时分复用的仿真与分析毕业设计(35页).doc

-时分复用的仿真与分析毕业设计-第 28 页 题 目 时 分 复 用 的 仿 真 与 分 析 学生姓名 李 园 园 学号 1113024059 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1102 班 指导教师 李 翠 华 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 5 月 20 日毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1102 学生姓 李园园 一、毕业论文设计题目 时分复用的仿真与分析 二、毕业论文设计工作自 2014 年 12 月 20 日 起至 2015 年 06 月 20 日止三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 多址技术是通信系统中常见的一种技术，按照多址方式的不同分为频分多址，时分多址和码分多址。本设计要求掌握多址技术的思想，原理和实现方法，用软件Matlab/Simulink搭建时分多址系统仿真模型，对不同的噪声环境，带宽大小进行分析； 进度安排 13周：查找资料，完成开题报告； 46周：对现有资料做出整理，对MATLAB软件进行学习了解； 710周：利用软件MATLAB/Simulink搭建仿真模型； 1112周：调试系统并分析其结果； 1314周：撰写论文，进行毕业答辩。 指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 李园园 时分复用的仿真与分析李园园（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1102班，陕西 汉中 723003）指导教师：李翠华【摘 要】TDMA(Time DivisiMultiple Access)时分多址协议，是通信多址协议之一。时分多址是把时间分割成周期性的帧(FmrIIe)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。本设计通过对模拟信号进行抽样、量化、编码，再经过多路信号的时分复用进行传输，在接收端对接收信号进行分路、译码、滤波恢复出原始信号。通过对系统接收信号与发送信号的比较分析，得到不同时隙大小对系统性能的影响。【关键字】时分复用；脉冲编码；抽样；量化；编码Simulation and analysis of time division multiplexingLi Yuan yuan(Grade11,Class2,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)Tutor:Li Cui Hua【Abstract】TDMA(Time DivisiMultiple Access)TDMA protocol, is one of multiple access protocols.TDMAis dividing the time into cyclical timeframe,each frameis further dividedinto a number oftime slotsto sent a signalto the base station, in the condition of meeting the timing and synchronization.The base stationmay received signalfrom mobile terminal respectively in all time slots, withoutmixingthe signal. The designof my subject via sampling, quantization, encoding, and thentime division multiplexingtransmate multiple signals, at the receiving terminal ,by means of ching,decoding,and filter to recover the originalsignal. Through comparative analysisof thesystems sending and receiving, obtainthe effects of differentlotsizeson to system performance.【Key words】TDMA；PCM;Sampling; quantization; coding目录1 绪论11.1课程设计背景及基本思想11.2 复用技术的发展历程11.3 Matlab/Simulink简介21.4设计的目的及任务31.5 设计仿真简介42 TDMA系统的原理52.1 TDMA系统组成及工作原理52.2 模拟信号数字化原理72.2.1 采样原理72.2.2 量化原理92.2.3 编码原理92.3 TDMA原理132.4 PCM30/32基群帧结构153 时分复用系统的仿真设计173.1 系统仿真总图173.2信号源部分的仿真173.3模拟信号数字化部分的仿真183.3.1 PCM编码模块的内部子系统183.4 TDMA复用的仿真193.5 TDMA解复用214系统性能的分析254.1 时隙大小对系统性能的影响254.2 噪声环境对系统的影响295 TDMA方式的时隙分配算法306总结32致谢33参考文献34附录A35附录B38附录C40附录D481 绪论1.1课程设计背景及基本思想通信系统是一个十分复杂的工程系统，通信系统设计研究也是一项十分复杂的技术。