实验五 模拟信号的数字传输仿真
一、实验目的
1.分析验证抽样定理。 2.掌握PCM的编码原理。
3.掌握PCM编码信号的压缩与扩张的实现方式 二、实验内容
1.设计一个抽样与恢复仿真模型。 2.设计一个PCM调制系统的仿真模型。
3.采用信号的压缩与扩张方式来提高信号的信噪比 三、实验原理
1.抽样定理
实质上研究的是随时间连续变化的模拟信号经抽样变成离散序列后，能否由此离散序列值重建原始模拟信号的问题。对于低通型和带通型模拟信号，分别对应不同的抽样定理，抽样定理是模拟信号数字化的理论基础。
对上限频率为fH的低通型信号，低通抽样定理要求抽样频率应满足：
fs?2fH当采样频率小于奈奎斯特频率时，在接收端恢复的信号失真比较大，这是因为存在信号的混频；当采样频率大于或等于奈奎斯特频率时，恢复信号于原信号基本一致。理论上，理想的抽样频率为2倍的奈奎斯特带宽，但实际工程应用中，限带信号绝不会严格限带，通常选取抽样频率的2.5～5倍的最高频率进行采样以避免失真。
2.PCM脉冲编码调制
在现代通信系统中，以PCM（脉冲编码调制）为代表的编码调制技术被广泛地应用于模拟信号和数字传输中，所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值变换成代码，其编码方式如下图所示：
PCM编码经过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。为了便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，这样可以将模拟信号量化为二进制编码形式。其量化方式可分为两种：
（1）均匀量化编码
常用二进制编码，主要有自然二进码和折叠二进码两种。 （2）非均匀量化编码
常用13折线编码，它用8位折叠二进码来表示输入信号的抽样量化值，第一位表示量化值的极性，第二至第四位（段落码）的8种可能状态分别代表8个段落的起始电平，其它4位码（段内码）的16种状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。
通常情况下，我们采用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化，就是在保持信号固有的动态范围的前提下，在量化前将小信号放大，而将大信号进行压缩。采用信号压缩后，用8位编码就可以表示均匀量化11位编码是才能表示的动态范围，这样能有效地提高校信号编码时的信噪比。 四、实验步骤
1.用Systemview软件建立的一个正弦信号的采样仿真电路，如下图所示：
本实验被采样的模拟信号源是幅度1V、频率为100Hz的正弦波，抽样脉冲
为窄矩形脉冲，脉宽为1微秒。抽样器用乘法器代替。用于恢复信号的低通滤波器采用三阶巴特沃斯低通滤波器。
2. 用Systemview软件建立的一个脉冲编码调制仿真电路，如下图所示：
在SystemView系统仿真软件中，提供了A律和μ律两种标准的压缩器和扩张器，可以根据需要选取其中一种进行仿真实验。
（1）设置一个均值为0，标准差为0.5的具有高斯分布的随机信号作为仿真用的模拟信号源。
（2）在信号源的后方放置一个巴特沃思低通滤波器，设置其截止频率为10Hz，滤除高频分量。
（3）在滤波器右侧放置一个A律13折线的压缩器（通信库Processors标
签下），对信号进行压缩，并设定最大输入为1v。
（4）放置一个模数转换器（在逻辑库下的Mix Signal中），对压缩的模拟信号进行抽样量化，并编码为数字信号，根据PCM的要求，设定编码位数为8位，输出真假值为1和0，阈值为0.5，最大最小输入为正负1.28v；并放置一个100Hz的采样时钟信号对模拟信号进行抽样。由此可得出8位编码的PCM信号。
（5）放置一个数模转换器，将编码好的PCM信号重新还原为模拟信号。数模转换器的参数设置与模数转换器基本相同
（6）将模数转换器的8个数据位与数模转换器相对应的8个数据位相连，将数字信号送入数模转换器。
（7）放置一个扩张器，接收从数模转换器产生的经过压缩的模拟信号，并对其进行扩张，还原为原始信号，参数的设置与压缩器基本相同。 五、实验报告
1.为验证信号与恢复不失真条件和分析信号失真的原因，对采样仿真电路分别选取100Hz、200Hz、500Hz等几种不同的抽样频率，对原输入信号波形与抽样恢复后的波形进行观察和分析，记录并保存结果。 2.观察并记录脉冲编码调制仿真电路中各个接收器的波形。 3.保存结果，以便与后面实验相比较。