课程设计指导书
使用班级：光纤通信071、无线通信课程设计地点：信息楼C207
2009年11月
071 课程设计题目1：调幅广播系统的仿真设计
模拟幅度调制是无线电最早期的远距离传输技术。在幅度调制中，以声音信号控制高频率正弦信号的幅度，并将幅度变化的高频率正弦信号放大后通过天线发射出去，磁波辐射。
波动的电信号要能够有效地从天线发送出去，或者有效地从天线将信号接收回来，需要天线的等效长度至少达到波长的
1/4。声音转换为电信号后其波长约在
15~1500km之间，
实际中不可能制造出这样长度和范围的天线进行有效信号收发。
因此需要将声音这样的低
20~20KHz。大量
成为电
频信号从低频率段搬移到较高频率段上去，以便通过较短的天线发射出去。
人耳可闻的声音信号通过话筒转化为波动的电信号，其频率范围为实验发现，人耳对语音的频率敏感区域约为标准中将电话通信的传输频带规定为
300~3400Hz，为了节约频率带宽资源，国际
100~6000Hz。
300~3400Hz。调幅广播除了传输声音以外，还要播
送音乐节目，这就需要更宽的频带。一般而言，调幅广播的传输频率范围约为
任务一：调幅广播系统的仿真。
采用接收滤波器Analog Filter Design模块，在同一示波器上观察调幅信号在未加入噪声和加入噪声后经过滤波器后的波形。Disply显示结果。
实例1：对中波调幅广播传输系统进行仿真，模型参数指标如下。1.基带信号：音频，最大幅度为3.接收机选频放大滤波器带宽为
1。基带测试信号频率在100~6000Hz内可调。12KHz，中心频率为1000kHz。
20dB，
2.载波：给定幅度的正弦波，为简单起见，初相位设为0，频率为550~1605Hz内可调。4.在信道中加入噪声。当调制度为0.3时，设计接收机选频滤波器输出信噪比为要求计算信道中应该加入噪声的方差，并能够测量接收机选频滤波器实际输出信噪比。
仿真参数设计：
系统工作最高频率为调幅载波频率倍，因此取仿真步长为
tstep
110fmax
6.2310s
8
采用另外两个相同的接收滤波器模块，分别对纯信
号和纯噪声滤波，利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，继而计算输出信噪比，用
1605KHz，设计仿真采样率为最高工作频率的10
(1-1)
相应的仿真带宽为仿真采样率的一半，即
W
12tstep
8025.7KHz
(1-2)
设基带测试正弦信号为m(t)=Acos2πFt，载波为c(t)=cos2πfct，则调制度为ma的调制输出信号s(t)为
s(t)
(1macos2Ft)cos2fct
(1-3)
容易求出，s(t)的平均功率为
P
12
m
2a
4
(1-4)
设信道无衰减，其中加入的白噪声功率谱密度为样值的方差为
2
N0/2，那么仿真带宽(-W，W)内噪声
N02
N02PN
2WN0W(1-5)
设接收选频滤波器的功率增益为
N
1，带宽为B，则选频滤波器输出噪声功率为
2B
N0B
(1-6)
因此，接收选频滤波器输出信噪比为
SNRout
PN0B
2
PB/W
(1-7)
所以信道中的噪声方差为
2
PSNRout
WB
(1-8)
根据上面的公式，编程计算出噪声的方差，并将方差值和其它已知值作为仿真系统的参数。
中波调幅广播传输系统仿真的参考模型
(ex1_1.mdl)如图1-1所示。
图1-1中波调幅广播传输系统仿真参考模型
接收通道滤波器用Analog Filter Design模块实现，可设置为2阶带通的。为了能够测
量输出信噪比，以参数完全相同的另外两个滤波器模块分别对纯信号和纯噪声滤波，利用统计模块计算输出信号功率和噪声功率，继而计算输出信噪比，通过
任务二：调幅的包络检波和相干解调性能仿真比较。
根据通信理论，以解调输出信噪比衡量的同步相干解调性能总是优于包络检波性能。
最后
Display显示。
在输入高信噪比条件下，包络检波接近同步相干解调的性能，而随着输入信噪比逐渐降低，包络检波性能也逐渐变坏，当输入信噪比下降到某一值时，包络检波输出信噪比将急剧下降，这种现象称为包络检波的门限效应。
实例2：以实例1为传输模型，在不同输入信噪比条件下仿真测量包络检波解调和同步相干解调对调幅波的解调输出信噪比，观察包络检波解调的门限效应。
图1-2所示的仿真模型(ex2.mdl)用于测量包络检波的门限效应，发送的调幅波参数以及仿真步进与实例1相同。首先，调幅信号通过同步相干解调器。包络检波器由模块的上下门限分别设置为
AWGN信道后，分别送入包络检波器和
Saturation模块来模拟具有单向导通性能的检波二极管，
inf和0。同步相干所使用的载波是理想的，直接从发送端载
