增量调制的设计与仿真课程设计.docx
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增量调制的设计与仿真课程设计
课程设计Ⅰ
设计说明书
增量调制的设计与仿真
学生姓名
学号
班级
成绩
指导教师
数学与计算机科学学院
2013年9月12日
课程设计任务书
2013—2014学年第1学期
课程设计名称:
课程设计Ⅰ
课程设计题目:
增量调制的设计与仿真
完成期限:
自2013年9月2日至2013年9月13日共2周
设计内容:
本次课程设计的任务是对增量调制的设计与仿真,并用MATLAB仿真软件进行验证,并以图形化的方式显示出波形,并且要求对设计的内容有必要的说明。
通过本次的实践,要求学生完成以下任务:
1)对课本知识的全面复习,了解增量调制的编码与译码原理;
2)对MATLAB仿真软件的学习,能够使用该工具进行增量调制的仿真验证;
3)通过团队合作,完成增量调制码编码与译码的设计,并用MATLAB软件进行仿真验证;
4)课程设计的结果全面正确,功能模块清晰分明;
5)加强团队合作精神,开拓创新能力;
6)文档资料完整规范。
指导教师:
李征教研室负责人:
课程设计评阅
评语:
指导教师签名:
年月日
摘要
随着集成电路和信息技术的不断发展,通信技术得到广泛的应用。
而通讯系统中的模拟信号能否有效地转换为数字信号,让信号无失真的数字化传输,很大程度上依赖于增量调制有无很好的编译码过程。
增量调制编译码技术就是基本的通信调制解调方式之一。
数字通信中,增量调制是预测编码中最简单的一种。
它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化,而且只对这个差值的符号进行编码,而不对差值的大小编码。
它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。
目的在于简化模拟信号的数字化方法。
主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。
目前,随着集成电路的发展,DM的优点已不再那么显著。
为了提高增量调制的质量,出现了一些改进方案,例如,增量总和调制、数字压扩式自适应增量调制等。
关键词:
通信技术;增量调制;A/D转换器
1课题描述.......................................................1
2增量调制简介...................................................2
3基本概念.......................................................3
4增量调制的调制原理.............................................4
5增量调制的解调原理.............................................6
6程序调试与测试.................................................7
7结果分析.......................................................9
8增量调制存在的问题............................................11
9总结..........................................................13
10参考文献.......................................................14
1课题描述
增量调制(DM)系统的设计,由ΔM的调制方案和ΔM的解调方案两个子方案组成。
通过发送端形成f′(t)信号并编制成相应的二元码序列,比较在每个抽样时刻Δt处的f(t)和f′(t)的值,用一个比较电路(减法器)来完成f(iΔt)和f′(iΔt_)的差值的比较;通过分析f′(t)的波形,阶梯波形象地说明增量调制原理,实际积分器的输出波形可以相应得到,最后完成设计与仿真。
2增量调制简介
20世纪70年代,美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担,用FORTRAN编写了最早的MATLAB。
1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。
到20世纪90年代,MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。
增量调制简称ΔM或增量脉码调制方式(DM),它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。
1946年由法国工程师DeLoraine提出,目的在于简化模拟信号的数字化方法。
主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。
对模拟信号采样,并用每个样值与它的预测值的差值对周期脉冲序列进行调制,简称墹M或DM。
已调脉冲序列以脉冲的有、无来表征差值的正负号,也就是差值只编成一位二进制码。
增量调制的基本原理是于1946年提出的,它是一种最简单的差值脉冲编码。
早期的语言增量调制编码器是由分立元件组成的。
随着模拟集成电路技术的发展,70年代末出现了音节压扩增量调制集成单片,80年代出现了瞬时压扩集成单片,单片内包括了开关电容滤波器与开关电容积分器,集成度不断提高,使增量调制的编码器的体积减小,功耗降低。
3基本概念
在PCM系统中,为了得到二进制数字序列,要对量化后的数字信号进行编码,每个抽样量化值用一个码组(码字)表示其大小。
码长一般为7位或8位,码长越大,可表示的量化级数越多,但编、解码设备就越复杂。
那么能否找到其它更为简单的方法完成信号的模/数转换呢?