随着现代通信系统的飞速发展，计算机仿真已成为当今分析和设计通信系统的主要工具，在通信系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称。现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或在导引媒体中的传输机理来实现，前者称为无线通信系统，后者称为有线通信系统。由于人们对通信的要求越来越高，对通信的要求越来越多样化，所以通信系统正迅速向着宽带化方向发展，而光纤通信系统将在通信网中发挥越来越重要的作用。通信仿真是衡量通信系统性能的重要工具。与一般仿真过程相似，在对通信系统仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。通信系统仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统发出，通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关数据。通过对仿真数据的分析可以得到相应结论，然后把这个结论应用到对当前通信系统的改造中。如果改造后通信系统的性能并不像仿真结果那样令人满意，还需要重新实施通信系统仿真，这时候改造后的系统就成了当前系统，并且开始新一轮的通信系统仿真过程。值得注意的是，在整个通信系统仿真过程中，人为因素至始至终起着相当重要的作用。除了仿真程序的运行外，通信仿真的每个步骤都需要进行人工干预，由人对当前的程序做出重要的判断。因此通信仿真并不是一个机械的过程，它实际上是人的思维活动在计算机协助下的一种延伸。1.2 复用技术的发展历程为了提高通信系统信道的利用率，话音信号的传输往往采用多路复用通信的方式。这里所谓的多路复用通信方式通常是指：在一个信道上同时传输多个话音信号的技术，有时也将这种技术简称为复用技术。复用技术有多种工作方式，例如频分复用、时分复用以及码分复用等。数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量往往会大于传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(Multiplexing)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)是两种最常用的多路复用技术。多路复用是指以同一传输媒质（线路）承载多路信号进行通信的方式。各路信号在送往传输媒质以前，需按一定的规则进行调制，以利于各路已调信号在媒质中传输，并不致混淆，从而在传到对方时使信号具有足够能量，且可用反调制的方法加以区分、恢复成原信号。多路复用常用的方法有频分多路复用和时分多路复用，码分多路复用的应用也在不断扩大。传输系统覆盖着整个电信网，连接着所有用户，投资很大。为尽量降低成本，以多路复用手段不断挖掘传输系统的潜力，扩大容量，降低传输系统的成本是一个重要途径。在通信发展的过程中，无论是有线或无线传输系统，在不断开发新的传输媒质的同时，多路复用技术也随之不断发展，并得到了显著的经济效益。（1）由小容量向大容量方向发展早期市话中继线仅通单路电话。20世纪60年代初，每对市话中继线发展为可传输24路或30路PCM的系统。原有用户线仅可通电话，当发展至窄带综合业务数字同时，则可加装线路终端（LT）和网终端（NT）设备，用以双向传输144kbit/s电话和非话信息。同轴电缆系统，在充分利用原有传输媒质基础上，改进和增加增音站，即可由1 800路扩容为4 380路以至上万路。无线传输系统，由短波、特高频发展到微波，每个射频波道的通信容量也随之由几路增加到几百路乃至几千路。语言压缩编码技术的进步，使32kbit/s数字电话的传输质量达到原64kbit/s话音信号的水平，从而可使64kbit/s系统的容量加倍。（2）由模拟向数字化方向发展由于电话以及其他模拟非话信息，均可转变为数字信号形式，而数字时分复用系统的复用、解复简单、设备体积小、耗电省、可靠性高，同时光纤传输系统的出现以及数字微波新调制技术、自适应抗衰落措施的实用化，为大容量数字复用系统的应用，创造了广阔的途径和突出的重要地位。（3）由多路向多业务方向发展非话业务不断呈现多样化，需求速度日益加快，因而多路复用的概念也扩展至多业务复用领域。a. 话路复用一个模拟话路可通1224路5075Bd低速电报。一个64kbit/s PCM活路可通数十路1 200bit/s及2 400bit/s数据业务，以及在一个话路带宽内，以较宽的低频段通电话，以较窄的高频段通移频电报等。b.高频波道分割复用在地面微波接力通信及卫星通信传输系统中，一个射频波道可同时传送多路载波电话和电视节目等。c.插入行复用用图像处理技术可以在现有电视图像中插入图文广播信息，而不影响收看电视等。(4)向系列化、标准化方向发展传输媒质的多样化和通信网的不断发展，要求多路复用设备的系列化，标准化，即不但要求能在一个话路水平上互相转接，而且可在任何一级的高次群的载波设备或PCM设备上进行转接。然而在国际上，模拟传输系统中的载波多路复用方案不尽相同，脉码调制的数字复用体制也存在北美、欧洲与日本三个系列，互不兼容，造成互通的困难。为此CCITT建议提出了适合于光纤、微波和卫星传输的技术体制同步数字系列（SDH），把PCM的数字系列规范化，以便在国际上实现系统间互联与转接。此外，模拟系统与数字系统的转接也要求有对应接口容量和专用的复用制式转换设备。(5)在3G中的应用第三代移动通信系统（简称3G）的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域最为关注的热点问题之一。目前，国际上最具代表性的3G技术标准有三种，分别是TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。