PCM+2PSK系統(tǒng)systemview仿真.docx

PCM和2PSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 利用PCM、2PSK技術(shù)構(gòu)建一個(gè)通信系統(tǒng)，深入理解系統(tǒng)的工作原理、電路組成和信息傳輸特點(diǎn)；（2） 熟悉上述通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與參數(shù)選擇原則；（3） 掌握在SYSTEMVIEW環(huán)境中使用參數(shù)化圖符模塊構(gòu)建通信系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)仿真方法；（4） 熟悉系統(tǒng)中各信號(hào)時(shí)域波形特點(diǎn)； （5） 熟悉系統(tǒng)中各信號(hào)頻域的功率譜特點(diǎn)。2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 通過(guò)不少于三個(gè)頻率正弦信號(hào)疊加而成的模擬信號(hào)作為系統(tǒng)真實(shí)輸入信號(hào)；（2） 采用PCM 編碼方法實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信號(hào)；（3） 通過(guò)2PSK調(diào)制；（4） 疊加上高斯白噪聲，通過(guò)信道實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻帶傳輸；（5）通過(guò)相干解調(diào)完成2PSK解調(diào)；（6）通過(guò)PCM解碼恢復(fù)初始模擬信號(hào)； 從時(shí)域觀測(cè)各信號(hào)點(diǎn)波形； 獲得接收端信號(hào)眼圖；從頻域觀察各信號(hào)功率譜；繪制誤碼率曲線。3、 實(shí)驗(yàn)原理（一）PCM調(diào)制解調(diào)原理PCM(脈沖編碼調(diào)制)：在發(fā)送端將低頻模擬信號(hào)根據(jù)ITU-T提出G.711建議中的規(guī)則變換為數(shù)字脈沖碼；在接收端從收到的數(shù)字脈沖碼中恢復(fù)出低頻模擬信號(hào)。圖1 PCM系統(tǒng)原理圖1、 PCM編碼實(shí)際上是一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程。包括如下三個(gè)過(guò)程：（1）抽樣：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的樣本脈沖序列。需要滿足低通采樣定理，采樣頻率8kHz。（2）量化：將離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散時(shí)間離散幅度的數(shù)字信號(hào)。均勻量化時(shí)小信號(hào)量化誤差大，因此采用不均勻選取量化間隔的非線性量化方法，即量化特性在小信號(hào)時(shí)分層密、量化間隔小，而在大信號(hào)時(shí)分層疏、量化間隔大。效果：改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比 。實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一是把輸入量化器的信號(hào) x先進(jìn)行壓擴(kuò)處理，再把壓擴(kuò)得到的信號(hào)y進(jìn)行均勻量化。壓擴(kuò)器就是一個(gè)非線性變換電路，弱信號(hào)被擴(kuò)大，強(qiáng)信號(hào)被壓縮。壓縮器的入出關(guān)系表示為y=f(x) 。常用壓擴(kuò)器大多采用對(duì)數(shù)式壓縮，廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性是律壓擴(kuò)和A律壓擴(kuò)。A律壓擴(kuò)特性：x壓縮器歸一化輸入電壓 ；y壓縮器歸一化輸出電壓 ；A壓縮器參數(shù) （A=87.6）；A律壓擴(kuò)特性的13段折線逼近方法：對(duì)x軸不均勻分成8段，分段的方法是每次以二分之一對(duì)分； 對(duì)y軸在01范圍內(nèi)均勻分成8段，每段間隔均為1/8。然后把x，y各對(duì)應(yīng)段的交點(diǎn)連接起來(lái)構(gòu)成8段直線。其中第1、 2段斜率相同(均為16)，因此可視為一條直線段，故實(shí)際上只有7根斜率不同的折線。以上分析的是第一象限，對(duì)于雙極性語(yǔ)音信號(hào)，在第三象限也有對(duì)稱的一組折線，也是7根，但其中靠近零點(diǎn)的1、2段斜率與正方向的第1、2段斜率相同，又可以合并為一根，因此，正、負(fù)雙向共有13段折線。（3）編碼：用一定位數(shù)的脈沖碼表示量化采樣值。采用8位折疊二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)有M=28=256個(gè)量化級(jí)。這需要將13折線中的每個(gè)折線段再均勻劃分16個(gè)量化級(jí)。2、 PCM譯碼（1）譯碼：將數(shù)字PCM碼變換成模擬信號(hào)，并去除編碼過(guò)程中的變換，恢復(fù)采樣后信號(hào)。包括以下兩個(gè)動(dòng)作，解壓擴(kuò)：采用一個(gè)與13段折線壓擴(kuò)特性相反的解壓擴(kuò)器來(lái)恢復(fù)x ，即 x=f -1(y)。D/A變換：PCM碼變換成模擬信號(hào)，即恢復(fù)到發(fā)送端模擬信號(hào)剛完成采樣時(shí)的信號(hào)。（2）低通：從采樣后信號(hào)恢復(fù)采樣前信號(hào)形態(tài)。通帶要滿足低通采樣定理的要求。（3）放大：恢復(fù)原模擬信號(hào)電平。（二）2PSK調(diào)制解調(diào)原理2PSK即二進(jìn)制相移鍵控，用輸入信號(hào)控制載波的相位隨之變化，一般情況下，用載波的”0”表示二進(jìn)制基帶信號(hào)的“0”， ”180”表示二進(jìn)制基帶信號(hào)的“1”，也可反過(guò)來(lái)。