实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析
第6章-模拟信号数字化通信系统的建模仿真
第6章模拟信号数字化通信系统的建模仿真一、抽样定理实验用System view 建立一个低通抽样定理仿真电路,通过观察各个模块输出波形变化,理解低通抽样定理原理.。
电路构成如图所示：实验结果1.模拟信号2.抽样信号3.低通滤波器输出信号4.模拟信号功率谱5.抽样信号功率谱六.实验结果说明当抽样频率=100HZ(最小抽样速率)时,低通滤波器输出信号如图所示:由图可以看出,输出信号与模拟信号一致,没有发生畸形变.当抽样速率<100HZ时(例如f=80HZ),低通滤波器输出信号如图所示:由图可以看出,输出信号与模拟信号不一致,发生畸变.当抽样速率>100HZ时(例如F=200HZ),低通滤波器输出信号波形如图所示:由图可以看出,输出信号与模拟信号不一致,发生畸变.观察模拟信号与抽样信号的功率谱密度.由图可以看出,模拟信号功率谱密度在F=50HZ 处有一个冲击响应,而抽样信号的功率谱密度是模拟信号的功率谱密度在N倍抽样频率上的频谱搬移(N=0,1,2….),并且包络为sa(x)的函数.二、低通与带通抽样定理仿真与验证用System view 建立一个低通与带通抽样定理仿真电路,通过观察各个模块输出波形变化,理解低通与带通抽样定理原理.。
电路构成如图所示：其中，对于恒定频谱的冲激函数，通过低通滤波产生低通型信号，再进行低通抽样；通过带通滤波产生带通型信号，再进行带通滤波产生带通抽样，最后分别滤波重建原始信号。
仿真分析时，设低通滤波器的上限频率为10Hz，带通滤波器下限频率为100Hz、上限频率为120Hz，低通抽样频率选为30Hz；带通型信号上限频率fH = 6×20=120Hz（B=20Hz，n=6），带通抽样频率至少应取40Hz，现取60 Hz的带通抽样频率。
下图为四个“Real Time”图符块显示框中的波形：由以上个图及理论知识可知，低通信号波形和重建的低通信号波形是一样的，带通信号和重建带通信号的波形也是一样的低通信号抽样前信号的功率谱：低通信号抽样后信号的功率谱：低通信号重建信号的功率谱：由上图可知，低通抽样信号的功率谱包括了低通信号的功率，而且带宽很宽。
模拟信号数字传输的研究报告
模拟信号数字传输的研究报告摘要数字信号处理相对模拟信号处理有许多优点，且有些处理功能是模拟信号所不能完成的。
但实际中很多信号都是时间连续信号，希望将模拟信号转换到数字域，从而完成一些更高质量或者模拟信号处理所不能完成的功能。
因此，我们研究采用PCM编码译码将模拟信号转换成数字信号进行2PSK调制与解调。
该传输系统主要由三个模块构成，分别是：模拟信号的数字化、2PSK调制与解调、数字信号还原为模拟信号。
关键字：PCM；2PSK；SYSTEMVIEW一、设计任务及要求本设计的研究是基于SYSTEMVIEW仿真平台，设计一个PCM传输系统。
该传输系统主要包括模拟信号的数字化、2PSK调制与解调、数字信号还原为模拟信号三个部分，最后通过观察比较输入信号和输出信号的波形，以及在无噪情况、低噪情况、高噪情况分别来分析该系统的性能。
二、电路设计原理脉冲编码调制（PCM）简称脉码调制，PCM，即脉冲编码调制，用一组二进制代码代替连续信号的抽样值。
首先，对输入的模拟信号进行抽样，使其成为时域离散信号，此处必须满足采样定理，然后通过模数转换将时域离散信号用一组二进制代码来表示，具体有两步：量化、编码。
然后对数字信号进行2PSK 调制与解调，最后通过译码、低通滤波将其转换为模拟信号输出。
为改善小信号量化性能，采用A律压缩，一般使用13折线法编码。
电路设计分为两部分，首先是2PSK调制与解调的设计，在确保调制与解调无误后，设计PCM编码与译码电路，然后将二者联合起来，实现模拟信号的数字传输。
1、2PSK调制与解调的原理2PSK,即二进制相移键控，用输入信号控制载波的相位随之变化，一般情况下，用载波的”0○”表示二进制基带信号的“0”，”180○”表示二进制基带信号的“1”，也可反过来。
输入信号的形式一般为s (t ) =∑a n g (t - nT s ) ,a n以概率P取“1”,以1-P取“0”， g （t）一般是脉宽为T S，高为1的方波（也可取三角波等）。
模拟信号的数字化传输系统设计(共16页)
模拟信号的数字化传输系统(xìtǒng)设计摘要(zhāiyào)本设计(shèjì)结合PCM的抽样、量化、编码原理(yuánlǐ)，利用MATLAB 软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。
