模数与数模转换器的仿真

1、课程设计任务书学 院信息科学与工程专 业电子信息工程学生姓名学 号设计题目A/D和D/A转换器的仿真内容及要求：利用MATLAB/Simulink进行编程和仿真，仿真的内容可以是关于信 源、信源编码、模拟调制、数字调制、多元调制、差错控制、多址技术、 信道仿真及具体通信电路的动态仿真实现。也可以用MATLAB编程对通 信的某一具体环节进行仿真。进度安排：2011年 06月17日选题目查阅资料2011年 06月20日 编写软件源程序或建立仿真模块图2011年 06月22日 调试程序或仿真模型2011年 06月24日 性能分析及验收2011年 06月27日 撰写课程设计报告、答辩指导教师（签字）：

2、年 月 日学院院长（签字）：年 月 日摘要目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。 但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代主流，因为它有很多模拟 通信所没有的优点，因此模拟信号往往要被编码成数字信号，从而在数字信道中传输。本次课程设计是在MATLAB软件环境下进行的，完成的是对A/D和D/A转换器的 设计。A/D转换负责将模拟信号转换为数字信号，即用一串数字编码（如0101）去表 示对应的一个模拟信号的一点的值，其转换过程是先对输入的模拟信号进行抽样，所 使用的抽样频率要满足抽样定理的要求，然后对抽样结果进行幅度离散化（称为量化） 并编码为二进制序

3、列。D/A转换的功能与A/D转换相反，它将输入的数字信号序列转换 为模拟信号，其转换过程是将输入（二进制）数字序列恢复为相应电平的抽样值序列 然后通过满足抽样定理要求的低通滤波器恢复模拟信号。A/D转换采用平顶抽样技术， 所以恢复模拟信号存在高频段的失真，若对恢复信号质量要求严格，需采用均衡器来 补偿这种孔径失真。A/D转换器的输出数据形式可以是并行的，也可以是串行的。关键词:MATLAB；抽样；量化；编码目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 课程设计目的1 HYPERLINK l bookmark18 o Cur

4、rent Document 课程设计要求1相关知识13.1模拟信号数字化1 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.2 A/D和D/A转换的原理2 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document .课程设计分析3 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 4.1 A/D和D/A转换器的模型3 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 4.2模块参数设置8 HYPERLINK l bookmark58 o Current Docu

5、ment .仿真8 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document .结果分析10 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document .参考文献11课程设计目的（1）加深对A/D和D/A基本理论知识的理解。（2）培养独立开展科研的能力和编程能力。（3）掌握A/D和D/A结构及其在通信系统中的应用。课程设计要求（1）掌握课程设计的相关知识、概念清晰。（2）程序设计合理、能够正确运行。相关知识3.1模拟信号数字化通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类。数字通信系统具有抗干扰能 力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信

6、号处理技术对数字信息 进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理， 且保密性好等优点，所以应用非常广泛，已经成为现代通信的主要发展趋势。自 然界中的信号都是模拟信号，这就需要我们对模拟信号进行抽样、量化、编码， 形成数字信号后，在数字信号系统中传输。在接收端则通过相应的逆变换恢复成 模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需要三个步骤：（1）把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）；（2）进行数字方式传输；（3）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。如果电信号的参量取值连续（不可数、无穷多），则称之为模拟信号。例如， 话筒送出的送出电压包含有话音信息

7、，并在一定的取值范围内连续变化。模拟信 号有时也称连续信号，这里连续的含义是指信号的某一参量连续变化，或者说在 某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。如果电信号的参量仅可能取有限个值，则称之为数字信号。如电报信号、计 算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指 信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。由于A/D或D/A变换的过程通常由信源编（译）码器实现，所以把发送端的 A/D变换称为信源编码，而接收端的D/A变换称为信源译码，如语音信号的数字 化叫做语音编码。由于电话业务在通信中占有最大的业务量，所以模拟信号数字 化是非常重要的一部

