通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、成 績 評(píng) 定 表學(xué)生姓名王文鑫班級(jí)學(xué)號(hào)專 業(yè)電子信息工程課程設(shè)計(jì)題目A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的仿真評(píng)語組長簽字：成績?nèi)掌?2014 年 3月 19日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 院信息科學(xué)與工程專 業(yè)電子信息工程學(xué)生姓名王文鑫班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的仿真實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):利用MATLAB/Simulink進(jìn)行編程和仿真，仿真的內(nèi)容可以是關(guān)于信源、信源編碼、模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、多元調(diào)制、差錯(cuò)控制、多址技術(shù)、信道仿真及具體通信電路的仿真實(shí)現(xiàn)。也可以用MATLAB編程對(duì)通信的某一具體環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:2014年 03月8 日 選題目查閱資料2014年 03月9 日 編寫軟件源程

2、序或建立仿真模塊圖2014年 03月10 日 調(diào)試程序或仿真模型2014年 03月11 日 性能分析及驗(yàn)收2014年 03月12 日 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯指導(dǎo)教師： 2014年 3月8日專業(yè)負(fù)責(zé)人：2014年 3月8日學(xué)院教學(xué)副院長：2014年 3月8日.摘 要目前，無論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通信的發(fā)展速度已明顯超過模擬通信，成為當(dāng)代主流，因?yàn)樗泻芏嗄M通信所沒有的優(yōu)點(diǎn)，因此模擬信號(hào)往往要被編碼成數(shù)字信號(hào)，從而在數(shù)字信道中傳輸。本次課程設(shè)計(jì)是在MATLAB軟件環(huán)境下進(jìn)行的，完成的是對(duì)A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為

3、數(shù)字信號(hào)，即用一串?dāng)?shù)字編碼（如0101）去表示對(duì)應(yīng)的一個(gè)模擬信號(hào)的一點(diǎn)的值，其轉(zhuǎn)換過程是先對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，所使用的抽樣頻率要滿足抽樣定理的要求，然后對(duì)抽樣結(jié)果進(jìn)行幅度離散化（稱為量化）并編碼為二進(jìn)制序列。D/A轉(zhuǎn)換的功能與A/D轉(zhuǎn)換相反，它將輸入的數(shù)字信號(hào)序列轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，其轉(zhuǎn)換過程是將輸入（二進(jìn)制）數(shù)字序列恢復(fù)為相應(yīng)電平的抽樣值序列,然后通過滿足抽樣定理要求的低通濾波器恢復(fù)模擬信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換采用平頂抽樣技術(shù)，所以恢復(fù)模擬信號(hào)存在高頻段的失真，若對(duì)恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量要求嚴(yán)格，需采用均衡器來補(bǔ)償這種孔徑失真。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)形式可以是并行的，也可以是串行的。 關(guān)鍵詞:MATLAB；

4、抽樣；量化；編碼 目錄1.課程設(shè)計(jì)目的.22.課程設(shè)計(jì)要求.23.相關(guān)知識(shí).2 3.1 模擬信號(hào)數(shù)字化.2 3.2 A/D和D/A轉(zhuǎn)換的原理34課程設(shè)計(jì)分析.6 4.1 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的模型.4 4.2 模塊參數(shù)設(shè)置.95仿真.96結(jié)果分析.117參考文獻(xiàn).121.課程設(shè)計(jì)目的（1）加深對(duì)A/D和D/A基本理論知識(shí)的理解。（2）培養(yǎng)獨(dú)立開展科研的能力和編程能力。（3）掌握A/D和D/A結(jié)構(gòu)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。2.課程設(shè)計(jì)要求（1）掌握課程設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)、概念清晰。（2）程序設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。3.相關(guān)知識(shí)3.1模擬信號(hào)數(shù)字化通信系統(tǒng)可以分為模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類。數(shù)字通信系統(tǒng)具

5、有抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；傳輸差錯(cuò)可控；便于用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)；易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕；易于加密處理，且保密性好等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要發(fā)展趨勢(shì)。自然界中的信號(hào)都是模擬信號(hào)，這就需要我們對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，形成數(shù)字信號(hào)后，在數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中傳輸。在接收端則通過相應(yīng)的逆變換恢復(fù)成模擬信號(hào)。若要利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)，一般需要三個(gè)步驟：（1） 把模擬信號(hào)數(shù)字化，即模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）；（2） 進(jìn)行數(shù)字方式傳輸；（3） 把數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)，即數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）。如果電信號(hào)的參量取值連續(xù)（不可數(shù)、無窮多），則