輸入信號(hào)的形式一般為s (t ) =an g (t - nTs ) ，an以概率P取“1”,以1-P取“0”， g （t）一般是脈寬為T(mén)S，高為1的方波（也可取三角波等）。 1、2PSK調(diào)制2PSK調(diào)制可采用模擬調(diào)制和數(shù)字鍵控兩種方式，調(diào)制原理如下：e2 PSK (t ) = s (t ) cos wct若輸入不是雙極性不歸零波形，可以通過(guò)碼型變化將其轉(zhuǎn)換為雙極性不歸零波形。當(dāng)輸入為“1”時(shí)，已調(diào)載波相位為0；當(dāng)輸入為“0”時(shí)，已調(diào)載波相位為180。 2、2PSK解調(diào)2PSK解調(diào)一般采用相干解調(diào)法。當(dāng)恢復(fù)載波相位差180時(shí)，輸出波形剛好與輸入的波形相反，稱之為180相位模糊，可以通過(guò)采用2DPSK來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。4、 系統(tǒng)模塊及圖符模塊參數(shù)設(shè)置（一）PCM：信源（子系統(tǒng)12）三個(gè)正弦波發(fā)生器，疊加后作為模擬信號(hào)的輸入；7、8、9：sin，幅度為1，頻率分別為50、100、150Hz，相位為0；11：Meta Out，從10輸入，從3和20輸出；圖2 信源模塊編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器（圖符20）完成信號(hào)頻帶過(guò)濾，由于PCM量化采用非均勻量化，還要使用瞬時(shí)壓縮器實(shí)現(xiàn)A律壓縮后再進(jìn)行均勻量化，A/D轉(zhuǎn)換器（圖符13）完成采樣及量化，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是并行數(shù)據(jù)，必須通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器（圖符15）完成并/串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，輸出PCM編碼信號(hào)。（1）低通濾波器20：為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的語(yǔ)音頻率特性，考慮到濾波器在通帶和阻帶之間的過(guò)渡，采用了低通濾波器，而沒(méi)有設(shè)計(jì)帶通濾波器。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)在 300Hz3400Hz的語(yǔ)音頻帶內(nèi)，在這里采用了一個(gè)階數(shù)為3階的切比雪夫?yàn)V波器，其具有在通帶內(nèi)等波紋、阻帶內(nèi)單調(diào)的特性。 （2）瞬時(shí)壓縮器21：使用了我國(guó)現(xiàn)采用A律壓縮，注意在譯碼時(shí)擴(kuò)張器也應(yīng)采用A律解壓。對(duì)比壓縮前后時(shí)域信號(hào)，明顯看到對(duì)數(shù)壓縮時(shí)小信號(hào)明顯放大，而大信號(hào)被壓縮，從而提高了小信號(hào)的信噪比，這樣可以使用較少位數(shù)的量化滿足語(yǔ)音傳輸?shù)男枰?。?）A/D 轉(zhuǎn)換器13：完成經(jīng)過(guò)瞬時(shí)壓縮后信號(hào)時(shí)間及幅度的離散，通常認(rèn)為語(yǔ)音的頻帶在300Hz3400Hz，根據(jù)低通采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率兩倍以上，在這里A/D的采樣頻率為8Hz即可滿足，均勻量化電平數(shù)為256級(jí)量化，編碼用8bit表示，其中第一位為極性表示，這樣產(chǎn)生了64kbit/s的語(yǔ)音壓縮編碼。 （4）數(shù)據(jù)選擇器：圖符15為帶使能端的8路數(shù)據(jù)選擇器，與74151功能相同，在這里完成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的并/串轉(zhuǎn)換，圖符16、17、18為選擇控制端，在這里控制輪流輸出并行數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器還可以實(shí)現(xiàn)碼速轉(zhuǎn)換功能。 圖3 編碼模塊 圖4 譯碼模塊譯碼（1）D/A轉(zhuǎn)換器(圖符0)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)與A/D轉(zhuǎn)換相反的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而達(dá)到譯碼最基本的要求，也就是最起碼要有步驟。 （2）瞬時(shí)擴(kuò)張器（圖符6）：實(shí)現(xiàn)與瞬時(shí)壓縮器相反的功能，由于采用 A 律壓縮，擴(kuò)張也必須采用A律瞬時(shí)擴(kuò)張器。 （3）低通濾波器（圖符2）：由于采樣脈沖不可能是理想沖激函數(shù)會(huì)引入孔徑失真，量化時(shí)也會(huì)帶來(lái)量化噪聲，及信號(hào)再生時(shí)引入的定時(shí)抖動(dòng)失真，需要對(duì)再生信號(hào)進(jìn)行幅度及相位的補(bǔ)償，同時(shí)濾除高頻分量，在這里使用與編碼模塊中相同的低通濾波器。