模拟数字信号处理的相关性 Paul Hasler 和David V.Anderson 佐治亚州电子与计算机工程技术研究院, 亚特兰大市, GA30332 phasler@https://www.doczj.com/doc/c94450836.html,, dva@https://www.doczj.com/doc/c94450836.html, 摘要 我们介绍了模拟数字信号处理的相关性的定义和实时信号处理函数的含义.我们也讨论了模拟计算和数字计算电路中操作运算的平衡行问题,并且展示了模拟数字信号相关性处理系统的构架.该系统在模拟VLSI电路处理中的新特性使用采用可编程单元方法改进模拟信号处理系统成可能。 1.模拟数字信号处理相关性的定义 在最近和将来DSP的应用中, VLSI模拟电路的新特性得到了使用[1,2,3,4,5,6,7]。并且,模拟电路系统具有可编程性,可配置和良好的适应性,同时集成度可以和数学存储单元相比(例如,能将超过10万的加法器集成到单一芯片上)[8,9,10,11,5].通常,单一芯片不会同时具有模拟和可编程特性,模拟电路主要用在前置放大器中,而可编程器件专门用于数字处理域中。因此,我们必须清楚是否要具有数学和模拟信号处理两中特性,或者针对特殊用途选择专门的解决方案。本论文所关注的就是确定问题所在。本文章描述了一种创建模拟数字信号处理系统相关性方案。与简单将各部分拼接起来相对,该系统更能发挥各部分的优势。 本论文中我们定义了模拟数字信号相关性处理的概念(CADSP),并且在实时系统中使用了可编程模拟信号处理和数字信号处理相融合的方法。在现在技术中无论是模拟信号处理还是数字信号处理均不会单独使用,因为现实世界中信号均为模拟量然而大多数的控制器都是数字量。最终问题就是如何区分模拟和数字的界限,如图1所示,使用互动有益方法时,利用模拟/数字计算来形成系统的总体框架。对于计算时模拟量和数字量如何区别,CADSP能灵活地设定。在数学运算和电路计算方面,CADSP是复合信号研究的超集。在模拟系统中增加函数功能性后,我们能改进数字系统的性能,因此这样的整个产品正在研发中。 图1 模拟/数字信号相关性处理的结构图。我们认为从现实传感器中获得信号的模型是模拟的,它需要由计算机处理。相反的数字信号经过执行机构作用于现实。一种方法是将A/D传感器放置在尽量接近被监测信号的位置,将计算机的残差直接输出。另一种交互的方式是通过模拟信号处理,获得简单A/D转换器,减小数字计算机的计算误差的步骤来完成。可以将上述模拟计算和A/D转换器组合起来组成复杂的A/D转换器,与引入信号的字面地图相比它能提供更多的信息(如傅立叶系数,音位等)。模数界限的确定特殊应用的需要。 对模数界限划分的讨论将会占用数篇论文。该方法的应用领域包括语音处理,多维信号处理,雷达波计算,会话处理和图像处理和识别。下面的部分进行结论分析,过程分析并讨论能源消耗的含义,生产量和工程设计时间。第二部分讨论当前技术环境和模数信号处理可行性融合方式的改进。第三部分对模拟信号处理能力进行了总结。第四部分对已给定系统的解决方案进行了比较和讨论。在这一部分,将对相关的论文进行致谢。
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
对模拟信号(一维信号,是时间的函数)进行采样后,就是 离散 信号,再进行幅度量化后就是 数字信号。2、若线性时不变系统是有因果性,则该系统的单位取样响应序列h(n)应满足的充分必要条件是 当n<0时,h(n)=0 。3、序列)(n x 的N 点DFT 是)(n x 的Z 变换在 单位圆 的N 点等间隔采样。4、)()(5241 n R x n R x ==,只有 当循环卷积长度L ≥8 时,二者的循环卷积等于线性卷积。5、已知系统的单位抽样响应为h(n),则系统稳定的充要条件是 ()n h n ∞ =-∞ <∞ ∑ 6、用来计算N =16点DFT ,直接计算需要(N 2 )16*16=256_次复乘法,采用基2FFT 算法, 需要__(N/2 )×log 2N =8×4=32 次复乘法。7、无限长单位冲激响应(IIR )滤波器的基本结构有直接Ⅰ型,直接Ⅱ型,_级联型_和 并联型_四种。8、IIR 系统的系统函数为)(z H ,分别用直接型,级联型,并联型结构实现,其中 并 联型的运算速度最高。9、数字信号处理的三种基本运算是:延时、乘法、加法 10、两个有限长序列 和 长度分别是 和 ,在做线性卷积后结果长度是__N 1+N 2-1_。11、N=2M 点基2FFT ,共有 M 列蝶形, 每列有N/2 个蝶形。12、线性相位FIR 滤波器的零点分布特点是 互为倒数的共轭对 13、数字信号处理的三种基本运算是: 延时、乘法、加法 14、在利用窗函数法设计FIR 滤波器时,窗函数的窗谱性能指标中最重要的是___过渡带宽___与__阻带最小衰减__。