通信原理课程设计报告(增量调制通信系统).doc

精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书学生姓名： 吕义斌 专业班级： 电信1102班 指导教师： 吴巍 工作单位： 信息工程学院 题 目：M通信系统设计初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、M码速率128KB，有线通信，语音信号无明显失真；2、对系统各个组成部分与模块进行设计，包括M编译码电路，同步脉冲序列，低通滤波器等；3、对M斜线、临界过载等进行误差分析，设计相应电路以检测上述现象；4、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日专心-专注-专业目录摘要增量调制简称，它是继PCM之后出现的又一种模拟信号数字化方法。最早是由法国工程师De Loraine于1946年提出来的，其目的在于简化模拟信号的数字化方法。在以后的三十多年间有了很大发展，特别是在军事和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到广泛应用，不仅如此，近年来在高速超大规模集成电路中已被用作A/D转换器。 增量调制获得广泛应用的原因主要有以下几点： （1）在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCM的量化信噪比； （2）增量调制的抗误码性能好。能工作于误码率为的信道中，而PCM要求误比特率通常为； （3）增量调制的编译码器比PCM简单。增量调制最主要的特点就是它所产生的二进制代码表示模拟信号前后两个抽样值的差别(增加、还是减少)而不是代表抽样值本身的大小，因此把它称为增量调制。在增量调制系统的发端调制后的二进制代码1和0只表示信号这一个抽样时刻相对于前一个抽样时刻是增加(用1码)还是减少(用0码)。收端译码器每收到一个1码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量化阶，而收到一个0码，译码器的输出相对于前一个时刻的值下降一个量化阶。关键字：模拟信号数字化 增量调制量化 量化信噪比 误码性 1.增量调制原理增量调制（Delta Modulation，M）是一种最简单的差分脉冲编码调制（Differential PCM，DPCM）。当DPCM系统中量化器的量化电平数取为2时，此DPCM系统就成为增量调制系统。原理方框图如下： （a）编码器 （b）译码器图1.1 增量调制原理方框图 图1.1示出增量调制原理方框图。图1.1中预测误差被量化成两个电平和。置称为量化台阶（quantization step）。这就是说，量化器输出信号只取两个值或。因此，可以用一个二进制符号表示。例如，用“1”表示“”，及用“0”表示“”。译码器由“延迟相加电路”组成，它和编码器中的相同。所以无传输误码时，=。在实际系统电路设计中，为了简单起见，通常用一个积分器（integrator）来代替上述“延迟相加电路”，并将抽样器放在相加器后面，与量化器合并为抽样判决器，如下图1.2所示。 编码器 （b）译码器图1.2 增量调制原理方框图图1.2中编码器输入模拟信号为,它与预测信号值相减，得到预测误差。预测误差被周期为的抽样冲击序列抽样。若抽样值为负值，则判决输出电压（用“1”表示）；若抽样值为正值，则判决输出电压（用“0”表示）。这样就得到二进制输出数字信号。图1.3中示出了这一过程。因积分器含抽样保持电路，故为阶梯波形。输出二进制波形Ts图1.3 增量调制波形图在解调器中，积分器只要每收到一个“1”码元就使其输出升高，每收到一个“0”码元就使其输出降低，如下图1.4所示。这样就可以恢复图1.3中的阶梯形电压。这个阶梯电压通过低通滤波器平滑后，就可以得到十分接近编码器的原来输入的模拟信号。图1.4 解调器中积分器译码原理图2.增量调制的过载特性与编码的动态范围2.1 增量调制系统的量化误差由上述增量调制原理可知，译码器恢复的信号是阶梯形电压经过低通滤波平滑后的解调电压。它与编码器输入模拟信号的波形相似，但存在误差，即量化噪声（quantization noise）。在分析系统量化噪声时，通常假设信道加性噪声很小，不造成误码。