唐山学院
通信原理课程设计
题目模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析系 (部)
班级
姓名
学号
指导教师
2017 年 6 月 26 日至2017 年7月 8 日共 2 周
通信原理课程设计任务书
一、设计题目、内容及要求
设计题目：模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析
内容及要求：
1.了解Matlab/Simulink的运行环境及应用领域；
2.逐步熟悉模拟信号数字化传输系统的仿真过程，由简到难；
3.系统仿真及波形分析
(1) 模拟信号抽样过程原理与仿真分析；
(2) 模拟信号量化过程原理与仿真分析；
(3) PCM编译码系统设计与仿真分析；
(4) DPCM编译码系统设计与仿真分析。
(5) 在高斯信道下对PCM系统的性能进行仿真分析。（可选）
二、设计原始资料
通信原理；软件Matlab；计算机一台
三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）
设计说明书1份，不少于2000字，应包含模拟信号数字化传输系统原理、相关系统设计、相关软件Matlab/Simulink介绍、系统仿真及波形分析。
四、进程安排
第1-2天课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件
第3-4天相关系统设计
第5-6天系统仿真及波形分析
第7-8天整理、撰写说明书
第9-10天进行测试或答辩
五、主要参考资料
[1]樊昌信、曹丽娜.通信原理.北京:国防工业出版社，2006
[2]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京:电子工业出版社，2011
[3]邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版社，2008
[4]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版社，2012
[5]邵佳，董辰辉. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京:电子工业出版社，2009
指导教师（签名）：教研室主任（签名）：
课程设计成绩评定表
出勤情况出勤天数缺勤天数
成绩评定出勤情况及设计过程表现(20分) 课设答辩(20分)
设计成果(60分)
总成绩(100分)
提问(答辩) 问题情况综
合评定指导教师签名：
年月日
目录
前言................................................................. 1模拟信号抽样过程原理...............................................
1.1抽样原理......................................................
1.1.1低通型连续信号的抽样.....................................
1.1.2带通信号的抽样定理.......................................
1.2量化原理......................................................
1.2.1均匀量化.................................................
1.2.2非均匀量化...............................................
1.2.3 A律压缩律...............................................
1.2.4 13折线...................................................
1.3脉冲编码调制（PCM）..........................................
1.4差分脉冲编码调制（DPCM）....................................
2 Matlab/Simulink的简介.............................................
3 基于Simulink的模拟信号数字化传输的设计与仿真分析..................
3.1抽样过程的设计与仿真分析......................................
3.2量化过程的设计与仿真分析......................................
3.3 PCM编译码系统设计与仿真分析 .................................
3.3.1 PCM编码器设计 ..........................................
3.3.2 PCM解码器设计 ..........................................
3.3.3有干扰信号的PCM编码与解码...............................
3.4 DPCM编译码系统的设计与仿真分析..............................
4 总结............................................................... 5参考文献...........................................................
