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正文內(nèi)容

基于matlab的模擬信號的數(shù)字傳輸研究與仿真畢業(yè)設計(編輯修改稿)

2024-10-02 15:20 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)的作用就是將信息從信源傳送到一個或多個目的地。實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設備(包括信道)總和稱為通信系統(tǒng) [1]。 通信系統(tǒng)的一般模型如圖 21: 圖 21所示 各部分作用如下: ( 1) 信息源:信息的發(fā)出地,作用是把信息轉(zhuǎn)換成原始信號,分為模擬信源和數(shù)字信源。 ( 2) 發(fā)送設備:將信源產(chǎn)生的信號變換成適合在信道中 傳輸?shù)男盘枴? ( 3) 信道:顧名思義,是傳輸信號的物理媒質(zhì)。 ( 4) 噪聲源:干擾正常 信號傳輸?shù)母魈幵肼暤募稀? ( 5) 接收設備:從接收信號中正確恢復出原始信號。 ( 6) 受信者:傳送消息的終點。 消息的傳遞是以電信號的形式來實現(xiàn)的,按信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類 :模擬信號和數(shù)字信號。 凡信號參量的取值連續(xù),就稱為模擬信號。如語音信號和圖像信號等。模擬信號也可以稱為連續(xù)信號,這個連續(xù)不一定在時間上連續(xù),是指某一參量可以連續(xù)變化,或者在某一取值范圍內(nèi)能取無窮多個值。 凡信號參量只能取有限個值,就稱為數(shù)字信號。如電報信號和計算機輸入輸出信號等。數(shù)字 信號也可以稱為離散信號,離散不一定在時間上離散,是指信號的某一參量是離散變化的。 模擬通信系統(tǒng)是通過模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)模型如圖 22所示: 圖 21 通信系統(tǒng)的一般模型 齊魯工業(yè)大學 2020屆 本科畢業(yè)設計(論文) 8 其中信息源發(fā)出的是頻譜從零頻附近開始的原始電信號,這種信號頻譜分量的頻率很低,所以不適合直接傳輸,所以需要利用調(diào)制器和解調(diào)器進行變換和反變換。經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號。 已調(diào)信號具有以下三個基本特征: ( 1)攜帶信息 (2)適合在信道中直接傳輸 (3)信號頻譜一般具有帶通形式,因此已調(diào)信號又稱為 帶通信號或者是頻帶信號 數(shù)字通信系統(tǒng)是使用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng),主要包括:信源編碼和信源譯碼、信道編碼和信道譯碼、數(shù)字調(diào)制和數(shù)字解調(diào)、同步以及加密等。數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖 23所示: 其中圖 23所示各部分作用如下: ( 1)信源編碼與譯碼:一是提高信息傳輸?shù)挠行?,通過數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減少信息冗余度;二是完成模 /數(shù)( A/D)轉(zhuǎn)換,來實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸 ( 2)信道編碼與譯碼:加強通信系統(tǒng)的抗干擾能力,使通信 更加可靠 ( 3)加密與解密:顧名思義,加密是為了保證所傳輸信息的安全性,解密是圖 23 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 圖 22 模擬通信系統(tǒng)模型 齊魯工業(yè)大學 2020屆 本科畢業(yè)設計(論文) 9 恢復原來的信息以供使用 ( 