16、_脉冲响应不变法_设计IIR 滤波器不会产生畸变。17、用窗口法设计FIR 滤波器时影响滤波器幅频特性质量的主要原因是主瓣使数字滤波器存在过渡带,旁瓣使数字滤波器存在波动,减少阻带衰减。18、单位脉冲响应分别为 和 的两线性系统相串联,其等效系统函数时域及频域表达式分别是h(n)=h 1(n)*h 2(n), =H 1(e j ω )× H 2(e j ω )。19、稳定系统的系统函数H(z)的收敛域包括 单位圆 。20、对于M 点的有限长序列x(n),频域采样不失真的条件是 频域采样点数N 要大于时域采样点数M 。 1、下列系统(其中y(n)为输出序列,x(n)为输入序列)中哪个属于线性系统?( y(n)=x(n 2 ) ) A.窗函数的截取长度增加,则主瓣宽度减小,旁瓣宽度减小 B.窗函数的旁瓣相对幅度取决于窗函数的形状,与窗函数的截取长度无关 C.为减小旁瓣相对幅度而改变窗函数的形状,通常主瓣的宽度会增加 D.窗函数法能用于设计FIR 高通滤波4、因果FIR 滤波器的系统函数H(z)的全部极点都在(z = 0 )处。6、已知某序列z 变换的收敛域为|z|<1,则该序列为(左边序列)。7、序列)1() (---=n u a n x n ,则)(Z X 的收敛域为(a Z <。8、在对连续信号均匀 采样时,要从离散采样值不失真恢复原信号,则采样周期T s 与信号最高截止频率f h 应满足关系(T s <1/(2f h ) ) 9、 )()(101n R n x =,)()(72n R n x =,用DFT 计算二者的线性卷积,为使计算量尽可能的少,应使DFT 的长度N 满足 (16=N )。10、线性相位FIR 滤波器有几种类型( 4) 。11、在IIR 数字滤波器的设计中,用哪种方法只适 合于片断常数特性滤波器的设计。(双线性变换法)12、下列对IIR 滤波器特点的论述中错误的是( C )。 A .系统的单位冲激响应h(n)是无限长的B.结构必是递归型的C.肯定是稳定的D.系统函数H(z)在有限z 平面(0<|z|<∞)上有极点 13、有限长序列h(n)(0≤n ≤N-1)关于τ= 2 1 -N 偶对称的条件是(h(n)=h(N-n-1))。14、下列关于窗函数设计法的说法中错误的是( D )。A.窗函数的截取长度增加,则主瓣宽度减小,旁瓣宽度减小 B.窗函数的旁瓣相对幅度取决于窗函数的形状,与窗函数的截取长度无关 C.为减小旁瓣相对幅度而改变窗函数的形状,通常主瓣的宽度会增加 D.窗函数法不能用于设计FIR 高通滤波器 15、对于傅立叶级数而言,其信号的特点是(时域连续非周期,频域连续非周期)。
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 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
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:
课程设计报告 课程设计名称:通信系统原理系:三系 学生姓名:张梦瑶 班级:11通信工程1班学号:20110306111 成绩: 指导教师:吴琼 开课时间:2013-2014学年一学期
一、课程设计目的 本课程是为通信工程专业本科生开设的专业必修课,结合学生的专业方向的理论课程,充分发挥学生的主动性,使学生掌握应用MATLAB或者SYSTEMVIEW等仿真软件建立通信系统,巩固理论课程内容,规范文档的建立,培养学生的创新能力,并能够运用其所学知识进行综合的设计。 通信系统原理的课程设计是对通信系统仿真软件、课程学习的综合检验,配合理论课的教学,让学生亲自参加设计、仿真、验证通信系统的一般原理、调制解调原理、信号传输及受噪声影响等方面的知识点。 二、设计选题 模拟信号的数字化处理 三、具体要求 a.熟悉模拟信号数字化的处理步骤:抽样、量化、编码; b.模拟信号的抽样过程,理解抽样频率的变化对抽样信号的影响; c.用MATLAB或其它EDA工具软件对PCM编码进行使用A律和μ律的压缩和扩张进行软件仿真; d.PCM的8位编码C1C2C3C4C5C6C7C8 e.仿真实现增量调制的过程和并理解噪声产生的原理。 四、进度安排 1、星期一查阅资料,确定选题和软件,思考总体设计方案; 2、星期二熟悉软件的编程环境; 3、星期三总体设计方案的确定与设计; 4、星期四各部分的具体实现(程序调试并程序注释); 5、星期五整理完成设计报告的电子版,并答辩。 五、成绩评定办法 总成绩由平时成绩(考勤与课堂表现)、程序设计成绩和报告成绩三部分组成,各部分比例为30%,50%,20%。 (1)平时成绩:无故旷课一次,平时成绩减半;无故旷课两次平时成绩为0分,无故旷课三次总成绩为0分。迟到15分钟按旷课处理。