波引入。两解调器后接的低通滤波器相同。解调后的两路信号送到示波器显示，同时送入信噪比测试模块，即图中的子系统SNR Detection，其内部如图1-3所示。在SNR Detection模块中，输入的两路解调信号通过滤波器将信号和噪声近似分离，
以分别计算信号和噪声
1000Hz，带宽
分量的功率，进而计算信噪比。两个带通滤波器参数相同，其中心频率为参数也相同，其中心频率为
为200Hz，对应于发送基带测试信号频率，其输出近似视为纯信号分量。两个带阻滤波器
1000Hz，带宽为200Hz，其输出可近似为信号中的噪声分量。
buffer模块和方差模块计算出信号和噪声的
之后，通过零阶保持模块将信号离散化，再由最后，由分贝转换模块
功率，buffer缓冲区长设置为1.6051e+005个样值，这样将在0.01s内进行一次统计计算。
dB Conversion和Fcn函数模块计算出两解调器的输出信噪比。计
To
(Array)格式送入工作空间，变量名为
算输出Display显示的同时，也送入工作空间，以便能够编程作出两解调性能曲线，Workspace模块设置为只将最后一次仿真结果以数组于1时，执行仿真所得到的解调信号波形如图噪声成分相对要小一些。
SNR_out，它含有2个元素，即两个解调输出信号的检测信噪比。当设置信道噪声方差等
1-4所示。可以看出，相干解调输出波形中，
图1-2包络检波和相干解调性能测试仿真模型
图1-3解调输出信噪比近似于测量子系统SNR Detection的内部结构
图1-4噪声方差为1时的解调信号波形仿真结果
任务三：用matlab编程方法，得出解调性能曲线。
通过编程方法，连续改变输入信号信噪比，用以计算出对应的方差，每计算一个方差后调用一次ex1_2.mdl，从而获得在Workspace中的数据SNR_out，通过matlab绘图的方法将包络检波和相干解调的信噪比与输入信噪比的关系绘于同一图，比较其性能。在matlab空间调用ex1_2.mdl的函数是sim(‘ex1_2.mdl’)。
课程设计题目2：模拟信号的数字化
BHz的基带信号，可惟一地被均匀
这时对该3400Hz，
基带信号的采样定理是指，对于一个频谱宽度为
间隔不大于1/(2B)秒的样值序列所确定。采样定理表明，如果以不小于1/(2B)次/秒的速率对基带模拟信号均匀采样，那么所得到样值序列就包含了基带信号的全部信息，序列可以无失真地重建对应的基带模拟信号。例如，电话话音信号的最高频率为为了保证无失真采样，对其进行采样的最低速率必须大于等于通滤波器的非理想特性，数字电话通信系统中规定采样率为
8000次/秒。
6800次/秒，考虑到实际低
为了保证在足够大的动态范围内数字电话话音具有足够高的信噪比，提出了非均匀量化：在小信号时采用较小的量化间距，而在大信号时用大的量化间距。在数学上，非均匀量化等价于对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量化。于以较小间距直接对小信号进行量化，数字电话系统采用A律压扩方式，即：
Ax 1lnAsgn(x)1lnA
小信号通过压缩器时增益
大，大信号通过压缩器时增益小。这样就使小信号在均匀量化之前得到较大的放大，等价
而以较大间距对大信号进行量化。在接收端要进行
中国和欧洲的PCM
相应的反变换，即扩张处理，以补偿压缩过程引起的信号非线性失真。
y (2-1)
(1lnAx)
压缩系数A=87.6。
A律压缩扩张曲线可用折线来近似，
16段折线点是：
x=[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128, 1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]
y=[-1,-7/8,-6/8,-5/8,-4/8,-3/8,-2/8,-1/8,0,1/8, 2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,1]
其中靠近原点的4根折线斜率相等，可视为一段，因此总折线数为近似。用Simulink中的Look-Up Table查表模块可以实现对的建模，压缩模块的输入向量设置为：
[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128, 1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]
13段，称为13段折线
13折线近似的压缩扩张计算
输出量向量设置为：[-1:1/8:1]。
扩张模块的设置与压缩模块的设置相反。任务一：PCM编码
