【正文】 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 法來進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。但是現(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)信道都帶有帶通傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，所以信道不能直接傳輸數(shù)字基帶信號(hào)。 基于 MATLAB 的模擬信號(hào)數(shù)字化的仿真實(shí)現(xiàn) 編碼器電路設(shè)計(jì)如圖 32所示： 其中各部分參數(shù)設(shè)置如圖 33 至圖 311： 圖 32 pcm編碼器 圖 33 飽和，限制信號(hào)變化范圍 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 34 輸出輸入絕對(duì)值 圖 35 A律壓縮器 圖 36 增益 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 37 量化 圖 38 量化 圖 39 混合 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 解碼器設(shè)計(jì)如圖 312： 其中圖 312參數(shù)設(shè)置如圖 313至 316： 圖 312 pcm解碼器 圖 310 顯示輸入的值 圖 311 繼電器 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 313 解混 圖 314 產(chǎn)生各個(gè)模塊的簡(jiǎn)積或者商 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 315 產(chǎn)生各個(gè)模塊的簡(jiǎn)積或者商 圖 316 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第四章 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理 如果 調(diào)制的信號(hào)是二進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)，那么這種調(diào)制方法就叫做二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。通常，為了應(yīng)對(duì)干擾，我們必須花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間去傳輸一些多余的重復(fù)的信號(hào)，利用這些信號(hào)占用更多的頻帶。信源編碼就是將信源發(fā)出的信號(hào)變成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。折疊二進(jìn)制碼的最高位可以用來區(qū)分各種信號(hào)幅值的正負(fù)而且它齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 的抗誤碼能力是很強(qiáng)的。格雷碼不能直接利用 D/A（數(shù) /模）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 模擬信號(hào)，需要先轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼才能實(shí)現(xiàn)。 （ 2） 相比較之下，格雷碼就沒有了這一缺點(diǎn)。自然二進(jìn)制碼能夠直接利用 D/A（數(shù) /模）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。下面列舉下它們的優(yōu)缺點(diǎn)： （ 1） 自然二進(jìn)制碼是和二進(jìn)制數(shù)互相對(duì)應(yīng)的，比較簡(jiǎn)單，容易執(zhí)行。比如說格雷碼和折疊二進(jìn)制碼等 等。顯而易見，抽樣頻率高了，量化比特?cái)?shù)就會(huì)越大，隨之而來的是數(shù)碼率的升高，需要的傳輸帶寬也就越寬。在接收端，編碼過程能夠依據(jù)收到的信號(hào)重新組成原本的抽樣值。 在所有編碼方式中，最簡(jiǎn)單的就要屬二進(jìn)制編碼了。 編碼 經(jīng)過抽樣和量化后的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)嗎？答案是否定的。因?yàn)椴捎?13折線壓擴(kuò)特性后，小信號(hào)時(shí)量化信噪比的改善量相當(dāng)可觀，可以達(dá)到 24dB。 而對(duì)于音頻信號(hào)的非均勻量化來說，現(xiàn)在也是采用了壓縮、擴(kuò)張的方式，也就是先在發(fā)送端對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，然后進(jìn)行均勻量化，最終在接收端對(duì)信號(hào)再進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)張?zhí)幚?。我們所熟知的?shù)字電視信號(hào)通常就采用了這種非均勻量化的方法。這種量化方式有造成大信號(hào)時(shí)信噪比有余但是小信號(hào)時(shí)信噪比不夠的缺點(diǎn)。但是量化失真在信號(hào)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(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jìn)行衡量。