6、稱之為模擬信號(hào)。例如，話筒送出的送出電壓包含有話音信息，并在一定的取值范圍內(nèi)連續(xù)變化。模擬信號(hào)有時(shí)也稱連續(xù)信號(hào)，這里連續(xù)的含義是指信號(hào)的某一參量連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)。如果電信號(hào)的參量僅可能取有限個(gè)值，則稱之為數(shù)字信號(hào)。如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號(hào)、PCM信號(hào)等。數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散。由于A/D或D/A變換的過程通常由信源編（譯）碼器實(shí)現(xiàn)，所以把發(fā)送端的A/D變換稱為信源編碼，而接收端的D/A變換稱為信源譯碼，如語音信號(hào)的數(shù)字化叫做語音編碼。由于電話業(yè)務(wù)在通信中占有最大的業(yè)

7、務(wù)量，所以模擬信號(hào)數(shù)字化是非常重要的一部分。模擬信號(hào)數(shù)字化的方法大致可劃分為波形編碼和參量編碼兩類。波形編碼是直接把時(shí)域波形變換為數(shù)字代碼序列，比特率通常在16kbit/s-64kbit/s范圍內(nèi)，接收端重建信號(hào)的質(zhì)量好。參量編碼是利用信號(hào)處理技術(shù)，提取語音信號(hào)的特征參量，再變換成數(shù)字代碼，其比特率在16kbit/s以下，但接收端重建（恢復(fù)）信號(hào)的質(zhì)量不夠好，這里只介紹波形編碼。目前用的最普遍的波形編碼方法有脈沖編碼調(diào)制（PCM）和增量調(diào)制（M）。采用脈碼調(diào)制的模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)如下圖所示，首先對(duì)模擬信息源發(fā)出的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，使其成為一系列離散是抽樣值，然后將這些抽樣值進(jìn)行量化并編碼，

8、變換成數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)源 抽樣、量化 數(shù)字通信系統(tǒng) 譯碼和低通濾波 和編碼 m(t) S S m(t) 模擬隨機(jī)信號(hào) 數(shù)字隨機(jī)序列 數(shù)字隨機(jī)序列 模擬隨機(jī)信號(hào) 圖1 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸3.2 A/D和D/A轉(zhuǎn)換的原理 A/D轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即用一串?dāng)?shù)字編碼（如0101）去表示對(duì)應(yīng)的一個(gè)模擬信號(hào)的一點(diǎn)的值，其轉(zhuǎn)換過程是：首先對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，所使用的采樣速率要滿足采樣定理的要求，然后對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行幅度離散化（稱為量化）并編碼為符號(hào)串，一般輸出為二進(jìn)制序列。D/A轉(zhuǎn)換的功能與A/D轉(zhuǎn)換相反，它將輸入的數(shù)字信號(hào)序列轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，其轉(zhuǎn)換過程是：將輸入（二進(jìn)制）數(shù)字序列恢復(fù)

9、為相應(yīng)電平的采樣值序列，然后通過滿足采樣定理要求的低通濾波器恢復(fù)模擬信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換采用平頂采樣技術(shù)，所以恢復(fù)模擬信號(hào)存在高頻段的失真，若對(duì)恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量要求嚴(yán)格，需采用均衡器來補(bǔ)償這種孔徑失真。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)形式可以是并行的，也可以是串行的。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟：（1） 定理抽樣。為了正確無誤地用抽樣信號(hào)V表示模擬信號(hào)V必須滿足：f2f,式中，f抽樣頻率；f為輸入信號(hào)V的最高頻率分量的頻率。在滿足抽樣定理的條件下，可以用一個(gè)低通濾波器將信號(hào)V還原為V，這個(gè)低通濾波器的電壓傳輸系數(shù)在低于f的范圍內(nèi)應(yīng)保持不變，而在f- f以前迅速下降為零。因此，抽樣定理規(guī)定了A/D轉(zhuǎn)換的頻率下限。（2）量

10、化和編碼。我們知道，數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也不是連續(xù)的。這就是說，任何一個(gè)數(shù)字量的大小，都是以某個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來表示的。因此，在用數(shù)字量表示抽樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用表示。顯然，數(shù)字信號(hào)最低有效位中的1表示的數(shù)量大小，就等于。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱為編碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。既然模擬信號(hào)是連續(xù)的，那么它就不一定能被整除，因而不可避免地會(huì)引入誤差，我們把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號(hào)劃分為不同的量化等級(jí)時(shí)，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差

