【文章內容簡介】 rilog語言，在大學期間，我們接觸最多的是 C 語言，所以利用 FPGA 分析時會面臨最大的編程問題。 利用單片機進行測試時，系統(tǒng)的可行性較好，成本低，但在實驗過程中的精度不高，而且在利用單片機進行實驗時，需要給單片機下載很正確的程序，相比較利用軟件搭建來說， 太過麻煩而且最后的結果比較不時很直觀。 Simulink 用其可以建立動態(tài)的系統(tǒng)模型并進行仿真，以直觀的方式建模比較，分層次的表達復雜系統(tǒng)，不受軟件本身的影響。而且 Simulink 的示波器可以動畫和圖像顯示數(shù)據(jù)，運行中可調整模S3 SL5 SRB SRA 4690KHz晶振 分頻器1 分頻器 2 幀同步信號產(chǎn)生器 正弦信 號源 A 抽樣信號 產(chǎn)生信號 PCM 編碼器 A PCM 編碼器 B 復接器 正弦信 號源 B S1 S2 SL7 SL3 SL0 SLB STA SRB SRA 2048KHz CLK S1S2S3S4 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 6 頁 共 40 頁 型參數(shù)進行 Whatif 分析，能夠在仿真運算進行時監(jiān)視動態(tài)仿真結果。這種交互式的特征可以幫助我們快速的評估不同的算法，進行參數(shù)優(yōu)化。 基于上述三種方案的優(yōu)缺點及自己在大學過程中對各種軟件的熟悉程度，我最終選擇了第二種方案，利用 Simulink 來做。 軟件介紹 MATLAB 簡介 MATLAB 是一種具有強大的計算、仿真、繪圖等功能的解釋性執(zhí)行語言。由于它使用簡單，擴充方便，特別是世界上有成千上萬不同領域的科研工作者在自己的科研過程中不停的擴充 MATLAB的功能，使它成為了巨大的知識寶庫。目前的 MATLAB 版本已經(jīng)可以方便的設計漂亮的界面，它可以像 VB 等語言一樣設計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數(shù)庫（工具箱），計算的功能實現(xiàn)也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外， MATLAB 和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現(xiàn)與其他語言的混合編程，進一步拓寬了 MATLAB 的應用潛力。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 來解算問題要比用 FORTRAN， C 等語言完成相同的事情簡便的多，并且 Mathworks 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點，使 MATLAB 成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C++ 、 FORTRAN、 C、 JAVA 的支持。不僅可以直接調用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到 MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進 行下載使用。 MATLAB 有著強大的功能且應用范圍非常廣，可以用來進行多種工作，具體如下： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統(tǒng)的設計與仿真、數(shù)字圖像處理技術、數(shù)字信號處理技術、通訊系統(tǒng)設計與仿真、財務與金融工程等。 MATLAB 被稱為第四代計算機語言，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。 MATLAB 的最突出的特點就是簡潔。 MATLAB 用更直觀的、符合人們思維習慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN 語言的冗長代碼。 MATLAB 給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發(fā) 環(huán)境 ]7[ 。 Simulink 介紹 Simulink 工具是 MATLAB 軟件提供的可以實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的軟件包， Matlab 重點運用在控制設計、工程的計算、金融建模分析和設計、檢測信號、處理圖像、信號通訊和處理等方面。而 simulink 提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可以構造出復雜的系統(tǒng)，它讓用戶把精力從語言編程轉向仿真模型的構造，為用戶省去了很多重復的代碼編寫工作 。 Simulink 具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 Simulink 已被廣泛應用與控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink 的功能和特點如下： Simulink 是一種基于 MATLAB 的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的 采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（ GUI），這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。 Simulink 是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理等系統(tǒng)， Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫對其進行設計、仿真、執(zhí)行和 測試。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 7 頁 共 40 頁 構架在 Simulink 基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了 Simulink 多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。 Simulink 與 MATLAB 緊密集成，可以直接訪問 MATLAB 大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。 Simulink 的特點： ? 豐富的可擴充的預定義模塊庫。 ? 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。 ? 以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理。 ? 通過 Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。 ? 圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為。 ? 使用 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用 MATLAB 算法 。 ? 