4)數(shù)字調(diào)制與解調(diào):數(shù)字調(diào)制就是把原始信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?,解調(diào)就是采用相干解調(diào)或者非相干解調(diào)的方法把其還原為數(shù)字基帶信號 ( 5)同步:是保證數(shù)字通信精準、有效、規(guī)范工作的前提條件 : ( 1)抗干擾能力比較強,而且噪聲不積累 ( 2)差錯可以控制 ( 3)比較容易與各種數(shù)字終端接口 ( 4)容易集成化,使通信設備更加微型化 ( 5)加密處理更容易,而且有高強度的保密性 系統(tǒng)開發(fā)工具 MATLAB 簡介 本章將著重介紹 MATLAB 在通信系統(tǒng)中的應用,通過介紹 MATLAB 語言、工作環(huán)境以及 MATLAB 通信工具箱函數(shù),加深對 MATLAB 通信工具的認識,并且熟練掌握其應用。 MATLAB 簡介 MATLAB是由 MathWorks公司在 1984年推出的面向科學與工程的一種計算軟件, MATLAB 可以將不同領域的計算用函數(shù)的方式提供給用戶使用。 MATLAB 涉及十幾個領域的計算和圖形顯示。 MATLAB 方便使用、高效的 編程效率、高效的運算、豐富的內(nèi)容使其在國內(nèi)廣泛應用于教學及科研工作中 [2]。 語言概述 MATLAB 語言使用方便、集成度高、運算高效、輸入便捷、內(nèi)容豐富,可以與由用戶輕松自由的擴展。 MATLAB 語言與其他語言相比具有以下顯著特點: ( 1) MATLAB 語言是一種解釋性語言:只需要輸入算式就可以立即得出結(jié)果,不需要額外的編譯,每一條語句進行解釋后立即執(zhí)行。如果有錯誤,也會立即做出反應。這些優(yōu)點都大大的減輕了工程人員編程以及調(diào)試的工作量。 ( 2)“多功能性”的變量:每一個變量都代表 著一個矩陣,每個元素都可以看作是復數(shù),不需要定義矩陣的行數(shù)和列數(shù) ( 3)“多功能性”的運算符號:所有的運算,包括加、減、乘、除以及函數(shù)運算都對矩陣和復數(shù)有效 ( 4)語言規(guī)則和筆算式相似:程序與科技人員的書寫習慣相近,易寫易讀,方便在科技人員之間交流 ( 5)作圖功能強大而簡單:可以規(guī)定多種坐標繪圖;可以繪制三維坐標中的曲線和曲面;能設置不同顏色、線型以及視角等 ( 6)智能化程度高:繪圖時自動選擇最佳坐標; ( 7)豐富的功能,強大的可擴展性 齊魯工業(yè)大學 2020屆 本科畢業(yè)設計(論文) 10 的工作環(huán)境 MATLAB 系統(tǒng)的安裝比較簡單,安裝程序步驟如下: ( 1)找到 執(zhí)行文件,雙擊開始安裝 ( 2)選擇安裝路徑 ( 3)進行文件的解壓和復制過程 ( 4)確認是否安裝 MATLAB Notebook ( 5)安裝完畢。如安裝成功,桌面就會形成 MATLAB 圖標,否則即表明安裝失敗,需要重新安裝。 MATLAB 的工作環(huán)境主要由命令窗口、當前路徑窗口、工作空間瀏覽器窗口、命令歷史窗口、啟動平臺、圖形窗口和文本編輯窗口組成。 MATLAB 的通信工具箱中有 許多仿真函數(shù)和模塊,用來對通信系統(tǒng)進行仿真和分析。我們可以根據(jù)自己的需要選擇這些仿真函數(shù)和模塊來搭建自己的通信系統(tǒng)仿真模型。這些通信系統(tǒng)中的仿真模塊可以直接調(diào)用,還可以根據(jù)用戶的需要來進行修改,讓它滿足具體的設計和運算需求。 通信工具箱中,主要由兩部分內(nèi)容組成:通信函數(shù)命令和 Simulink 的通信模塊集仿真模塊??梢栽?MATLAB 的工作空間中直接調(diào)用工具箱中的函數(shù),還可以使用 Simulink 平臺來構(gòu)造需要的仿真模塊,以達到擴充工具箱內(nèi)容的目的 [3]。通過對調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信源編碼譯碼、通信仿真輸出和同步技術(shù)仿 真的 MATLAB仿真方法與技巧的學習與掌握,加深了自己對 MATLAB 通信工具的認知。 