在这种情况下，系统中量化噪声有两种形式，一种是一般量化噪声，另一种则被称为过载量化噪声。 如图1.3所示的量化过程，本地译码器输出与输入的模拟信号作差，就可以得到量化误差，具体计算方法为：，的波形是一个随机过程。如果的绝对值小于量化阶，即，在到范围内随机变化，这种噪声被称为一般量化噪声。过载量化噪声(有时简称过载噪声)发生在模拟信号斜率陡变时，由于量化阶是固定的，而且每秒内台阶数也是确定的，因此，阶梯电压波形就有可能跟不上信号的变化，形成了包含很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称为过载现象，也称过载噪声，具体情况如图2.2(b)所示；如果无过载噪声发生，则模拟信号与阶梯波形之间的误差就是一般的量化噪声，如图2.1(a) 所示。图中的，可以统称其为量化噪声。图2.1 增量调制的量化噪声2.2 过载特性当出现过载时，量化噪声将急剧增加，因此，在实际应用中要尽量防止出现过载现象。为此，需要对系统中的量化过程和系统的有关参数进行分析。 设抽样时间间隔为，则上升或下降一个量化阶，可以达到的最大斜率K(这里仅考虑上升的情况)，可以表示为： （2.1） 这也就是译码器的最大跟踪斜率。显然，当译码器的最大跟踪斜率大于或等于模拟信号x(t)的最大变化斜率时，即 （2.2）译码器输出能够跟上输入信号的变化，不会发生过载现象，因而不会形成很大的失真。但是，当信号实际斜率超过这个最大跟踪斜率时，则将造成过载噪声。因此，为了不发生过载现象，则必须使和的乘积达到一定的数值，以使信号实际斜率不会超过这个数值。因此，可以适当地增大或来达到这个目的。 对于一般量化噪声，由图2.1(a)不难看出，如果增大则这个量化噪声就会变大，小则噪声小。采用大的虽然能减小过载噪声，但却增大了一般量化噪声。因此，值应适当选取，不能太大。 不过，对于系统而言，可以选择较高的抽样频率，因为这样，既能减小过载噪声，又能进一步降低一般量化噪声，从而使系统的量化噪声减小到给定的容许数值。通常，系统中的抽样频率要比PCM系统的抽样频率高得多(通常要高两倍以上)。2.3 动态范围当系统的有关参数确定以后，信号能够进行正常编码的幅度范围，就是系统编码的动态范围。为此，需要确定幅度上限和幅度下限。 实现系统正常编码条件之一，就是要确保在编码时不发生过载现象。现在以正弦型信号为例来确定幅度上限。设输入信号为，此时信号的斜率为： （2.3）分析式(2.2)和式(2.3)可知，不过载且信号幅度又是最大值的条件为 （2.4）式(2.4)中的就是正弦波信号允许出现的最大振幅。确定幅度下限。这里同样假设输入信号为，此时信号的幅度很小，以至于图1.2所示的框图中，输出码序列为一系列0、1交替码，可以证明当的幅度小于时，仍为正、负极性相同的周期性方波，只有当振幅超过时，才会受的影响，从而改变输出码序列。所以，开始编码正弦信号振幅=。这样，系统编码的动态范围可以定义为： （2.5）3.增量调制的抗噪性能对于简单增量调制系统的抗噪声性能，用系统的输出信号和噪声功率比来表征。系统的噪声成分有两种，即量化噪声与加性噪声。由于这两种噪声互不相关的，所以可以分别进行讨论和分析，由信号功率与这两种噪声功率的比值，分别被称为量化信噪比和误码信噪比。3.1 量化信噪比从前面的分析可知，量化误差有两种，即一般量化误差和过载量化误差，由于在实际应用中都是采用了防过载措施，因此，这里仅考虑一般量化噪声。在不过载情况下，一般量化噪声的幅度在到范围内随机变化。假设在此区域内量化噪声为均匀分布，于是的一维概率密度函数为： （3.1）因而的平均功率可表示成： （3.2）应当注意，上述的量化噪声功率并不是系统最终输出的量化噪声功率，从图1.2可以看到，译码输出端还有一个低通滤波器，因此，需要将低通滤波器对输出量化噪声功率的影响考虑在内。为了简化运算，可以近似的认为的平均功率均匀地分布在频率范围之内。