一种航空模拟信号数字传输的仿真系统及其仿真方法与流程

本发明涉及民用航空，尤其是涉及一种航空模拟信号数字传输的仿真系统及其仿真方法。

背景技术：

1、通信系统是民用飞机航空电子系统的重要组成之一，也是航空电子系统设计公司重点培训基础课程之一，通信系统原理培训有着理论抽象、数学运算推导复杂、培训课件呆板、波形图手动绘制、实践操作性强、新理论新概念频出等特点，导致培训枯燥并难以理解，新员工入职培训效果大打折扣，使后续通信系统设计类项目开展困难。尤其模拟信号如何转化为数字信号进行传输，以及数字信号如何恢复成模拟型号，现有技术不能客观、无失真、图像可视化进行展示。

2、当前航空领域通信系统原理培训主要以硬件设备及专业示波器为主，需要特定的培训室和通信系统专业仪器仪表设备，存在投入成本高、仪表设备损坏率高、教员专业性强等问题，而纯软件人机界面交互式培训正好能避免上述问题。

3、市场急需一种知识针对性强、仿真效果好、知识面覆盖全，人机交互界面友好，且运算量不太大，能针对航空电子企业的设计培训特点，适应于对企业新员工进行基础的航空模拟信号数字传输的仿真系统及其仿真方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提供一种知识针对性强、仿真效果好、无失真、保真效果好、知识面覆盖全，人机交互界面友好，且运算快的一种航空模拟信号数字传输的仿真系统。该一种航空模拟信号数字传输的仿真系统能针对航空电子企业的设计培训特点，适应于对企业新员工进行基础的数字通信子系统培训。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种航空模拟信号数字传输的仿真系统，包括抽样模块、量化模块、编码模块；

3、所述抽样模块用于对原始模拟信号进行抽样，产生抽样信号；所述量化模块用于对抽样信号进行均匀量化得到量化信号；所述编码模块用于对经均值量化后产生的量化信号进行编码。

4、优选的技术方案，所述编码模块采用pcmcoding函数对量化信号进行pcm编码。

5、优选的技术方案，所述编码模块还用于将pcm编码后的信号依次进行单极性不归零编码、单极性归零编码、双极性归零编码、双极性不归零码编码。

6、优选的技术方案，该仿真系统还包括译码模块，该译码模块采用pcmdecoding函数对数字信号进行译码，即得到恢复还原的模拟信号。

7、优选的技术方案，所述抽样模块对原始信号进行抽样之后，再利用sinc函数对抽样信号进行恢复，验证抽样定理。

8、优选的技术方案，所述量化模块分别采用round函数和floor函数对抽样信号进行均匀量化，得到两种量化信号。

9、优选的技术方案，所述量化模块还用于将采用round函数、floor函数所得到的两种量化信号进行信噪比对比。

10、本发明的再一目的是提供一种航空模拟信号数字传输的仿真方法，其包括以下步骤：

11、抽样，量化，编码，译码；

12、所述抽样的过程如下：

13、对原始模拟信号x0进行抽样，得到抽样信号x1，具体公式如下：

14、x0(t)＝a*cos(b*π*t)

15、其中，x0为原始模拟信号，a、b为常数变量，π为常数，t为连续时间；

16、x1(t0)＝a*cos(b*π*t0)

17、即

18、其中，x1为抽样信号，a、b为常数变量，π为常数，t0为抽样时间间隔，δ(t)为脉冲信号；

19、采用sinc函数对抽样信号x1进行恢复，得到模拟信号x2，对比原始模拟信号x0，判断信号有无失真；如无失真，则进行下一步量化步骤；如有失真，则返回抽样步骤重新选择抽样时间间隔(抽样频率)重新抽样；

20、所述量化的过程如下：

21、采用round函数、floor函数分别对抽样信号x1在电平数m＝2n情况下进行均匀量化，即得到两种量化信号；其中，采用round函数将抽样信号x1的抽样值进行四舍五入，取最近的量化电平；采用floor函数将抽样信号x1的抽样值取比其小的量化电平，即朝负无穷方向取量化电平；

22、采用plot函数分别画出不同电平数下两种量化方式处理后的两种量化信号的波形，并将两种量化方式产生的两种量化信号进行信噪比的对比，选择信噪比更大的量化信号进行下一步编码操作，该信噪比更大的量化信号，记为量化信号x3；

23、所述编码的过程如下：

24、采用pcmcoding函数对量化得出的量化信号x3进行pcm编码，并将pcm编码后的数字信号依次进行单极性不归零编码、单极性归零编码、双极性归零编码、双极性不归零码编码；