三、计算题 1、已知10),()(<<=a n u a n x n ,求)(n x 的Z 变换及收敛域。 (10分) 解:∑∑∞ =-∞ -∞=-= = )()(n n n n n n z a z n u a z X 1 111 )(-∞=--== ∑ az z a n n ||||a z > 2、设)()(n u a n x n = )1()()(1--=-n u ab n u b n h n n 求 )()()(n h n x n y *=。(10分) 解:[]a z z n x z X -=? =)()(, ||||a z > []b z a z b z a b z z n h z H --=---= ?=)()(, ||||b z > b z z z H z X z Y -= =)()()( , |||| b z > 其z 反变换为 [])()()()()(1n u b z Y n h n x n y n =?=*=- 3、写出图中流图的系统函数。(10分) 解:2 1)(--++=cz bz a z H 2 1124132)(----++= z z z z H 4、利用共轭对称性,可以用一次DFT 运算来计算两个实数序列的DFT ,因而可以减少计算量。设都是N 点实数序列,试用一次DFT 来计算它们各自的DFT : [])()(11k X n x DFT = []) ()(22k X n x DFT =(10分)。 解:先利用这两个序列构成一个复序列,即 )()()(21n jx n x n w +=
即 [][])()()()(21n jx n x DFT k W n w DFT +== []()[]n x jDFT n x DFT 21)(+= )()(21k jX k X += 又[])(Re )(1n w n x = 得 [])(})({Re )(1k W n w DFT k X ep == [] )())(()(2 1*k R k N W k W N N -+= 同样 [])(1 })({Im )(2k W j n w DFT k X op == [] )())(()(21*k R k N W k W j N N --= 所以用DFT 求出)(k W 后,再按以上公式即可求得)(1k X 与)(2k X 。 5、已知滤波器的单位脉冲响应为)(9.0)(5n R n h n =求出系统函数,并画出其直接型 结构。(10分) 解: x(n) 1-z 1-z 1-z 1-z 1 9.0 2 9.0 3 9.0 4 9.0 y(n) 6、略。 7、设模拟滤波器的系统函数为 31 11342)(2+-+=++=s s s s s H a 试利用冲激响应不变法,设计IIR 数字滤波器。(10分) 解 T T e z T e z T z H 31111)(-------=
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 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:
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
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
课程设计成绩评定表
目录 前言................................................................. 1模拟信号抽样过程原理............................................... 抽样原理......................................................... 低通型连续信号的抽样.......................................... 带通信号的抽样定理........................................... 量化原理........................................................ 均匀量化...................................................... 非均匀量化................................................... A律压缩律................................................... 