其中TD-SCDMA属于时分双工（TDD）模式，是由中国提出的3G技术标准；而 WCDMA和CDMA2000属于频分双工（FDD）模式，WCDMA技术标准由欧洲和日本提出，CDMA2000技术标准由美国提出。1.3 Matlab/Simulink简介美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一 。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。Simulink几个重要特点如下： (1) 丰富的可扩充的预定义模块库。 (2) 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。 (3) 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 (4) 通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性生成模型代码。 (5) 提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 (6) 使用Embedded MATLAB&#8482; 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。 (7) 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。 (8)图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。 (9)可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。 (10)模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。1.4设计的目的及任务设计目的：（1）通过对多址技术的学习，完成时分复用系统的搭建；（2）利用PCM脉冲抽样、量化、编码原理实现对模拟信号的编译码，实现模拟信号的数字换转换；（3）总结设计，完成设计论文1篇；设计任务：（1）通过PCM 编码搭建时分多址系统仿真模型;（2）对不同的噪声环境，带宽大小进行分析；（3）通过对仿真结果的分析，提出一种TDMA方式的时隙分配方法。1.5 设计仿真简介(1)设计要求本设计要求掌握多址技术的思想，原理和实现方法，用软件Matlab/Simulink搭建时分多址系统仿真模型，对不同的噪声环境，带宽大小进行分析；并提出一种TDMA方式的时隙分配方法。(2)方案选择和论证根据设计要求，初步设计方案主要分为PCM编码模块和PCM译码模块两个部分，PCM编码模块具体分为抽样、量化、编码这三个部分将模拟信号变为二进制码组，由于PCM要用N为二进制代码表示一个抽样值，即一个抽样周期内要编N 位码，码位越多，码元宽度越小，占用带宽越大，显然，传输PCM信号所需要的带宽要比模拟基带信号的带宽大得多，同时，在PCM编码时，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关，这使得样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高，造成数字化的信号带宽大大增加.图1.1 PCM原理框图大多数以奈奎斯特或者更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间隔表现出很强的相干性，有很大的冗余度，PCM 译码为PCM编码的逆过程，将经过译码后的二进制码组还原为量化后的样值脉冲序列然后经过滤波器滤除高频分量，得到重建信号，整体系统框图如上图所示图1.2 PCM波形示意图2 TDMA系统的原理2.1TDMA系统组成及工作原理在实际的通信系统中，为了提高通信系统的利用率，往往用多路通信的方式来传输信号。所谓多路通信，就是把多个不同信源所发出的信号组合成一个群信号，并经由同一信道进行传输，在收端再将它分离并被相应接收。时分复用（TDM，即Time-Division Multiplexing）就是一种常用的多路通信方式。时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续（模拟）的基带信号由可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。图8-1表示的是两个基带信号在时间上交替出现。显然这种时间复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离，各个信号就能分别得到恢复。这就是时分复用的概念。此外，时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。然而，时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号）。它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。为了扩大通信链路的容量，提高通信系统的利用率，需要在一条链路上传输多路独立的信号，即实现多路通信。时分复用就是一种常用的多路通信方式。它采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号以达到多路传输的目的。多路时分复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠。时分多路复用适用于数字信号的传输。