前言
通信系统中的信息传输已经基本数字化。在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提到日程上来，21世纪数字系统已经逐步取代模拟系统。尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。近年来提出的软件无线电技术，试图在射频进行模数转换，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化，这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展。
Simulink工具是MATLAB软件提供的可以实现动态系统建模和仿真的软件包，它让用户把精力从语言编程转向仿真模型的构造，为用户省去了很多重复的代码编写工作。Simulink中的每个模块对我们来说都是透明的，我们只须知道模块的输入、输出和每个模块的功能，而不需要关心模块内部是如何实现的，留给我们的事情就是如何利用这些模块来建立仿真模型以完成自己的任务。至于Simulink中的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样的，事件是如何驱动的等问题，我们可以不去关心。正是由于Simulink具有这些特点，所以它被广泛应用在通信仿真中。
1模拟信号抽样过程原理
1.1抽样原理
抽样是按照等时间等间隔进行的，模拟信号被抽样后成为抽样信号，把该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。抽样的抽样速率下限是由抽样定理确定的。抽样定理告诉我们，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输抽样定理得到的抽样值。因此该定理就为模拟信号的数字化传输提供了理论基础。
1.1.1低通型连续信号的抽样
定理内容：抽样定理在时域上可以表述为：对于一个频带限制在（0，f H）Hz内的时间连续信号f(t),如果以Ts≤1/(2f H)秒间隔对其进行等间隔抽样，则f（t）将被所得到的抽样值完全确定。
模拟信号抽样过程中各个信号的波形与频谱。
(a)模拟信号的波形及频谱
(b)冲激函数的波形及频谱
(c)抽样信号的波形及频谱
图1-1抽样过程中的信号波形与频谱
以下为两种情况下的频谱分析结果。但抽样频率小于奈奎斯特频率时，即如果ωs<2ωH，则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，如图1-2所示，当
抽样频率大于或等于奈奎斯特频率时，接收端回复出来的信号才与原信号基本一致。
(a)信号的频谱
(b)f s>2f m时抽样信号的频谱
(c)f s<2f m时抽样信号的频谱
图1-2两种情况下的抽样信号频谱分析
应该注意的一点是：抽样频率并不是越高越好。只要能满足抽样频率大于奈奎斯特频率，并留有一定的防卫带即可。
1.1.2带通信号的抽样定理
实际中遇到的许多信号是带通型信号，模拟信号的频率限制在f L～f H之间，f L为信号最低频率，f H为最高频率。而且当f H>B，其中B=f H-f L时，该信号通常被成为带通型信号，其中B为带通信号的频带。
对于带通信号，如果采用低通抽样定理的抽样速率f s≥2f h，对频率限制在f L 与f H之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求，如图1-3所示：
图1-3带通信号的抽样频谱
定理内容：一个带通信号f(t)，其频率限制在f L与f H之间，带宽为B=f h-f l，如果最小抽样速率f s=2f h/n，n是一个不超过f h/B的最大整数，那么f(t)就可以完全由抽样值确定。
下面两种情况说明：
（1）若最高频率f h为带宽的整数倍，即f h=nB。此时f h/B=n是整数，m=n，所以臭氧速率f s=2f h/m=2B。
（2）若最高频率f h不为带宽的整数倍，即f h=nB+kB,0 此时，f h/B=n+k,由定理知，m是一个不超过n+k的最大整数，显然，m=n，所以能恢复出原信号f（t）的最小抽样速率为： f s=2(f L+f H)/(2n+1) 式中n是一个不超过f H/B的最大整数，0 1.2量化原理 量化就是把经过抽样的得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。量化的结果使抽样信号变成量化信号，其值是离散的。故量化信号已经是数字信号了，可以看成是多进制脉冲信号。量化在连续抽样值和量化值之间产生误差，称为量化误差。 1.2.1均匀量化 如果用相等的量化间隔对抽样得到的信号做量化，那么这种量化方法称为均匀量化。 工作原理： 在均匀量化中，每个量化区间的量化电平取在各区间的中点。 其量化间隔△i取决于输入信号的变化范围和量化电平数。若设输入信号的最小值和最大值分别为a和b表示，量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为△i=（b-a）/M量化器输出为x=x l。 