我们看一下图1。
图中在模拟信号f(t)的曲线附近,有一条阶梯状的变化曲线f′(t),f′(t)与f(t)的形状相似。
显然,只要阶梯“台阶”σ和时间间隔Δt足够小,则f′(t)与f(t)的相似程度就会提高。
对f′(t)进行滤波处理,去掉高频波动,所得到的曲线将会很好地与原曲线重合,这意味着f′(t)可以携带f(t)的全部信息(这一点很重要)。
因此,f′(t)可以看成是用一个给定的“台阶”σ对f(t)进行抽样与量化后的曲线。
我们把“台阶”的高度σ称为增量,用“1”表示正增量,代表向上增加一个σ;用“0”表示负增量,代表向下减少一个σ。
则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、“1”数字序列来表示(如图
(1)所示),也就是说,对f′(t)的编码只用一位二进制码即可。
此时的二进制码序列不是代表某一时刻的抽样值,每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化趋势。
这种只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序列的方法(过程)就称为增量调制(DeltaModulation),缩写为DM或ΔM调制。
增量调制最早由法国人DeLoraine于1946年提出,目的是简化模拟信号的数字化方法。
其主要特点是:
在比特率较低的场合,量化信噪比高于PCM。
抗误码性能好。
能工作在误比特率为102~103的信道中,而PCM则要求信道的误比特率为104~106。
设备简单、制造容易。
它与PCM的本质区别是只用一位二进制码进行编码,但这一位码不表示信号抽样值的大小,而是表示抽样时刻信号曲线的变化趋向。
4增量调制的调制原理
如何在发送端形成f′(t)信号并编制成相应的二元码序列呢?
仔细分析一上图
(1),比较在每个抽样时刻Δt处的f(t)和f′(t)的值可以发现,
当f(iΔt)>f′(iΔt_)时,上升一个σ,发“1”码;
当f(iΔt) f′(iΔt_)是第i个抽样时刻前一瞬间的量化值。 根据上述分析,我们给出增量调制器框图如图2所示。 图2增量调制原理框图 f′(iΔt_)可以由编码输出的二进制序列反馈到一个理想的积分器以后得到。 由于该积分器又具有解码功能,因此又称为本地解码器(译码器)。 f(iΔt)和f′(iΔt_)的差值,可以用一个比较电路(减法器)来完成。 量化编码可以用一个双稳判决器来执行,并生成双极性二进制码序列。 具体调制过程描述如下: 设f′(0-)=0(即t=0时刻前一瞬间的量化值为零),因此有 t=0时,e(0)=f(0)-f′(0-)>0,则Po(0)=1 (1) t=Δt时,e(Δt)=f(Δt)-f′(Δt_)>0,则Po(Δt)=1 (2) t=2Δt时,e(2Δt)=f(2Δt)-f′(2Δt_)<0,则Po(2Δt)=0;(3) t=3Δt时,e(3Δt)=f(3Δt)-f′(3Δt_)>0,则Po(3Δt)=1;(4) t=4Δt时,e(4Δt)=f(4Δt)-f′(4Δt_)<0,则Po(4Δt)=0;(5) t=5Δt时,e(5Δt)=f(5Δt)-f′(5Δt_)>0,则Po(5Δt)=1;(6) t=6Δt时,e(6Δt)=f(6Δt)-f′(6Δt_)>0,则Po(6Δt)=1;(7) 以此类推,即可得到如图3所示的波形。 会发现图3中的f′(t)和图1的波形不一样。 其实,图1的阶梯波只是为了形象地说明增量调制原理,而实际积分器的输出波形如图3d所示。 5增量调制的解调原理 为了完成整个通信过程,发送端调制出的信号必须在接收端通过解调恢复出原始模拟信号。 ΔM信号的解调比较简单,用一个和本地解码器一样的积分器即可。 在接收端和发送端的积分器一般都是一个RC积分器。 解调过程就是图4―3中的积分过程。 