由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率，因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号单独占用,在规定的时间内,多个数字信号都可按要求传输到达,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。本实验系统的预期功能是通过设计的仿真系统运行能够得出各路的信号波形、复用后的信号波形以及解复用的各点波形。主要原理图示如下2.1 2.2 2.3 2.4所示：图2.1 复接、解复接流程图采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速地数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等,原理图如上图2.1所示。经过一次群复用后的码型图如下图2.2所示。 (1)一次群 (2)二次群图2.2 按字复接示意图帧同步码8位8位8位8位8位8位8位01110010数据1数据2数据3数据4数据5数据6数据7图2.3 时分复用输出信号帧结构图2.4 特征信号复接波形示意图时分复用系统内主要部件是发端的时间分配器ST和接收端的时间分配器SR，它在时间上是同步的,这就要求同步系统的技术指标很严格,时间分配器的功能实际上就是对各路信号轮流取样，因此它的输出功能就是由各路取样后脉冲所组成的时间复用信号。如下图2.5为TDMA系统组成框图。时间分配图2.5 TDMA系统组成框图2.2 模拟信号数字化原理数字通信系统因可靠性高、抗干扰能力强等特点而成为通信系统的主要的发展方向，然而自然界的许多信息进过各种传感器感知后都是模拟量，例如电话、电视等通信业务，其信源输出的都是模拟信号，若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需要三个步骤：首先将模拟信号变成数字信号，即完成模数转换，其次是进行数字方式传输，最后是将数字信号还原为模拟信号，即完成数模转换。在实际的通信系统中，数模、模数转换通常由编码、译码器实现，因此，把发送端的模数变换称为信源编码，而接收端的数模变换称为信源译码。采用脉冲编码调制技术实现模拟信号的数字化包括三个步骤:抽样、量化和编码。系统结构如下图所示。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的抽样值，然后将这些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。这时信号便可用数字通信方式传输，可直接通过光纤、微波干线，卫星信道等数字线路传输。在接收端，则将接收到的数字信号进行译码和低通滤波，恢复原模拟信号。图2.6模拟信号的数字传输2.2.1 采样原理抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理要回答的问题。抽样定理的大意是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样定理和非均匀抽样；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可分理想抽样和实际抽样。所谓“取样”就是利用从连续时间信号f(t)中“抽取”一系列离散样本值的过程。这样得到的离散信号称为取样信号。采样信号f(t)可以看成连续信号f(t)和取样脉冲序列s(t)的乘积。其中取样脉冲序列s(t)也称为开关函数。如果其各脉冲间隔时间相同，均为Ts，就称为均匀取样。Ts称为取样周期，fs=1/Ts称为取样频率或取样率，s=2fs=2/Ts称为取样角频率。 如果取样脉冲序列s(t)是周期为Ts的冲激函数序列Ts，称为冲激取样。而冲激序列Ts（这里T=Ts，=2/Ts=s）的频谱函数也是周期冲激序列，函数Ts(t)及其频谱图如图2.7的(b)和(e)所示。如果信号f(t)的频带是有限的，就是说信号f(t)的频谱只在区间(-m，m)为有限值，而在此区间外为零，这样的信号称为频带有限信号，简称有限信号，f(t)及其频谱如图2的(a)和(d)所示。冲激取样信号fs(t)及其频谱如图2.7的(c)和(f)所示。由图(f)和式（3）可知，取样信号fs(t)的频谱函数由原信号频谱F(j)的无限个频移项组成，其频移的角频率分别为ns（n=0，±1，±2，），其幅值为原频谱的1/Ts。图2.7画出了时域中的冲激取样信号及其频谱。由此可见，采样信号在时域的表示为无穷多冲激函数的线性组合，其权值为原始信号在对应采样时刻的定义值。采样信号fs(t)的频谱就是将原始信号f(t)的频谱在频率轴上以采样角频率s为周期进行周期延拓后的结果（幅度为原频谱的1/Ts）。由取样信号fs(t)的频谱可以看出，如果s>2m（即fs>2fm或Ts<1/2fm），那么各相邻频移后的频谱不会发生重叠。这里就能设法（如利用低通滤波器）从取样信号的频谱Fs(j)中得到原信号的频谱，即从取样信号fs(t)中恢复原信号f(t)。如果s<2m，那么频移后的各相邻频谱将相互重叠，这样就无法将它们分开，因而也不能再恢复原信号。频谱重叠的这种现象常称为混叠现象。可见，为了不发生混叠现象，必须满足s2m。经过译码后的信号，通过带通滤波器滤除高频分量，恢复出原始信号。图2.8 抽样信号的产生与恢复原理框图经过译码后的信号，通过带通滤波器滤除高频分量，恢复出原始信号。2.2.2 量化原理模拟信号数字化的过程包括三个主要步骤，即抽样、量化和编码。模拟信号抽样后变成在时间上离散的信号，但仍然是模拟信号。这个抽样信号必须经过量化后才成为数字信号。设模拟信号的抽样值为s(kT),其中T是抽样周期，k是整数。此抽样值仍然是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。