通信系统课程设计报告72068.doc

1、I成 绩 评 定 表学生姓名 王文鑫 班级学号 1103030227专 业 电子信息工程课程设计题目 A/D 和 D/A 转换器的仿真评语组长签字：成绩日期2014 年 3 月 19 日II课程设计任务书学 院 信息科学与工程 专 业 电子信息工程学生姓名 王文鑫 班级学号 1103030227课程设计题目 A/D 和 D/A 转换器的仿真实践教学要求与任务:利用 MATLAB/Simulink 进行编程和仿真，仿真的内容可以是关于信源、信源编码、模拟调制、数字调制、多元调制、差错控制、多址技术、信道仿真及具体通信电路的仿真实现。也可以用 MATLAB 编程对通信的某一具体环节进行仿真。工作计

2、划与进度安排:2014 年 03 月 8 日 选题目查阅资料2014 年 03 月 9 日 编写软件源程序或建立仿真模块图2014 年 03 月 10 日 调试程序或仿真模型2014 年 03 月 11 日 性能分析及验收2014 年 03 月 12 日 撰写课程设计报告、答辩指导教师：2014 年 3 月 8 日专业负责人：2014 年 3 月 8 日学院教学副院长：2014 年 3 月 8 日沈阳理工大学通信系统课程设计报告I.摘 要目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代主流，因为它有很多模拟通信所没有的

3、优点，因此模拟信号往往要被编码成数字信号，从而在数字信道中传输。本次课程设计是在 MATLAB 软件环境下进行的，完成的是对 A/D 和 D/A 转换器的设计。A/D 转换负责将模拟信号转换为数字信号，即用一串数字编码（如 0101）去表示对应的一个模拟信号的一点的值，其转换过程是先对输入的模拟信号进行抽样，所使用的抽样频率要满足抽样定理的要求，然后对抽样结果进行幅度离散化（称为量化）并编码为二进制序列。D/A 转换的功能与 A/D 转换相反，它将输入的数字信号序列转换为模拟信号，其转换过程是将输入（二进制）数字序列恢复为相应电平的抽样值序列,然后通过满足抽样定理要求的低通滤波器恢复模拟信号。

4、A/D 转换采用平顶抽样技术，所以恢复模拟信号存在高频段的失真，若对恢复信号质量要求严格，需采用均衡器来补偿这种孔径失真。A/D 转换器的输出数据形式可以是并行的，也可以是串行的。关键词:MATLAB；抽样；量化；编码 沈阳理工大学通信系统课程设计报告1目录1.课程设计目的22.课程设计要求.23.相关知识.23.1 模拟信号数字化.23.2 A/D 和 D/A 转换的原理34课程设计分析.641 A/D 和 D/A 转换器的模型.44.2 模块参数设置.95仿真.96结果分析117参考文献12沈阳理工大学通信系统课程设计报告21.课程设计目的（1）加深对 A/D 和 D/A 基本理论知识的理

5、解。（2）培养独立开展科研的能力和编程能力。（3）掌握 A/D 和 D/A 结构及其在通信系统中的应用。2.课程设计要求（1）掌握课程设计的相关知识、概念清晰。（2）程序设计合理、能够正确运行。3.相关知识3.1 模拟信号数字化通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类。数字通信系统具有抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好等优点，所以应用非常广泛，已经成为现代通信的主要发展趋势。自然界中的信号都是模拟信号，这就需要我们对模拟信号进行抽样、量化、编码，形成数字信号后，在数字信

6、号系统中传输。在接收端则通过相应的逆变换恢复成模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需要三个步骤：（1） 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D） ；（2） 进行数字方式传输；（3） 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A） 。如果电信号的参量取值连续（不可数、无穷多） ，则称之为模拟信号。例如，沈阳理工大学通信系统课程设计报告3话筒送出的送出电压包含有话音信息，并在一定的取值范围内连续变化。模拟信号有时也称连续信号，这里连续的含义是指信号的某一参量连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。如果电信号的参量仅可能取有限个值，则称之为数字信号。如电报