通信工具箱常用函數(shù)如表 21: 表 21 通信工具箱函數(shù) 類別 函數(shù)名稱 功能說明 Signal Sources 信號源函數(shù) randerr 生成隨機誤差圖 andint 生成均勻分布的隨機整數(shù)信號 randstr 按預定方式生成隨機信號矩陣 Wgn 生成高斯白噪聲信號 Signal Analysis Function 信號分析函數(shù) biterr 計算誤比特數(shù)和誤比特率 eyediagram 生成眼圖 scatterplot 生成散布圖 symerr 計算誤符號數(shù)和誤符號率 Source Coding 信源編碼 pand 計算 u率或者 A率壓擴 dpcmdeco 差分脈碼調(diào)制譯碼 dpcmenco 差分脈碼調(diào)制編碼 dpcmopt 采用優(yōu)化脈沖編碼調(diào)制進行參數(shù)估 計 lloyds 采用訓練序列和 Lloyd算法優(yōu)化標量齊魯工業(yè)大學 2020屆 本科畢業(yè)設計(論文) 11 算法 quantiz 生成量化序列和量化值 ( 1)通信系統(tǒng)的誤碼率仿真 衡量通信系統(tǒng)性能好壞的標準是通信系統(tǒng)誤碼率的大小。如何計算通 信系統(tǒng)的誤碼率?通信系統(tǒng)模型的誤碼率計算主要是由設置相關(guān)參數(shù)、創(chuàng)建信號及信源編碼、調(diào)制、對調(diào)制信號添加高斯噪聲、解調(diào)、計算系統(tǒng)的誤碼率等步驟來組成的。 ( 2)誤碼率仿真界面 MATLAB 中提供了一種很有效的誤碼率分析工具 —— 誤碼率仿真界面,我們可以用它來計算和比較不同調(diào)制方式、不同差錯控制編碼方式和不同信道噪聲模型條件下通信系統(tǒng)的誤碼率。 在 MATLAB 命令窗口中輸入以下命令: mgui 這時我們可以打開一個用戶界面窗口 —— 誤碼率仿真窗口。誤碼率仿真窗口如圖 24所示。 由圖 24可以看出,誤碼率 仿真窗口中包括了通信系統(tǒng)中信號處理的全部過程。比如說原信號的生成、誤碼率的計算等過程都能夠在誤碼率仿真窗口中得到實現(xiàn)。 圖 24誤碼率仿真窗口 由圖 24可以看出,誤碼率仿真窗口的上半部分分為了四個功能區(qū)域,它們齊魯工業(yè)大學 2020屆 本科畢業(yè)設計(論文) 12 分別是: ? Source(信號源) ? ErrCtrCode( 差錯控制編 碼 ) ? Modulation( 信號調(diào)制編碼 ) ? Channel( 信道 ) 第三章 模擬信號的數(shù)字傳輸 由于數(shù)字通信系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點,所以數(shù)字通信系統(tǒng)已成為當今社會通信的發(fā)展方向。但是自然界的許多信息經(jīng)過各種各樣的感知器感知后往往是模擬量,比如說電話、電視等,其信源發(fā)出的都是模擬信號。本章將著重介紹如何將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 模擬信號的數(shù)字傳輸模型 模擬信號數(shù)字化就是將連續(xù)變化的物理量轉(zhuǎn)換成可以用有限個數(shù)值來表示的離散數(shù)列。模擬信號數(shù)字化方法可以分為波形編碼和參量編碼。其中波形編碼方法分為 脈沖編碼調(diào)制( PCM)和增量調(diào)制(△ M) [4]。 模擬信號的數(shù)字化傳輸框圖如圖 31: 抽樣定理 抽樣就是把模擬信號在時間上的連續(xù)變成離散的抽樣值。而能不能用這一系列抽樣值重新恢復原信號,就需要抽樣定理來解決了。所以說,如果我們要傳輸模擬信號,可以通過傳輸抽樣定理的抽樣值來實現(xiàn)而不是非要傳輸原本的模擬信號。模擬信號數(shù)字化的理論基礎就是抽樣定理,抽樣定理的作用不言而喻。 舉例來說,生活中常見的 語音 信號 就 是模擬信號, 語音信號在幅度取值上是連續(xù)的,并且在時間上它也是連續(xù)的。