模拟信号数字传输的研究报告.

模拟信号数字传输的研究报告

摘要

数字信号处理相对模拟信号处理有许多优点，且有些处理功能是模拟信号所不能完成的。但实际中很多信号都是时间连续信号，希望将模拟信号转换到数字域，从而完成一些更高质量或者模拟信号处理所不能完成的功能。因此，我们研究采用PCM编码译码将模拟信号转换成数字信号进行2PSK调制与解调。该传输系统主要由三个模块构成，分别是：模拟信号的数字化、2PSK调制与解调、数字信号还原为模拟信号。

关键字：PCM；2PSK；SYSTEMVIEW

一、设计任务及要求

本设计的研究是基于SYSTEMVIEW仿真平台，设计一个PCM传输系统。该传输系统主要包括模拟信号的数字化、2PSK调制与解调、数字信号还原为模拟信号三个部分，最后通过观察比较输入信号和输出信号的波形，以及在无噪情况、低噪情况、高噪情况分别来分析该系统的性能。

二、电路设计原理

脉冲编码调制（PCM）简称脉码调制，PCM，即脉冲编码调制，用一组二进制代码代替连续信号的抽样值。首先，对输入的模拟信号进行抽样，使其成为时域离散信号，此处必须满足采样定理，然后通过模数转换将时域离散信号用一组二进制代码来表示，具体有两步：量化、编码。然后对数字信号进行2PSK调制与解调，最后通过译码、低通滤波将其转换为模拟信号输出。为改善小信号量化性能，采用A律压缩，一般使用13折线法编码。

电路设计分为两部分，首先是2PSK调制与解调的设计，在确保调制与解调无误后，设计PCM编码与译码电路，然后将二者联合起来，实现模拟信号的数字传输。

1、2PSK调制与解调的原理

2PSK,即二进制相移键控，用输入信号控制载波的相位随之变化，一般情况下，用载波的”0○”表示二进制基带信号的“0”， ”180○”表示二进制基带信号的“1”，也可反过来。

输入信号的形式一般为s (t ) =∑an g (t - nTs ) ,an以概率P取“1”,以1-P取“0”， g （t）一般是脉宽为TS，高为1的方波（也可取三角波等）。 （1）2PSK调制

2PSK调制可采用模拟调制和数字键控两种方式，本实验以模拟调制为主，调制原理如下：

e2 PSK (t ) = s (t ) cos wct

若输入不是双极性不归零波形，我们可以通过码型变化将其转换为双极性不归零波形。 调制波形如下所示：

通过观察波形，我们可以得到，当输入为“1”时，已调载波相位为0；当输入为“0”时，已调载波相位为180。 （2）2PSK解调

2PSK解调一般采用相干解调法，原理如下：

解调时各点波形如下所示：

通过对以上波形的分析，我们可以看出，当 恢复载波相位差180○时，输出

波形刚好与输入的波形相反。通过对理论的学习，我们称之为180○相位模糊，可以通过采用2DPSK来解决这个问题。 2、PCM编码与译码实验原理

PCM，即脉冲编码调制，用一组二进制代码代替连续信号的抽样值，原理框图如下：

（1）PCM编码

首先，对输入的模拟信号进行抽样，使其成为时域离散信号，此处必须满足采样定理，然后通过模数转换将时域离散信号用一组二进制代码来表示，具体有两步：量化、编码。 1）量化

量化即用有限电平来表示抽样得到的离散值。具体的量化方法有均匀量化和非均匀量化。均匀量化相对比较简单，但是它的量化信噪比随信号电平的减小而下降，因此当输入信号较小时，会产生较大的量化误差。因此，我们引入非均匀量化，使得量化电平集中在幅度密度高的区域。常用的方法为A律压扩和μ律压扩。本实验中采用的为A律压扩，但由于A律压缩较为复杂，一般常用A律13折线，其压缩特性如下：

由此可见，虽然纵坐标是均匀分级，但是反映到横坐标，则小信号时，量化间隔较小，大信噪比时，量化间隔较大，改善了量化信噪比。 2）编码

编码即把量化后的电平用二进制来表示，本实验中采用8位二进制码，从高到低分别为极性码、段落码、段内码，采用的是逐次比较性编码，具体方法可查阅相关资料。 （2）PCM译码

译码即把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号，此处需要用解压扩器对其进行解压扩，然后通过低通滤波器即可得到输入的模拟信号。译码可以看作是编码的逆过程。

