图所示

由y=Sa2(x)函数的量化值图与编译码后的图对比，发现编译码过程也会产生误差，但误差很小，基本还原了信号。

模拟信号和数字信号的对比

模拟信号是将源信号的一些特征未经编码直接通过载波的方式发出，是连续的数字信号则是通过数学方法对原有信号进行处理，编码成二进制信号后，再通过载波的方式发送编码后的数字流，是离散的特点：模拟信号：将26个字母对应26种不同的颜色要传递时用不同颜色的滤光片改变电筒射出的光的颜色这里就会表现出模拟信号不可靠（容错性差、易受干扰）的缺点人对颜色的识别可能会有偏差大气对不同颜色的光线吸收程度不同数字信号：将26个字母编码成二进制数字（可参考莫尔斯电码）通过电筒光线的闪烁来传递信号由于光线的闪烁很容易分辨且不容易受到干扰这个通信方案的可靠性就比模拟信号更强模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。1．模拟通信模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。（1）保密性差模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。（2）抗干扰能力弱电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多2．数字通信（1）数字化传输与交换的优越性①加强了通信的保密性。②提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。③可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。（2）数字化通信的缺点①占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20?64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM信号占了几个模拟话路。对某一话路而言，它的利用率降低了，或者详它对线路的要求提高了。②技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。③进行模/数转换时会带来量化误差。随着大规模集成电路的使用以及光纤等宽频带传输介质的普及，对信息的存储和传输，越来越多使用的是数字信号的方式，因此必须对模拟信号进行模/数转换，在转换中不可避免地会产生量化误差数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。模拟信号与数字信号(1)模拟信号与数字信号不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(AnalogSignal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(DigitalSignal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断

模拟信号的数字化传输系统设计

模拟信号的数字化传输系统设计

摘要 本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。课题中主要分为三部分对脉冲编码调制（PCM）系统原理进行建模与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的建模仿真。通过对脉冲编码调制（PCM）系统原理的仿真分析，设计者对PCM原理及性能有了更深刻的认识，并进一步掌握MATLAB软件的使用。 第一章绪论 数字通信系统由于具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而日常生活中大部分信号都是模拟信号。相对于模拟通信来说，数字通信有抗干扰能力强、保密性好、可以再生、没有噪声积累等优势。但是，现实生活中有很多模拟新源，模拟信源输出的信号是模拟信号，要将其在数字通信系统中进行传输，则必须经过相应的处理。研究模拟信号的数字化传输有着极其重要的意义。 在1937年，英国人里费（A.H.Reeves）提出了脉冲编码调制（PCM）方式。从此揭开了近代数字传输的序幕。PCM系统的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。另外，由于PCM可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合通信方式，而且还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。PCM的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。因此，PCM是一种极有发展前途的通信方式。 第二章MATLAB简介 2.1 MATLAB软件简介 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一

基于matlab的模拟信号数字化仿真.

