基于LabVIEW的PCM和DPCM调制解调器设计Word文档格式.docx
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(1)张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安:
.
(2)樊昌信,曹丽娜.通信原理(第6版)[M]..
(3)刘胜,张兰勇,章佳荣,刘刚LabVIEW2009程序设计[M].北京:
电子工业出版社.2010.
五、进度计划
第1-6周生产实习、毕业实习、查阅相关资料,熟悉LabVIEW开发环境,掌握PCM、DPCM及时分复用的相关基本知识;
第7-9周编译码方案设计;
第10-13周编写程序,程序调试;
第14-16周论文撰写、答辩。
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计开题报告
一、研究背景
数字通信具有很多优点:
它抗干扰能力强,通信质量不受距离的影响,能适应各种通信业务的要求,便于采用大规模集成电路,便于实现保密通信和计算机管理,是当今通信的发展方向。
然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是模拟量,例如电话、电视等通信业务,其信源送出的都是模拟信号。
因此,模拟信号的数字化成为其关键的一步。
模拟信号数字化的方法大致分为波形编码和参量编码两类。
目前常用的波形编码方法有脉冲编码调制(PCM)、其改进型差分脉冲编码调制(DPCM)等。
信道复用技术广泛地应用于各个通信领域和各类通信线路上。
它是充分利用通信信道频带资源、提高通信效率、降低通信成本的有效手段。
随着经济的发展,要求传输的信息容量不断地增加,时分复用技术得到广泛的应用。
二、国内外研究现状
在过去三四十年间,对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发展,促进了数字通信的发展。
目前数字通信在卫星通信、光纤通信、移动通信、微波通信等领域有了新的发展。
因而模拟信号的数字化传输成为研究的热点,包括对PCM、DPCM及时分复用等的研究。
在现有研究中运用软件方法来实现PCM编解码芯片的部分功能并与PCM编解码芯片相结合来共同完成整个电路设计上的编解码,不仅设计简单,灵活方便,而且往往可以达到事半功倍的结果。
DPCM技术作为PCM的改进型,解决了编码位数多和信源信号在相邻抽样值间表现出很强的相关性,有很大的冗余度的问题。
DPCM实质上是一种简单有效的图像压缩方法。
医学图像压缩技术是远程医疗诊断系统和医学图像存储传输系统等研究领域中的重要课题之一。
采用一种将DPCM方法与整数小波变换编码相结合的无损压缩方法进行的医学图像无损压缩具有算法简洁、压缩比高,实用性强等特点。
时分复用是将不同的信息按照不同的时隙进行传输,在大部分的数字通信设备中都采用时分复用技术来增加系统的传输容量。
三、课题进行的主要工作及采用的方法
3个系统都是围绕如何利用LabVIEW软件环境实现编译码器展开研究,以设计出程序界面简洁、运行结果稳定可靠的编译码系统。
(1)通过查阅有关资料,熟悉LabVIEW环境,掌握PCM和DPCM编译码原理及时分复用原理知识。
(2)通过在LabVIEW中查找范例、结合原理知识、框图完成系统各个模块的LabVIEW仿真。
(3)连接各个模块,完善整个程序框图,运行程序验证仿真结果并对结果进行分析。
四、预期达到的结果
在LabVIEW软件平台上实现PCM和DPCM及时分复用调制系统的仿真设计,并能推广到其他通信系统的设计中。
指导教师签字
时间
年 月日
摘要
本设计利用LabVIEW软件,完成了模拟信号的数字传输系统,包括脉冲编码调制系统(PCM)、差分脉冲编码调制系统(DPCM)及时分复用系统。
详细地介绍了LabVIEW通信系统仿真的进程和仿真结果的分析。
脉冲编码调制(PCM)是一种用一组二进制数字代码来代替持续信号的抽样值,从而实现数字通信的方式。
系统采纳A律13折线编码方式进行编码。
差分脉冲编码调制(DPCM)是PCM的改良型,编码位数只有两位。
系统能够降低编码的比特率、紧缩信号带宽。
时分复用系统在同一信道中传输3路不同信号并在接收端恢复出3路原始信号,提高信道利用率,充分利用信道资源。
本设计的仿真进程能够很容易地推行到其他的通信系统仿真。
从而加深了对各类通信进程的原理熟悉。
关键词:
LabVIEW脉冲编码调制(PCM)差分脉冲编码调制(DPCM)
时分复用系统
Abstract
ThisdesignusesLabVIEWsoftwaretocompletetheanalogsignaldigitaltransmissionsystem,includingpulsecodemodulationsystem(PCM),differentialpulsecodemodulationsystem(DPCM)andTDMsystem.ItdescribesindetailtheprocessofLabVIEWcommunicationsystemsimulationandtheanalysisofsimulationresults.