要想讓語音信號實現(xiàn)數(shù)字化并實 現(xiàn)時分多路復用,第一點就要對語音信號進行離散化處理,而這個處理過程就叫做抽樣。換種說法,抽樣就是隔一段時間 T(固定的時間間隔),抽取語音信號的一個抽樣值(瞬時幅度值)。這一系列在時間上離散的抽樣值組成了樣值序列。樣值序圖 31 數(shù)字化傳輸框圖 齊魯工業(yè)大學 2020屆 本科畢業(yè)設計(論文) 13 列可以實現(xiàn)時分多路復用,還可以將每個抽樣值經(jīng)過量化和編碼兩種過程轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信號。經(jīng)多次理論研究和實踐探索證明,抽樣脈沖的時間間隔 T≤1/( 2fH) (或 者是 f≥ 2fH)(fH 是 語音 信號的最高頻率 ), 抽樣以后的樣值序列就可以不失真的被還原成原本的語音信號。 比如說 ,一路電話信號的頻帶為 300~ 3400Hz, fm=3400Hz,則抽樣頻率 fs≥ 2 3400=6800Hz。 如果按照抽樣頻率是 6800Hz 來 對 300Hz~ 3400Hz 的電話信號 進行 抽樣, 那么進行抽樣后的樣值序列就可以不失真的還原成原本的語音信號,而語音信號的抽樣頻率一般取值是 8000Hz。 對于 PAL 制電視信號 ,相信大家都非常熟悉 。 PAL 制電視信號 的 視頻帶寬 通常 為 6MHz。如果 按照 CCIR601 的 建議,亮度信號的抽樣頻率 是 ,色度信號 的抽樣頻率則 為 。 模擬信號的量化 抽樣轉(zhuǎn)換后的脈沖信號的幅度仍然是模擬 的,要用數(shù)碼來進行表示,就必須進行離散化的處理。 這就要求對幅值進行舍零取整的操作,此過程稱為量化。量化中具有兩種方法:只舍不入和有舍有入。量化方法中,取整的時候只舍不入,就是說 0~ 1伏之間輸入的所有電壓輸出都為 0伏, 1~ 2伏之間所有的輸入電壓輸出都為 1伏等等。使用只舍不入方式時,輸入的電壓總是大于輸出的電壓,所以產(chǎn)生的量化誤差通常是正的。大小為兩個相鄰的量化級的間隔Δ。量化方法中,取整的時候有舍有入,即 0~ 0伏, ~ 伏之間的輸出電壓輸出都為 1 伏等等。采用有舍有入的方 式時通常有正有負,量化的誤差絕對值最大為Δ /2。所以,通常采用誤差相對較小的有舍有入的方法進行量化。 僅僅使用量化的輸出信號來代替原來的信號會存在失真。通常來說,我們可以把量化誤差的幅度概率分布看做是 Δ /2~ +Δ /2之間的均勻分布。這能夠證明量化失真功率與最小的量化間隔的平方成正比例。所以說,最小的量化間隔越小,失真就會越??;最小量化的間隔越小,用以表現(xiàn)一定幅度的模擬信號時所需要的量化級數(shù)就會越多。所以,傳輸和處理起來就會越來越復雜。因此,量化時既要盡可能的減少量化的級數(shù),又要使量化失真不容易被看 出來。通常都要用一個二進制數(shù)來表達某一個量化級數(shù),經(jīng)過傳輸在接收端再依據(jù)這個表達量化級數(shù)的二進制數(shù)來恢復原來信號的幅值。我們所說的量化比特數(shù)是說的要區(qū)分所有量化級數(shù)所需要的多少位二進制數(shù)。比如說,現(xiàn)在有 8個量化級,那么就可以用三位二進制數(shù)來進行區(qū)分,原因是,稱 8 個量化級的量化是 3 比特量化。而 8比特量化則指的是一共有 3個量化級的量化。量化的誤差與噪聲相比,兩者是有本質(zhì)上的區(qū)別的。原因是任何時刻的量化誤差都是能夠從輸入信號中求出來的,然而信號與噪聲之間則并沒有這種關(guān)系。這能夠證明,量化的誤差是高階非線性失真的結(jié) 果。但是量化失真在信號中的表現(xiàn)卻相似于噪聲,兩者同樣有很寬的頻譜,齊魯工業(yè)大學 2020屆 本科畢業(yè)設計(論文) 14 所以量化誤差也被稱作是量化噪聲并且能夠用信噪比來進行衡量。 上面所描述的方法稱為線性量化,是采用均勻間隔量化級數(shù)來進行量化的方法。這種量化方式有造成大信號時信噪比有余但是小信號時信噪比不夠的缺點。 如果小信號時量化級間寬度小一點,大信號時量化級間的寬度大一點,
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