这样，通过低通滤波器(截止频率为)之后的输出量化噪声功率为： （3.3）设信号工作于临界状态，则对于频率为的正弦信号来说，结合式（2.4）给出的信号幅值最大值，可以推导出信号最大输出功率： （3.4）利用式(3.3)和式(3.4)经化简和近似处理之后，可以得系统最大量化信噪比： （3.5）3.2 误码信噪比分析误码信噪比，首先求出积分器前面由误码引起的误码电压及由它产生的噪声功率和噪声功率谱密度，然后求出经过积分器以后的误码噪声功率谱密度，最后求出经过低通滤波器以后的误码噪声功率为： （3.6）式中为低通滤波器低端截止频率，为系统误码率, 结合式(3.4)可以求出误码信噪比为 （3.7）结合式(3.5)和式(3.7)可以得到总的信噪比为： （3.8）从上面分析可以看出，为提高系统抗噪声性能，采样频率越大越好；但从节省频带考虑，越小越好，这两者是矛盾的，要根据对通话质量和节省频带两方面的要求提出一个恰当的数值。4. 增量调制系统模块电路设计分析由图1.2得，增量调制通信系统由加法器、抽样脉冲判决器、积分器、低通滤波器几个模块组成。在设计电路系统时，需要设计的电路模块有：加法器电路、限幅放大电路、抽样脉冲发生器电路、定时判决器（D触发器）、极性变换电路射随器电路和低通滤波器电路。4.1 加法器电路与限幅放大电路加法器和限幅放大器共同构成比较器，其电路原理图如图4.1所示。相加器由Q1和Q2组成，音频信号和本地译码器送来的比较信号，各 通过一个1K电阻加到BG1共基放大器的射极进行电流相加。由于和反相，所以是两信号相减或者说是比较。用共基接法做成比较器是一个比较理想的电路，因为电流比较器的动态范围大，其基极放大输人阻抗低，可以减少与彼此之间的干扰，而且共基电路的频率特性好。BG2采用共集射随电路，起隔离作用。图4-1比较器电路原理图限幅放大器由Q3与Q4组成，当> 0时，Q4的输出为+3V，当< 0时，Q4的输出为+3V。整个比较器的放大量要根据本地译码器输出的量化台阶的大小决定，放大倍数K应满足： （4.1）4.2 极性变换电路、积分器和射随器电路极性变换电路、积分器和射随器共同构成本地译码器，其电路原理图如下图4.2所示。 图4.2 本地译码器电路图极性变换电路由Q6、Q7和Q8所组成，功能是将抽样判决电路输出的单极性枚序列变换成双极性码。当由低电平0.3V（0码）跳变为高电平3.6V(1码)时，通过电容的耦合作用，使得Q7截止，Q8饱和导通，A点的电位近似为-12V。当由高电平跳变为低电平时，Q8截止，Q7饱和导通，A点的电位近似为+12V。因此，A点的输出电压幅度近似为±12V的双极性码。经Q6射随隔离后输出。积分电路由R（2.2K）和C（0.022uf）组成，电容C上的电压，就是本地译码器输出的比较信号，输出的信号经Q5射随后送到比较器。4.3 抽样脉冲发生器电路与定时判决器抽样脉冲信号发生器的输入端输入信号为256kHz的方波信号，由D触发器、非门电路和与门电路三部分组成。输出为128KHZ的窄脉冲，作为抽样脉冲。在M编码系统中，如果抽样脉冲的频率在100KHZ左右，就可以得到比较满意的话音质量。图4.3 抽样脉冲信号发生器抽样判决电路由D触发器构成，在CP的前沿到来时刻，若0，则为“1”码，若< 0，则为“0”码。4.4 低通滤波器低通滤波器和译码器构成译码系统，其中，译码器由码型变换和反相放大、积分器和射极跟随器等3部分组成，它与编码系统中的电路相同。低通滤波器电路如图4.4所示。 图4.4低通滤波器电路图由于是单极性的，因此加到积分器前一定要变为双极性信号，这就是需要码型变换的原因。反向放大一方面把双极性信号放大，另一方面使它反相，这样经积分就得到。积分器一般用时间常数较大的RC充放电电路，这样可以得到近似锯齿波的斜变电压。积分器后面的射极器是把积分器和放大器分开，保证积分器输出端有较高的阻抗。积分器的时间常数RC选得越大，充电放电的直线线性越好，但RC太大时，在Ts时间内上升(或下降)的量价越小，一般选择在(15-30)Ts比较合适。低通滤波器电路如图4.4所示。其功用是滤去量化误差的高频成份，恢复。 4.5 总体电路设计总体的电路设计如图4.5所示：图4.5增量调制系统总电路电路总设计图详见附录1.5.电路仿真及信号波形测量1. 主时钟信号和抽样脉冲信号测量用双踪示波器同时观测并记录输出主时钟信号和抽样脉冲信号的波形，观测时以主时钟信号作示波器的同步。可以得到如图5.1所示波形。可以看到抽样脉冲和主时钟为同步的，抽样脉冲为尖脉冲并且频率为256KHZ的一半，即128KHZ。图5.1 主时钟和抽样脉冲信号2. 输入模拟信号和预测信号测量同上用双踪示波器根据图4.5，测量输入模拟信号和预测信号，测量波形如下图5.2所示。图5.2 输入模拟信号和预测信号波形3. 