8、分。模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码和参量编码两类。波形编码是 直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16kbit/s-64kbit/s范围 内，接收端重建信号的质量好。参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的 特征参量，再变换成数字代码，其比特率在16kbit/s以下，但接收端重建（恢 复）信号的质量不够好，这里只介绍波形编码。目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制（PCM）和增量调制（M）。 采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如下图所示，首先对模拟信息源发出的 模拟信号进行抽样，使其成为一系列离散是抽样值，然后将这些抽样值进行量化 并编码，变换成数字信号。模拟随机信

9、号数字随机序列数字随机序列模拟随机信号图1 模拟信号的数字传输3.2 A/D和D/A转换的原理A/D转换负责将模拟信号转换为数字信号，即用一串数字编码 （如0101）去表示对应的一个模拟信号的一点的值，其转换过程是： 首先对输入的模拟信号进行采样，所使用的采样速率要满足采样定理 的要求，然后对采样结果进行幅度离散化（称为量化）并编码为符号 串，一般输出为二进制序列。D/A转换的功能与A/D转换相反，它将输入的数字信号序列转 换为模拟信号，其转换过程是：将输入（二进制）数字序列恢复为相 应电平的采样值序列，然后通过满足采样定理要求的低通滤波器恢复模拟信号。A/D转换采用平顶采样技术，所以恢复模拟

10、信号存在高频段的 失真，若对恢复信号质量要求严格，需采用均衡器来补偿这种孔径失 真。A/D转换器的输出数据形式可以是并行的，也可以是串行的。A/D转换的一般步骤：（1）定理抽样。为了正确无误地用抽样信号V 、表示模拟信号V / 必须满足：f ? 2f mg式中，f，抽样频率；f 为输入信号V /的最高 频率分量的频率。在满足抽样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号V ,还 原为V厂 这个低通滤波器的电压传输系数|A（f）在低于fmax的范围内 应保持不变，而在ff max以前迅速下降为零。因此，抽样定理规定 了 A/D转换的频率下限。*（2）量化和编码。我们知道，数字信号不仅在时间上是离散

11、的， 而且在数值上的变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大 小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量 表示抽样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整数倍，这个 转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用A表 示。显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于A。 把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是 A/D转换的输出信号。既然模拟信号是连续的，那么它就不一定能被 A整除，因而不可避免地会引入误差，我们把这种误差称为量化误差。 在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到 不同的量化误差。课程设计分析4.1

12、 A/D和D/A转换器的模型A/D和D/A转换器的模型如下：此模型中实现A/D转换的功能模块是:A/D转换包括了对模拟信号的抽样、量化和编码三个步骤。Zero-Order Hold模块完成的是对模拟信号的抽样；抽样定理指出：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率 f疽则以间隔 时间为T2f h，则M, (f)中包含的 每个原信号频谱M(f)之间互不重叠。这样就能够从M： (f)中用一个低通滤波器分 离出信号m(t)的频谱M(f)，也就是能从抽样信号中恢复原信号，或者说能由抽样 信号决定原信号。恢复原信号的条件是：f, 2f h，即抽样频率f,应不小于f h的2倍，这一 最低抽样速率2f h称为

13、乃奎斯特抽样速率。Quantizer模块的作用是对抽样信号进行量化；设模拟信号的抽样值为m(kT)，其中T是抽样周期，k是整数。此抽样值 仍然是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。若仅用N个 二进制数字码元来表示此抽样值的大小，则N个二进制码元只能代表M=2 N个 不同的抽样值，因此，必须将抽样值的范围划分成M个区间，每个区间用一个 电平表示。这样，共有M个离散电平，称为量化电平。用这M个量化电平表示 连续抽样值的方法称为量化。m(kT)表示模拟信号抽样值，m (kT)表示量化后的量化信号值，q1， q，q，q是量化后信号的6个可能输出电平，m，m，m ，2i612im5为量化

14、区间的端点。一般公式：m/kT)= q ,当 m m(kT) m将此式作变换，就把模拟抽样信号m(kT)变换成了量化后的离散抽样信号，即量 化信号。此模块进行的量化属于均匀量化，即M个抽样值区间是等间隔划分的，设模拟抽样信号的取值范围在a和b之间，则在均匀量化时的量化间隔为A v=(b-a)/M且量化区间的端点m . =a+i A v i=0,1,M若量化输出电平q，.取为量化间隔的中点，贝Uq = (m + m ) /2i=1,2,M显然，量化输出电平和量化前信号的抽样值一般不同，即量化输出电平有 误差。这个误差常称为量化噪声，并用信号功率与量化噪声之比(简称信号量噪比)衡量此误差对于信号影