当积分器输入“1”码时,积分器输出产生一个正斜变的电压并上升一个量化台阶σ;而当输入“0”码时,积分器输出电压就下降一个量化台阶σ。 为了保证解调质量,对解码器有两个要求: (1)每次上升或下降的大小要一致,即正负斜率大小一样。 (2)解码器应具有“记忆”功能,即输入为连续“1”或“0”码时,输出能连续上升或下降。 对积分器的输出信号进行低通滤波,滤除波形中的高频成分,即可得到与原始模拟信号十分近似的解调信号,如图4所示 图4增量调制译码(解调)示意示 6程序调试与测试 Ts=1e-3; t=0: Ts: 20*Ts; x=sin(2*pi*50*t)+0.5*sin(2*pi*150*t); delta=0.4; D(1+length(t))=0; fork=1: length(t) e(k)=x(k)-D(k); e_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1); D(k+1)=e_q(k)+D(k); codeout(k)=(e_q(k)>0); end subplot(3,1,1);plot(t,x,'-o');axis([020*Ts,-22]);holdon; subplot(3,1,2);stairs(t,codeout);axis([020*Ts,-22]); Dr(1+length(t))=0; fork=1: length(t) eq(k)=delta*(2*codeout(k)-1); xr(k)=eq(k)+Dr(k); Dr(k+1)=xr(k); end subplot(3,1,3);stairs(t,xr);holdon; subplot(3,1,3);plot(t,x); 采用Simulink基本模块实现和采用DPCM编解码模块实现。 仿真测试模型如图(6)所示。 仿真步进设置为0.001s,模型中所有需要设置采样时间的地方均设置采样时间为0.001s。 在增量调制部分,Relay模块作为量化器适应,其门限设置为0,输出值分别设置为0.4和-0.4;Relay作为编码器使用,其门限设置为0,输出值设置为1和0;解码端Relay2模块作为解码器使用,其门限设置为0.5,输出值分别为0.4和-0.4;使用单位延时器UnitDelay作为预测滤波器,初始状态均设置为零。 使用DPCM编解码模块进行等价实现,DPCM编码模块的设置是,预测器分子系数为[0,1],分母系数是1,量化分割值为0,码书为[-0.4,0.4],解码器与编码器设置相同。 仿真时间设置为0.02s,即仿真前20个采样点。 仿真结果如图(7)所示,采用Simulink基本模块实现的解码结果与编程法得到的波形相同。 但是,由于初始值设置问题,采用DPCM编解码模块得出的解码结果与采用Simulink基本模块实现的解码结果在起始部分稍有不同,随着仿真时间的增加,两者输出结果相同。 图6增量调制编码仿真测试模型 其中f(u)=sin(2*pi*50*u)+0.5*sin(2*pi*150*u) 7结果分析 程序执行结果如图5所示。 从图中原信号和解码结果对比看,在输入信号变化平缓的部分,编码器输出1、0交替码,相应的解码结果以正负阶距交替变化,形成颗粒噪声,称空载失真;在输入信号变化过快的部分,解码信号因不能跟踪 上信号的变化而引起斜率过载失真。 量化阶距越小,则空载失真就越小,但是容易发生过载失真;反之,量化阶距增大,则斜率过载失真减小,但空载失真增大。 如果量化阶距能根据信号的变化缓急自适应调整,则可以兼顾优化空载失真和过载失真,这就是自适应增量调制的意思。 图5增量调制编码解码波形仿真结果 (一) 波形解析: 第一个图形是原信号及离散样值 第二个图形是编码输出二进制序列的波形 第三个图形解码结果和信号波形对比 0.004—0.006为空载失真部分 0.009—0.012为过载失真部分 图7增量调制编码解码波形仿真结果 (二) 8增量调制存在的问题 增量调制尽管有前面所述的不少优点,但它也有两个不足: 一个是一般量化噪声问题;另一个是过载噪声问题。 