PCM是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。数字电话系统中规定：传输语音的信号频段为
A律PCM
300~3400Hz，采样率为8000次/s，对样值
进行13折线压缩后编码为8位二数字序列。因此，PCM编码输出的数码速率为
PCM编码的二进制序列中，每个样值用值的正负极性，规定负值用所在的8段折线的段落号，最后量化编码输出。
实例1：设计一个13折线近似的PCM编码器模型，使它能够对取舍在化信号样值进行编码。
测试模型和仿真结果如图性码。样值取绝对值后，以
2-1所示。其中信号源用一个常数表示。以
64kbps。
8位二进制码表示，其中最高比特位表示样
16个均匀间隔上的间隔序号。在13折线近似压缩后的7位均匀
[-1,1]内归一
0表示，正值用1表示。接下来的3位比特表示样值的绝对值
4位是样值处于段落内
数学上，PCM编码较低的7位相当于对样值的绝对值进行
Saturation作为
限幅器，Relay模块的门限设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位，即确定极
Look-Up Table(查表)模块进行13折线压缩，并用增益模块将
Display模块
样值范围放大到0~127，然后用间距为1的Quantizer模块进行四舍五入取整量化，并用Integer to Bit Converter将整数转换成长度为8个比特的二进制数据，最后用显示编码结果。将PCM编码器封装成一个子系统，整个文件模型保存为
ex2_1.mdl。
图2-113折线A律编码器
任务二：PCM解码
实例2：测试模型和仿真结果如图
2-2所示，其中PCM编码子系统就是图2-1中虚
(极性码)和7位数据，然后将7位
ex2_2.mdl。
线所围部分。PCM解码器中首先分离并行数据中的最位中的虚线所围部分封装为一个
数据转换为整数值，再进行归一化、扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。将该模型
PCM解码子系统。整个文件模型保存为
图2-213折线A律解码器
任务三：PCM串行传输模型在以上两个实例基础上，建立率的随机误码。
实例3：仿真模型如图2-3所示，其中PCM编码和解码子系统内部结构参见图和图2-2。PCM编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进制对称信道。在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入
PCM编码，之后输出解码结果并显示波形。模型中
ex2_3.mdl。
尚未对PCM解码结果作低通滤波处理。文件模型保存为
2-1
PCM串行传输模型，并在传输信道中加入指定错误概
图2-3PCM串行传输模型
仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍，传输的影响。信号源可以采用比如
200Hz的
这里模型中信道传输速率最高
为64bps，故仿真步进设置为1/64000s。信道错误比特率设为0.01，以观察信道误码对PCM正弦波。解码输出存在延迟。对应于信道产生误码的位置，解码输出波形中出现了干扰脉冲，干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个
PCM编码字串中的位置，位于最高
位时将导致解码值极性错误，这时干扰最大，而位于最低位的误码引起的误码最轻微。
通过改变Binary Symmetric Channel中的Error Probability的大小，观察原信号和解码后的输出。一种仿真情况下的仿真结果波形如图
2-4所示。
图2-4PCM串行传输仿真结果
任务四：修改实例3的PCM编解码模型，测试指定误码率条件下号的音质。
PCM解码语间信
实例4：使用Simulink中DSP模块库的音频输入模块可以对真实音频信号进行处理，测试模型如图2-5所示。仿真时间20s，步进时间启动仿真，可以听到在指定误码率下传输的声音信号的幅度。原声音信号可预先录制，格式为
1/64000s。设置SBC信道的误码率后*.wav。文件模型保存为ex2_4.mdl。PCM解码语音信号，Gain模块用于调整输入
任务五：通过编程方法，连续改变SBC信道的误码率，对每一个误码率的值，调用
matlab空间调用ex2_4.mdl
一次ex2_4.mdl，从而观察在不同误码率情况下声音信号。在的函数是sim(‘ex2_4.mdl’)。编程文件取名为ex2.m。
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