11、。4.課程設(shè)計(jì)分析4.1 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的模型 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的模型如下： 1 此模型中實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能模塊是： A/D轉(zhuǎn)換包括了對(duì)模擬信號(hào)的抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟。 Zero-Order Hold模塊完成的是對(duì)模擬信號(hào)的抽樣；抽樣定理指出：設(shè)一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)m(t)中的最高頻率 f,則以間隔時(shí)間為T1/2f的周期性沖激脈沖對(duì)它抽樣時(shí)，m(t)將被這些抽樣值所完全確定。由于抽樣時(shí)間間隔相等，所以此定理又稱均勻抽樣定理。 設(shè)有一個(gè)最高頻率小于f的信號(hào)m(t),將此信號(hào)和周期性單位沖激脈沖(t)相乘,(t)的重復(fù)周期為T，重復(fù)周期為f=1/T。乘積就是抽樣信號(hào)，它是一系列間隔為T

12、秒的強(qiáng)度不等的沖激脈沖，這些沖激脈沖的強(qiáng)度等于相應(yīng)時(shí)刻上信號(hào)的抽樣值?，F(xiàn)用m(t)=m(kT)表示此抽樣信號(hào)序列。故有： m(t)=m(t)(t)現(xiàn)令M(f)、(f）和M(f)分別表示m(t)、(t)和m(t)的頻譜，按照卷積定理，m(t)(t)的傅里葉變換等于M(f)和(f）的卷積，因此m(t)的傅里葉變換M(f)可以寫為 M(f)=1/TM(f)* 而上式又可利用卷積公式：f(t)*(t）= =f(t) 進(jìn)行計(jì)算得到 M(f)= 1/TM(f)* =1/T 由于M(f-nf)是信號(hào)頻譜M(f)在頻率軸上平移了nf的結(jié)果，所以抽樣信號(hào)的頻譜M(f)是無數(shù)間隔頻率為f的原信號(hào)頻譜M(f)相疊加

13、而成。因?yàn)橐呀?jīng)假設(shè)信號(hào)m(t)的最高頻率小于f,所以頻率間隔f2f，則M(f)中包含的每個(gè)原信號(hào)頻譜M(f)之間互不重疊。這樣就能夠從M(f)中用一個(gè)低通濾波器分離出信號(hào)m(t)的頻譜M(f),也就是能從抽樣信號(hào)中恢復(fù)原信號(hào)，或者說能由抽樣信號(hào)決定原信號(hào)。恢復(fù)原信號(hào)的條件是：f2f，即抽樣頻率f應(yīng)不小于f的2倍，這一最低抽樣速率2f稱為乃奎斯特抽樣速率。 Quantizer模塊的作用是對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行量化； 設(shè)模擬信號(hào)的抽樣值為m(kT),其中T是抽樣周期，k是整數(shù)。此抽樣值仍然是一個(gè)取值連續(xù)的變量，即它可以有無數(shù)個(gè)可能的連續(xù)取值。若僅用N個(gè)二進(jìn)制數(shù)字碼元來表示此抽樣值的大小，則N個(gè)二進(jìn)制碼元只

14、能代表M=2個(gè)不同的抽樣值，因此，必須將抽樣值的范圍劃分成M個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間用一個(gè)電平表示。這樣，共有M個(gè)離散電平，稱為量化電平。用這M個(gè)量化電平表示連續(xù)抽樣值的方法稱為量化。 m(kT)表示模擬信號(hào)抽樣值，m(kT)表示量化后的量化信號(hào)值，q，q，q，q是量化后信號(hào)的6個(gè)可能輸出電平，m，m，m，m為量化區(qū)間的端點(diǎn)。一般公式： m (kT)= q，當(dāng)m m(kT) m將此式作變換，就把模擬抽樣信號(hào)m(kT)變換成了量化后的離散抽樣信號(hào)，即量化信號(hào)。 此模塊進(jìn)行的量化屬于均勻量化，即M個(gè)抽樣值區(qū)間是等間隔劃分的，設(shè)模擬抽樣信號(hào)的取值范圍在a和b之間，則在均勻量化時(shí)的量化間隔為 v=(b-a)/