基于matlab的模拟信号数字化仿真 作者：李亚琼 学号：1305160425

摘要 本文研究的主要内容模拟信号数字化Matlab软件仿真。若信源输出的是模拟信号，如电话传送的话音信号，模拟摄像机输出的图像信号等，若使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A变换。模拟信号数字化由抽样、量化、编码三部分组成。由于数字信号的传送具有稳定性好，可靠性高，方便传送和传送等诸多优点，使得被广泛应用到各种技术中。不仅如此，Matlab仿真软件是常用的工具之一，可用于通信系统的设计和仿真。在科研教学方面发挥着重要的作用。Matlab有诸多优点，编程简单，操作容易、处理数据迅速等。 本文主要阐述的是模拟信号数字化的理论基础和实现方法。利用Matlab提供的可视化工具建立了数字化系统的仿真模型，详细讲述了抽样、量化、编码的设计，并指出了在仿真建模中要注意的问题。在给定的仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。 关键词：Matlab、模拟信号数字化、仿真 1.1基本原理 模拟信号的数字传输是指把模拟信号先变换为数字信号后，再进行传输。由于与模拟传输相比，数字传输有着众多优点，因而此技术越来越受到重视。此变化成为A/D变换。A/D变换是把模拟基带信号变换喂数字基带信号，尽管后者的带宽会比前者大得很多，但本质上仍属于基带信号。这种传输可直接采用基带传输，或经过熟悉调制后再做频带传输。A/D变化包括抽样、量化、编码三个步骤，如图。 图1.模拟信号数字化 1.1.1抽样定理 抽样就是把模拟信号在时间上的连续变成离散的抽样值。而能不能用这一系列抽样值重新恢复原信号，就需要抽样定理来解决了。所以说，如果我们要传输模拟信号，可以通过传输抽样定理的抽样值来实现而不是非要传输原本的模拟信号。模拟信号数字化的理论基础就是抽样定理，抽样定理的作用不言而喻。 抽样定理：设时间连续信号) f，其最高截止频率为m f，如果用时间间 (t

模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析

唐山学院 通信原理课程设计 题目模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析系 (部) 班级 姓名 学号 指导教师 2017 年 6 月 26 日至2017 年7月 8 日共 2 周

通信原理课程设计任务书 一、设计题目、内容及要求 设计题目：模拟信号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.逐步熟悉模拟信号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) 模拟信号抽样过程原理与仿真分析； (2) 模拟信号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。 (5) 在高斯信道下对PCM系统的性能进行仿真分析。（可选） 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，应包含模拟信号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1-2天课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件 第3-4天相关系统设计 第5-6天系统仿真及波形分析 第7-8天整理、撰写说明书 第9-10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:国防工业出版社，2006 [2]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京:电子工业出版社，2011 [3]邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版社，2008 [4]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版社，2012 [5]邵佳，董辰辉. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京:电子工业出版社，2009 指导教师（签名）：教研室主任（签名）：

基于MATLAB的模拟信号数字化系统的研究与仿真

基于MATLAB的模拟信号数字化系统的研究与 仿真

摘要 本文研究的主要内容是《通信原理》仿真实验平台的设计与实现---模拟信号数字化Matlab软件仿真。若信源输出的是模拟信号，如电话传送的话音信号，模拟摄像机输出的图像信号等，若使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A变换。模拟信号数字化由抽样、量化、编码三部分组成。由于数字信号的传送具有稳定性好，可靠性高，方便传送和传送等诸多优点，使得被广泛应用到各种技术中。不仅如此，Matlab仿真软件是常用的工具之一，可用于通信系统的设计和仿真。在科研教学方面发挥着重要的作用。Matlab有诸多优点，编程简单、操作容易、处理数据迅速等。 本文主要阐述的是模拟信号数字化的理论基础和实现方法。利用Matlab提供的可视化工具建立了数字化系统的仿真模型，详细讲述了抽样、量化、编码的设计，并指出了在仿真建模中要注意的问题。在给定的仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。 关键词：Matlab、模拟信号数字化、仿真

绪论 1837年，莫尔斯完成了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营，这可认为是电信或者远程通信，也就是数字通信的开始。 数字化可从脉冲编码调制开始说起。1937年里夫提出用脉冲编码调制对语声信号编码，这种方法优点很多。例如易于加密，不像模拟传输那样有噪声积累等。但在当代代价太大，无法实用化；在第二次世界大战期间，美军曾开发并使用24路PCM系统，取得优良的保密效果。但在商业上应用还要等到20世纪70年代。才能取代当时普遍采用的载波系统。我国70代初期决定采用30路的一次群标准，80年代初步引入商用，并开始了通信数字化的方向。数字化的另一个动向是计算机通信的发展。随着计算机能力的强大，并日益被利用，计算机之间的信息共享成为进一步扩大其效能的必需。60年代对此进行了很多研究，其结果表现在1972年投入使用的阿巴网。 由此可见，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。