课题中主要分为三部分对脉冲编码调制（PCM）系统原理进行建模与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的建模仿真。
通过对脉冲编码调制（PCM）系统原理的仿真分析，设计者对PCM原理及性能有了更深刻的认识，并进一步掌握MATLAB软件的使用。
第一章绪论数字通信系统由于具有许多优点而成为当今通信的发展方向。
然而日常生活中大部分信号都是模拟信号。
相对于模拟通信来说，数字通信有抗干扰能力强、保密性好、可以再生、没有噪声积累等优势。
但是，现实生活中有很多模拟新源，模拟信源输出的信号是模拟信号，要将其在数字通信系统中进行传输，则必须经过相应的处理。
研究模拟信号的数字化传输有着极其重要的意义。
在1937年，英国人里费（A.H.Reeves）提出(tí chū)了脉冲编码调制（PCM）方式(fāngshì)。
从此揭开了近代数字传输的序幕。
PCM系统的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠错(jiū cuò)编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。
另外，由于PCM可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换(jiāohuàn)一体化的综合通信方式，而且还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。
故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。
PCM的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。
但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。
因此，PCM是一种极有发展前途的通信方式。
第二章 MATLAB简介2.1 MATLAB软件简介MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析报告
实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析一、实验目的1. 进一步掌握Simulink 软件使用的基本方法；2. 熟悉信号的压缩扩张；3. 熟悉信号的量化；4. 熟悉PCM 编码与解码。
二、实验仪器带有MATLAB 和SIMULINK 开发平台的微机。
三、实验原理3.1 信号的压缩和扩张非均匀量化等价为对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量化。
中国和欧洲的PCM 数字电话系统采用A 律压扩方式，美国和日本则采用μ律方式。
设归一化的话音输入信号为[ 1, 1] x∈−，则A 律压缩器的输出信号y 是：其中，sgn(x) 为符号函数。
A 律PCM 数字电话系统国际标准中，参数A=87.6。
Simulink 通信库中提供了“A-Law Compressor”、“A-LawExpander”以及“Mu-Law Compressor”和“Mu-Law Expander”来实现A 律和Ö 律压缩扩张计算。
压缩系数为87.6 的 A 律压缩扩张曲线可以用折线来近似。
16 段折线点坐标是其中靠近原点的4 段折线的斜率相等，可视为一段，因此总折线数为13 段，故称13 段折线近似。
用Simulink 中的“Look-Up Table ”查表模块可以实现对13 段折线近似的压缩扩张计算的建模，其中，压缩模块的输入值向量设置为[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]输出值向量设置为[-1:1/8:1]扩张模块的设置与压缩模块相反。
3.2 PCM 编码与解码PCM 是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。
A 律PCM 数字电话系统中规定：传输话音信号频段为300Hz到3400Hz ，采样率为8000 次/ 秒，对样值进行13 折线压缩后编码为8bit二进制数字序列。
因此，PCM 编码输出的数码速率为64Kbps 。
模拟信号的数字传输设计及仿真