图1-4均匀量化特性与量化误差曲线 量化器的输入与输出关系可用量化特性来表示，语言编码常采用上图所示输入-输出特性的均匀量化器，当输入m在量化区间m i-1≤m≤m i变化时，量化电平q i是该区间的中点值。而相应的量化误差e q=m-m q与输入信号幅度m之间的关系曲线如上图所示。 过载区的误差特性是线性增长的，因而过载误差比量化误差大，对重建信号有很坏的影响。在设计量化器时，应考虑输入信号的幅度范围，是信号幅度不进入过载区，或者只能以极小的概率进去过载区。上述的量化误差e q=m-m q通常称为绝对量化误差，它在每一个量化间隔内的最大值均为△/2。 均匀量化广泛应用于现行A/D变换接口，例如在计算机中，M为A/D变化的位数，常用的有8位、12位、16位等不同精度。 1.2.2非均匀量化 非均匀量化的方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数采用对数式压缩。广泛采用的两种对数式压缩率是u压缩率和A 压缩率。 1.2.3A律压缩律 A压缩律的压缩特性为 Ax/(1+lnA) 0< x≤1/A Y= (1+lnAx)/(1+lnA) 1/A 其中，A是压缩系数，y是归一化的压缩器输出电压，x为归一化的压缩器输入电压。 图1-5 A律对数压缩特性 1.2.4 13折线 实际中，A压缩律通常采用13折线来近似，十三折线如图1-6所示，图中先把x轴的[0,1]区间分为8个不均匀段。 图1-6 13折线示意图 其具体分法如下： 将区间[0,1]一分为二，其中点为1/2，取区间[0,1/2]作为第八段； 将剩下的区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4，取区间[1/4,1/2]作为第七段； 将剩下的区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段； 将剩下的区间[0,1/8]再一分为二，其中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段； 将剩下的区间[0,1/16]再一分为二，其中点为1/32,取区间[1/32,1/16]作为第四段； 将剩下的区间[0,1/32]再一分为二，其中点为1/64,取区间[1/64,1/32]作为第三段； 将剩下的区间[0,1/64]再一分为二，其中点为1/128,取区间[1/128,1/64]作为第二段； 最后剩下的区间[0,1/128]作为第一段。 然后将y轴的[0,1]区间均匀的分成八段，从第一段到第八段分别为[0,1/8]、[1/8,2/8]、[2/8,3/8]、[3/8,4/8]、[4/8,5/8]、[5/8,6/8]、[6/8,7/8]、[7/8,1]分别与x轴的八段一一对应。 1.3脉冲编码调制（PCM） 若信源输出的是模拟信号，如电话机传送的语音信号等，要使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号即进行A/D变换，在接收端要进行D/A变换。对语音信号最典型的数字编码就是脉冲编码调制（PCM）。 脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值转换成二进制码组的过程。图1-7给出了脉冲编码调制的示意图。 (a)抽样脉冲(b)PCM抽样 (c)PCM量化(d)PCM编码 图1-7脉冲编码调制示意图 PCM系统的原理方框图如图1-8所示，输入的模拟信号m（t）经抽样、量化、编码后变换成数字信号，经信道传送到接收端的译码器，由译码器还原出抽样值，再经过低通滤波器滤出模拟信号。其中，量化与编码的组合成为A/D变换器；而译码与低通滤波的组合成为D/A变换。 图1-8 PCM通信系统方框图 1.4 差分脉冲编码调制（DPCM） PCM体制需要用64kb/s的速率传输1路数字电话信号，而传输1路模拟信号仅占用3kHz带宽。相比之下，传输PCM信号占用更大的带宽。为了降低数字电话信号的比特率，改进的方法之一是采用预测编码方法。DPCM是广泛应用 的一种预测方法。DPCM与预测编码类似，只是它有一个量化步骤。量化步骤和PCM中的量化步骤类似，可以是均匀量化，也可以是非均匀量化。 在预测编码中每个抽样值不是独立地编码，而是先根据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差。将此差值编码并传输。此差值称为预测误差。话音信号等连续变化的信号，其相邻抽样值之间有一定的相关性，这个相关性使信号中含有冗余信息。由于抽样值及其预测值之间有较强的相关性，即抽样值和其预测值非常接近，使此预测误差的可能取值范围比抽样值的变化范围小。 对于有些信号(例如图像信号)，由于信号的瞬时斜率比较大，很容易引起过载。因此，不能用简单增量调制进行编码。除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方法，只能采用瞬时压扩的方法。但瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这类瞬时斜率比较大的信号，通常采用一种综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方法进行编码，这种编码方式被简称为脉码增量调制，或称差值脉码调制，用DPCM表示。 