13折线...................................................... 脉冲编码调制(PCM).............................................. 差分脉冲编码调制(DPCM)........................................ 2 Matlab/Simulink的简介............................................. 3 基于Simulink的模拟信号数字化传输的设计与仿真分析.................. 抽样过程的设计与仿真分析......................................... 量化过程的设计与仿真分析......................................... PCM编译码系统设计与仿真分析..................................... PCM编码器设计............................................... PCM解码器设计............................................... 有干扰信号的PCM编码与解码.................................... DPCM编译码系统的设计与仿真分析.................................. 4 总结............................................................... 5参考文献...........................................................
计算机与信息工程学院验证性实验报告 一、实验目的 1.掌握信号的采样的方法。 2.分析信号的采样频率对频率特性的影响。 二.实验原理及方法 在现实世界里,声音、图像等各种信号多为模拟信号,要对它进行数字化处理,首先要将模拟信号经过采样、量化、编码,变成数字信号,即进行 A/D 转换,然后用数字技术进行数字信号处理,最后经过 D/A 转换成为模拟信号,这一处理过程称为模拟信号的数字信号处理. 在这一过程中最主要的是采样定理.采样定理是指对于一个c Ω≤Ω的带限信号,只要采样频率高于带限信号最高频率的两倍,即2c Ω>Ω时,则可以由其采样信号惟一正确地重建原始信号. 严格地说,在 MATLAB 中不能分析模拟信号,但当采样时间间隔充分小的时候,可以产生平滑的曲线,当时间足够长,可显示所有的模型,即近似的分析. 三.实验内容及步骤 已知1000()t a x t e -=,分别取采样频率为5000s f Hz = 和1000s f Hz =,绘出() X j ω 曲线,并对比两次结果说明采样频率对曲线的影响。
参考流程图: 四.实验报告要求 1.简述实验原理及目的. 2.写出程序并绘制图形,分析图形并指出频谱混迭的原因 五、实验程序 n=0:44;T=1; w=0.1*pi; x=sin(w*T*n); x1=fft(x) subplot(2,1,1),stem(n,x,'.'),hold on xlabel('nT'),ylabel('x') subplot(2,1,2),stem(n,x1,'.') title('离散时间变换') figure w=0.4*pi; x=sin(w*T*n); x1=fft(x) subplot(2,1,1),stem(n,x,'.'),hold on title('抽样后的图') xlabel('nT'),ylabel('x') subplot(2,1,2),stem(n,x1,'.') title('离散时间变换')
一、模拟信号与数字信号的区别 模拟信号主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。 模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息,其信号的幅度,或频率,或相位随时间作连续变化。 模拟信号主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。 模拟信号分布于自然界的各个角落,而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号。 电学上的模拟信号是主要是指幅度和相位都连续的电信号,此信号可以被模拟电路进行各种运算和处理,如放大,相加,滤波等。 