增量调制的设计与仿真课程设计.doc

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1、 课程设计 设计说明书 增量调制的设计与仿真 学生姓名 最好的沉淀 学 号 班 级 成 绩 指导教师 数学与计算机科学学院 2013 年 9 月 12 日 1 课程设计任务书 2013 2014 学年第 1 学期 课程设计名称： 课程设计 课程设计题目： 增量调制的设计与仿真 完 成 期 限： 自 2013 年 9 月 2 日至 2013 年 9 月 13 日共 2 周 设计内容： 本次课程设计的任务是对增量调制的设计与仿真，并用 MATLAB 仿真软件进行验证， 并以图形化的方式显示出波形，并且要求对设计的内容有必要的说明。 通过本次的实践，要求学生完成以下任务： 1)对课本知识的全面复习，

2、了解增量调制的编码与译码原理； 2)对 MATLAB 仿真软件的学习，能够使用该工具进行增量调制的仿真验证； 3)通过团队合作，完成增量调制码编码与译码的设计，并用 MATLAB 软件进行仿真 验证； 4)课程设计的结果全面正确，功能模块清晰分明； 5)加强团队合作精神，开拓创新能力； 6)文档资料完整规范。 指导教师：李征 教研室负责人： 课程设计评阅 评语： 指导教师签名： 年 月 日 摘 要 随着集成电路和信息技术的不断发展，通信技术得到广泛的应用。而通讯系统中的模 拟信号能否有效地转换为数字信号，让信号无失真的数字化传输，很大程度上依赖于增量 调制有无很好的编译码过程。增量调制编译码技

3、术就是基本的通信调制解调方式之一。 数字通信中，增量调制是预测编码中最简单的一种。它将信号瞬时值与前一个抽样时 刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。 它是继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字化的方法。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，有时也作为高速大规模集成电路中的 A/D 转换器 使用。目前，随着集成电路的发展，DM 的优点已不再那么显著。为了提高增量调制的质 量，出现了一些改进方案，例如，增量总和调制、数字压扩式自适应增量调制等。 关键词关键词：通信技术；增量调制；A/D 转换器 目 录 1 课题描述.1 2

4、 增量调制简介.2 3 基本概念.3 4 增量调制的调制原理.4 5 增量调制的解调原理.6 6 程序调试与测试. .7 7 结果分析.9 8 增量调制存在的问题.11 9 总结.13 10 参考文献.14 1 课题描述 增量调制（DM）系统的设计，由 M 的调制方案和 M 的解调方案两个子方案组成。 通过发送端形成 f(t)信号并编制成相应的二元码序列, 比较在每个抽样时刻 t 处的 f(t)和 f(t)的值, 用一个比较电路（减法器）来完成 f(it)和f(it_)的差值的比 较；通过分析f(t)的波形，阶梯波形象地说明增量调制原理，实际积分器的输出波形可 以相应得到，最后完成设计与仿真。

5、 2 增量调制简介 20 世纪 70 年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任 Cleve Moler 为了减轻学生编 程的负担，用 FORTRAN 编写了最早的 MATLAB。1984 年由 Little、Moler、Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推向市场。到 20 世纪 90 年代，MATLAB 已成 为国际控制界的标准计算软件。 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

6、卫星通信中广泛使用，有时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。 3 基本概念 在

7、 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 好地与原曲线重合，这意味着 f(t)可以携带 f(t)的全部信

8、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（Delta Modulation），缩写为 DM 或 M 调制。 增量调制最早由法国人

9、 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： 在比特率较低的场合，量化信噪比高于 PCM。 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。 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。 t 11111111100000 0 t t f (t) f (t) 4 增量调制的调制原理 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

10、 处的 f(t)和 f(t)的值可以发现, 当 f(it)f(it_)时，上升一个 ，发“1”码； 当 f(it)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(2t)=f(2t)-f(2t_)0，则 Po(3t)=1; (4) t=4t 时，e(4t)=f(4t)-f(4t_)0，则 Po(5t)=1; (6) t=6t 时，e(6t)=f(6t)-f(6t_)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

11、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 f (t) f (t) T(t) e(t) Po(t) R C (a) ()(b) RC 所示。 t t02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14t T(t) (a) (b) t t0 2t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t 11t12t13t14t f (t) f (t) (d) t 11010111111000 0 t02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14t Po(t) t 0 f (t) 5 增量调制的解调原理 为了完成整个通信过程，发送端调

12、制出的信号必须在接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）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

13、 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 Po(t)f (t) fo(t) (a) () t 0 f (t) (b) fo(t) 6 程序调试与测试 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) 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 subplot(3,

14、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); 采用 Simulink 基本模块实现和采用 DPCM 编解码模块实现

15、。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 作为预测滤波器，初始状态均设置为零。 使用 DPCM 编解码模块进行等价实现，DPCM 编码模块的设置是，预测器分子系数为 0,1，分母系数是 1，量化分割值