2 Matlab/Simulink的简介 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。 当前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JA V A 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。 MATLAB有着强大的功能，可以用来进行多种工作，具体如下：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。 MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱扩展了MATLAB 环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。 Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为:从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。 Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库(Source) ,接收模块库（Sinks），连续系统模块库（Continuous），离散系统模块库（Discrete），非连续系统模块库（Signal Routing），信号属性模块库（Signal Attributes），数学运算模块库（Math Operations），逻辑和位操作库（Logic and Bit Operations）等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。 Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。 本次设计选择用Simulink而不是直接用Matlab编程，一定程度上减小了设计难度，而且设计效果更加直观。在库函数中可以找到相应的滤波器，乘法器等等，而且可以通过参数设置，近似的实现实际中的效果，因此能够更好地反映实际通信系统的情况。 3基于Simulink的模拟信号数字化传输的设计与仿真分析3.1抽样过程的设计与仿真分析 基于Matlab抽样过程的设计图如图3-1所示： 图3-1抽样过程的原理电路图 根据抽样定理的内容，对抽样过程进行设计，用正弦波作为原始输入信号，频率设置为10Hz，抽样脉冲的频率设置为30Hz，使得抽样频率大于基带信号最高频率的二倍。然后再通过一个低通滤波器，设置带宽为10Hz，从而滤除其他信号无失真的得到原始输入信号。 抽样过程示波器显示的图形如图3-2所示： 图3-2抽样过程波形图 在波形图中，第一个波形是原始正弦输入信号，第二个波形为抽样脉冲，第三个波形是抽样之后的波形，第四个波形为恢复之后的波形。 由于抽样频率大于基带信号最高频率的二倍，所以能够无失真的恢复出原始信号。 如果使正弦信号频率增大，或者降低抽样脉冲的频率，使其不满足无失真抽样的条件，最后输出的波形也不能无失真的恢复原始的正弦信号。 应该注意的一点是：抽样频率并不是越高越好。只要能满足抽样频率大于奈奎斯特频率，并留有一定的防卫带即可。 3.2量化过程的设计与仿真分析 基于Matlab量化过程的设计图如图3-3所示： 图3-3量化过程设计图 设计图中各模块参数的一系列设置如图3-4所示： 图3-4 Signal Generation参数设置图 LookupTable进行设置如图3-5所示，对单一斜率的原信号进行压缩，使其出现多个频率，以便于更好地量化。 图3-5 LookupTable参数设置图 对量化器参数进行设置如图3-6所示，对信号进行量化，分为八个量化间隔。 图3-6 Quantizer参数设置图 LookupTable1进行设置如图3-7所示，把各段的斜率进行详细设置，[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]。 图3-7 LookupTable1参数设置图 图3-8 Scope的仿真波形 设计图中示波器Scope的仿真波形如图3-8所示： 显示波形中，第一个波形显示的是原始波形，第二个波形是经过压缩之后的波形，压缩之后不再是斜率单一的直线，而是A律压缩波形。 设计图中示波器Scope1的仿真波形如图3-9所示： 图3-9 Scope1的仿真波形 显示波形中，第一个波形显示的是进行自然量化之后的波形，第二个波形是经过压缩之后再量化的波形，近似于13折线的波形。 3.3 PCM编译码系统设计与仿真分析 3.3.1 PCM编码器设计 PCM编码器的设计如图3-10所示： 图3-10 PCM编码器原理电路图 PCM编码器设计图中各模块的参数设置如下。 继电器设置如图3-11所示，在两个常数中选出一个作为输出。 图3-11 Relay参数设置图 限制信号变化范围,设置Saturation的参数，如图3-12所示： 图3-12 Saturation参数设置图 图3-13 输入输出绝对值设置图 A律压缩器进行相应的设置，如图3-14所示，对输入信号进行A律压缩。 