增量调制仿真设计要点.pdf
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1、沈阳理工大学通信系统课程设计报告 1 增量调制仿真设计 1.课程设计目的 (1)加深理解增量调制编译码的基本原理。 (2)培养独立开展科研的能力和编程能力。 (3)了解系统的过载特性,动态范围以及最大量化信噪比等三大指标的测试方 法。 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 增量调制简介 增量调制简称 M或增量脉码调制方式 (DM ),它是继 PCM 后出现的又一种 模拟信号数字化的方法。1946年由法国工程师 De Loraine 提出,目的在于简化 模拟信号的数字化方法。 主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时
2、也作为高 速大规模集成电路中的A/D 转换器使用。 对模拟信号采样,并用每个样值与它的预测值的差值对周期脉冲序列 进行调制,简称墹M或 DM 。已调脉冲序列以脉冲的有、无来表征差值的正 负号,也就是差值只编成一位二进制码。 增量调制的基本原理是于1946 年提出的,它是一种最简单的差值脉冲 编码。早期的语言增量调制编码器是由分立元件组成的。随着模拟集成电 路技术的发展,70 年代末出现了音节压扩增量调制集成单片,80 年代出现 了瞬时压扩集成单片,单片内包括了开关电容滤波器与开关电容积分器, 集成度不断提高,使增量调制的编码器的体积减小,功耗降低。 沈阳理工大学通信系统课程设计报告 2 3.2
3、 基本概念 在 PCM 系统中, 为了得到二进制数字序列, 要对量化后的数字信号进行编码, 每个抽样量化值用一个码组(码字)表示其大小。码长一般为7 位或 8 位,码长 越大,可表示的量化级数越多,但编、解码设备就越复杂。那么能否找到其它更 为简单的方法完成信号的模/ 数转换呢? 我们看一下图 1。图中在模拟信号 f ( t ) 的曲线附近, 有一条阶梯状的变化曲 线 f ( t ), f ( t )与 f (t ) 的形状相似。显然,只要阶梯“台阶” 和时间间隔 t 足够小,则 f ( t )与 f (t )的相似程度就会提高。对f ( t )进行滤波处理,去 掉高频波动,所得到的曲线将会很
4、好地与原曲线重合,这意味着 f(t) 可以携 带 f ( t ) 的全部信息(这一点很重要)。因此,f ( t )可以看成是用一个给定的 “台阶” 对 f (t )进行抽样与量化后的曲线。我们把“台阶”的高度称为增 量,用“ 1”表示正增量,代表向上增加一个;用“0”表示负增量,代表向下 减少一个 。 则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、“1”数字序列来表示(如图(1)所 示),也就是说,对f (t ) 的编码只用一位二进制码即可。此时的二进制码序 列不是代表某一时刻的抽样值,每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化趋 势。这种只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序列的方法(过程)就称为增 量调制
5、( Delt a Modulat ion ),缩写为 DM或M调制。 增量调制最早由法国人De Loraine 于 1946年提出, 目的是简化模拟信号的 数字化方法。其主要特点是: (1)在比特率较低的场合,量化信噪比高于PCM 。 (2)抗误码性能好。能工作在误比特率为102103 的信道中,而 PCM 则要 求信道的误比特率为104106。 (3)设备简单、制造容易。 它与 PCM 的本质区别是只用一位二进制码进行编码,但这一位码不表示信号 抽样值的大小,而是表示抽样时刻信号曲线的变化趋向。 沈阳理工大学通信系统课程设计报告 3 图 1 增量调制波形示意示 4 课程设计分析 4.1 M
6、的调制原理 如何在发送端形成f (t ) 信号并编制成相应的二元码序列呢?仔细分析一 上图( 1),比较在每个抽样时刻 t 处的 f ( t )和 f (t ) 的值可以发现 , 当 f ( i t )f (i t_ )时,上升一个 ,发“1”码; 当 f ( i t )0 ,则 Po(0)=1 (1) t =t 时, e( t )=f ( t )- f ( t_ )0,则 Po(t )=1 (2) t =2t 时,e(2 t )=f (2t )- f (2 t_ )0,则 Po(3t )=1; (4) t =4t 时,e(4 t )=f (4t )- f (4 t_ )0,则 Po(5t )