三、仿真电路设计

1、2PSK模拟调制和相干解调系统仿真

各图符参数设置如下表所示：

编号 库/名称 21 Comm: PN Gen 参数 Reg Len = 5，Taps = [2- 5]，Seed = -1， Threshold = 0，True = 1，False = -1， Max Rate = 560e+3 Hz 22 Source: Pulse Train 23 Logic: Buffer Amp = 1 v，Freq = 14e+3 Hz， PulseW=35.7143e-6 sec，Offset = -500e-3 v Phase = 0 deg，Max Rate = 560e+3 Hz Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v True Output = 1 v，False Output = -1 v， Rise Time = 0 sec，Fall Time = 0 sec， Max Rate = 560e+3 Hz 2 15 Multiplier: Non Parametric Source: Sinusoid Inputs from t23p0 t15p0，Outputs to 4 17 Max Rate = 560e+3 Hz Amp = 1 v，Freq = 56e+3 Hz，Phase = 0 deg Output 0 = Sine t2 ，Output 1 = Cosine Max Rate (Port 0) = 560e+3 Hz 3 Operator: Linear Sys Butterworth Bandpass IIR 6 18 Multiplier: Non Parametric Source: Sinusoid 3 Poles，Low Fc = 42e+3 Hz， Hi Fc =70e+3 Hz，Quant Bits = None ， Init Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled， Max Rate = 560e+3 Hz Inputs from t18p0 t3p0 ，Outputs to 8， Max Rate = 560e+3 Hz Amp = 1 v，Freq = 56e+3 Hz，Phase = 0 deg Output 0 = Sine t6 ，Output 1 = Cosine ， Max Rate (Port 0) = 560e+3 Hz 8 Operator: Linear Sys IIR 10

3 Poles，Fc = 14e+3 Hz，Quant Bits = None， Disabled， Max Rate = 560e+3 Hz， Non-Interpolating，Delay = 0 sec= 0.0 Butterworth Lowpass Init Cndtn = Transient， DSP Mode Operator: Delay

smp， Output 0 = Delay t9 ，Output 1 = Delay - dT Max Rate (Port 0) = 560e+3 Hz 9 Operator: Sampler Interpolating，Rate = 560e+3 Hz， Aperture = 0 sec，Aperture Jitter = 0 sec， Max Rate = 560e+3 Hz 11 Operator: Hold Last Value, Gain = 1, Out Rate = 560e+3 Hz, Max Rate = 560e+3 Hz 12 Logic: Buffer Gate Delay = 0 sec,Threshold = 0 v, True Output = 1 v,False Output = 0 v, Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec, Max Rate = 560e+3 Hz 2、PCM编码和解码系统仿真

各图符参数设置如下表所示： 编号 73 库/名称 参数 Output 0 = Sine t3，Output 1 = Cosine ， Max Rate(Port 0) = 560e+3 Hz 72

Source: Sinusoid Amp = 2 v，Freq = 600 Hz， Phase = 0 deg，Source: Sinusoid Amp = 2 v，Freq = 400 Hz，Phase = 0 deg，

Output 0 = Sine t3， Output 1 = Cosine， Max Rate (Port 0) = 560e+3 Hz 71 Source: Sinusoid Amp = 2 v，Freq = 200 Hz，Phase = 0 deg，Output 0 = Sine t3 ，Output 1 = Cosine ，Max Rate (Port 0) = 560e+3 Hz 3 6 8 Adder:NonParametric Logic: ADC Inputs from t71p0 t72p0 t73p0， Outputs to 4 6，Max Rate = 560e+3 Hz Two's Complement Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v，True Output = 1 v，False Output = 0 v，No. Bits = 8，Min Input = -5 v，Max Input = 5 v，Rise Time = 0 sec，Analog = t6 Output 0，Clock = t14 ，Output 0 14 Source:PulseTrain 40 41 MetaSystem:Untitled1 Comm: TD Mux No. Inputs = 8，Time per Input = 571.429e-6 sec，Time Slot 0 = t32 Output 0，Time Slot 1 = t33 Output 0，Time Slot 2 = t34 Output 0，Time Slot 3 = t35 Output 0，Time Slot 4 = t36 Output 0，Time Slot 5 = t37 Output 0，Time Slot 6 = t38 Output 0，Time Slot 7 = t39 Output 0，Max Rate = 560e+3 Hz 43 46 74 Operator: Hold MetaSystem:Untitled2 Operator: Delay Last Value Gain = 1，Out Rate = 560e+3 Hz，Max Rate = 560e+3 Hz C:\\Users\\Administrator\\Desktop ...\\Untitled1.mta Auto-Linked Non-Interpolating Delay = 521.429e-6 sec= 292.0 smp，Output 0 = Delay t45，Output 1 = Delay - dT，Max Rate (Port 0) = 560e+3 Hz 45 Comm: TD DeMux No. Outputs = 8，Time per Output = 571.429e-6 sec，Output 0 = Time Slot 0 t9，Output 1 = Time Slot 1 t9，Output 2 = Time Slot 2 Amp = 2 v，Freq = 1.75e+3 Hz，PulseW = 285.714e-6 sec，Offset = -1 v，Phase = 0 deg，Max Rate = 560e+3 Hz Not Auto-Linked Comm: Compander A-Law Max Input = ±5，Max Rate = 560e+3 Hz

