基于matlab的模拟信号的数字传输研究与仿真毕业设计(编辑修改稿)

基于matlab的模拟信号的数字传输研究与仿真毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

统的作用就是将信息从信源传送到一个或多个目的地。 实现信息传递所需的一切技术设备（包括信道）总和称为通信系统 [1]。 通信系统的一般模型如图 21： 图 21所示 各部分作用如下： （ 1） 信息源：信息的发出地，作用是把信息转换成原始信号，分为模拟信源和数字信源。 （ 2） 发送设备：将信源产生的信号变换成适合在信道中 传输的信号。 （ 3） 信道：顾名思义，是传输信号的物理媒质。 （ 4） 噪声源：干扰正常 信号传输的各处噪声的集合。 （ 5） 接收设备：从接收信号中正确恢复出原始信号。 （ 6） 受信者：传送消息的终点。 消息的传递是以电信号的形式来实现的，按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类 :模拟信号和数字信号。 凡信号参量的取值连续，就称为模拟信号。 如语音信号和图像信号等。 模拟信号也可以称为连续信号，这个连续不一定在时间上连续，是指某一参量可以连续变化，或者在某一取值范围内能取无穷多个值。 凡信号参量只能取有限个值，就称为数字信号。 如电报信号和计算机输入输出信号等。 数字 信号也可以称为离散信号，离散不一定在时间上离散，是指信号的某一参量是离散变化的。 模拟通信系统是通过模拟信号来传递信息的通信系统。 模拟通信系统模型如图 22所示： 图 21 通信系统的一般模型 齐鲁工业大学 2020届 本科毕业设计（论文） 8 其中信息源发出的是频谱从零频附近开始的原始电信号，这种信号频谱分量的频率很低，所以不适合直接传输，所以需要利用调制器和解调器进行变换和反变换。 经过调制器调制后的信号称为已调信号。 已调信号具有以下三个基本特征： （ 1)携带信息 (2)适合在信道中直接传输 (3)信号频谱一般具有带通形式，因此已调信号又称为 带通信号或者是频带信号 数字通信系统是使用数字信号来传递信息的通信系统，主要包括：信源编码和信源译码、信道编码和信道译码、数字调制和数字解调、同步以及加密等。 数字通信系统模型图 23所示： 其中图 23所示各部分作用如下： （ 1）信源编码与译码：一是提高信息传输的有效性，通过数据压缩技术减少信息冗余度；二是完成模 /数（ A/D）转换，来实现模拟信号的数字化传输 （ 2）信道编码与译码：加强通信系统的抗干扰能力，使通信 更加可靠 （ 3）加密与解密：顾名思义，加密是为了保证所传输信息的安全性，解密是图 23 数字通信系统模型 图 22 模拟通信系统模型 齐鲁工业大学 2020届 本科毕业设计（论文） 9 恢复原来的信息以供使用 （ 4）数字调制与解调：数字调制就是把原始信号转换成适合在信道中传输的信号，解调就是采用相干解调或者非相干解调的方法把其还原为数字基带信号 （ 5）同步：是保证数字通信精准、有效、规范工作的前提条件 ： （ 1）抗干扰能力比较强，而且噪声不积累 （ 2）差错可以控制 （ 3）比较容易与各种数字终端接口 （ 4）容易集成化，使通信设备更加微型化 （ 5）加密处理更容易，而且有高强度的保密性 系统开发工具 MATLAB 简介 本章将着重介绍 MATLAB 在通信系统中的应用，通过介绍 MATLAB 语言、工作环境以及 MATLAB 通信工具箱函数，加深对 MATLAB 通信工具的认识，并且熟练掌握其应用。 MATLAB 简介 MATLAB是由 MathWorks公司在 1984年推出的面向科学与工程的一种计算软件， MATLAB 可以将不同领域的计算用函数的方式提供给用户使用。 MATLAB 涉及十几个领域的计算和图形显示。 MATLAB 方便使用、高效的 编程效率、高效的运算、丰富的内容使其在国内广泛应用于教学及科研工作中 [2]。 语言概述 MATLAB 语言使用方便、集成度高、运算高效、输入便捷、内容丰富，可以与由用户轻松自由的扩展。 MATLAB 语言与其他语言相比具有以下显著特点： （ 1） MATLAB 语言是一种解释性语言：只需要输入算式就可以立即得出结果，不需要额外的编译，每一条语句进行解释后立即执行。 如果有错误，也会立即做出反应。 这些优点都大大的减轻了工程人员编程以及调试的工作量。 （ 2）“多功能性”的变量：每一个变量都代表 着一个矩阵，每个元素都可以看作是复数，不需要定义矩阵的行数和列数 （ 3）“多功能性”的运算符号：所有的运算，包括加、减、乘、除以及函数运算都对矩阵和复数有效 （ 4）语言规则和笔算式相似：程序与科技人员的书写习惯相近，易写易读，方便在科技人员之间交流 （ 5）作图功能强大而简单：可以规定多种坐标绘图；可以绘制三维坐标中的曲线和曲面；能设置不同颜色、线型以及视角等 （ 6）智能化程度高：绘图时自动选择最佳坐标； （ 7）丰富的功能，强大的可扩展性 齐鲁工业大学 2020届 本科毕业设计（论文） 10 的工作环境 MATLAB 系统的安装比较简单，安装程序步骤如下： （ 1）找到 执行文件，双击开始安装 （ 2）选择安装路径 （ 3）进行文件的解压和复制过程 （ 4）确认是否安装 MATLAB Notebook （ 5）安装完毕。 如安装成功，桌面就会形成 MATLAB 图标，否则即表明安装失败，需要重新安装。 MATLAB 的工作环境主要由命令窗口、当前路径窗口、工作空间浏览器窗口、命令历史窗口、启动平台、图形窗口和文本编辑窗口组成。 MATLAB 的通信工具箱中有 许多仿真函数和模块，用来对通信系统进行仿真和分析。 我们可以根据自己的需要选择这些仿真函数和模块来搭建自己的通信系统仿真模型。 这些通信系统中的仿真模块可以直接调用，还可以根据用户的需要来进行修改，让它满足具体的设计和运算需求。 通信工具箱中，主要由两部分内容组成：通信函数命令和 Simulink 的通信模块集仿真模块。 可以在 MATLAB 的工作空间中直接调用工具箱中的函数，还可以使用 Simulink 平台来构造需要的仿真模块，以达到扩充工具箱内容的目的 [3]。 通过对调制解调技术、信源编码译码、通信仿真输出和同步技术仿 真的 MATLAB仿真方法与技巧的学习与掌握，加深了自己对 MATLAB 通信工具的认知。 通信工具箱常用函数如表 21： 表 21 通信工具箱函数 类别 函数名称 功能说明 Signal Sources 信号源函数 randerr 生成随机误差图 andint 生成均匀分布的随机整数信号 randstr 按预定方式生成随机信号矩阵 Wgn 生成高斯白噪声信号 Signal Analysis Function 信号分析函数 biterr 计算误比特数和误比特率 eyediagram 生成眼图 scatterplot 生成散布图 symerr 计算误符号数和误符号率 Source Coding 信源编码 pand 计算 u率或者 A率压扩 dpcmdeco 差分脉码调制译码 dpcmenco 差分脉码调制编码 dpcmopt 采用优化脉冲编码调制进行参数估 计 lloyds 采用训练序列和 Lloyd算法优化标量齐鲁工业大学 2020届 本科毕业设计（论文） 11 算法 quantiz 生成量化序列和量化值 （ 1）通信系统的误码率仿真 衡量通信系统性能好坏的标准是通信系统误码率的大小。 如何计算通 信系统的误码率。 通信系统模型的误码率计算主要是由设置相关参数、创建信号及信源编码、调制、对调制信号添加高斯噪声、解调、计算系统的误码率等步骤来组成的。 （ 2）误码率仿真界面 MATLAB 中提供了一种很有效的误码率分析工具 —— 误码率仿真界面，我们可以用它来计算和比较不同调制方式、不同差错控制编码方式和不同信道噪声模型条件下通信系统的误码率。 在 MATLAB 命令窗口中输入以下命令： mgui 这时我们可以打开一个用户界面窗口 —— 误码率仿真窗口。 误码率仿真窗口如图 24所示。 由图 24可以看出，误码率 仿真窗口中包括了通信系统中信号处理的全部过程。 比如说原信号的生成、误码率的计算等过程都能够在误码率仿真窗口中得到实现。 图 24误码率仿真窗口 由图 24可以看出，误码率仿真窗口的上半部分分为了四个功能区域，它们齐鲁工业大学 2020届 本科毕业设计（论文） 12 分别是：  Source（信号源）  ErrCtrCode（ 差错控制编 码 ）  Modulation（ 信号调制编码 ）  Channel（ 信道 ） 第三章 模拟信号的数字传输 由于数字通信系统具有诸多优点，所以数字通信系统已成为当今社会通信的发展方向。 但是自然界的许多信息经过各种各样的感知器感知后往往是模拟量，比如说电话、电视等，其信源发出的都是模拟信号。 本章将着重介绍如何将模拟信号转换为数字信号。 模拟信号的数字传输模型 模拟信号数字化就是将连续变化的物理量转换成可以用有限个数值来表示的离散数列。 