Pulsecodemodulation(PCM)isakindofwaythatuseasetofbinarydigitalcodetoreplacethesamplingvalueofthecontinuoussignaltorealizedigitalcommunication.ThissystemusesAlawof13linetoencode.
Differentialpulsecodemodulation(DPCM)isthemodifiedPCM,whichonlyneedstwocodingbits.Thesystemcanreducetheencodingbitrateandcompresssignalbandwidth.
TDMsystemtransmissthreedifferentsignalsinthesamechannelandrecovertheoriginalsignalatthereceivingend.Thiscanincreasethechannelutilizationratioandusethechannelresourcesfully.
Thissimulationprocesscanbeeasilyextendedtoothercommunicationsystemsimulation.Thusitdeepenstheunderstandingofvariousprinciplesofcommunicationprocess.
Keywords:
LabVIEWPCMDPCMTDM
A2中文翻译.............................................................................................................44
第1章绪论
概述
数字通信的进展及其特点
数字通信的初期历史是与电报的进展联系在一路的。
1937年,英国人.里夫斯提出脉码调制(PCM),从而推动了模拟信号数字化的进程。
1946年,法国人.德洛雷因发明增量调制。
1947年,美国贝尔实验室研制出供实验用的24路电子管脉码调制装置,证明了实现PCM的可行性。
1950年.卡特勒提出差值编码。
1953年发明了不用编码管的反馈比较型编码器,扩大了输入信号的动态范围。
1962年,美国研制出晶体管24路兆比特/秒脉码调制设备,并在市话网局间利用[1]。
数字通信与模拟通信相较具有明显的优势:
抗干扰能力强,通信质量不受距离的阻碍,能适应各类通信业务的要求,便于采纳大规模集成电路,便于实现保密通信和运算机治理。
不足的地方是占用的信道频带较宽。
只是,随着新的宽带传输信道(如光导纤维)的采纳、窄带调制技术和超大规模集成电路的进展,数字通信的这些缺点已经弱化[2]。
1.1.2模拟信号的数字化传输
如前所述,数字通信具有很多优势,因此成为现今通信的进展方向,但是自然界的许多信息经各类传感器感知后都是模拟量,例如、电视等通信业务,其信源送出的都是模拟信号。
假设要利用数字通信系统传输模拟信号一样需要三个步骤:
把模拟信号数字化(A/D)、进行数字方式传输、把数字信号还原为模拟信号(D/A)。
模拟信号数字化的方式大致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,通常比特率在16~64kbit/s范围内,接收端重建信号的质量比较好。
参量编码是利用信号处置技术,提取语音信号的特点参量,再变换成数字代码,其比特率在16kbit/s以下,但接收端重建信号的质量不行。
那个地址只介绍波形编码[3]。
目前最经常使用的波形编码方式有脉冲编码调制(PCM)和增量调制。
本设计介绍了用LabVIEW软件实现脉冲编码调制(PCM)系统、其改良型差分脉冲编码调制(DPCM)系统及脉冲编码调制的时分复用(TDM-PCM)系统的仿真进程。
国内外研究现状
1.2.1PCM技术
