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1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转换器目录1课题描述.......................................................12增量调制简介...................................................23基本概念.......................................................34增量调制的调制原理.............................................45增量调制的解调原理.............................................66程序调试与测试.................................................77结果分析.......................................................98增量调制存在的问题............................................119总结..........................................................1310参考文献.......................................................141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。t111111111000000tt二进制码序列编码后的数字信号f(t)′f(t)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_)时，下降一个σ，发“0”码。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3df(t)抽样判决∑积分器f(t)′T(t)e(t)－＋Po(t)RC(a)增量调制器(编码器)框图(b)RC积分器所示。tt02t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t14tT(t)(a)抽样脉冲(b)样值信号tt02t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t14tf(t)f(t)′(d)积分器输出信号t110101111110000t02t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t14tPo(t)t0f(t)′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)示意示积分器低通滤波Po(t)f(t)′fo(t)(a)增量解调器(译码器)框图t0f(t)′(b)各点波形fo(t)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);endsubplot(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);endsubplot(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