原因是任何時(shí)刻的量化誤差都是能夠從輸入信號(hào)中求出來的，然而信號(hào)與噪聲之間則并沒有這種關(guān)系。而 8比特量化則指的是一共有 3個(gè)量化級(jí)的量化。我們所說的量化比特?cái)?shù)是說的要區(qū)分所有量化級(jí)數(shù)所需要的多少位二進(jìn)制數(shù)。因此，量化時(shí)既要盡可能的減少量化的級(jí)數(shù)，又要使量化失真不容易被看 出來。所以說，最小的量化間隔越小，失真就會(huì)越??；最小量化的間隔越小，用以表現(xiàn)一定幅度的模擬信號(hào)時(shí)所需要的量化級(jí)數(shù)就會(huì)越多。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。所以，通常采用誤差相對(duì)較小的有舍有入的方法進(jìn)行量化。量化方法中，取整的時(shí)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。使用只舍不入方式時(shí)，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。量化中具有兩種方法：只舍不入和有舍有入。 模擬信號(hào)的量化 抽樣轉(zhuǎn)換后的脈沖信號(hào)的幅度仍然是模擬 的，要用數(shù)碼來進(jìn)行表示，就必須進(jìn)行離散化的處理。 PAL 制電視信號(hào) 的 視頻帶寬 通常 為 6MHz。 如果按照抽樣頻率是 6800Hz 來 對(duì) 300Hz～ 3400Hz 的電話信號(hào) 進(jìn)行 抽樣， 那么進(jìn)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(hào)，而語音信號(hào)的抽樣頻率一般取值是 8000Hz。經(jīng)多次理論研究和實(shí)踐探索證明，抽樣脈沖的時(shí)間間隔 T≤1/（ 2fH） (或 者是 f≥ 2fH)(fH 是 語音 信號(hào)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(hào)。這一系列在時(shí)間上離散的抽樣值組成了樣值序列。要想讓語音信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化并實(shí) 現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用，第一點(diǎn)就要對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行離散化處理，而這個(gè)處理過程就叫做抽樣。模擬信號(hào)數(shù)字化的理論基礎(chǔ)就是抽樣定理，抽樣定理的作用不言而喻。而能不能用這一系列抽樣值重新恢復(fù)原信號(hào)，就需要抽樣定理來解決了。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(hào)的數(shù)字傳輸模型 模擬信號(hào)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(gè)數(shù)值來表示的離散數(shù)列。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(hào)。比如說原信號(hào)的生成、誤碼率的計(jì)算等過程都能夠在誤碼率仿真窗口中得到實(shí)現(xiàn)。誤碼率仿真窗口如圖 24所示。 （ 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(jì)算和比較不同調(diào)制方式、不同差錯(cuò)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。 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(hào)源函數(shù) randerr 生成隨機(jī)誤差圖 andint 生成均勻分布的隨機(jī)整數(shù)信號(hào) randstr 按預(yù)定方式生成隨機(jī)信號(hào)矩陣 Wgn 生成高斯白噪聲信號(hào) Signal Analysis Function 信號(hào)分析函數(shù) biterr 計(jì)算誤比特?cái)?shù)和誤比特率 eyediagram 生成眼圖 scatterplot 生成散布圖 symerr 計(jì)算誤符號(hào)數(shù)和誤符號(hào)率 Source Coding 信源編碼 pand 計(jì)算 u率或者 A率壓擴(kuò) 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(jìn)行參數(shù)估 計(jì) lloyds 采用訓(xùn)練序列和 Lloyd算法優(yōu)化標(biāo)量齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(biāo)準(zhǔn)是通信系統(tǒng)誤碼率的大小。可以在 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(tái)來構(gòu)造需要的仿真模塊，以達(dá)到擴(kuò)充工具箱內(nèi)容的目的 [3]。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(jìn)行修改，讓它滿足具體的設(shè)計(jì)和運(yùn)算需求。 MATLAB 的通信工具箱中有 許多仿真函數(shù)和模塊，用來對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。如安裝成功，桌面就會(huì)形成 MATLAB 圖標(biāo)，否則即表明安裝失敗，需要重新安裝。