15、M 且量化區(qū)間的端點(diǎn) m=a+iv i=0,1,M 若量化輸出電平q取為量化間隔的中點(diǎn)，則 q=（m+ m）/2 i=1,2,M 顯然，量化輸出電平和量化前信號(hào)的抽樣值一般不同，即量化輸出電平有誤差。這個(gè)誤差常稱為量化噪聲，并用信號(hào)功率與量化噪聲之比（簡稱信號(hào)量噪比）衡量此誤差對(duì)于信號(hào)影響的大小。對(duì)均勻量化的平均信號(hào)量噪比作定量分析： 在均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的平均值N 可以用下式表示：N =E(m- m )= = 信號(hào)m的平均功率可以表示為 S=E(m)= 若已知信號(hào)m的概率密度函數(shù)，則可以計(jì)算出平均信號(hào)量噪比。 Integer to Bit Converter模塊的作用是進(jìn)行二進(jìn)制編碼；

16、 脈碼調(diào)制和A/D變換的原理一樣，是將模擬信號(hào)變換成二進(jìn)制信號(hào)，輸入信號(hào)抽樣脈沖電流（或電壓）I由保持電路短時(shí)間保持，并和幾個(gè)稱為權(quán)值電流的標(biāo)準(zhǔn)電流I逐次比較。每比較一次得出1位二進(jìn)制碼。權(quán)值電流I是在電路中預(yù)先產(chǎn)生的。I的個(gè)數(shù)決定于編碼的位數(shù)，現(xiàn)在共有三個(gè)不同的I值。因?yàn)楸硎玖炕档亩M(jìn)制碼有3位，它能夠表示8個(gè)十進(jìn)制數(shù)，從07。因此，若按照“四舍五入”原則編碼，則此編碼器能夠?qū)?0.5+7.5的輸入抽樣值正確編碼。 將模擬信號(hào)為常數(shù)18.6抽樣、量化、編碼成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由于存在量化誤差，量化后得整數(shù)值19，再進(jìn)行二進(jìn)制編碼，用19除以2，將每次得到的余數(shù)顛倒順序就是A/D轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制碼

17、。2其他模塊的功能完成并串轉(zhuǎn)換功能的模塊是： 經(jīng)過此模塊轉(zhuǎn)換之后，得到高速率的串行傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，如下圖： 0 0 發(fā) 0 接 送 1 收 方 0 方 0 1 1 同時(shí)發(fā)送8b 8b依次發(fā)送 發(fā) 接 送 收 方 方 完成串并轉(zhuǎn)換功能模塊是： 經(jīng)過此模塊的轉(zhuǎn)換，又將串行傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)，是上圖的逆過程。4.2 模塊參數(shù)設(shè)置Constant模塊：Constan value設(shè)為18.6；Zero-Order Hold模塊：Sample Time為1Quantizer模塊：Quantization interval為1；Treat as gain when linearizing

18、使能； Integer to Bit Converter模塊：Number of bits per integer設(shè)為8；Buffer模塊：Output buffer size設(shè)為1；Buffer overlap設(shè)為0；Initial conditions設(shè)為0；Buffer1模塊：Output buffer size設(shè)為8；Buffer overlap設(shè)為0；Initial conditions設(shè)為0；Reshape模塊：Output dimensionality設(shè)為1-D array；Bit to Integer Converter模塊：Number of bits per integer

19、設(shè)為8； Scope模塊：Y設(shè)為-5；Y設(shè)為5；Title(%replaced by signal name)設(shè)為%；5.仿真通過理論與編程實(shí)踐，我完成了這次設(shè)計(jì)的任務(wù)，其運(yùn)行結(jié)果如圖所示： 圖1 圖1 圖26.結(jié)果分析 1Stimulink的通信模塊庫提供了Integer to Bit Converter模塊可以將02-1之間的整數(shù)轉(zhuǎn)換為長度為M個(gè)比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)也提供了反向轉(zhuǎn)換模塊Bit to Integer Converter將比特?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)值。利用這兩個(gè)模塊，結(jié)合零階保持器模塊作為采樣保持模型，量化器模塊Quantizer作為量化模型，就可對(duì)A/D和D/A過程進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)比特流的并串和串并轉(zhuǎn)換。 2發(fā)送信號(hào)也就是模擬信號(hào)，為常數(shù)18.6時(shí)，零階保持器采樣時(shí)間間隔為1s，量化器的量化間隔為1，屬于均勻量化，將采樣輸出結(jié)果進(jìn)行四舍五入量化后，得到整數(shù)值19，因?yàn)镮nteger to Bit Converter模塊的轉(zhuǎn)換比特?cái)?shù)設(shè)置為8，于是進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換輸出的比特序列為，即常數(shù)19，從Display1模塊顯示出來，如圖1所示。 3經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后得出高速率的串行傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。示波器顯示了傳輸數(shù)據(jù)流的波形，它表示的比特序列為，周期為1s,如圖2所示。 4串行數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換還原為8位