通信原理課程設(shè)計(jì)-luoll

PAGEPAGE1河南農(nóng)業(yè)大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)題目：模擬信號(hào)的數(shù)字化班級(jí)：08電信(2)班學(xué)生姓名：羅練練學(xué)號(hào)：0804101048指導(dǎo)教師：季寶杰完成日期：2011.6.20機(jī)電工程學(xué)院一、設(shè)計(jì)題目：模擬信號(hào)的數(shù)字化二、設(shè)計(jì)目的:掌握使用matlab語言及其工具箱進(jìn)行基本新信號(hào)分析與處理。用matlab和simulink設(shè)計(jì)一個(gè)通信系統(tǒng)，加深對(duì)通信原理基本原理和matlab所用技術(shù)的理解。提高和挖掘?qū)W生將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的能力，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和獨(dú)立分析問題的和解決問題的能力，提高學(xué)生科技論文的寫作水平三、實(shí)驗(yàn)原理：基帶信號(hào)的采樣定理是指，對(duì)于一個(gè)頻譜寬度為BHz的基帶信號(hào)，可惟一地被均勻間隔不大于1/(2B)秒的樣值序列所確定。采樣定理表明，如果以不小于1/(2B)次/秒的速率對(duì)基帶模擬信號(hào)均勻采樣，那么所得到樣值序列就包含了基帶信號(hào)的全部信息，這時(shí)對(duì)該序列可以無失真地重建對(duì)應(yīng)的基帶模擬信號(hào)。例如，電話話音信號(hào)的最高頻率為3400Hz，為了保證無失真采樣，對(duì)其進(jìn)行采樣的最低速率必須大于等于6800次/秒，考慮到實(shí)際低通濾波器的非理想特性，數(shù)字電話通信系統(tǒng)中規(guī)定采樣率為8000次/秒。模擬信號(hào)的數(shù)字化也可簡單地理解為模數(shù)轉(zhuǎn)換，即首先對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行幅度離散化（量化）并編碼為字符串，一般輸出為二進(jìn)制序列。為了保證在足夠大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)數(shù)字電話話音具有足夠高的信噪比，提出了非均勻量化：在小信號(hào)時(shí)采用較小的量化間距，而在大信號(hào)時(shí)用大的量化間距。在數(shù)學(xué)上，非均勻量化等價(jià)于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮后再進(jìn)行均勻量化。小信號(hào)通過壓縮器時(shí)增益大，大信號(hào)通過壓縮器時(shí)增益小。這樣就使小信號(hào)在均勻量化之前得到較大的放大，等價(jià)于以較小間距直接對(duì)小信號(hào)進(jìn)行量化，而以較大間距對(duì)大信號(hào)進(jìn)行量化。在接收端要進(jìn)行相應(yīng)的反變換，即擴(kuò)張?zhí)幚恚匝a(bǔ)償壓縮過程引起的信號(hào)非線性失真。中國和歐洲的PCM數(shù)字電話系統(tǒng)采用A律壓擴(kuò)方式，即：壓縮系數(shù)A=87.6。A律壓縮擴(kuò)張曲線可用折線來近似，16段折線點(diǎn)是：其中靠近原點(diǎn)的4根折線斜率相等，可視為一段，因此總折線數(shù)為13段，稱為13段折線近似。用Simulink中的Look-UpTable查表模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)13折線近似的壓縮擴(kuò)張計(jì)算的建模，壓縮模塊的輸入向量設(shè)置為：輸出量向量設(shè)置為：。擴(kuò)張模塊的設(shè)置與壓縮模塊的設(shè)置相反。四、設(shè)計(jì)任務(wù)與步驟：（一）設(shè)計(jì)一個(gè)13折線近似的PCM編碼器。使它能夠?qū)θ∩嵩赱-1,1]內(nèi)歸一化信號(hào)樣值進(jìn)行編碼。PCM是脈沖編碼調(diào)制的簡稱，是現(xiàn)代數(shù)字電話系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語音編碼方式。A律PCM數(shù)字電話系統(tǒng)中規(guī)定：傳輸語音的信號(hào)頻段為300~3400Hz，采樣率為8000次/s，對(duì)樣值進(jìn)行13折線壓縮后編碼為8位二數(shù)字序列。