t9，Output 3 = Time Slot 3 t9，Output 4 = Time Slot 4 t9，Output 5 = Time Slot 5 t9，Output 6 = Time Slot 6 t9，Output 7 = Time Slot 7 t9 ，Max Rate (Port 0) = 70e+3 Hz 9 Logic: DAC Two's Complement Gate Delay = 0 sec，Threshold = 500e-3 v，No. Bits = 8，Min Output = -5 v，Max Output = 5 v，D-0 = t45 Output 0，D-1 = t45 Output 1，D-2 = t45 Output 2，D-3 = t45 Output 3，D-4 = t45 Output 4 7 12 Comm: DeCompand A-Law Max Input = ±5，Max Rate = 70e+3 Hz Operator:Linear Sys Butterworth Lowpass IIR 3 Poles，Fc = 600 Hz，Quant Bits = None，Init Cndtn = Transient，DSP Mode Disabled，Max Rate = 70e+3 Hz 四、仿真结果及对应的结果数据分析 1、各点时域波形

（1）输入m序列波形

系统产生一串伪随机序列，并将其设置为双极性不归零波形，如上图所示。

（2）未调载波波形

未调载波为高频正弦信号，其频率远远高于调制信号，便于传输。 3）模拟调制波形

由调制信号可以看出，当输入为“1”时，已调载波相位为0；当输入为“0”时，已调载波相位为180○，即用载波的”0○”表示二进制基带信号的“1”， ”180○”表示二进制基带信号的“0”。

（4）带通滤波输出波形

通过带通滤波器可以滤除带外噪声，减小噪声对信号传输的影响。 （5）恢复载波波形

2PSK信号的解调只能用相干解调这种方式。从上图以及未调载波图可看出，解调器中本地参考波的相位必须和发送端解调器的载波同频同相。

（6）解调端乘法器输出波形

从上图可以看出，2PSK相干解调中已调信号与载波相乘输出的波形里包含有频率不低的部分，即高频载波分量。 （7）低通滤波输出波形

由上图得出经过低通滤波器处理后，只剩下低频波形，然后对该低频分量进行采样，就能够得到基带信号了，要注意采样时必须符合采样定理，这样才能确保信号不会失真。

（8）解调输出波形

在仿真过程中，判决电压即为峰值的一半。从上图可以清楚的看出，2PSK相干解调得到的波形基本上与原基带信号保持一致，延迟较小，并且在误差允许的范围内，因此仿真结果是正确的，同时也有双极性转换为单极性波形，但所包含的信息不同。

2、加入不同噪声的接收端眼图

（1）无噪时的眼图

由上图可以看出，在不加入噪声时，眼图呈现“单眼皮大眼睛”，噪声容限也较大，说明信号传输过程中干扰较小。 （2）低噪（0.5v）时的眼图

当加入低噪声（0.5v）时，我们可以很清楚的看到眼图相比无噪时变模糊了，说明噪声对信号传输产生了一定的干扰。

（3）高噪声（1v）时的眼图

当加入1v的高噪声时，眼图已经变得十分混乱模糊，说明噪声对信号传输的影响非常大。

3、输入m序列和解调输出的瀑布图

通过对系统输入和输出瀑布图的比较，我们可以看到输出相对于输入大约有50e-6的一个延时，但是这个是正常的，因为我们输入的信号频率为14kHZ,50e-6<1/14000,所以出现延时是意料之中的。