25、其中，pcm编码采用8位折叠码：c1c2c3c4c5c6c7c8

26、其中，c1为极性码，c2c3c4为段落码，c5c6c7c8为段内码；

27、量化段序号1～8，分别对应电平范围[0,16]、[16,32]、[32,64]、[64,128]、[128,256]、[256,512]、[512,1024]、[1024,2048]，分别对应量化间隔δ为1、1、2、4、8、16、32、64；

28、

29、c1式用来判断该量化值极性的正负，正则为1，负则为0；c2用来判断量化值处于8个段落中的前四段还是后四段，后四段为1，前四段为0；c3用来判断抽样值处于8个段落中的后四段的5～6段还是7～8段，处于7～8段为1，处于5～6段为0；c4是用来确定量化值是在第7段还是第8段，处于第8段取1，处于第7段取0；

30、c5c6c7c8段内码用于确定量化值在对应段落的量化级：c5用于确定量化值是处于对应段落的前8个量化级还是后8个量化级，处于前8个量化级为0，处于后8个量化级为1；c6用于确定量化值是处于(0～3)量化级还是(4～7)量化级，处于(0～3)量化级为0，处于(4～7)量化级为1；c7用于确定量化值是处于(0、1)量化级还是(2、3)量化级，处于(0、1)量化级为0，处于(2、3)量化级为1；c8用于确定处于第2量化级还是处于第3量化级，处于第2量化级为0，处于第3量化级为1；

31、依次类推，将量化信号x3的各个量化值分别编成pcm的8位折叠码，即得到一串由若干个0和1组成的数字信号x4；

32、其中，单极性归零码的编码规则：采用0电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“0”码，用正电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“1”码，用归零码表示每个码元的电波形持续时间小于一个码元周期；即pcm编码后的数字信号x4中的“0”码用电平“00”表示，pcm编码后的数字信号x4中的“1”码用电平“10”表示；

33、单极性不归零码的编码规则：采用0电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“0”码，用正电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“1”码，用不归零码表示每个码元的电波形持续时间占满一个码元周期；即pcm编码后的数字信号x4中的“0”码用电平“0”表示，pcm编码后的数字信号x4中的“1”码用电平“1”表示；

34、双极性归零码的编码规则：采用负电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“0”码，用正电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“1”码，采用归零码表示每个码元的电波形持续时间小于一个码元周期；即pcm编码后的数字信号x4中的“0”码用电平“-10”表示，pcm编码后的数字信号x4中的“1”码用电平“10”表示；

35、双极性不归零码的编码规则：采用负电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“0”码，用正电平表示pcm编码后的数字信号x4中的“1”码，采用不归零码表示每个码元的电波形持续时间占满一个码元周期；即pcm编码后的数字信号x4中的“0”码用电平“-1”表示，pcm编码后的数字信号x4中的“1”码用电平“1”表示；

36、根据以上的编码规则得到四种不同编码规则的数字信号st1、st2、st3、st4。

37、所述译码的过程如下：

38、采用pcmdecoding函数对数字信号x4进行译码，即得到恢复还原的原始模拟信号x5，并采用plot函数仿真出恢复还原的原始模拟信号x5对应的波形；将恢复还原的原始模拟信号x5的波形与原始模拟信号x0进行对比，验证信号有无失真。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

40、本发明知识针对性强、仿真效果好、知识面覆盖全，人机交互界面友好，且运算快的一种航空模拟信号数字传输的仿真系统。该一种航空模拟信号数字传输的仿真系统能针对航空电子企业的设计培训特点，适应于对企业新员工进行基础的数字通信子系统培训。本发明替代了实验室的硬件和仪器仪表设备，并完整实现了对航空数字通信系统进行了仿真，仿真系统完整，具有演示性强，操作简单实用，适用于航空企业新员工培训，并能够保证企业培训效果，为后续项目设计奠定基础。同时，相对于现有技术中的硬件演示，大大节约了成本。

41、本发明将通信原理仿真与系统实际设计相结合，做到虚拟培训系统对实际系统设计正向指导。本发明做到通信系统原理培训软件人机交互界面友好，适用于新员工培训；本发明做到通信算法恰当，使理论值与计算值之间误差可接受。本发明的模拟信号信号数字传输仿真系统，可以实现对模拟信号数字化的详细过程。采用抽样、量化、编码的三个步骤将模拟信号变换为数字信号，然后再进行传输。其中抽样模块验证满足低通抽样定理。量化模块满足抽样速率恒定，量化电平数越大，越可提高近似程度。编码模块完整满足整个编码系统的相通性和数字传输系统的稳定性，再进行pcm编码之后，可以将其转换成nrz/rz等不同种类的基本编码形式，满足不同场合的仿真需求。