通信原理第六章(模拟信号的数字传输)习题及其答案

第六章（模拟信号的数字传输）习题及其答案 【题6－1】已知信号()m t 的最高频率为m f ，由矩形脉冲()m t 进行瞬时抽样，矩形脉冲的宽度为2τ，幅度为1，试确定已抽样信号及其频谱表示式。 【答案6－1】 矩形脉冲形成网络的传输函数 ()( )( ) 2 2Q A Sa Sa ωτ ωτ ωττ== 理想冲激抽样后的信号频谱为 1 ()(2) =2 s m m m n s M M n f T ωωω ωπ∞ =-∞ = -∑ 瞬时抽样信号频谱为 ()()()( )(2) 2 H s m n s M M Q Sa M n T τ ωτ ωωωωω∞ =-∞ == -∑ ()H M ω中包括调制信号频谱与原始信号频谱()M ω不同，这是因为()Q ω的加权。 瞬时抽样信号时域表达式为 ()()()() H s n m t m t t nT q t δ∞ =-∞ = -*∑ 【题6－2】设输入抽样器的信号为门函数()G t τ，宽度200ms τ=，若忽略其频谱的第10个零点以外的频率分量，试求最小抽样速率。 【答案6－2】 门函数()G t τ的宽度200ms τ=，其第一个零点频率1150f Hz τ==，其余零 点之间间隔都是1 τ，所以第10个零点频率为110500m f f Hz ==。忽略第10个零点以外的频率分量，门函数的最高频率是500Hz 。由抽样定理，可知最小抽样速率21000s m f f Hz ==。

【题6－3】设信号()9cos m t A t ω=+，其中10A V =。若()m t 被均匀量化为40个电平，试确定所需的二进制码组的位数N 和量化间隔v ?。 【答案6－3】 ()m t 需要被量化为40个电平，即40M =，表示40个电平需要的二进制码 组位数 2[log ]16N M =+= 量化间隔 22100.540A v V M ??= == 【题6－4】已知模拟信号抽样的概率密度()f x 如下图所示。若按四电平进行均匀量化，试计算信号量化噪声功率比。 【答案6－4】 根据()f x 图形可知 10<1()1 -10 01x x f x x x x -≤?? =+≤≤??≥? x 动态范围为：1(1)2v =--= 量化级间隔为： 2 0.54v v M ?= == 量化区间端点和量化输出为：01m =-，10.5m =-，20m =，30.5m =，41m =； 10.75q =-，20.25q =-，30.25q =，40.75q =。 量化信号功率为：

模拟信号的数字传输.

第七章 模拟信号的数字传输 数字通信系统中信道中传输的是数字信号。但自然界中，有些信源是以模拟形式出现的，如话音、图像等。因此在进行数字通信往往需先对信号（模拟的）数字化。模拟信号数字化属信源编码范围，当然信源编码还包括并/串转换、加密和数据压缩。本章重点讨论模拟信号数字化的基本方法，主要有PCM 、Δm 、ADPCM,还有其它VQ 、LPC 和CELP 。 模拟信号数字化的过程（得到数字信号）一般分三步：抽样、量化和编码。 其中“抽样”指抽取样值，抽取样点。抽样的多少，快慢对通信的性能指标有决定影响。抽样类似物理实验中实验曲线的描绘方法，测样点太少容易失真，；太多即费时又费力。在通信中抽样点太少容易失真；太多时数据量大，传输时间长，效率低。（带宽大，因Rb 大）。 如何抽样，由下面的抽样定理描述。 抽样定理是数字通信的基础。下面引出定理，给出必要的证明，再说明其具体应用。 7.1抽样定理 一 低通抽样定理 1、定理描述 频率受限于（0，H f ）的时间连续信号m(t) ,若抽样频率s f 不小于2 H f ，则m(t)可被其抽样值s m (t) 完全确定。（写完后解释，或强调两点）。 2、证明： s m (t)包含m(t)的全部信息；从s m (t)可无失真恢复m(t)。 抽样过程如图：