近十年来,随着大规模集成电路的飞速进展,可将话路滤波器和PCM编解码器集成在同一芯片上,这使PCM在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等数字通信领域上取得了更普遍的应用。
但是在某些需要PCM编解码器的实际应用中,如数字互换机中的信号音的产生和实现,单靠PCM编解码芯片来完成整个编解码功能,在电路设计和实现上都显得烦琐和笨拙,相反若是运用软件方式来实现PCM编解码芯片的部份功能并与PCM编解码芯片相结合来一起完成整个电路设计上的编解码,不仅设计简单,灵活方便,而且往往能够得到事半功倍的结果。
在现有研究顶用Matlab的Simulink工具箱实现PCM编解码器具有简单,直观等优势。
另外,SystemView是一种用于电路与通信系统设计、系统仿真的动态分析工具,能知足从信号处置、滤波器设计到成立复杂通信系统数学模型等不同层次的设计和仿真的需要。
应用SystemView软件对PCM30/32中的2路数字通信系统进行仿真,以模块级的方式对抽样、量化、编码和时分复用等核心部份进行模拟,取得了较好的仿真结果[2]。
另外,基于对数脉冲编码调制的语音紧缩系统实现、基于脉冲编码调制技术的智能旋翼系统等的研究都充分证明了PCM技术作为一种典型的语音信号数字化的波形编码方式在现有的研究中具有壮大的优势和普遍的应用[4]。
1DPCM技术
差分脉冲编码调制(DPCM)技术作为脉冲编码调制(PCM)的改良型,解决了编码位数多、以奈奎斯特或更高速度抽样的信源信号在相邻抽样值间表现出很强的相关性,有专门大的冗余度的问题。
它是一种简单有效的图像紧缩方式,但其反馈式的编解码结构对信道误码超级灵敏,而采取分块预测的方式用PCM与之混合,在抑制误码时降低了算法效率。
现有循环差分脉冲编码调制方式(CircularDPCM)利用分块循环预测的方式,有效抑制了误码扩散。
同时,循环预测方式也幸免了PCM码的传送,提高了算法效率[5]。
同时,随着现代运算机技术及各类医学成像技术的进展,数字医学图像数据急剧增加。
如一幅16位灰度级、512*512的CT图像,占用的存储空间就为512KB,通常一个病人每次CT检查会产生50幅,乃至更多幅图像,要占25GB左右的空间,这使得本来就有限的存储空间加倍紧缺,传输带宽也受到专门大的限制,而且处置和治理这些数据所用的资源也超级多。
目前医学图像数据的存储和治理已成为医院PACS(图片存档及通信系统)构建可否成功的关键之一,而寻求高效的紧缩编码方式将有助于解决此类问题。
依照那个问题即提出了一种将DPCM方式、整数小波变换及“EZWt”相结合的医学图像紧缩方式。
实验结果说明采纳该方式进行的医学图像紧缩具有算法简练、紧缩比高、有效性强等特点[6]。
另外,医学图像紧缩技术是远程医疗诊断系统和医学图像存储传输系统等研究领域中的重要课题之一[7]。
采纳一种将DPCM方式与整数小波变换编码相结合的无损紧缩方式进行的医学图像无损紧缩具有算法简练、紧缩比高,有效性强等特点[8]。
1时分复用技术
信道复用技术普遍地应用于各个通信领域和各类通信线路上。
它是充分利用通信信道频带资源、提高通信效率、降低通信本钱的有效手腕。
频分复用、时分复用、码分复用是三类信道复用技术。
但是随着经济的进展,要求传输的信息容量不断地增加,传统的频分复用技术已经不能知足信息量增加的需求,取而代之的是时分复用技术。
时分复用是将不同的信息依照不同的时隙进行传输,在大部份的数字通信设备中都采历时分复用技术来增加系统的传输容量。
基于时分复用的Cameralink高清视频光纤传输技术的研究提出一种光纤远距离传输方案,解决了Camera1ink高清视频传输距离受到限制的问题[9]。
设计的内容及意义
目前数字通信在卫星通信、光纤通信、移动通信、微波通信等领域已有普遍的应用。
而模拟信号数字化是数字通信不可或缺的技术。
作为应用最广的数据搜集和操纵开发环境之一,LabVIEW在通信仿真中有着重要的作用。
由于LabVIEW有很强的仪器操纵功能,相关于Matlab等其他仿真软件,LabVIEW能更有效地把仿真实验移植到实际中。