使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式 (Normal， Accelerator， Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯 C 代碼的形式來運行模型。 ? 交互式的圖形編輯器來組合和管理 直觀的模塊圖。 ? 可訪問 MATLAB 從而對結果進行分析與可視化，定義信號參數(shù)，定制建模環(huán)境和測試數(shù)據(jù)。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 8 頁 共 40 頁 2 PCM 基本原理 脈沖編碼調制（ PCM）簡稱脈碼調制，它是用二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值來實現(xiàn)通信的一種方式。由于這種通信方式抗干擾能力強，易于加密等，因此在光釬通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字微波通信中均獲得了極為廣泛的運用。 PCM 信號的形成是將模擬信號經(jīng)過 “ 抽樣、量化、編碼 ”三個步驟來實現(xiàn)的。分別完成時間上離散、幅度上離散、及量化信號的二進制表示。根 據(jù) CCITT 的建議，為改善小信號量化性能，采用壓擴非均勻量化，有兩種建議方式，分別為 A 律和 μ律方式，我國和歐洲各國均采用了 A 律方式，由于 A 律壓縮實現(xiàn)復雜，常使用 13 折線法編碼。 PCM 系統(tǒng)原理方框圖如圖 所示。在編碼器（圖 （ a））中由沖激脈沖對模擬信號抽樣，得到在抽樣時刻上的信號抽樣值。這個抽樣值仍是模擬量。在它量化之前，通常用保持電路將其作短暫保存，以便電路有時間對其進行量化。在實際電路中，常把抽樣和保持電路作在一起，稱為抽樣保持電路。量化器把模擬抽樣信號變成離散的數(shù)字量，然后在編碼器中進行 二進制編碼。這樣，每個二進制碼組就代表一個量化后的信號抽樣值。圖 （ b）中譯碼器的原理和編碼過程相反。 （ a）編碼器 （ b）譯碼器 圖 PCM 原理方框圖 抽樣 抽樣就是不斷地以某個固定的時間間隔采集模擬信號的瞬時值。圖 是一個抽樣概念的示意圖 ]1[ ，假設某個模擬信號 f(t)通過一個開關，則開關的輸出則與開關的狀態(tài)有關，當開關處于閉合狀態(tài)的時候，開關的輸出就是輸入，即 y(t)=f(t)；若開關處在斷開位置，輸出 y(t)就為零?？梢?，如果讓開關受一個窄脈沖串（序列）的控制，則脈沖出現(xiàn)時開關閉合，則脈沖消失時開關斷開，此輸出 y(t)就是一個幅值變化的脈沖串（序列），每個脈沖的幅值就是該脈沖出現(xiàn)時刻輸入信號 f(t)的瞬時值，因此， y(t)就是對 f(t)抽樣后的信號或稱樣值信號。 圖 抽樣概念示意圖 抽樣保持 量化器 編碼器 譯碼器 低通濾波器 模擬 信號 輸入 PCM 信號 輸入 PCM 信號輸出 模擬信號 輸出 沖擊脈沖 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 9 頁 共 40 頁 取樣是應注意以下幾點： ? 為了保證在接受端能滿意的恢復出信息，取樣速率必須大于最高頻率的兩倍； ? 取樣矩形脈沖要盡量窄，盡可能接近瞬時取樣過程； ? 為了使輸出的信息成為合格的信息限帶信號，在取樣以前，應經(jīng)過一個 上限為 W 的低通濾波器，以便 m(t)中無所包含的高于 W 的那些諧波成分。 量化 量化就是把一個連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖 所示量化器 Q 輸出 L 個量化值， k=1， 2， 3， … ， L。常稱為重建電平或量化電平。量化過程可以用式（ ）表達為： LkxQxQy yxx kkk ,...,3,2,1,}{)( 1 ?????? ? （ ） 這里稱為分層電平或判決閾值。通常 kkk xx ??? ?1 稱為量化間隔。 圖 模擬信號的量化 量化后的抽樣信號于量化前的抽樣信號相比較，當然不再是模擬信號，且有所失真。這種失真在接收端還原模擬信號是表現(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決于把樣值分級 ―取整 ‖的方式，分的級數(shù)越多，即量化極差或間隔越小，量化噪聲也越小。 模擬信號的量化分為均勻量化和非均勻量化。 由于均勻量化存在的主要缺點是：無論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當信號較小時，則信號量化噪聲功率比也就很小，這樣的話化信噪比就難以達到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態(tài)范圍，可見，對 于弱信號時，均勻量化時的信號動態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個缺點，實際中，往往采用非均勻量化。 非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值大的區(qū)間，其量化間隔也大；反之，量化間隔就小。它與均勻量化相比，有兩個突出的優(yōu)點： ? 當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度時，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號量化噪聲功率比； ? 非均勻量化時，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號抽樣值成比例。 因此量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小信號時的量化信噪比 ]10[ 。 實際中，非均勻量化的實際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是壓縮律和 A 壓縮律。美國采用壓縮律，我國和歐洲各國均采用 A 壓縮律，因此， PCM 編碼方式采用的也是 A 壓縮律。 所謂 A 壓縮律也就是壓縮器具有如式（ ）和式（ ）特性的壓縮律 ]12[ ： AxAAxy 10,ln1 ???? （ ） 11,ln1 ln1 ????? xAAAxy （ ） y x 量化器 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 10 頁 共 40 頁 A 律壓擴特性是連續(xù)曲線， A 值不同壓擴特性自然也就不同，在電路上實現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當復雜的。在實際中，往往采用近似于 A 律函數(shù)規(guī)律的 13 折線（ A=）的壓擴特性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴特性曲線的優(yōu)點，又便于用電路實現(xiàn)。本設計中所用到的 PCM 編碼正是采用這種壓擴 特性來進行編碼的。圖 示出了這種壓擴特性曲線。表 列出了 13 折線時的 x 值與計算 x 值的比較 ]9[ 。 圖 A 律函數(shù) 13 折線 表 13 折線時的 x 值與計算 x 值的比較 y 0 81 82 83 84 85 86 87 1 x 0 1281 1 按折線 分段時的 x 0 1281 641 321 161 81 41 21 1 段落 1 2 3 4