通信系统原理课程设计报告.docx

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通信系统原理课程设计报告

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：

班级：

学号：

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、设计任务书

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。

设计选题：

模拟信号的数字化处理

三、进度安排

18周的时间安排：

星期一查阅资料，确定选题和软件，思考总体设计方案

星期二熟悉软件的编程环境

星期三总体设计方案的确定与设计

星期四各部分的具体实现（程序调试并程序注释）

星期五整理完成设计报告的电子版，并答辩

四、具体要求

在设计期间，学生要认真查阅所需资料，按照选题设计通信网络，编写控制指令，并在程控交换机开发环境中进行调试，最终实现课题所要求的功能。

学生在课程设计结束时要提交《课程设计报告》。

指导教师对学生所完成的题目进行现场检查，进行综合评定。

五、课程设计内容

（一）基本原理

通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类。

数字通信系统有很多的优点，应用非常广泛，已经成为现代通信的主要发展趋势。

自然界中很多信号都是模拟量，我们要进行数字传输就要将模拟量进行数字化，将模拟信号数字化，处理可以分为抽样，量化，编码，这三个步骤。

下图是模拟信号数字传输的过程原理图：

下图是模拟信号数字化过程：

模拟信号首先被抽样，通常抽样是按照等时间间隔进行的。

模拟信号抽样后，成为了抽样信号，它在时间上离散的，但是其取值仍是连续的，所以是离散的模拟信号。

第二步是量化，量化的结果使抽样信号变成量化信号，其取值是离散的。

故量化信号已经是数字信号了，它可以看成多进制的数字脉冲信号。

第三步是编码，最基本的和最常用的编码方法是脉冲编码调制（PCM），它将量化后的信号变成二进制码。

由于编码方法直接和系统的传输效率有关，为了提高传输效率，常常将这种PCM信号进一步作压缩编码，再在通信系统中传输。

1.1对模拟信号进行抽样

抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。

在等时间间隔T上，对它抽取样值，在理论上抽样可以看作是用周期单位冲激脉冲和模拟信号相乘，在实际上是用周期性窄脉冲代替冲激脉冲与模拟信号相乘。

对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样时，若抽样速率足够大，则这些抽样值就能够完全代替原模拟线号，并且能够由这些抽样值准确地恢复出原模拟信号。

因此，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输这些离散的抽样值，接受端就能恢复原模拟信号。

描述这一抽样速率条件的定律就是著名的抽样定律，抽样定律为模拟信号的数字化奠定了理论基础。

上图左边就是简化的模拟信号转换离散的数字信号的抽样过程，其中f（t）是模拟信号，在送到乘法器上与s（t）取样脉冲序列进行乘法运算，事实上取样脉冲序列就是离散的一个个冲激函数（冲激函数如上图的右图），右边部分的fs（t）就是变成了一个个离散的函数点了。

下面给出抽样的数学运算过程。

下面给出抽样过程的冲激抽样的函数过程：

1.2对离散数字信号序列量化

量化就是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。

时间连续的模拟信号经过抽样后的样值序列虽然在时间上离散，但是在幅度上仍然是连续的，也就是说，抽样值m（kT）可以取到无穷多个值。

在一个区间里面可以取出无数的不同的数值，这就可以看成是连续的信号，所有这样的信号仍然属于模拟信号范围。

因此这就有了对信号进行量化的概念。

在通信系统中已经有很多的量化方法了，最常见的就是均匀量化与非均匀量化。

均匀量化就是把信号的取值范围按照等距离分割，每个量化电平都取中间值（也就是平均值），落在这个区间的所有值都用这个值代替。

当信号的变化范围和量化电平被确定后，量化间隔也就被确定。

非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。

它是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平的，以改善量化性能，它的特点是输入小时量阶也小，输入大时，量阶也大。

整个范围内信噪比几乎是一样的，缩短了码字长度，提高了编码效率。

实际中非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压塑处理，再把压缩的信号y进行非均匀量化。

压缩器其实就是一个非线性电路，微弱的信号被放大，强的信号被压缩，压缩器的输入输出关系可以这样表示：

y=f（x）

通常使用的压缩器中，大多数采用对数压缩，即y=lnx。

广泛采用这两种对数压扩特性的是u/A率压扩。

μ律压缩特性

压缩规律：

μ压缩特性近似满足下对数规律

μ律压缩定性分析

μ=0时:

无压缩作用（直线）

μ＞0时:

μ↑→压缩明显

压缩作用---y是均匀的，而x是非均匀的→信号越小△x也越小

A压缩率

所谓的A压缩率就是压缩器具有如下特性：

上式中：

x为归一化的压缩器输入电压；归一化的压缩器输出电压；A为压扩参数，表示压缩程度。

下图是由抽样后的离散信号量化的过程

其中量化过程如下如所示:

量化器，其输出信号xq（t）=xq（kT）=qi，qi为M个量化电平q1、q2qM之一。

m1、m2mM-1为量化区间的端点。

量化误差计算公式如下：

量化后量化输出为:

我们衡量一个量化器的性能好坏用信噪比来表示:

信噪比定义如下：

其中：

xq（t）与x（t）近似程度的好坏用Sq/Nq衡量。

Sq/Nq越大,说明近似程度越好。

在非均匀量化中有如下的压扩特性：

压扩特性数学分析:

当量化区间划分很多时，在每一量化区间内压缩特性曲线可以近似看作为一段直线，其斜率为：

对此压缩器的输入和输出电压范围均作归一化，且纵坐标y在0和1之间均匀划分成N个量化区间，则每个量化区间的间隔应该等于：

为了对不同的信号强度保持信号量噪比恒定，当输入电压x减小时，应当使量化间隔x按比例地减小，即：

xx。

将边界条件（当x=1时，y=1），代入可得：

k+c=0→c=-k

1.3对量化后的数字信号进行编码

所谓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。

13折线A律PCM的非线性编码方法如下。

极性码　　　段落码　　　　段内码

C1C2C3C4C5C6C7C8

将量化区间［a,b］分为4096个小段，正半轴2048个小段，负半轴2048个小段，每个小段用Δ表示。

在这种编码方法中，虽然段内吗是按照量化间隔均匀编码的，但是因为各个段落的斜率不等，长度不等，故不同的量化间隔是不同的。

其中第一段和第二段最短，斜率最大，其横坐标x的归一化动态段落只有1/128。

再将其等分为16小段后，每一段的动态范围只有（1/128）*（1/16）=1/2048。

这就是最小的量化间隔，后面将此最小量化间隔（1/2048）称为1个量化单位。

第八段最长，其横坐标x的动态范围为1/2。

将其16等分后，每段长度是1/32。

假若采用均匀量化而仍希望对小电压保持有同样的动态范围，则需要用11位码组才行。

现在采用非均匀量化，只需要7位就够了。

13折线编码

特点：

基本上保持压缩特性，又便于数字实现。

折线的各段斜率：

线段8斜率：

1/8÷1/2=1/4线段7斜率：

1/8÷1/4=1/2

线段6斜率：

1/8÷1/8=1线段5斜率：

1/8÷1/16=2

线段4斜率：

1/8÷1/32=4线段3斜率：

1/8÷1/64=8

线段2斜率：

1/8÷1/128=16线段1斜率：

1/8÷1/128=16

下图是完整的13折线图：

完整13折线的图的特性：

（1）负向8段斜线按同样方法得到；

（2）第Ⅲ象限的折线与第Ⅰ象限呈奇对称；

（3）斜率相同的段合为一段，共13段，称为13折线法。

13折线的绘制方法：

（1）将输入输出的电压归一。

（2）将x轴的区间（0，1）不均匀的划分为8段，划分的规律是：

每一次以二分之一取段。

（3）将x轴上分好的8段，在段内分成均匀的16段，每一等份作为一个量化层。

（4）将y轴的区间（0，1）均匀的划分为8段，在段内分成均匀的16段，每一等份作为一个量化层。

（5）将相应的交点连接起来得到8个折线段。

（6）因为还包括小于0的电平，所以在第三象限也有8个折线段，但是在第一象限中第一，二段的折线的斜率和第三象限第一，二段相同，所以四条连成一条，这样整个平面有13条线，所以也称为13折线.

下表左边是段落码和段落之间的关系，右边是段内码16个量化级之间的关系

段落序号

段落码

量化级

段内码

8

111

15

1111

14

1110

7

110

13

1101

12

1100

6

101

11

1011

10

1010

5

100

9

1001

8

1000

4

011

7

0111

6

0110

3

010

5

0101

4

0100

2

001

3

0011

2

0010

1

000

1

0001

0

0000

脉冲编码调制－PCM系统的量化噪声

对于PCM系统，这相当于要求传输速率2NfHb/s，故要求系统带宽B=NfH，即要求：

N=B/fH，代入S/Nq=22N，得到

上式表明，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽B按指数规律增长。

（二）仿真程序、程序编制、流程图、仿真结果

2.1抽样定理的验证

首先我们先要通过matlab软件产生一个模拟信号，然后才能对模拟信号进行抽样等等一系列的操作，下面先给出matlab软件建立m文件产生一个比较熟悉的时域连续的周期函数，f（t）=cos（2*pi*20*t）+sin（2*pi*55*t），可以看出这个信号就是由两个最常用的函数复合而成。

A,产生原始连续信号的matlab源代码：

%该程序用于画出原信号的图形

clear;

t=-0.1:

0.001:

0.1;%该参数用于画原信号图形

f=cos（2*pi*20*t）+sin（2*pi*55*t）;%原函数,由t的取值可得f有201个值

subplot（2,1,1）%matlab矩阵区域设置

plot（t,f）;%画出采原函数序列图

title（'原信号'）;

xlabel（'时间t（s）'）;

B,接下来就是对原始信号进行抽样了，下面给出对信号进行抽样的源代码

%该函数用于画出原始波形和抽样后离散的采样波形图

%绘制离散的采样波形图

T=1/500;%抽样周期，500是抽样频率，可以调整抽样频率

gs=-0.1:

T:

0.1;

fg=cos（2*pi*20*gs）+sin（2*pi*55*gs）;