因此，PCM編碼輸出的數(shù)碼速率為64kbps。PCM編碼的二進(jìn)制序列中，每個(gè)樣值用8位二進(jìn)制碼表示，其中最高比特位表示樣值的正負(fù)極性，規(guī)定負(fù)值用0表示，正值用1表示。接下來的3位比特表示樣值的絕對(duì)值所在的8段折線的段落號(hào)，最后4位是樣值處于段落內(nèi)16個(gè)均勻間隔上的間隔序號(hào)。在數(shù)學(xué)上，PCM編碼較低的7位相當(dāng)于對(duì)樣值的絕對(duì)值進(jìn)行13折線近似壓縮后的7位均勻量化編碼輸出。測(cè)試模型和仿真結(jié)果如圖所示。其中信號(hào)源用一個(gè)常數(shù)表示。以Saturation作為限幅器，Relay模塊的門限設(shè)置為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位，即確定極性碼。樣值取絕對(duì)值后，以Look-UpTable(查表)模塊進(jìn)行13折線壓縮，并用增益模塊將樣值范圍放大到0~127，然后用間距為1的Quantizer模塊進(jìn)行四舍五入取整量化，并用IntegertoBitConverter將整數(shù)轉(zhuǎn)換成長度為8個(gè)比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，最后用Display模塊顯示編碼結(jié)果。將PCM編碼器封裝成一個(gè)子系統(tǒng)，整個(gè)文件模型保存為ex2_1.mdl。圖2-113折線A率編碼器信號(hào)源常數(shù)可以設(shè)置為—1到1之間任意數(shù)，對(duì)應(yīng)的編碼結(jié)果就會(huì)隨之變化。Saturation模塊參數(shù)設(shè)置：upperlimit1,lowerlimit:-1重點(diǎn)是LookupTable模塊要根據(jù)A律壓縮擴(kuò)張曲線的16段折線點(diǎn)來設(shè)置參數(shù)，由于我們之前加入了一個(gè)求絕對(duì)值模塊，所以這里應(yīng)該舍去負(fù)數(shù)取值部分：Vectorofinputvalues:[0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]Vectorofoutputvalues:[0:1/8:1]增益模塊系數(shù)可以設(shè)置為127;更多參數(shù)設(shè)置依照設(shè)計(jì)說明。（二）設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)應(yīng)上面編碼器的PCM解碼器。其中PCM編碼子系統(tǒng)就是圖2-1中已編好部分?？梢詰?yīng)用建立子模塊調(diào)用，直接運(yùn)用于PCM解碼器。PCM解碼器中首先分離并行數(shù)據(jù)中的最位(極性碼)和7位數(shù)據(jù)，然后將7位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化、擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出解碼值。將該模型中的部分封裝為一個(gè)PCM解碼子系統(tǒng)。整個(gè)文件模型保存為ex2_2.mdl。圖2-213折線A律解碼器此任務(wù)過程中應(yīng)學(xué)會(huì)子模塊建立，調(diào)用和使用。相關(guān)參數(shù)設(shè)置可以參照第一個(gè)任務(wù)。很多設(shè)置是正好相反的。比如增益模塊系數(shù)設(shè)為1/127。Display模塊Decimation參數(shù)設(shè)為1而第一任務(wù)中設(shè)為了8.這與要顯示的數(shù)據(jù)有關(guān)。LookupTable模塊參數(shù)設(shè)置為：Vectorofoutputvalues:[0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]Vectorofinputvalues:[0:1/8:1]舉幾個(gè)例子如下：第二個(gè)任務(wù)也基本可以實(shí)現(xiàn)。（三）在以上編碼器和解碼器的基礎(chǔ)上，建立PCM串行傳輸模式，并在傳輸信道中加入指定錯(cuò)誤概率的隨機(jī)誤碼。仿真模型如圖2-3所示，其中PCM編碼和解碼子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見圖2-1和圖2-2。