T (t)m(t)(t)δ= s T 1 M ()M()()2ωωδωπ = * T s n (t)(t nT )δδ∞ =-∞= -∑ T s s n ()(n )δ ωωδωω∞ =-∞ =-∑ s s s n m (t)m(nT )(t nT )δ∞ =-∞ =-∑ s s n s 1 M ()M(n )T ωωω∞ =-∞ = -∑ s m(t)=m (t)h(t)* s M()M ()H()ωωω= H H 21,H(W)G ()0,ωωωω? ≤?==? ?? 其它 H H H a H H sin t h(t)S (t)t ωωωωππω= = s H f 2f ≥ 时，得到的M()ω不失真。 抽样频率s f 不同时，s M ()ω的变化如图：

实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析

实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析 一、实验目的 1. 进一步掌握Simulink 软件使用的基本方法； 2. 熟悉信号的压缩扩张； 3. 熟悉信号的量化； 4. 熟悉PCM 编码与解码。 二、实验仪器 带有MATLAB 和SIMULINK 开发平台的微机。 三、实验原理 3.1 信号的压缩和扩张 非均匀量化等价为对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量 化。中国和欧洲的PCM 数字电话系统采用A 律压扩方式，美国和日本 则采用μ律方式。设归一化的话音输入信号为[ 1, 1] x∈? ，则 A 律压缩器的输出信号y 是： 其中，sgn(x) 为符号函数。A 律PCM 数字电话系统国际标准中， 参数A=87.6。 Simulink 通信库中提供了“A-Law Compressor”、“A-Law Expander”以及“Mu-Law Compressor”和“Mu-Law Expander”来实 现 A 律和? 律压缩扩张计算。 压缩系数为87.6 的A 律压缩扩张曲线可以用折线来近似。16 段折 线点坐标是 其中靠近原点的4 段折线的斜率相等，可视为一段，因此总折线 数为13 段，故称13 段折线近似。用Simulink 中的“Look-Up Table ” 查表模块可以实现对13 段折线近似的压缩扩张计算的建模，其中，压 缩模块的输入值向量设置为 [-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1 /4,1/2,1] 输出值向量设置为[-1:1/8:1]

扩张模块的设置与压缩模块相反。 3.2 PCM 编码与解码 PCM 是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。A 律PCM 数字电话系统中规定：传输话音信号频段为300Hz到3400Hz ，采样率为8000 次/ 秒，对样值进行13 折线压缩后编码为8bit二进制数字序列。因此，PCM 编码输出的数码速率为64Kbps 。 PCM 编码输出的二进制序列中，每个样值用8 位二进制码表示， 其中最高比特位表示样值的正负极性，规定负值用“0 ”表示，正值用“1 ”表示。接下来3 位比特表示样值的绝对值所在的8 段折线的段落号，最后 4 位是样值处于段落内16 个均匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM 编码的低7 位相当于对样值的绝对值进行13 折线近似压缩后的7bit 均匀量化编码输出。 四、实验内容 1. 设计一PCM 编码器，要求该编码器能够对取值在[-1 ；1] 内的归一 化信号样值进行编码； 2. 设计一个对应于以上编码器的PCM 解码器； 3. 在以上两项内容的基础上，建立PCM 串行传输系统，并在传输信 道中加入指定错误概率的随机误码。 五、实验过程 1、PCM编码器建模与仿真 框图 参数设置：saturation限幅器：上限值为1，下限值为-1. Relay：