模拟信号数字化方法可以分为波形编码和参量编码。 其中波形编码方法分为 脉冲编码调制（ PCM）和增量调制（△ M） [4]。 模拟信号的数字化传输框图如图 31: 抽样定理 抽样就是把模拟信号在时间上的连续变成离散的抽样值。 而能不能用这一系列抽样值重新恢复原信号，就需要抽样定理来解决了。 所以说，如果我们要传输模拟信号，可以通过传输抽样定理的抽样值来实现而不是非要传输原本的模拟信号。 模拟信号数字化的理论基础就是抽样定理，抽样定理的作用不言而喻。 举例来说，生活中常见的 语音 信号 就 是模拟信号， 语音信号在幅度取值上是连续的，并且在时间上它也是连续的。 要想让语音信号实现数字化并实 现时分多路复用，第一点就要对语音信号进行离散化处理，而这个处理过程就叫做抽样。 换种说法，抽样就是隔一段时间 T（固定的时间间隔），抽取语音信号的一个抽样值（瞬时幅度值）。 这一系列在时间上离散的抽样值组成了样值序列。 样值序图 31 数字化传输框图 齐鲁工业大学 2020届 本科毕业设计（论文） 13 列可以实现时分多路复用，还可以将每个抽样值经过量化和编码两种过程转换成二进制的数字信号。 经多次理论研究和实践探索证明，抽样脉冲的时间间隔 T≤1/（ 2fH） (或 者是 f≥ 2fH)(fH 是 语音 信号的最高频率 )， 抽样以后的样值序列就可以不失真的被还原成原本的语音信号。 比如说 ,一路电话信号的频带为 300～ 3400Hz， fm=3400Hz，则抽样频率 fs≥ 2 3400=6800Hz。 如果按照抽样频率是 6800Hz 来 对 300Hz～ 3400Hz 的电话信号 进行 抽样， 那么进行抽样后的样值序列就可以不失真的还原成原本的语音信号，而语音信号的抽样频率一般取值是 8000Hz。 对于 PAL 制电视信号 ，相信大家都非常熟悉。 PAL 制电视信号 的 视频带宽 通常 为 6MHz。 如果 按照 CCIR601 的 建议，亮度信号的抽样频率 是 ，色度信号 的抽样频率则 为。 模拟信号的量化 抽样转换后的脉冲信号的幅度仍然是模拟 的，要用数码来进行表示，就必须进行离散化的处理。 这就要求对幅值进行舍零取整的操作，此过程称为量化。 量化中具有两种方法：只舍不入和有舍有入。 量化方法中，取整的时候只舍不入，就是说 0～ 1伏之间输入的所有电压输出都为 0伏， 1～ 2伏之间所有的输入电压输出都为 1伏等等。 使用只舍不入方式时，输入的电压总是大于输出的电压，所以产生的量化误差通常是正的。 大小为两个相邻的量化级的间隔Δ。 量化方法中，取整的时候有舍有入，即 0～ 0伏， ～ 伏之间的输出电压输出都为 1 伏等等。 采用有舍有入的方 式时通常有正有负，量化的误差绝对值最大为Δ /2。 所以，通常采用误差相对较小的有舍有入的方法进行量化。 仅仅使用量化的输出信号来代替原来的信号会存在失真。 通常来说，我们可以把量化误差的幅度概率分布看做是 Δ /2～ +Δ /2之间的均匀分布。 这能够证明量化失真功率与最小的量化间隔的平方成正比例。 所以说，最小的量化间隔越小，失真就会越小；最小量化的间隔越小，用以表现一定幅度的模拟信号时所需要的量化级数就会越多。 所以，传输和处理起来就会越来越复杂。 因此，量化时既要尽可能的减少量化的级数，又要使量化失真不容易被看 出来。 通常都要用一个二进制数来表达某一个量化级数，经过传输在接收端再依据这个表达量化级数的二进制数来恢复原来信号的幅值。 我们所说的量化比特数是说的要区分所有量化级数所需要的多少位二进制数。 比如说，现在有 8个量化级，那么就可以用三位二进制数来进行区分，原因是，称 8 个量化级的量化是 3 比特量化。 而 8比特量化则指的是一共有 3个量化级的量化。 量化的误差与噪声相比，两者是有本质上的区别的。 原因是任何时刻的量化误差都是能够从输入信号中求出来的，然而信号与噪声之间则并没有这种关系。 这能够证明，量化的误差是高阶非线性失真的结 果。 但是量化失真在信号中的表现却相似于噪声，两者同样有很宽的频谱，齐鲁工业大学 2020届 本科毕业设计（论文） 14 所以量化误差也被称作是量化噪声并且能够用信噪比来进行衡量。 上面所描述的方法称为线性量化，是采用均匀间隔量化级数来进行量化的方法。 这种量化方式有造成大信号时信噪比有余但是小信号时信噪比不够的缺点。 如果小信号时量化级间宽度小一点，大信号时量化级间的宽度大一点，。