误差信号的测量根据总电路图4.5，用示波器测量误差信号波形如下图5.3所示。图5.3 误差信号波形4. 编码信号输出波形测量根据总电路图4.5，用示波器测量编码信号输出波形如下图5.4所示。图5.4 编码信号输出波形5. 本地译码器中双极性脉冲信号和积分后的信号测量根据总电路图4.5，用双踪示波器测量双极脉冲点和积分后信号波形，波形如下图5.5所示。图5.5 双极脉冲和积分信号6. 编码信号输出和译码系统中积分信号的测量，波形如下图5.6所示 图5.6 编码信号译码系统中积分信号7. 解码输出信号测量并与输入模拟信号比较，波形如下图5.7所示。图5.7 解码输出信号与输入模拟信号对比由图5.7可以看到译码器的解码输出信号波形和输入模拟信号波形非常相似，故通过低通滤波器后，译码输出信号能够很好地反映原输入的模拟信号。6. 实物制作实物制作产品如下图所6.1所示。图6.1 实物产品图元件清单见附录2.7. 课程设计实践心得体会经过两周的通信原理课程设计的学习让我受益菲浅。在通信原理实验课即将结束之时，我对在这两周来的学习进行了总结，总结这一周来的收获与不足。取之长、补之短，在今后的学习和工作中有所受用。 在这近一周通信原理课程设计的学习中，让我受益颇多。一、让我养成了课前预习的好习惯。一直以来就没能养成课前预习的好习惯（虽然一直认为课前预习是很重要的），但经过这一周，让我深深的懂得课前预习的重要。只有在课前进行了认真的预习，才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。二、培养了我的动手能力。“实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理解的东西。”每个步骤我都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。经过这两周，让我的动手能力有了明显的提高。三、让我在探索中求得真知。那些伟大的科学家之所以伟大就是他们利用实验证明了他们的伟大。实验是检验理论正确与否的试金石。为了要使你的理论被人接受，你必须用事实（实验）来证明，让那些怀疑的人哑口无言。虽说我们的通信原理实验只是对前人的经典实验的重复，但是对于一个知识尚浅、探索能力还不够的人来说，这些探索也非一件易事。通信原理实验都是一些经典的给人类带来了难以想象的便利与财富。对于这些实验，我在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。通信原理实验让我慢慢开始“摸着石头过河”。学习就是为了能自我学习，这正是实验课的核心，它让我在探索、自我学习中获得知识。四、教会了我处理数据的能力。实验就有数据，有数据就得处理，这些数据处理的是否得当将直接影响你的实验成功与否。经过这一周，我学会了图像法等处理数据的方法，让我对其它课程的学习也是得心应手。 经过这一周的通信原理实验课的学习，让我收获多多。但在这中间，我也发现了我存在的很多不足。我的动手能力还不够强，我一定会在以后的学习中在熟知理论的同时，加强自己的动手能力。附录1.附录2. 元件清单第一模块 第二模块第三模块第四模块电阻1K*410K3K8.2K3006.2K2.2K8.2K电容1U*2100U(+)0.022U三极管NPN*3电阻24K*42K33K三极管NPN,NPN非门SN74AHC1G04与门74LS00D触发器74hc74 *2电阻(2)560*2150*210K,100,8.2k1 0 2.2K,电容(2)0.022U1U1U(+) 三极管pnp 2npn 4电阻4.7k*4100k*2电容100u(+) 33u(+) *20.01u*4 放大器Lm358 *2参考文献1 樊昌信.通信原理.北京:国防工业出版社,20072 曹志刚.现代通信原理.北京：清华大学出版社，19923 乐光新.数据通信原理.北京：人民邮电出版社，19984 冯丙昌.脉码调制通信.北京：人民邮电出版社，19825 王新梅.纠错码的原理与方法.西安：西安电子科技大学出版社，1991本科生课程设计成绩评定表姓 名吕义斌性 别男专业、班级电信1102班课程设计题目： M通信系统设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日