加入正弦信號(hào)，PCM編碼輸出經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制碼流送入二進(jìn)制對(duì)稱信道。在解碼端信道輸出的碼流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后送入PCM編碼，通過低通濾波器后輸出解碼結(jié)果并顯示波形。文件模型保存為ex2_3.mdl。其實(shí)發(fā)現(xiàn)用AnalogFilterDesign低通濾波器容易出現(xiàn)問題比如:The"VariableStepDiscrete"solvercannotbeusedtosimulateblockdiagram'ex2_3'becauseitcontainscontinuousstates.圖2-3PCM串行傳輸模型不如用萬能數(shù)字濾波器,如下運(yùn)行結(jié)果如下:可以分析得到,解碼后波形由于誤碼波形會(huì)出現(xiàn)非正常拐度,并且波形幅度比原波形小.注意:仿真采樣率必須是仿真模型中最高信號(hào)速率的整數(shù)倍，這里模型中信道傳輸速率最高為64bps，故仿真步進(jìn)設(shè)置為1/64000s。信道錯(cuò)誤比特率設(shè)為0.001，以觀察信道誤碼對(duì)PCM傳輸?shù)挠绊?。信?hào)源可以采用比如200Hz的正弦波。解碼輸出存在延遲。對(duì)應(yīng)于信道產(chǎn)生誤碼的位置，解碼輸出波形中出現(xiàn)了干擾脈沖，干擾脈沖的大小取決于信道中錯(cuò)誤比特位于一個(gè)PCM編碼字串中的位置，位于最高位時(shí)將導(dǎo)致解碼值極性錯(cuò)誤，這時(shí)干擾最大，而位于最低位的誤碼引起的誤碼最輕微。通過改變BinarySymmetricChannel中的ErrorProbability的大小，觀察原信號(hào)和解碼后的輸出的變化。（四）測(cè)試指定誤碼率條件下PCM解碼語間信號(hào)的音質(zhì)。使用Simulink中DSP模塊庫的音頻輸入模塊可以對(duì)真實(shí)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，首先錄制或選擇一個(gè).wav文件，由FromWaveFile導(dǎo)入作為信號(hào)源，再通過ToWaveDevice模塊模塊播放聲音。改變BSC信道的誤碼率，可聽到不同音質(zhì)的聲音。測(cè)試模型如圖2-5所示。仿真時(shí)間20s，步進(jìn)時(shí)間1/64000s。設(shè)置SBC信道的誤碼率后啟動(dòng)仿真，可以聽到在指定誤碼率下傳輸?shù)腜CM解碼語音信號(hào)，Gain模塊用于調(diào)整輸入聲音信號(hào)的幅度。文件模型保存為ex2_4.mdl。指定誤碼率條件下PCM解碼語音測(cè)試模型（五）通過編程方法，連續(xù)改變SBC信道的誤碼率，對(duì)每一個(gè)誤碼率的值，調(diào)用一次ex2_4.mdl，從而觀察在不同誤碼率情況下聲音信號(hào)。在matlab空間調(diào)用ex2_4.mdl的函數(shù)是sim(‘ex2_4.mdl’)。編程文件取名為ex2.m。%ex2,mclear;x=0.001fori=1:10sim('ex2_4.mdl')x=x+0.003;end運(yùn)行以上M-file文件時(shí)應(yīng)提前把BSC中Errorprobability定義為變量x;通過連續(xù)聽音,就可以發(fā)現(xiàn)音質(zhì)不斷變化.五、課程設(shè)計(jì)總結(jié)1．本次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化有了更深一步的理解，復(fù)習(xí)鞏固了通信原理的理論知識(shí)。2．通過使用simulink進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)、修改各個(gè)模塊的參數(shù)以及調(diào)試運(yùn)行，最終得出正確的仿真結(jié)果，使我對(duì)simulink的運(yùn)用更加熟悉，基本掌握了使用matlab語言及其工具箱進(jìn)行基本信號(hào)分析與處理的方法。3．通過本次仿真練習(xí)，鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，也提高了自己的分析問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和動(dòng)手實(shí)踐的能力。4．在這幾天的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中也暴露出自己的很多