两者可统一称为量化噪声。 观察图1可以发现,阶梯曲线(调制曲线)的最大上升和下降斜率是一个定值,只要增量σ和时间间隔Δt给定,它们就不变。 那么,如果原始模拟信号的变化率超过调制曲线的最大斜率,则调制曲线就跟不上原始信号的变化,从而造成误差。 我们把这种因调制曲线跟不上原始信号变化的现象叫做过载现象,由此产生的波形失真或者信号误差叫做过载噪声。 另外,由于增量调制是利用调制曲线和原始信号的差值进行编码,也就是利用增量进行量化,因此在调制曲线和原始信号之间存在误差,这种误差称为一般量化误差或一般量化噪声。 两种噪声示意图如图8所示。 图8两种量化噪声示意图 仔细分析两种噪声波形我们发现,两种噪声的大小与阶梯波的抽样间隔Δt和增量σ有关。 我们定义K为阶梯波一个台阶的斜率式中,fs是抽样频率。 该斜率被称为最大跟踪斜率。 当信号斜率大于跟踪斜率时,称为过载条件,此时就会出现过载现象;当信号斜率等于跟踪斜率时,称为临界条件;当信号斜率小于跟踪斜率时,称为不过载条件。 可见,通过增大量化台阶(增量)σ进而提高阶梯波形的最大跟踪斜率,就可以减小过载噪声;而降低σ则可减小一般量化噪声。 显然,通过改变量化台阶进行降噪出现了矛盾,因此,σ值必须两头兼顾,适当选取。 不过,利用增大抽样频率(即减小抽样时间间隔Δt),却可以“左右逢源”,既能减小过载噪声,又可降低一般量化噪声。 因此,实际应用中,ΔM系统的抽样频率要比PCM系统高得多(一般在两倍以上,对于话音信号典型值为16kHz和32kHz)。 图5增量调制编码解码波形仿真结果 (一) 波形解析: 第一个图形是原信号及离散样值 第二个图形是编码输出二进制序列的波形 第三个图形解码结果和信号波形对比 0.004—0.006为空载失真部分 0.009—0.012为过载失真部分 9总结 由于基础不扎实,以前Matlab并没怎么学,这一次用上了,还真是无从下手。 在网上查看了很多资料,本来以为随便找一个程序能运行就行了,但发现这样不行,还是必须自己会点,因为根本不可能找到找到一个要求一摸一样的,最终还是要修改。 参考了一些程序后,分析了一下,不会的就看书、XX,还是有点收获的。 增量调制通信原理学过,基础还是没忘记,关键就是编程序了。 由于对Matlab的陌生,好多函数找不到,也不会用。 体现在这次课程设计中的就是不会求频谱。 问了好多同学,还是有点模糊。 有幸在看到一个求频谱的,原来就是使用的函数不会用。 虽然很简单,但不会就是最难的事。 这次课程设计的确花了我很长的时间,但从中学到的东西还是令我欣慰的。 脚踏实地,认真严谨,实事求是我的学习态度,不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。 我想这是一次意志的磨练,是对我实际能力的一次提升,也会对我未来的学习和工作有很大帮助。 这次设计我们学到了很多东西,虽然作出来的东西很基础,但是我们加深了对知识的理解和掌握。 作为一名大三的学生,我觉得能做类似的课程设计是十分有意义的。 同时这是一次团队合作开发过程,一次难得的经历。 通过此次设计试验也着重能够学到许多东西。 10参考文献 [1]张水英,徐伟强,通信原理及MATLAB/Simulink仿真,人民邮电出版社,2012年 [2]曹志刚,钱亚生,现代通信原理,清华大学出版社,2003年 [3]郭仕剑等,《MATLAB7.x数字信号处理》,人民邮电出版社,2006年 [4]张辉,曹丽娜著,通信原理学习指导,西安电子电子科技大学,2003
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