第四章 模拟信号的数字传输设计及仿真4.1 模拟信号的数字传输模型及抽样定理4.1.1 模拟信号的数字传输模型通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统，如果我们在发送端的信息源中包括一个模/数转换装置，在接收端包含一个数/模转换装置，则可以在数字系统中传输模拟信号。
采用最早的和目前使用比较广泛的模/数转换方法是脉冲编码调制，即PCM （简称脉码调制)。
采用脉码调制的模拟信号数字传输系统如图4-1。
m(t) {k s } {k s } )(t m k图4.1 模拟信号数字传输系统4.1.2 抽样定理抽样定理是指一个频带限制在(0， H f ) 赫兹内的时间连续信号m(t)，如果在H f u 12/1 秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)可以所得到的抽样值完全确定。
抽样定理告诉我们，如果对某一个带宽有限的时间连续信号(模拟信号)进行抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么根据这些抽样值就能够准确地确定原信号。
这就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输抽样定理得到的抽样值。
因此该定理就为模拟信号的数字传输提供了理论基础。
模拟信号进行抽样以后，其抽样值是随信号幅度连续变化的，即抽样值m(kT)可以取无穷多个可能值，如果用N 个二进制数字信号来代表该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输该样值信息，那么N 个二进制数字信号只能同n M 2=个电平样值相对应，而不能同无穷多个电平样值相对应。
这样一来，抽样值必须被划分成M 个离散电平，此电平被称为量化电平。
利用预先给定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程被称为抽样。
抽样是把一个时间连续的信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样。
4.2 模拟信号的量化4.2.1 均匀量化把输入信号的取值区域按等距离分割的量化称为均匀量化。
均匀量化的每个量化区间的量化电平均取在个区间的中点。
量化间隔v ∆取决于输入信号的变化范围和量化电平数。
模拟信号的数字传输仿真实验
实验三 模拟信号的数字传输仿真一、实验目的1、 掌握PCM 的编码原理。
2、 掌握PCM 编码信号的压缩与扩张的实现方式二、实验内容1、 设计一个PCM 调制系统的仿真模型2、 采用信号的压缩与扩张方式来提高信号的信噪比三、基本原理在现代通信系统中，以PCM （脉冲编码调制）为代表的编码调制技术被广泛地应用于模拟信号和数字传输中，所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值变换成代码，其编码方式如下图所示： m (t ) 抽样量化 信道低通滤波 m s (t ) m sq (t ) 噪声 编码 译码 m sq (t )m ‘s (t )PCM 编码经过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。
为了便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，这样可以将模拟信号量化为二进制编码形式。
其量化方式可分为两种：均匀量化编码：常用二进制编码，主要有自然二进码和折叠二进码两种。
非均匀量化编码：常用13折线编码，它用8位折叠二进码来表示输入信号的抽样量化值，第一位表示量化值的极性，第二至第四位（段落码）的8种可能状态分别代表8个段落的起始电平，其它4位码（段内码）的16种状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
通常情况下，我们采用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化，就是在保持信号固有的动态范围的前提下，在量化前将小信号放大，而将大信号进行压缩。
采用信号压缩后，用8位编码就可以表示均匀量化11位编码是才能表示的动态范围，这样能有效地提高校信号编码时的信噪比。
四、实验步骤在SystemVue 系统仿真软件中，系统提供了A 律和μ律两种标准的压缩气和扩张器，用户可以根据需要选取其中一种进行仿真实验。
1、设置一个均值为0，标准差为0.5的具有高斯分布的随机信号作为仿真用的模拟信号源。
2、在信号源的后方放置一个巴特沃思低通滤波器，设置其截止频率为10Hz，滤除高频分量。
