通信系统课程设计报告

I成绩评定表学生姓名王文鑫班级学号1103030227专业电子信息工程课程设计题目A/D和D/A转换器的仿真评语组长签字：成绩日期2014年3月19日II课程设计任务书学院信息科学与工程专业电子信息工程学生姓名王文鑫班级学号1103030227课程设计题目A/D和D/A转换器的仿真实践教学要求与任务:利用MATLAB/Simulink进行编程和仿真，仿真的内容可以是关于信源、信源编码、模拟调制、数字调制、多元调制、差错控制、多址技术、信道仿真及具体通信电路的仿真实现。也可以用MATLAB编程对通信的某一具体环节进行仿真。工作计划与进度安排:2014年03月8日选题目查阅资料2014年03月9日编写软件源程序或建立仿真模块图2014年03月10日调试程序或仿真模型2014年03月11日性能分析及验收2014年03月12日撰写课程设计报告、答辩指导教师：2014年3月8日专业负责人：2014年3月8日学院教学副院长：2014年3月8日沈阳理工大学通信系统课程设计报告I.摘要目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代主流，因为它有很多模拟通信所没有的优点，因此模拟信号往往要被编码成数字信号，从而在数字信道中传输。本次课程设计是在MATLAB软件环境下进行的，完成的是对A/D和D/A转换器的设计。A/D转换负责将模拟信号转换为数字信号，即用一串数字编码（如0101）去表示对应的一个模拟信号的一点的值，其转换过程是先对输入的模拟信号进行抽样，所使用的抽样频率要满足抽样定理的要求，然后对抽样结果进行幅度离散化（称为量化）并编码为二进制序列。D/A转换的功能与A/D转换相反，它将输入的数字信号序列转换为模拟信号，其转换过程是将输入（二进制）数字序列恢复为相应电平的抽样值序列,然后通过满足抽样定理要求的低通滤波器恢复模拟信号。A/D转换采用平顶抽样技术，所以恢复模拟信号存在高频段的失真，若对恢复信号质量要求严格，需采用均衡器来补偿这种孔径失真。A/D转换器的输出数据形式可以是并行的，也可以是串行的。关键词:MATLAB；抽样；量化；编码沈阳理工大学通信系统课程设计报告1目录1.课程设计目的..........................................................................22.课程设计要求……………………………………………….23.相关知识………………………………………………….....23.1模拟信号数字化………………………………………...23.2A/D和D/A转换的原理…………………………………34．课程设计分析…………………………………………...….64..1A/D和D/A转换器的模型……………………………….44.2模块参数设置…………………………….……………...95．仿真……………………………………………………...…96．结果分析………………………………………………......117．参考文献……………………………………………………..12沈阳理工大学通信系统课程设计报告21.课程设计目的（1）加深对A/D和D/A基本理论知识的理解。（2）培养独立开展科研的能力和编程能力。（3）掌握A/D和D/A结构及其在通信系统中的应用。2.课程设计要求（1）掌握课程设计的相关知识、概念清晰。（2）程序设计合理、能够正确运行。3.相关知识3.1模拟信号数字化通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类。数字通信系统具有抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好等优点，所以应用非常广泛，已经成为现代通信的主要发展趋势。自然界中的信号都是模拟信号，这就需要我们对模拟信号进行抽样、量化、编码，形成数字信号后，在数字信号系统中传输。在接收端则通过相应的逆变换恢复成模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需要三个步骤：（1）把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）；（2）进行数字方式传输；（3）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。如果电信号的参量取值连续（不可数、无穷多），则称之为模拟信号。例如，话筒送出的送出电压包含有话音信息，并在一定的取值范围内连续变化。模拟信号有时也称连续信号，这里连续的含义是指信号的某一参量连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。如果电信号的参量仅可能取有限个值，则称之为数字信号。如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。沈阳理工大学通信系统课程设计报告3由于A/D或D/A变换的过程通常由信源编（译）码器实现，所以把发送端的A/D变换称为信源编码，而接收端的D/A变换称为信源译码，如语音信号的数字化叫做语音编码。由于电话业务在通信中占有最大的业务量，所以模拟信号数字化是非常重要的一部分。模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码和参量编码两类。波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16kbit/s-64kbit/s范围内，接收端重建信号的质量好。参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量，再变换成数字代码，其比特率在16kbit/s以下，但接收端重建（恢复）信号的质量不够好，这里只介绍波形编码。目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制（PCM）和增量调制（M）。采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如下图所示，首先对模拟信息源发出的模拟信号进行抽样，使其成为一系列离散是抽样值，然后将这些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。