圖5 PCM編碼與譯碼仿真框圖符號(hào)名稱參數(shù)設(shè)置12子系統(tǒng)7SinusoidAmp = 1 v ， Freq = 1e+3 Hz ， Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine8SinusoidAmp = 1 v，F(xiàn)req = 1.5e+3 Hz， Phase = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine9SinusoidAmp = 1 v，F(xiàn)req = 500 Hz， Phase = 0 deg， Output 0 = Sine t4 ，Output 1 = Cosine10AdderInputs from 7 8 9，Outputs to 1111Meta OutInput from10 Output to 3 203 4 5 14 19Analysis13Logic: ADCTwos Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v， True Output = 1 v，F(xiàn)alse Output = 0 v，No. Bits = 8 ，Min Input = -2.5 v，Max Input = 2.5 v，Rise Time = 0 sec，Analog = t21 Output 0， Clock = t1 Output 00Logic: DACTwos Complement，Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 No. Bits = 8 ，Min Output = -2.5 v，Max Output = 2.5 v，D-0 = t13 Output 0，D-1 = t13 Output 1，D-2 = t13 Output 2， D-3 = t13 Output 3，D-4 = t13 Output 42 20Operator:Linear Sys Butterworth Lowpass IIR3 Poles， Fc = 1.8e+3 Hz，Quant Bits = NoneInit Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled1 18Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 10e+3 HzPulseW = 20.e-6 sec，Offset = 0 v，Phase = 0 deg21Comm: DeCompandA-Law，Max Input = 2.56Comm: CompanderA-Law，Max Input = 2.516Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 30e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg17Source: Pulse TrainAmp = 1 v，F(xiàn)req = 20e+3 Hz，PulseW = 20.e-6 secOffset = 0 v，Phase = 0 deg15Logic: Mux-D-8Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500.e-3 vTrue Output = 1 v，F(xiàn)alse Output = 0（二）2PSK調(diào)制解調(diào)：圖6 2psk仿真框圖設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間：2秒；采樣頻率20000Hz。循環(huán)運(yùn)算次數(shù)：No of Loops=5。Token87：信號(hào)源發(fā)生器PN碼序列Token 101、102：采樣器（頻率=50赫茲）Token104：數(shù)字延遲器（延遲=1Sample）Token18，23：信號(hào)源發(fā)生器載波，正弦信號(hào)（頻率=1000赫茲，幅度=1V，相位=0）Token24：高斯白噪聲（功率密度）Token103：放大器Token22：模擬低通濾波器截止頻率：225Hz，3階IIR；Token38：誤碼率圖標(biāo)（Trails=1）Token43：終值顯示符一些特殊元件的選取方法：a 誤碼率圖標(biāo)38在SystemView軟件中，使用“通信庫(kù)”中的BER元件來(lái)求誤碼率。BER元件的選取步驟為：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗中拖出通信庫(kù)圖標(biāo)后雙擊該圖標(biāo)，彈出如圖所示對(duì)話框進(jìn)行選擇。參數(shù)設(shè)置，No.Trails=1bit。圖7 BER圖標(biāo)對(duì)話框b 終值顯示符43在設(shè)計(jì)窗中拖出信號(hào)接收器圖標(biāo)（Sink），雙擊，彈出對(duì)話框：選擇Numeric 項(xiàng)，再選其中的Final Value按鈕，單擊OK確認(rèn)。圖8 觀察窗庫(kù)c 放大器103在創(chuàng)建的系統(tǒng)中，必須使與2PSK信號(hào)疊加的高斯噪聲強(qiáng)度自動(dòng)可變，才能得到隨SNR改變的BER分析曲線，可在高斯噪聲源與加法器之間插入一個(gè)增益隨每次循環(huán)改變的“Gain”圖標(biāo)，首先將其增益參數(shù)設(shè)置為Gain=-30dB。圖9 放大器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框執(zhí)行“TokensGlobal parameter Links”命令，出現(xiàn)“Global Token parameter Links”對(duì)話框，在“Select System Token”欄內(nèi)選“Operator(Gain)”項(xiàng)，在“Define Algebraic Relationship F(Gi,Vi)”欄內(nèi)輸入“Gain”圖標(biāo)的循環(huán)增益變化式： -3*cl-15，其中cl是系統(tǒng)當(dāng)前的循環(huán)次數(shù)，該參數(shù)可通過(guò)“Vi: System Variables Reference List”選項(xiàng)框選擇，表示每次循環(huán)高斯噪聲功率減小3dB，5次循環(huán)后“Gain”圖標(biāo)的增益變成-30dB，最后，單擊OK按鈕關(guān)閉此對(duì)話框，返回系統(tǒng)窗。注意：為了使系統(tǒng)的終值顯示器顯示的是誤碼率的統(tǒng)計(jì)平均值，在把BER圖標(biāo)同終值顯示器連接起來(lái)時(shí)應(yīng)選擇BER圖符的輸出為“Cumulative Average（統(tǒng)計(jì)平均值）”。圖10 全局參數(shù)設(shè)置對(duì)話框運(yùn)行系統(tǒng)圖11 接收計(jì)算器窗口隨著每次循環(huán)