数字信号则是模拟数据经量化后得到的离散的值,例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。 模拟信号的主要缺点是它总是受到杂讯(信号中不希望得到的随机变化值)的影响。信号被多次复制,或进行长距离传输之后,这些随机噪声的影响可能会变得十分显着。在电学里,使用接地屏蔽(shield)、线路良好接触、使用同轴或,可以在一定程度上缓解这些负面效应。 噪声效应会使信号产生有损。有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原,因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。如果噪声频率与所需信号的频率差距较大,可以通过引入,过滤掉特定频率的噪声,但是这一方案只能尽可能地降低噪声的影响。因此,在噪声在作用下,虽然模拟信号理论上具有无穷分辨率,但并不一定比数字信号更加精确。 数字信号特点:抗干扰能力强、无噪声积累。 在中,为了提高信噪比,需要在信号传输过程中及时对衰减的进行放大,信号在传输过程中不可避免地叠加上的也被同时放大。随着传输距离的增加,噪声累积越来越多,以致使传输质量严重恶化。 对于,由于数字信号的幅值为有限个(通常取两个幅值),在传输过程中虽然也受到噪声的干扰,但当信噪比恶化到一定程度时,即在适当的距离采用判决再生的方法,再生成没有的和原发送端一样的数字信号,所以可实现长距离高质量的传输。 便于加密处理 的安全性和保密性越来越重要,数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多,以话音信号为例,经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。 便于存储、处理和交换 数字通信的信号形式和所用信号一致,都是,因此便于与计算机联网,也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换,可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。 设备便于集成化、微型 数字通信采用,不需要体积较大的。设备中大部分是数字电路,可用大规模和实现,因此体积小、功耗低。 便于构成综合数字网和综合业务数字网 采用数字传输方式,可以通过进行数字交换,以实现传输和交换的综合。另外,电话业务和各种非话业务都可以实现数字化,构成。 占用信道频带较宽 一路模拟电话的为4kHz带宽,一路数字电话约占64kHz,这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率),数字电话的带宽问题已不是主要问题了。
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。
数字信号处理习题及答案1 一、填空题(每空1分, 共10分) 1.序列()sin(3/5)x n n π=的周期为 。 2.线性时不变系统的性质有 律、 律、 律。 3.对4()()x n R n =的Z 变换为 ,其收敛域为 。 4.抽样序列的Z 变换与离散傅里叶变换DFT 的关系为 。 5.序列x(n)=(1,-2,0,3;n=0,1,2,3), 圆周左移2位得到的序列为 。 6.设LTI 系统输入为x(n) ,系统单位序列响应为h(n),则系统零状态输出 y(n)= 。 7.因果序列x(n),在Z →∞时,X(Z)= 。 二、单项选择题(每题2分, 共20分) 1.δ(n)的Z 变换是 ( )A.1 B.δ(ω) C.2πδ(ω) D.2π 2.序列x 1(n )的长度为4,序列x 2(n ) 的长度为3,则它们线性卷积的长度是 ( )A. 3 B. 4 C. 6 D. 7 3.LTI 系统,输入x (n )时,输出y (n );输入为3x (n-2),输出为 ( ) A. y (n-2) B.3y (n-2) C.3y (n ) D.y (n ) 4.下面描述中最适合离散傅立叶变换 DFT 的是 ( ) A.时域为离散序列,频域为连续信号 B.时域为离散周期序列,频域也为离散周期序列 C.时域为离散无限长序列,频域为连续周期信号 D.时域为离散有限长序列,频域也为离散有限长序列 5.若一模拟信号为带限,且对其抽样满足奈奎斯特条件,理想条件下将抽样信号通过 即 可完全不失真恢复原信号 ( )A.理想低通滤波器 B.理想高通滤波器 C.理想带通滤波器 D.理 想带阻滤波器 6.下列哪一个系统是因果系统 ( )A.y(n)=x (n+2) B. y(n)= cos(n+1)x (n) C. y(n)=x (2n) D.y(n)=x (- n)