模拟信号源抽样、量化数字通信系统译码和低通滤波和编码m(t){Sk}{Sk}m(t)模拟随机信号数字随机序列数字随机序列模拟随机信号图1模拟信号的数字传输3.2A/D和D/A转换的原理A/D转换负责将模拟信号转换为数字信号，即用一串数字编码（如0101）去表示对应的一个模拟信号的一点的值，其转换过程是：首先对输入的模拟信号进行采样，所使用的采样速率要满足采样定理的要求，然后对采样结果进行幅度离散化（称为量化）并编码为符号串，一般输出为二进制序列。D/A转换的功能与A/D转换相反，它将输入的数字信号序列转换为模拟信号，其转换过程是：将输入（二进制）数字序列恢复为相应电平的采样值序列，然后通过满足采样定理要求的低通滤波器恢复沈阳理工大学通信系统课程设计报告4模拟信号。A/D转换采用平顶采样技术，所以恢复模拟信号存在高频段的失真，若对恢复信号质量要求严格，需采用均衡器来补偿这种孔径失真。A/D转换器的输出数据形式可以是并行的，也可以是串行的。A/D转换的一般步骤：（1）定理抽样。为了正确无误地用抽样信号Vs表示模拟信号VI必须满足：fs2fmaxi,式中，fs抽样频率；fmaxi为输入信号VI的最高频率分量的频率。在满足抽样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号Vs还原为VI，这个低通滤波器的电压传输系数)(fA在低于fmaxi的范围内应保持不变，而在fs-fmaxi以前迅速下降为零。因此，抽样定理规定了A/D转换的频率下限。（2）量化和编码。我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示抽样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整数倍，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。既然模拟信号是连续的，那么它就不一定能被整除，因而不可避免地会引入误差，我们把这种误差称为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。4.课程设计分析4.1A/D和D/A转换器的模型A/D和D/A转换器的模型如下：沈阳理工大学通信系统课程设计报告51．此模型中实现A/D转换的功能模块是：A/D转换包括了对模拟信号的抽样、量化和编码三个步骤。①Zero-OrderHold模块完成的是对模拟信号的抽样；抽样定理指出：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率fH,则以间隔时间为T1/2fH的周期性冲激脉冲对它抽样时，m(t)将被这些抽样值所完全确定。由于抽样时间间隔相等，所以此定理又称均匀抽样定理。设有一个最高频率小于fH的信号m(t),将此信号和周期性单位冲激脉冲T(t)相乘,T(t)的重复周期为T，重复周期为fs=1/T。乘积就是抽样信号，它是一系列间隔为T秒的强度不等的冲激脉冲，这些冲激脉冲的强度等于相应时刻上信号的抽样值。现用ms(t)=∑m(kT)表示此抽样信号序列。故有：ms(t)=m(t)T(t)沈阳理工大学通信系统课程设计报告6现令M(f)、(f）和Ms(f)分别表示m(t)、T(t)和ms(t)的频谱，按照卷积定理，m(t)T(t)的傅里叶变换等于M(f)和(f）的卷积，因此ms(t)的傅里叶变换Ms(f)可以写为Ms(f)=1/T[M(f)*]而上式又可利用卷积公式：f(t)*(t）==f(t)进行计算得到Ms(f)=1/T[M(f)*]=1/T由于M(f-nfs)是信号频谱M(f)在频率轴上平移了nfs的结果，所以抽样信号的频谱Ms(f)是无数间隔频率为fs的原信号频谱M(f)相叠加而成。因为已经假设信号m(t)的最高频率小于fH,所以频率间隔fs2fH，则Ms(f)中包含的每个原信号频谱M(f)之间互不重叠。这样就能够从Ms(f)中用一个低通滤波器分离出信号m(t)的频谱M(f),也就是能从抽样信号中恢复原信号，或者说能由抽样信号决定原信号。恢复原信号的条件是：fs2fH，即抽样频率fs应不小于fH的2倍，这一最低抽样速率2fH称为乃奎斯特抽样速率。②Quantizer模块的作用是对抽样信号进行量化；设模拟信号的抽样值为m(kT),其中T是抽样周期，k是整数。此抽样值仍然是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。若仅用N个二进制数字码元来表示此抽样值的大小，则N个二进制码元只能代表M=2N个不同的抽样值，因此，必须将抽样值的范围划分成M个区间，每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，称为量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。m(kT)表示模拟信号抽样值，mq(kT)表示量化后的量化信号值，q1，q2，……qi，……q6是量化后信号的6个可能输出电平，m1，m2，……mi……，m5为量化区间的端点。一般公式：m(kT)=qi，当m1im(kT)mi将此式作变换，就把模拟抽样信号m(kT)变换成了量化后的离散抽样信号，即量化信号。此模块进行的量化属于均匀量化，即M个抽样值区间是等间隔划分的，设dtf)()()(snffMnsnff)(nsnff)(q沈阳理工大学通信系统课程设计报告7模拟抽样信号的取值范围在a和b之间，则在均匀量化时的量化间隔为v=(b-a)/M且量化区间的端点mi=a+ivi=0,1,……,M若量化输出电平qi取为量化间隔的中点，则qi=（mi+m1i）/2i=1,2,……,M显然，量化输出电平和量化前信号的抽样值一般不同，即量化输出电平有误差。这个误差常称为量化噪声，并用信号功率与量化噪声之比（简称信号量噪比）衡量此误差对于信号影响的大小。对均匀量化的平均信号量噪比作定量分析：在均匀量化时，量化噪声功率的平均值N可以用下式表示：N=E[(mk-m)2]==信号mk的平均功率可以表示为S0=E(m2k)=若已知信号mk的概率密度函数，则可以计算出平均信号量噪比。③IntegertoBitConverter