7、信号、计算机输入/输出信号、PCM 信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。由于 A/D 或 D/A 变换的过程通常由信源编（译）码器实现，所以把发送端的 A/D 变换称为信源编码，而接收端的 D/A 变换称为信源译码，如语音信号的数字化叫做语音编码。由于电话业务在通信中占有最大的业务量，所以模拟信号数字化是非常重要的一部分。模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码和参量编码两类。波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在 16kbit/s-64kbit/s 范围内，接收端重建信号的质量好。参量编码是利用信号处理技术，提取

8、语音信号的特征参量，再变换成数字代码，其比特率在 16kbit/s 以下，但接收端重建（恢复）信号的质量不够好，这里只介绍波形编码。目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ M） 。采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如下图所示，首先对模拟信息源发出的模拟信号进行抽样，使其成为一系列离散是抽样值，然后将这些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。模拟信号源 抽样、量化 数字通信系统 译码和低通滤波 和编码m(t) S S m(t)k k模拟随机信号 数字随机序列 数字随机序列 模拟随机信号图 1 模拟信号的数字传输3.2 A/D 和 D/A 转换的原理 A/D 转 换 负

9、 责 将 模 拟 信 号 转 换 为 数 字 信 号 ， 即 用 一 串 数 字 编 码（ 如 0101） 去 表 示 对 应 的 一 个 模 拟 信 号 的 一 点 的 值 ， 其 转 换 过 程 是 ：沈阳理工大学通信系统课程设计报告4首 先 对 输 入 的 模 拟 信 号 进 行 采 样 ， 所 使 用 的 采 样 速 率 要 满 足 采 样 定 理 的要 求 ， 然 后 对 采 样 结 果 进 行 幅 度 离 散 化 （ 称 为 量 化 ） 并 编 码 为 符 号 串 ，一 般 输 出 为 二 进 制 序 列 。D/A 转 换 的 功 能 与 A/D 转 换 相 反 ， 它 将 输 入

10、 的 数 字 信 号 序 列 转 换 为模 拟 信 号 ， 其 转 换 过 程 是 ： 将 输 入 （ 二 进 制 ） 数 字 序 列 恢 复 为 相 应 电 平的 采 样 值 序 列 ， 然 后 通 过 满 足 采 样 定 理 要 求 的 低 通 滤 波 器 恢 复 模 拟 信 号 。A/D 转 换 采 用 平 顶 采 样 技 术 ， 所 以 恢 复 模 拟 信 号 存 在 高 频 段 的 失 真 ，若 对 恢 复 信 号 质 量 要 求 严 格 ， 需 采 用 均 衡 器 来 补 偿 这 种 孔 径 失 真 。A/D 转 换 器 的 输 出 数 据 形 式 可 以 是 并 行 的 ， 也

11、可 以 是 串 行 的 。A/D 转 换 的 一 般 步 骤 ：（ 1） 定 理 抽 样 。 为 了 正 确 无 误 地 用 抽 样 信 号 V 表 示 模 拟 信 号 VsI必 须 满 足 ： f 2f ,式 中 ， f 抽 样 频 率 ； f 为 输 入 信 号 V 的 最smaxi smaxi I高 频 率 分 量 的 频 率 。在 满 足 抽 样 定 理 的 条 件 下 ， 可 以 用 一 个 低 通 滤 波 器 将 信 号 V 还s原 为 V ， 这 个 低 通 滤 波 器 的 电 压 传 输 系 数 在 低 于 f 的 范 围 内I )(fAmaxi应 保 持 不 变 ， 而 在

12、f - f 以 前 迅 速 下 降 为 零 。 因 此 ， 抽 样 定 理 规 定smaxi了 A/D 转 换 的 频 率 下 限 。（ 2） 量 化 和 编 码 。 我 们 知 道 ， 数 字 信 号 不 仅 在 时 间 上 是 离 散 的 ， 而且 在 数 值 上 的 变 化 也 不 是 连 续 的 。 这 就 是 说 ， 任 何 一 个 数 字 量 的 大 小 ，都 是 以 某 个 最 小 数 量 单 位 的 整 倍 数 来 表 示 的 。 因 此 ， 在 用 数 字 量 表 示抽 样 电 压 时 ， 也 必 须 把 它 化 成 这 个 最 小 数 量 单 位 的 整 数 倍 ， 这 个