這些優(yōu)點(diǎn)都大大的減輕了工程人員編程以及調(diào)試的工作量。 MATLAB 語言與其他語言相比具有以下顯著特點(diǎn)： （ 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(jìn)行解釋后立即執(zhí)行。 MATLAB 方便使用、高效的 編程效率、高效的運(yùn)算、豐富的內(nèi)容使其在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用于教學(xué)及科研工作中 [2]。 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB是由 MathWorks公司在 1984年推出的面向科學(xué)與工程的一種計(jì)算軟件， MATLAB 可以將不同領(lǐng)域的計(jì)算用函數(shù)的方式提供給用戶使用。 已調(diào)信號(hào)具有以下三個(gè)基本特征： （ 1)攜帶信息 (2)適合在信道中直接傳輸 (3)信號(hào)頻譜一般具有帶通形式，因此已調(diào)信號(hào)又稱為 帶通信號(hào)或者是頻帶信號(hào) 數(shù)字通信系統(tǒng)是使用數(shù)字信號(hào)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。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(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào)，這種信號(hào)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(jìn)行變換和反變換。數(shù)字 信號(hào)也可以稱為離散信號(hào)，離散不一定在時(shí)間上離散，是指信號(hào)的某一參量是離散變化的。 凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，就稱為數(shù)字信號(hào)。如語音信號(hào)和圖像信號(hào)等。 消息的傳遞是以電信號(hào)的形式來實(shí)現(xiàn)的，按信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為兩類 :模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 （ 5） 接收設(shè)備：從接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始信號(hào)。 （ 3） 信道：顧名思義，是傳輸信號(hào)的物理媒質(zhì)。 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(hào)，分為模擬信源和數(shù)字信源。 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 通信系統(tǒng)的組成 及模型 通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源傳送到一個(gè)或多個(gè)目的地。 第二章 通信原理理論基礎(chǔ) 在模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸中主要應(yīng)用了大量的通信原理基礎(chǔ)知識(shí)及理論。具體來說，數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展是一個(gè)必然的大趨勢(shì)?，F(xiàn)代通信技術(shù)的主要內(nèi)容和發(fā) 展方向，是以光導(dǎo)纖維通信為主體，無線電通信、衛(wèi)星通信為輔助的寬帶化、綜合化、個(gè)人化以及智能化的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 第二階段是電通信階段。通信技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)中一個(gè)不可或缺的組成部分，而 MATLAB 則是通信系統(tǒng)仿真的重要工具，已經(jīng)成為各種科學(xué)算法的默認(rèn)軟件。而且， MATLAB具有其他許多語言難以企及的優(yōu)勢(shì)：編寫語句輕松容易、編程高效、學(xué)習(xí)容易和輕松掌握等。 在眾多功能強(qiáng)大的通信系統(tǒng)仿真工具中， MATLAB 以其強(qiáng)大的可視化功能、開放式的可擴(kuò)展環(huán)境、簡(jiǎn)單的操作性、輕松的編程語言以及面向不同領(lǐng)域的多達(dá)三十種工具箱的支持成為其中的佼佼者。無論是無 線電技術(shù)還是調(diào)制解調(diào)等模擬運(yùn)算數(shù)字化，都是設(shè)備超小型化和功能的多樣化具備了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)和理論基礎(chǔ)，數(shù)字化進(jìn)程日新月異，正處在不斷發(fā)展的大好時(shí)期。當(dāng)今社會(huì)，數(shù)字化是潮流，已經(jīng)基本取代了模擬系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)已走到末路，必將淹沒在時(shí)代的潮流中。比如說在常見的廣播系統(tǒng)中，現(xiàn)在大多數(shù)廣播系統(tǒng)還是以模擬系統(tǒng)為主，但是數(shù)字化的潮流不可避免，因?yàn)閿?shù)字化的質(zhì)量是模擬方式不能相比的。我國(guó)在 1972 年投入使用的阿巴網(wǎng)，就是 60 年代多次研究的成果的體現(xiàn)。數(shù)字化通