4、各信号的功率谱图

（1）输入m序列的功率谱

（2）未调载波的功率谱

（3）2PSK信号的功率谱

通过调制信号、高频载波以及2PSK信号，我们可以看出2PSK信号在载波频率附近的功率谱有明显的变化。

（4）带通滤波器输出功率谱

因为2PSK信号的频率为56kHZ,所以我们采用中心频率为56KHZ，通带为28KHZ的带通滤波器使调制信号可以完全通过，同时又可以有效的滤除带外噪声。

（5）乘法器输出功率谱

已调信号与恢复载波相乘后，既有高频分量又有低频分量，分别为差频和和频。

(6)低通滤波后波形的功率谱

经过低通滤波器后，我们只保留了我们需要的低频分量，去除了高频分量。 （6）解调输出信号的功率谱

输出信号频谱与输入信号频谱基本一样，说明我们成功的实现了2PSK的调制与解调。

5、滤波器的幅频特性曲线

（1）带通滤波器的幅频特性曲线

（2）低通滤波器的幅频特性曲线

（二）PCM编码与译码仿真结果

1、各点时域波形：

（1）输入模拟信号波形

输入的三个不同频率正弦信号叠加的时域波形 （2）A律压扩后波形

经过A率压缩，对于小信号量化间隔较小，大信号量化间隔较大，使量化性能更好。

（3）采样时钟波形

采样频率满足采样定理，使得信号不会失真，可以完整的恢复信号。 （4）模数转换后波形

通过PCM编码，将输入的模拟信号转换为数字信号，实现数字传输。

（5）2PSK调制解调后波形

成功实现了2PSK调制与解调。 （6）D/A转换后波形

将数字信号经PCM译码转换为模拟信号 （7）A律解压扩后波形

对应于编码过程的A律压缩 （8）低通滤波输出波形

输出有一些失真，但与输入差别不大。

2、各信号的功率谱图

（1）输入模拟信号功率谱图

输入的三个正弦信号分别为200/400/600KHZ

（2）低通滤波输出信号功率谱

由于低通滤波器不是理想的低通滤波器，导致有频谱的泄漏，使得频谱模糊，谱的分辨率降低，同时也有谱间干扰。该设计中，我们选择的是巴特沃斯

低通滤波器，我们可以通过改变窗函数的形状，提高主板能量，压低旁瓣幅度，减小谱间干扰。但总的来说，泄漏部分的频率与600KHZ的信号幅度相差17dB，超过13dB，因此符合实验要求。

3、低通滤波器的幅频特性

结果数据分析：通过对以上输入信号与输出信号时域波形以及功率谱图的分析比较，我们可以看出该模拟信号数字传输系统较好地实现了2PSK调制与解调。其中，由于低通滤波器不是理想的低通滤波器，导致有频谱的泄漏，使得频谱模糊，谱的分辨率降低，同时也有谱间干扰。该设计中，我们选择的是巴特沃斯低通滤波器，我们可以通过改变窗函数的形状，提高主板能量，压低旁瓣幅度，减小谱间干扰。

五、本系统存在的问题及改进措施

本系统的设计思想，原理及软件设计较简单。实践中遇到的问题：（1）对于软件SYSTEMVIEW使用不是特别熟练，后经查阅资料了解其中各个图符的功能及使用方法，基本掌握了软件的使用；（2）刚开始没有将理论与实践联系起来，觉得寸步难行，后来通过理论与实践的结合，在理论的参考下，对于各图符的参数的设置有了很大的帮助。

六、心得体会

本论文运用SYSTEMVIEW仿真实现了PCM模拟信号数字传输系统的全部过程。根据PCM系统的组成原理，在SYSTEMVIEW模块库中找到相应的模块，然后选择合适的模块以及设置适当的参数，建立了PCM编码译码系统的仿真模型以及

2PSK调制与解调的仿真模型，最后在给定仿真的条件下，运行了仿真系统。通过对仿真结果的分析，表明成功地实现了PCM模拟信号数字传输系统。

本次研究设计中，遇到了很多问题，让我发现自身存在在知识方面的欠缺和不足，意识到在今后学习中要时刻温习和学习知识，扩展知识面。通过此次研究设计，我学会了发现问题、解决问题的能力，同时也提高了我自己的实际动手能力，在老师和同学的悉心教导和指导下，我最终成功地完成了此次设计，在此谢谢所有帮助过我的人。

七、参考文献

1、高西全，丁美玉，阔永红.数字信号处理原理、实现及应用[M].电子工业出版社，2010.6

2 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].国防工业出版社，2006

3 李环，任波，华宇宁.通信系统仿真设计与应用[M].电子工业出版社，2009 4、尹立强.通信原理及SystemView仿真测试.西安电子科技大学出版社，2015