3、在滤波器右侧放置一个A律13折线的压缩器（在通信库的Processors标签下），对信号进行压缩，并设定最大输入为1v。
模拟信号数字化传输系统的建模与分析
模拟信号数字化传输系统的建模与分析现代通信技术的核心在现代通信领域，模拟信号数字化传输技术是至关重要的。
它涉及到将模拟信号通过采样、量化和编码等过程转化为数字信号，以便在数字传输系统中进行高效、可靠的传输。
本文将以“模拟信号数字化传输系统的建模与分析”为主题，深入探讨这一技术的核心原理和应用。
一、模拟信号数字化传输的基本原理1. 试题：什么是模拟信号数字化传输？答案：模拟信号数字化传输是将模拟信号通过采样、量化和编码等过程转化为数字信号，以便在数字传输系统中进行传输的过程。
2. 试题：模拟信号数字化传输的主要步骤有哪些？答案：模拟信号数字化传输的主要步骤包括采样、量化和编码。
采样是将模拟信号在时间上离散化，量化是将连续的模拟信号值映射到有限的数字级别，编码是将量化后的数字信号转换为二进制代码。
二、模拟信号数字化传输系统的建模1. 试题：如何建立模拟信号数字化传输系统的模型？答案：建立模拟信号数字化传输系统的模型需要考虑信号特性、传输通道特性、噪声特性等因素。
通常，可以采用数学模型和仿真软件来建立模型，通过模型可以分析和预测系统的性能。
2. 试题：模拟信号数字化传输系统模型中需要考虑哪些关键参数？答案：模拟信号数字化传输系统模型中需要考虑的关键参数包括采样频率、量化位数、编码方式、传输通道的特性、噪声水平等。
这些参数将直接影响传输系统的性能和信号质量。
三、模拟信号数字化传输系统的分析1. 试题：如何分析模拟信号数字化传输系统的性能？答案：分析模拟信号数字化传输系统的性能可以通过以下方法：-信号失真分析：评估信号在传输过程中的失真程度，包括量化噪声、传输通道引起的失真等。
-信号信噪比分析：计算信号的信噪比，评估信号的质量和可靠性。
-传输效率分析：评估系统的传输效率，包括数据传输速率和带宽利用率等。
2. 试题：模拟信号数字化传输系统分析中可能遇到哪些挑战？答案：模拟信号数字化传输系统分析中可能遇到的挑战包括：-信号复杂性的处理：模拟信号可能具有复杂的波形和频率成分，需要有效的建模和分析方法来处理。
模拟信号数字化传输系统的建模与分析
模拟信号数字化传输系统的建模和分析涉及到将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，并进行传输和恢复的过程。
以下是一个常见的模拟信号数字化传输系统的建模和分析步骤：
1. 采样：使用采样器以一定的时间间隔对模拟信号进行采样，将连续的模拟信号转换为离散的样本值。
采样频率需要满足奈奎斯特采样定理，即采样频率要大于信号最高频率的两倍。
2. 量化：采样后，使用量化器将每个采样值映射为离散的数字数值。
量化器将连续的采样值近似为有限个离散的数值级别，这个过程引入了量化误差，决定了数字信号的精度。
3. 编码：对量化后的数字信号进行编码，将其转换为二进制形式，便于传输和存储。
常见的编码方式有二进制编码、格雷码等。
4. 信道传输：将编码后的数字信号通过信道进行传输。
在传输过程中，信号可能会受到噪声、失真和干扰等影响，导致信号质量下降。
5. 解码：在接收端，对传输过程中的数字信号进行解码，恢复为经过量化和编码前的数字信号。
6. 重构：解码后的数字信号经过一个重构滤波器进行重构，以去除
量化误差，并还原为连续的模拟信号。
7. 分析与评估：对传输系统的性能进行分析和评估，包括信号失真度、信噪比、位错误率等指标的计算和评估。
可以通过信道容量、传输延迟等指标来评估系统的效率和可靠性。
在模拟信号数字化传输系统的建模和分析过程中，需要考虑信号的采样率、量化精度、编码方式、信道特性、解码算法等参数的选择和优化，以及信号处理算法的设计和实现。
这些步骤和参数的选择会影响到数字信号的质量和传输系统的性能。
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实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析
一、实验目的
1. 进一步掌握Simulink 软件使用的基本方法；
2. 熟悉信号的压缩扩张；
3. 熟悉信号的量化；
4. 熟悉PCM 编码与解码。
二、实验仪器
带有MATLAB 和SIMULINK 开发平台的微机。
三、实验原理
3.1 信号的压缩和扩张
非均匀量化等价为对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量