15、响的大小。对均匀量化的平均信号量噪比作定量分析:在均匀量化时，量化噪声功率的平均值N可以用下式表示:=E f mi (m 一 q )2 f (m )dmm*i=1 i-1N =E(m - m )2=fb(m - m )2 f (m )dm 信号mk的平均功率可以表示为S0=E(m k)T :叫 f (mdmk若已知信号m的概率密度函数，则可以计算出平均信号量噪比。 kInteger to Bit Converter模块的作用是进行二进制编码；脉码调制和A/D变换的原理一样，是将模拟信号变换成二进制信号，输入信号抽样脉冲电流(或电压)I,由保持电路短时间保持，并和几个称为权 值电流的标准电流I巧

16、逐次比较。每比较一次得出1位二进制码。权值电流I巧 是在电路中预先产生的。I巧的个数决定于编码的位数，现在共有三个不同的 I值。因为表示量化值的二进制码有3位，它能够表示8个十进制数，从07。 因此，若按照“四舍五入”原则编码，则此编码器能够对-0.5+7.5的输入抽 样值正确编码。将模拟信号为常数18.6抽样、量化、编码成二进制数据，由于存在量化误 差，量化后得整数值19,再进行二进制编码，用19除以2,将每次得到的余 数颠倒顺序就是A/D转换得到的二进制码00010011。其他模块的功能完成并串转换功能的模块是：经过此模块转换之后，得到高速率的串行传输二进制数据流，如下图:发送方发送方经过

17、此模块的转换，又将串行传输的二进制数据流转换为8位并行数据，是 上图的逆过程。4.2模块参数设置Constant 模块：Constan value 设为 18.6；Zero-Order Hold 模块：Sample Time 为 1Quantizer 模块： Quantization interval 为 1； Treat as gain when linearizing 使A匕能；Integer to Bit Converter 模块：Number of bits per integer 设为 8；Buffer 模块：Output buffer size 设为 1 ； Buffer over

18、lap 设为 0； Initial conditions 设为0；Buffer1 模块：Output buffer size 设为 8； Buffer overlap 设为 0； Initial conditions 设为0；Reshape 模块：Output dimensionality 设为 1-D array；Bit to Integer Converter 模块：Number of bits per integer 设为 8；Scope 模块：Y .设为-5；Y设为 5； Title( replacedby signal name)设为%；仿真通过理论与编程实践，我完成了这次设计的任务

19、，其运行结果如图所示：Disp I ay图IB it tu Integer C u nve rte rFrame StatusC o nve rsi u nlSeo p e 1Iningpr to BitC o nve rte rBufferC a nsta ntHoldZe ro-1J rd e r ij u a ntize rInteger to Bit CanverterBit to IntegerL： a nve rte rTo FrameF： esh a p h Buffed18.Bime offset: 5结果分析Stimulink的通信模块库提供了 Integer to Bit

20、Converter模块可以将02 m -1 之间的整数转换为长度为M个比特的二进制数据输出，同时也提供了反向转换 模块Bit to Integer Converter将比特数据转换为整数值。利用这两个模块，结合零 阶保持器模块作为采样保持模型，量化器模块Quantizer作为量化模型，就可对 A/D和D/A过程进行建模，实现比特流的并串和串并转换。发送信号也就是模拟信号，为常数18.6时，零阶保持器采样时间间隔为 1s，量化器的量化间隔为1，属于均匀量化，将采样输出结果进行四舍五入量化 后，得到整数值19，因为Integer to Bit Converter模块的转换比特数设置为8，于 是进行8位转换。转换输出的比特序列为00010011，即常数19，从Display1模 块显示出来，如图1所示。经过并串转换后得出高速率的串行传输二进制数据流。示波器显示了传输 数据流的波形，它表示的比特序列为0001001100010011，周期为1s,如图2