而且LabVIEW编程方式与传统的程序设计方式不同,它拥有流程图程序设计语言的特点,摆脱了传统程序语言线性结构的束缚。
本文介绍了应用LabVIEW仿真软件进行模拟信号数字化系统仿真的方式和进程,而且取得了脉冲编码调制(PCM)系统、差分脉冲编码调制(DPCM)系统及时分复用(TDM)系统正确的仿真结果,有效性强,具有很重要的实际意义。
第2章软件开发环境介绍
LabVIEW的简介
LabVIEW(LabrotaryVirtualInstrumentEngneeringWorkbenth)实验室虚拟仪器平台是美国NI公司(NationalInstrumentCompany,简称NI公司)推出的一种基于G语言(GraphicsLanguage图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具[10]。
用LabVIEW设计的虚拟仪器可离开LabVIEW开发环境,用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作面板。
LabVIEW为虚拟仪器的设计者提供了一个便利、轻松的开发环境,设计者利用它能够像搭建积木一样,轻松组件一个测量系统而且构造自己的仪器面板,而无需进行任何繁琐的程序代码的编写。
LabVIEW软件的特点
(1)具有图形化的编程方式,设计者无需编写任何文本形式的代码,是真正的工程师语言。
(2)提供丰硕的数据搜集、分析和存储的库函数。
(3)提供传统的程序搜集手腕,如设置断点、单步运行,同时提供独具特色的执行工具,使程序动画式进行,利于设计者观看到程序运行的细节,使程序的设计和开发更为便利。
(4)32位的程序编译器编译生成32位的编译程序,保证用户数据搜集、测试和测量的方案高速运行[11]。
LabVIEW的大体开发环境
设计一个虚拟仪器在两个窗口进行,第一个是前面板开发窗口,所有仪器前面板的设计都在那个窗口中进行;
第二个流程图编辑窗口。
(1)前面板开发窗口
前面板开发窗口如图2-1所示,窗口中包括主菜单和快捷工具栏。
设计制作虚拟仪器前面板确实是用工具模板中的相应的工具去取用操纵模板中的有关控件,并放到模板中相应的位置。
图2-1前面板开发窗口
(2)程序框图编辑窗口
程序框图是图形化的源代码,是VI测试软件的图形化表达,虚拟仪器软件通过软件编程来实现测试功能,LabVIEW采纳图形化编辑方式,如图2-2,选用工具模板去取功能模板上的有关的图标来设计虚拟仪器程序框图,以完成虚拟仪器的设计[12]。
图2-2程序框图开发窗口
图标
在程序框图和前面板右上角都有一个图标如图2-3所示,单击鼠标
图2-3图标
右键能够修改VI属性,这对程序的美观和特性有专门大帮忙。
LabVIEW中的选板
控件选板及功能
控件选板在前面板中显示,由表示子选项板的顶层图标组成,该选项板包括创建前面板时可利用的全数对象。
控件选板中大体经常使用的控件有新式、系统、经典3种显示风格。
本设计中所用到的各类控件及功能如表2-1所示。
表2-1控件选板及功能
图标
名称
功能
布尔控件
用于创建按钮、开关和指示灯,如创建按钮控制某些值的属性是否可见或控制程序执行等
数值输入
输出控件
存放输入值,显示输出值
数组控件
创建数组
子面板
在当前VI的前面板上显示另一个VI的前面板
波形图
主要用于显示信号波形,如PCM系统、DPCM系统、时分复用系统的输入输出波形及编码波形的显示
函数选板及功能
函数选板由表示子选项板的顶层图标组成,包括创建框图时可利用的全数对象,函数选板只在编辑程序框图时利用。
本设计中所用到的各类函数及功能如表2-2所示。
表2-2函数选板及功能
索引数组
返回n维数组在索引位置的元素或子数组
(连接数组到该函数时,函数自动调整大小以在n维数组中显示各个维度的索引输入)
绝对值函数
返回输入的绝对值
续表2-2
连接多个数组或向N维数组添加元素(所有的输入值必须是元素、一维数组、或者n维、(n-1)维数组,并且具有相同的基本类型。
)
数组大小
返回数组每个维度中元素个数(如将一个三维2*5*3数组连接至数组,函数将返回包含三个元素的数组[2,5,3])