化。
中国和欧洲的PCM 数字电话系统采用A 律压扩方式，美国和日本
则采用μ律方式。
设归一化的话音输入信号为[ 1, 1] x∈− ，则 A 律压缩器的输出信号y 是：
其中，sgn(x) 为符号函数。
A 律PCM 数字电话系统国际标准中，
参数A=87.6。
Simulink 通信库中提供了“A-Law Compressor”、“A-Law
Expander”以及“Mu-Law Compressor”和“Mu-Law Expander”来实
现 A 律和Ö 律压缩扩张计算。
压缩系数为87.6 的A 律压缩扩张曲线可以用折线来近似。
16 段折
线点坐标是
其中靠近原点的4 段折线的斜率相等，可视为一段，因此总折线
数为13 段，故称13 段折线近似。
用Simulink 中的“Look-Up Table ”
查表模块可以实现对13 段折线近似的压缩扩张计算的建模，其中，压
缩模块的输入值向量设置为
[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1
/4,1/2,1]
输出值向量设置为[-1:1/8:1]
扩张模块的设置与压缩模块相反。
3.2 PCM 编码与解码
PCM 是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。
A 律PCM 数字电话系统中规定：传输话音信号频段为300Hz到3400Hz ，采样率为8000 次/ 秒，对样值进行13 折线压缩后编码为8bit二进制数字序列。
因此，PCM 编码输出的数码速率为64Kbps 。
PCM 编码输出的二进制序列中，每个样值用8 位二进制码表示，
其中最高比特位表示样值的正负极性，规定负值用“0 ”表示，正值用“1 ”表示。
接下来3 位比特表示样值的绝对值所在的8 段折线的段落号，最后 4 位是样值处于段落内16 个均匀间隔上的间隔序号。
在数学上，PCM 编码的低7 位相当于对样值的绝对值进行13 折线近似压缩后的7bit 均匀量化编码输出。
四、实验内容
1. 设计一PCM 编码器，要求该编码器能够对取值在[-1 ；1] 内的归一
化信号样值进行编码；
2. 设计一个对应于以上编码器的PCM 解码器；
3. 在以上两项内容的基础上，建立PCM 串行传输系统，并在传输信
道中加入指定错误概率的随机误码。
五、实验过程
1、PCM编码器建模与仿真
框图
参数设置：saturation限幅器：上限值为1，下限值为-1.
Relay：
1D Look Up Table 13折线压缩器：
Gain增益127.
Quantizer量化间距为1。
Integer to Bit Converter 输出7位。
运行结果：
结果为11110010，与教材结果相同。
2、PCM译码器建模与仿真
框图
PCM编码子系统：
参数设置：PCM编码子系统参数与1中一样。
PCM译码器中，
Relay：
Bit to Integer Converter 7位。
Gain 1/127.
1D Look Up Table :
仿真结果：
3、PCM串行传输系统建模与仿真
框图：
参数设置：
PCM解码器子系统relay下限改为-1，其余不变。
Signal generator 信号发生器：
采样速率1/8000
Buffer：
信道错误比特率设置为0.01
Buffer1 大小设置为8
仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍，在此模型中，信道传输速率最高，为64kbit/s，故仿真步进设置为1/64000s。
仿真结果：
由图中可知，对应于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，信道中错误别位位于PCM编码字串最高位时，引起干扰最大，位于最低位的误码引起的干扰最低。
六、实验心得
1、实验1搭建了一个PCM编码器，因为对信号进行了取绝对值，13折线压缩表可以不用写负值。
放大后的结果可能会有小数，用quantizer四舍五入取整。
2、实验二是PCM译码器，各模块参数跟编码器相反。
3、输入的信号有负值，如果采用实验二的译码器，负值将全部置0，所以先将译码器的delay下限设置为-1.
由仿真结果图中可知，对应于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，信道中错误别位位于PCM编码字串最高位时，引起干扰最大，位于最低位的误码引起的干扰最低。