模拟信号的数字传输

135 第七章 模拟信号的数字传输 7.1 引 言 前几章已讨论了模拟信号在模拟通信系统中的传输和数字信号在数字通信系统中的传输。 本章将要讨论的是模拟信号经过数字化以后在数字通信系统中的传输，简称模拟信号的数字传输。 数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。另外，还可以存储，时间标度变换，复杂计算处理等。 模拟信号用得多的是语音信号，把语音信号数字化后，在数字通信系统中传输，称为数字电话通信系统。 模拟信号的数字传输的方框图见下图： 图中，)(t m 、∧)(t m ：模拟随机信号，{}k s 、{}∧ k S ：数字随机序列。 模拟信号的数字传输分三个步骤进行： ① A/D 把模拟信号变成数字信号 ② 数字信号传输 ③ D/A 把数字信号还原成模拟信号 第二步骤在第5章，第6章已经论述。因此，本章仅讨论第一和第三步骤。 模拟信号数字输入的关键是模拟信号和数字信号的互相转换。 A/D 转换步骤示意如下图： A/D 转换 D/A 转换

136 本章主要内容： 1、抽样（介绍模拟信号数字化的理论基础之一：抽样定理） 2、量化（介绍模拟信号的量化） 3、编码和译码 4、PCM （脉冲编码调制） （模拟信号抽样、量化、编译码的一种常用方式）系统 5、m （增量调制）系统（模拟信号数字化的另一种常用方式） 6、DPCM 系统 7、数字电话通信系统 （简要介绍模拟电话信号的数字传输）（一个例子） 7.2抽样定理 将模拟信息源信号转变成数字信号叫做A/D 转换，A/D 转换中有三个基本过程： 抽样、量化、编码。 抽样是A/D 转换的第一步。 A/D 转换时，抽样间隔越宽，量化越粗，信号数据处理量少，但精度不高，甚至可能失掉信号最重要的特征。 抽样间隔如何确定？（抽样速率如何确定？） 举正弦波信号抽样的例子： t 抽样 量化 1 t 024 t 100 编码 A/D 转换步骤示意图

模拟信号数字化课程设计

模拟信号数字化 一、课程设计的目的 通过本次课程设计的学习我们不仅要能够加深对在课堂中的理论知识的理解并且巩固理论课上所学的有关PCM编码和译码的基本的概念、理论和方法。利用Matlab软件平台运行，对模块进行调试、仿真和分析。对结果记性分析，输出结果应和结论一致，且符合理论。通过这些过程不但可以能锻炼我们发现问题、分析问题和解决问题的能力，而且还能够通过实验学习和掌握到书本中不能学习到的实践知识和经验。并且能够通过实验验证一些基本的简单的理论，为以后自己学习工作积累充分的实践知识和经验。 二、课程设计的要求 在本次课程设计中利用Matlab软件集成环境下的Simulink仿真平台通过理论分析，设计一个 PCM编译码系统用示波器观察编码与译码前后的结果，即在示波器上信号波形，根据运行的数据和波形来分析该系统性能。结合理论分析验证结果的正确性。 （1）利用Simulink对系统建模设计一个PCM的编译解码器。 （2）输入模拟的话音信号并且观察其输出波形。 （3）对系统设计进行仿真演示。 三、课程设计涉及原理 （一）PCM原理 数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（Pulse-code modulation），即脉冲编码调制。PCM是实现语音信号数字化的一种方法，就是把一个时间连续，取值连续的模拟信号变换成时间离散，取值离散的数字信号后在信道中传输。脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化，编码的过程。PCM系统的原理框图简要介绍。原理框图如下。