重排数组
根据维数大小的值,改变数组的维数,该函数从左至右按行读取内存中数据数组的值,并显示重新排序后的数组
初始化数组
创建n维数组,其中每个元素都被初始化为元素的值
转换至动态数据
将数值、布尔、波形和数组数据类型转换成可与ExpressVI配合使用的动态数据类型
合并信号
将两个或多个信号合并到信号输入端。
通过调整该函数的大小可添加输入
反馈节点
保存VI或循环上一次的运行数据
交织一维数组
交织输入数组中的相应元素,形成输出数组
拆取一维数组
使数组的元素分成若干输出数组,依次输出元素
最近数取整
输入值向最近的整数取整
波形采样数
返回波形中的数据元素
获取波形成分
(模拟波形)
返回指定的模拟波形。
单击输出接线端的中部,选择并指定所需的波形成分。
基本信号发生器
根据信号类型创建信号波形
创建波形
创建模拟波形或修改已有波形。
如未连接波形输入,该函数可根据所连接的波形成分创建新波形。
如已连接波形输入,该函数可根据所连接的波形成分修改波形。
打开VI引用
返回由VI在磁盘上的名称字符串或路径指定的某个VI、自定义控件或全局变量的引用
for循环
将连接到总数(N)接线端的值n作为执行次数的子程序框图。
计数接线端(i)可提供当前的循环总数,取值范围是0到n-1。
连接字符串
连接输入字符串和一维字符串数组作为输出字符串。
对于数组输入,该函数连接数组中的每个元素。
条件结构
包括一个或多个子程序框图、分支、结构执行时,仅有一个子程序框图或分支执行。
连接至选择器接线端的值可以是布尔、字符串、整数,或枚举类型,用于确定要执行的分支。
公式节点
计算程序框图上的数学公式和与C相似的表达式。
可在公式中使用下列内置函数:
abs、acos、acosh、asin、asinh、atan、atan2等
事件结构
包括一个或多个子程序框图,或事件分支,结构执行时,仅有一个子程序框图或分支在执行。
事件结构将等待直至某一事件发生,并执行相应条件分支从而处理该事件。
捆绑
使独立元素组合成簇
While循环
重复执行内部的子程序框图,直到条件接线端(输入端)接收到特定的布尔值。
将布尔值连接至While循环的条件接线端。
右键单击条件接线端,在快捷菜单中选择真(T)时停止或真(T)时继续
数值至十进
制字符串转化
使数组转化为十进制字符串
高斯白噪声
生成高斯分布的伪随机信号
幅值和电平
测量
测量正峰值
虚拟仪器设计步骤
通常,一个虚拟仪器的设计步骤如下:
(1)在前面板设计窗口中放仪器控件
第一,在前面板开发窗口中利用工具模板中的相应工具,从操纵模板中掏出和放置好所需控件,进行控件属性参数设置,标贴文字说明标签。
(2)在流程图中编辑窗口,放置节点、图框。
在流程图编辑窗口,利用工具模板中的相应工具,从功能模板中掏出并放置好所需图标,它们是流程图的“节点”、“图框”。
(3)数据流编程
利用脸型工具按数据流方向将“端口”、“节点”、“图框”依次相连,实现数据从源头按规定的运行方向抵达目的终点。
(4)运行查验
当完成步骤
(1)
(2)(3)后前面板程序与流程图图形化的设计完毕,一个虚拟仪器已大体成立,是不是达到预期功能,还需运行查验。
(5)程序调试技术
利用快捷工具栏中的运行、高亮运行、单步执行、断点设置进行以下程序调试。
①找出语法错误
若是存在语法错误,那么当启动快捷工具栏中的运行按钮,该按钮变成一个折断的箭头,程序不能被执行,鼠标单击该按钮,那么将弹犯错误清单窗口,窗口中列犯错误的项目,然后单击其中的任何一个错误项,单击Find按钮,那么犯错的对象或按钮高亮显示。
快速跟踪程序的运行
利用快捷工具栏中的“高亮执行”按钮,单击该按钮,该按钮图标变成高亮形式,再单击“运行”按钮,程序能够以较慢的速度运行,没有被执行的代码灰色显示,执行后的代码高亮显示,并显示数据流上的数据值。
如此,就能够够依照数据流动状态,跟踪程序的运行。
断点与单步执行
利用断点工具能够在程序的某
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