若我们仅用N位二进制数字码元来代表 此抽 样值 的 大小，则N位二进制码元只能代表M=2N个不同的抽样值。因此，必须将抽样值的范围划分成M个区间，每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，称为量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。量化又有均匀量化与非均匀量化。4.1 均匀量化模拟抽样信号的取值范围：a-b 量化电平数M则均匀量化时的量化间隔为：v=（b-a）/M,且量化区间的端点mi=a+iv i=0,1,M 若量化输出电平qi取量化间隔的中点，则qi=mi+m（i-1）/2 i=1,2,M模拟信号的量化过程如图2.9所示。图2.9 模拟信号的量化原理图图2.10 模拟信号的量化波形示意图2.2.3 编码原理（1）信道编码：为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰的。它根据一定的（监督）规律在待发送的信息码元中（人为的）加入一些必要的（监督）码元，在接受端利用这些监督码元与信息码元之间的监督规律，发现和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。信道编码的目的是试图以最少的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性的提高。 信道编码仅具有发现差错功能的检错码，如循环冗余校验码、自动请求重传ARQ等，具有自动纠正差错功能的纠错码，如循环码中的BCH码、RS码及卷积码、级联码、Turbo码等既能检错又能纠错功能的信道编码，最典型的是混合ARQ信道编码从结构和规律上分两大类：线性码、非线性码，FEC是前向就错码，在不同系统中，不同信道采用的FEC都不一样，有卷积码，Turbo码等模拟视频信号和音频信号要变成数字信号，通常都要通过信元编码和信道编码两个过程才能成。信元编码最常用的信源编码方式是脉冲编码（PCM），它需要经过抽样 量化和编码，抽样是将时间上连续的取值变为有限个离散取值的过程。信源编码是主要是利用信源的统计特性，解决信源的相关性，去掉信源冗余信息，从而达到压缩信源输出的信息率，提高系统有效性的目的。第三代移动通信中的信源编码包括语音压缩编码、各类图像压缩编码及多媒体数据压缩编码。编码是把量化后的信号按照一定的对应关系转变成一系列数字编码脉冲的过程。（2）数字脉冲编码调制（PCM）是目前模拟信号数字化的基本方法，将时间离散的抽样值序列经量化、编码变换为二进制数字序列。脉冲编码调制（PulseCodeModulation），是对信号进行抽样和量化时，将所得的量化值序列进行编码，变换为数字信号的调制过程。它主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。（3）A律PCM编码原理A律修正思想：(1)过原点做的切线，切点b;(2)切线ob段+曲线bcA律压缩曲线。A压缩律是指符合下式的对数压缩规律： 图2.11对数压缩特性曲线式（1）中，x为压缩器归一化输入电压；y为压缩器归一化输出电压；A为常数，决定压缩程度。A压缩律中的常数A不同，则压缩曲线的形状也不同，它将特别影响小电压时的信号量噪比的大小，在实用中，选择A等于87.6。（3）折线近似的原理A律压缩表示式是一条连续的平滑曲线，用电子线路很难准确的实现。现在由于数字电路技术的发展，这种特性很容易用数字电路来近似实现，13折线特性就是近似于A压缩律的特性，其曲线见图2.12所示图2.12 A律13折线图中横坐标x在0-1区间中分为不均匀的8段。1/2-1间的线段称为第8段；1/4-1/2间的线段称为第7段；1/8-1/4间的线段称为第6段；依此类推，直到0-1/128间的线段称为第1段。图中纵坐标y则均匀的划分为8段。将这8段相应的坐标点（x,y）相连，就得到了一条折线。输入信号x进行A律压缩，取A=87.6.采用13折线近似，在第一象限，输出x端点对应.在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位C1表示量化值的极性正负。后面的7位分为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。其中第2-4位（C2-C4）是段落码，共计3位，可以表示8种斜率的段落；其他4位（C5-C8）为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总共能表示128种量化值。图2.13 A律曲线(4)A律PCM编码规则在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位C1表示量化值的极性正负。后面的7位分为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。其中第2-4位（C2-C4）是段落码，共计3位，可以表示8种斜率的段落；其他4位（C5-C8）为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总共能表示128种量化值。输入信号x后，极性码C1的判断方法是：x<0,C1=0;x>0,C1=1；段落码C2、C3、C4的判断方法是：；段内码C5、C6、C7、C8的判断方法是：，要注意x各段量化间隔不等。表2.1段落码和段内码的编码规则段落序号段落码C2C3C4 段内层次段内码 7 111 15 1111 6 110 14 1110 5 101 14 1101 4 100 12 1100 3 011 11 10112 010 10 10101 001 9 10010 000 8 1000 7 0111 6 0110 5 0101