（二）PCM的工作包括：抽样，量化，编码。 1、抽样：把连续信号变为时间轴上离散的信号过程称为抽样抽样必须遵守奈奎斯特抽样定理。离散信号才可以完全代替连续信号。 2、量化：量化是把幅度连续变化的模拟量变成用有限为二进制数字量的过程。量化分为均匀量化和非均匀量化由于均匀量化的缺点所以实际中往往用非均匀量化。在实际中使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和U律，U律PCM用于北美和日本，A律PCM用于欧洲 和我国，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码。 A律13折线图 3、编码：编码就是把两户后的信号变换成代码，其反过程就成为译码。在现有的编码方法中，若安编码的速度来分，分为：低速编码和高速编码。在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。通信中采用高速编码方式。编码器的种类在大体上可归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。 四、实验内容 任务一：PCM编码 A律PCM数字电话系统中规定：传输语音的信号频段为300~3400Hz。采样频率为8000次/s，对样值进行13折线压缩后编码为8位二数字序列。因此，PCM编码输出的数码速率为64kbps。PCM编码的二进制序列中，每个采样值用8位二进制码表示，其中最高位比特位表示样值的正负性，规定负值用0表示，正值用1表示。接下来的3位比特表示样值的绝对值所在的8段折线的段落号，最后4位是样值处于段落内16个均匀间隔上的间隔序号。 在实验中用一个常数表示信号源，用Saturation将信号幅度限制在（-1,1）范围内，Relay

第2章 模拟信号的数字化传输

通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类，而且可以把模拟信号数字化后，用数字通信方式传输。为了在数字通信系统中传输模拟消息，发送端首先应将模拟消息的信号抽样，使其成为一系列离散的抽样值，然后再将抽样值量化为相应的量化值，并经编码变换成数字信号，用数字通信方式传输，在接收端则相应地将接收到的数字信号恢复成模拟消息。模拟信号的数字传输方框图如图7-1所示。 图7-1模拟信号的数字传输 基本概念: 抽样定理抽样量化脉冲编码调制 基本原理: 抽样定理 低通型连续信号的抽样定理 带通型连续信号的抽样定理 平顶抽样 模拟信号的量化 利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。抽样是把一个时间连续、幅度连续信号变换成时间离散、幅度连续的信号。量化是 将时间离散、状态连续的抽样变换成时间离散、状态离散的信号。对模拟 抽样值的量化过程会产生误差，称为量化误差，通常用均方误差来度量。由 于这种误差的影响相当于干扰或噪声，故又称其为量化噪声。量化后的信号 与原信号近似程度的好坏，通常用信号量化噪声功率比来衡量，它被定义为

式中E为统计平均，为量化器输出的信号功率，为量化噪声功率。 均匀量化 均匀量化的特点 非均匀量化 非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小;反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个主要的优点: ?当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以较高的平均信号量化噪声功率比; ?非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。 因此，量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时 的量化信噪比。 非均匀量化的实现方法是将抽样值通过压缩器压缩后再进行均匀量化。广泛采用的两种对数压缩律是: ?压缩律:美国 ?压缩律:我国和欧洲 脉冲编码调制 脉冲编码调制原理 模拟信息源输出的模拟信号经抽样和量化后得到的输出电平序列可以利用进制PAM直接进行传输，也可以将每一种量化电平用编码方式传 输。所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值转换成二进制码组的过程。PCM通信系统的组成方框图如图7-2所示。输入的模拟信号经抽样、量化、编码后变换成数字信号，经信道传送到接收端的译码器，由译码器还原出抽样值，再经低通滤波器滤出模拟信号。其中，量化与编码的组合通常称为A/D变换器;而译码与低通滤波的组合称为D/A变换。

模拟信号数字化传输系统课程设计

通信原理课程设计任务书 一、设计题目、内容及要求 设计题目：模拟信号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.逐步熟悉模拟信号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)模拟信号抽样过程原理与仿真分析； (2)模拟信号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。 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，应包含数字频带通信系统原理、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1-2天课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件 第3-4天相关系统设计 第5-6天系统仿真及波形分析 第7-8天整理、撰写说明书 第9-10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:国防工业出版社，2006 [2]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京:电子工业出版社，2011 [3]邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版社，2008 [4]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版社，2012 [5]邵佳，董辰辉. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京:电子工业出版社，2009 指导教师（签名）：教研室主任（签名）：