13、 转 化过 程 就 叫 做 量 化 。 所 规 定 的 最 小 数 量 单 位 叫 做 量 化 单 位 ， 用 表 示 。显 然 ， 数 字 信 号 最 低 有 效 位 中 的 1 表 示 的 数 量 大 小 ， 就 等 于 。 把 量化 的 数 值 用 二 进 制 代 码 表 示 ， 称 为 编 码 。 这 个 二 进 制 代 码 就 是 A/D转 换 的 输 出 信 号 。 既 然 模 拟 信 号 是 连 续 的 ， 那 么 它 就 不 一 定 能 被整 除 ， 因 而 不 可 避 免 地 会 引 入 误 差 ， 我 们 把 这 种 误 差 称 为 量 化 误 差 。 在把 模 拟 信 号

14、 划 分 为 不 同 的 量 化 等 级 时 ， 用 不 同 的 划 分 方 法 可 以 得 到 不 同的 量 化 误 差 。沈阳理工大学通信系统课程设计报告54.课程设计分析4.1 A/D 和 D/A 转换器的模型 A/D 和 D/A 转 换 器 的 模 型 如 下 ：1此模型中实现 A/D 转换的功能模块是：A/D 转换包括了对模拟信号的抽样、量化和编码三个步骤。 Zero-Order Hold 模块完成的是对模拟信号的抽样；抽样定理指出：设一个连续模拟信号 m(t)中的最高频率minmaxreplaced by signal name)设为%；5.仿真通过理论与编程实践，我完成了这次设计

15、的任务，其运行结果如图所示： 沈阳理工大学通信系统课程设计报告10图 1 图 1沈阳理工大学通信系统课程设计报告11图 26.结果分析1Stimulink 的通信模块库提供了 Integer to Bit Converter 模块可以将02 -1 之间的整数转换为长度为 M 个比特的二进制数据输出，同时也提供了M反向转换模块 Bit to Integer Converter 将比特数据转换为整数值。利用这两个模块，结合零阶保持器模块作为采样保持模型，量化器模块 Quantizer 作为量化模型，就可对 A/D 和 D/A 过程进行建模，实现比特流的并串和串并转换。2发送信号也就是模拟信号，为常

16、数 18.6 时，零阶保持器采样时间间隔为1s，量化器的量化间隔为 1，属于均匀量化，将采样输出结果进行四舍五入量化后，得到整数值 19，因为 Integer to Bit Converter 模块的转换比特数设置为 8，于是进行 8 位转换。转换输出的比特序列为 00010011，即常数 19，从Display1 模块显示出来，如图 1 所示。3经过并串转换后得出高速率的串行传输二进制数据流。示波器显示了传输数据流的波形，它表示的比特序列为 0001001100010011，周期为 1s,如图 2 所示。4串行数据经过串并转换还原为 8 位并行数据后，送入 Bit to Integer Co

17、nverter,它的转换比特数也要设置为 8，这样就将 8 位并行二进制数据转换沈阳理工大学通信系统课程设计报告12为整数值 19，然后通过 Display 显示出来，如图 1 所示。5D/A 的输出结果与原信号值之间存在误差，这是由于量化器四舍五入过程中产生的，称为量化误差或量化噪声。量化噪声功率的平均值 N = = ，量化电平数 M=2 ，平均信号量噪比 =M ，即为 48dB。8 27.参考文献1 Mokhtari Mohand，Marie Michel.MATLAB 与 SIMULINK 工程应用.赵彦玲，吴淑红译.北京：电子工业出版社，20022 Proakis John G.数字通

18、信（第 4 版）.北京：电子工业出版社，2004 3 王国玉，肖顺平，汪连栋.电子系统建模仿真与评估. 长沙：国防科技大学出版社，19984 徐明远，邵玉斌.MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用.西安：西安电子科技大学出版社，20055 薛定宇，陈阳泉.基于 Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用.北京：清华大学出版社，20026 曾兴雯，孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术.西安：西安电子科技大学出版社，20047 樊昌信，张甫诩，徐炳祥，吴成柯.通信原理（第 5 版）.北京：国防工业出版社，20018 陈理荣.数学建模导论.北京：北京邮电大学出版社，19999 王维平，朱一凡，华雪倩，蔡放.仿真模型有效性确认与验证.长沙：国防科技大学出版社，1998q12)(vqNS0沈阳理工大学通信系统课程设计报告1310 姚东，王爱民，冯峰，王朝阳.MATLAB 命令大全.北京：人民邮电出版社，2000