16、为 0，码书为-0.4,0.4，解码器与编码器设置相同。 仿真时间设置为 0.02s，即仿真前 20 个采样点。仿真结果如图（7）所示，采用 Simulink 基本模块实现的解码结果与编程法得到的波形相同。但是，由于初始值设置问题，采用 DPCM 编解码模块得出的解码结果与采用 Simulink 基本模块实现的解码结果在起始部分稍 有不同，随着仿真时间的增加，两者输出结果相同。 图 6 增量调制编码仿真测试模型 其中 f(u)=sin(2*pi*50*u)+0.5*sin(2*pi*150*u) 7 结果分析 程序执行结果如图 5 所示。从图中原信号和解码结果对比看，在输入信号变化平缓的 部分

17、，编码器输出 1、0 交替码，相应的解码结果以正负阶距交替变化，形成颗粒噪声，称 空载失真；在输入信号变化过快的部分，解码信号因不能跟踪 上信号的变化而引起斜率过载失真。量化阶距越小，则空载失真就越小，但是容易发 生过载失真；反之，量化阶距增大，则斜率过载失真减小，但空载失真增大。如果量化阶 距能根据信号的变化缓急自适应调整，则可以兼顾优化空载失真和过载失真，这就是自适 应增量调制的意思。 图 5 增量调制编码解码波形仿真结果（一） 波形解析： 第一个图形是原信号及离散样值 第二个图形是编码输出二进制序列的波形 第三个图形解码结果和信号波形对比 0.0040.006 为空载失真部分 0.009

18、0.012 为过载失真部分 图 7 增量调制编码解码波形仿真结果（二） 8 增量调制存在的问题 增量调制尽管有前面所述的不少优点，但它也有两个不足：一个是一般量化噪声问题; 另一个是过载噪声问题。两者可统一称为量化噪声。 观察图 1 可以发现，阶梯曲线（调制曲线）的最大上升和下降斜率是一个定值，只要 增量 和时间间隔 t 给定，它们就不变。那么，如果原始模拟信号的变化率超过调制曲 线的最大斜率，则调制曲线就跟不上原始信号的变化，从而造成误差。我们把这种因调制 曲线跟不上原始信号变化的现象叫做过载现象，由此产生的波形失真或者信号误差叫做过 载噪声。 另外，由于增量调制是利用调制曲线和原始信号的差

19、值进行编码，也就是利用增量进 行量化，因此在调制曲线和原始信号之间存在误差，这种误差称为一般量化误差或一般量 化噪声。两种噪声示意图如图 8 所示。 图 8 两种量化噪声示意图 仔细分析两种噪声波形我们发现，两种噪声的大小与阶梯波的抽样间隔 t 和增量 有关。我们定义 K 为阶梯波一个台阶的斜率 式中,fs 是抽样频率。该斜率被 称为最大跟踪斜率。当信号斜率大于跟踪斜率时，称为过载条件，此时就会出现过载现象； 当信号斜率等于跟踪斜率时，称为临界条件；当信号斜率小于跟踪斜率时，称为不过载条 件。 可见，通过增大量化台阶（增量） 进而提高阶梯波形的最大跟踪斜率，就可以减小 过载噪声；而降低 则可减

20、小一般量化噪声。显然，通过改变量化台阶进行降噪出现了矛 盾，因此， 值必须两头兼顾，适当选取。不过，利用增大抽样频率（即减小抽样时间间 隔 t），却可以“左右逢源”，既能减小过载噪声，又可降低一般量化噪声。因此，实 际应用中，M 系统的抽样频率要比 PCM 系统高得多（一般在两倍以上，对于话音信号典 型值为 16kHz 和 32kHz）。 tt f (t) f (t) n(t)n(t) f (t) f (t) s Kf t 图 5 增量调制编码解码波形仿真结果（一） 波形解析： 第一个图形是原信号及离散样值 第二个图形是编码输出二进制序列的波形 第三个图形解码结果和信号波形对比 0.0040.

21、006 为空载失真部分 0.0090.012 为过载失真部分 9 总结 由于基础不扎实，以前 Matlab 并没怎么学，这一次用上了，还真是无从下手。在网上 查看了很多资料，本来以为随便找一个程序能运行就行了，但发现这样不行，还是必须自 己会点，因为根本不可能找到找到一个要求一摸一样的，最终还是要修改。参考了一些程 序后，分析了一下，不会的就看书、百度，还是有点收获的。增量调制通信原理学过，基 础还是没忘记，关键就是编程序了。 由于对 Matlab 的陌生，好多函数找不到，也不会用。体现在这次课程设计中的就是不 会求频谱。问了好多同学，还是有点模糊。有幸在看到一个求频谱的，原来就是使用的函 数

22、不会用。虽然很简单，但不会就是最难的事。这次课程设计的确花了我很长的时间，但 从中学到的东西还是令我欣慰的。 脚踏实地，认真严谨，实事求是我的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精 神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升， 也会对我未来的学习和工作有很大帮助。 这次设计我们学到了很多东西，虽然作出来的东西很基础，但是我们加深了对知识的 理解和掌握。作为一名大三的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义的。同时这 是一次团队合作开发过程，一次难得的经历。通过此次设计试验也着重能够学到许多东西。 10 参考文献 1 张水英，徐伟强，通信原理及 MATLAB/Simulink 仿真，人民邮电出版社，2012 年 2 曹志刚，钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，2003 年 3 郭仕剑等，MATLAB7.x 数字信号处理，人民邮电出版社，2006 年 4 张辉，曹丽娜著，通信原理学习指导，西安电子电子科技大学，2003