7、=1; (6) t =6t 时,e(6 t )=f (6t )- f (6 t_ )0,则 Po(6t )=1; (7) 以此类推,即可得到如图3 所示的波形。会发现图3 中的 f ( t ) 和图 1 的 波形不一样。 其实,图 1 的阶梯波只是为了形象地说明增量调制原理,而实际积 分器的输出波形如图3d 所示。 f (t) 抽样 判决 积分器 f (t) T(t) e(t) Po(t) R C (a) 增量调制器(编码器)框图(b) RC积分器 沈阳理工大学通信系统课程设计报告 5 (C) 图 3 增量调制过程示意图 4.2 M的解调原理 为了完成整个通信过程, 发送端调制出的信号必须在接
8、收端通过解调恢复出 原始模拟信号。 M信号的解调比较简单,用一个和本地解码器一样的积分器即 可。在接收端和发送端的积分器一般都是一个RC积分器。解调过程就是图43 中的积分过程。当积分器输入“1”码时,积分器输出产生一个正斜变的电压并 上升一个量化台阶 ;而当输入“ 0”码时,积分器输出电压就下降一个量化台 t t02t 3t 4 t 5t 6t 7t 8t 9t 10t11t12t13t14t T(t) (a) 抽样脉冲 (b) 样值信号 t t0 2t 3t 4 t 5t 6t 7t 8t 9t 10t 11t 12t13t 14t f (t) f (t) (d) 积分器输出信号 t 11
9、010111111000 0 t02 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 10 t11 t12t13t14t Po(t) t 0 f (t) 沈阳理工大学通信系统课程设计报告 6 阶。 为了保证解调质量,对解码器有两个要求: (1) 每次上升或下降的大小要一致,即正负斜率大小一样。 (2) (2)解码器应具有“记忆”功能, 即输入为连续“ 1”或“0”码时, 输出能连续上升或下降。 对积分器的输出信号进行低通滤波,滤除波形中的高频成分, 即可得到与原 始模拟信号十分近似的解调信号,如图4 所示 图 4 增量调制译码( 解调 ) 示意示 5 增量调制 MATLAB 的仿真
10、 5.1 程序代码 : Ts=1e-3; t=0:Ts:20*Ts; x=sin(2*pi*50*t)+0.5*sin(2*pi*150*t); delta=0.4; D(1+length(t)=0; for k=1:length(t) 积分器低通滤波 Po(t)f (t) fo(t) (a) 增量解调器(译码器 )框图 t 0 f (t) (b) 各点波形 fo(t) 沈阳理工大学通信系统课程设计报告 7 e(k)=x(k)-D(k); e_q(k)=delta*(2*(e(k)=0)-1); D(k+1)=e_q(k)+D(k); codeout(k)=(e_q(k)0); end sub
11、plot(3,1,1);plot(t,x,-o);axis(0 20*Ts,-2 2);hold on; subplot(3,1,2);stairs(t,codeout);axis(0 20*Ts,-2 2); Dr(1+length(t)=0; for k=1:length(t) eq(k)=delta*(2*codeout(k)-1); xr(k)=eq(k)+Dr(k); Dr(k+1)=xr(k); end subplot(3,1,3);stairs(t,xr);hold on; subplot(3,1,3);plot(t,x); 5.2 增量调制 Simulink 仿真实现 采用 S
12、imulink基本模块实现和采用DPCM 编解码模块实现。仿真测试模型 如图(6)所示。仿真步进设置为0.001s ,模型中所有需要设置采样时间的地方 均设置采样时间为0.001s 。在增量调制部分, Relay 模块作为量化器适应, 其门 限设置为 0,输出值分别设置为0.4 和-0.4 ;Relay 作为编码器使用,其门限设 置为 0,输出值设置为 1 和 0;解码端 Relay2 模块作为解码器使用, 其门限设置 为 0.5 ,输出值分别为0.4 和-0.4 ;使用单位延时器Unit Delay作为预测滤波 沈阳理工大学通信系统课程设计报告 8 器,初始状态均设置为零。 使用 DPCM
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