图3-14 A律压缩器参数设置 量化器设置，以指定的时间间隔离散化输入，如图3-15所示： 图3-15量化器参数设置图 增益设置，即将模块的输入乘以一个数值，如图3-16所示： 图3-16增益参数设置 图3-17比特输出参数设置图 比特输出设置输出为7bit，如图3-17所示： 混合设置，将几条输入连线组合成一条向量连线，如图3-18所示： 图3-18 Mux参数设置图 3.3.2 PCM解码器设计 PCM解码器的设计如图3-19所示： 图3-19 PCM编码器设计图 Demux的输出设置为8，Mux的输出设置为7，起解混作用，将向量信号分解为多个信号。 其他模块的参数设置同编码器部分参数的设置相同。 3.3.3有干扰信号的PCM编码与解码 为了验证PCM编译码系统的特性，设计了一个有干扰的编译码过程。 有干扰信号的PCM编码与解码设计图如图3-20所示： 图3-20有干扰信号的PCM编码与解码设计图 部分的模块参数设置如下： 对输入信号进行设置，使其产生一个正弦波。 图3-21 Sine Wave参数设置图 对Zero-Oder-Hold设置，实现一个采样周期的零阶保持，如图3-22所示： 图3-22 Zero-Oder-Hold参数设置图 把数据打成帧格式，对一下模块进行设置，如图3-23所示： 图3-23 Frame Conversion参数设置图 对缓冲器进行设置，如图3-24所示： 图3-24 Buffer参数设置图 二进制对称信道设置，如图3-25所示： 图3-25 Binary Symmetric参数设置图 对缓冲器进行设置，如图3-26所示： 图3-26 Buffer1参数设置图 对数据设置，将一列数据变成矩阵，如图3-27所示： 图3-27 Reshape参数设置图 总体参数也需要进行设置，如图3-28所示： 图3-28总体参数设置图 设计图中示波器Scope的显示波形如图3-29、3-30所示： 图3-29示波器Scope1的显示波形 第一个波形是经过二进制对称信道的波形，第二个波形为经过信道以前的波形，由此可以看出，经过一个二进制对称信道以后，一部分波被衰减掉。 图3-30示波器Scope的显示波形 波形显示中第一个波形为经过PCM编码和解码之后的波形，第二个波形为原始波形的锯齿状波形。经过两个波形的对比可以发现，加入干扰之后恢复出来的波形与原始波形有一定的误差，但是仍然能够看出PCM编译码器的作用。3.4 DPCM编译码系统的设计与仿真分析 DPCM编译码的设计图如图3-31所示： 图3-31 DPCM编译码的设计图 对设计图中的部分模块进行设置。 首先对输入信号进行设置，使得产生一个正弦波，如图3-32所示： 图3-32输入信号参数设置图 对DPCM编码模块设置，此模块的作用就是对信号进行差分脉冲编码调制，如图3-33所示： 图3-33 DPCM编码模块的参数设置图 对DPCM解码模块设置，此模块的作用就是对经过差分脉冲编码调制的信号进行解码，如图3-34所示： 图3-34 DPCM译码模块的参数设置图 设计图中的示波器显示如图3-35所示： 图3-35示波器Scope的显示波形 示波器中显示的第一个波形为原始正弦锯齿状信号，第二个波形为经过DPCM编码系统之后的效果，第三个波形为DPCM译码系统之后的波形，由此可以看出经过编译码之后的波形与原始波形相比还是有一定误差的。但是定性的分析，DPCM编译码系统的性能要优于PCM编译码系统。 4 总结 通过本次课程设计我较系统地掌握了有关PCM脉冲编码调制的设计思路和设计方法，主要对MATLAB的仿真方法与开发环境等有了一定的了解并对其进 行测试和应用。掌握了利用MATLAB集成环境下的Simulink仿真平台,完成对脉冲编码调制系统的建模与仿真分析的基本方法。以前对PCM编码的了解只是理论层面上的，通过这次课程设计加深了对理论知识的理解，并对其在实际中的应用有了一定的了解。 在课程设计刚开始的时候，由于对MATLAB的使用不太熟悉觉得无从下手使课程设计进展困难。为此，我借助网络、图书等资源一步一步熟悉MATLAB，并在熟练的同学的帮助下，渐渐摸索找到了方法。我认识到在以后的学习过程中要时刻保持着刻苦钻研的精神和坚持不懈的毅力。本此课程设计的成功离不开自己的努力，离不开同学的帮助，更离不开指导老师的教育。老师一方面在理论课上很详细很专业的为我们讲解了本次课程设计的理论知识，让我对此在宏观上了解并能够掌握这些理论知识，为以后的实际操作提供了坚实的基础。另一方面在实际操作时也给我们很多技术上的指导让我们能在此过程中学到更多的操作技能。 总的来说，这次的课程设计让我受益匪浅。不仅是我体验到了动手操作的乐趣，而且培养了我的设计思维和增强了实践能力。 5参考文献 [1]樊昌信,曹丽娜.通信原理.北京:国防工业出版社.2006 [2]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京:电子工业出版社.2011 [3]邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版社.2008 [4]张水英,徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版社.2012 [5]邵佳,董辰辉. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京:电子工业出版社.2009 1、关于零件的建模过程，叙述一下 对这个零件的结构有基本思路,分析零件的基本特征,明确这些特征是用什么指令绘制出来的，然后在三维软件中绘制草图,之后在零部件模式下对所绘制的草图进行三维特征操作,例如拉伸,开槽,旋转,多截面实体,布尔运算,倒角等,具体操作步骤则根据实际零件的结构特征以及个人建模习惯而异。 2、关于参数化设计零件方面的优缺点，使用方面等，参数化设计过程 优缺点： 在进行参数化设计时，工作量繁重。 对复杂模型的建模更为复杂，工作量更为繁重。 使用简单快捷，只需要设定参数，即可快速绘制图形，即使不会使用三维软件的人也可以快速的制作模型。 参数化设计过程： 第一步：确定目的，明确所建模型能实现的功能，明白具体在模型中有哪些参数需要进行变化。 第二步：建模，建模过程中确定那些需要变化的参数，给这些参数赋予特殊的变量名。 第三步：编制可视化交互环境，实现人机交互，绘制软件界面，编写程序，确定所有参数的变化范围，建立数据库。 第四步：连接模型，将可视化环境与模型连接起来，完成参数化设计。 3、关于逆向方面：点云获取一方面，以及之后的误差冲哪几方面而来；曲面重建过程需要有个大致的了解 上课老师咋讲的你就咋写 逆向工程（反求工程）：一些列...分析方法和应用技术的组合，以现有的实物、样件、软件或影像为研究对象，以现代化设计理论、材料学、测量学。。。 反求工程按照对象分类：影像反求、软件反求、实物反求。 反求工程按照目的分类：形状反求、工艺反求、材料反求。 逆向工程产生误差的原因：测量误差、数据处理产生的误差、曲线拟合时产生的误差。 曲面重构的三种基本方法：1、任意形式之点云→建立特征线→曲面重建 2、包含圆角之点云→分块（移除圆角部分）→曲面重建→修剪曲面→重建精确圆角 3、具有基本型面的点云→分块→辨识及重构面 4、关于仿真分析方面的用处等一些实用 一方面：在实验前对实验可能的结果进行预测分析，辅助设计。 另一方面：航空航天等多方领域中存在大量的无法进行实验的情况，这个时候就需要仿真来进行实验。 模拟信号是将源信号的一些特征未经编码直接通过载波的方式发出，是连续的数字信号则是通过数学方法对原有信号进行处理，编码成二进制信号后，再通过载波的方式发送编码后的数字流，是离散的特点：模拟信号：将26个字母对应26种不同的颜色要传递时用不同颜色的滤光片改变电筒射出的光的颜色这里就会表现出模拟信号不可靠（容错性差、易受干扰）的缺点人对颜色的识别可能会有偏差大气对不同颜色的光线吸收程度不同数字信号：将26个字母编码成二进制数字（可参考莫尔斯电码）通过电筒光线的闪烁来传递信号由于光线的闪烁很容易分辨且不容易受到干扰这个通信方案的可靠性就比模拟信号更强模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。1．模拟通信模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。（1）保密性差模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。（2）抗干扰能力弱电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多2．数字通信（1）数字化传输与交换的优越性①加强了通信的保密性。②提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。③可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。（2）数字化通信的缺点①占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20?64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM信号占了几个模拟话路。对某一话路而言，它的利用率降低了，或者详它对线路的要求提高了。②技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。③进行模/数转换时会带来量化误差。随着大规模集成电路的使用以及光纤等宽频带传输介质的普及，对信息的存储和传输，越来越多使用的是数字信号的方式，因此必须对模拟信号进行模/数转换，在转换中不可避免地会产生量化误差数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。模拟信号与数字信号(1)模拟信号与数字信号不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(AnalogSignal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(DigitalSignal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断 模拟信号的数字化传输系统设计 摘要 本设计结合PCM的抽样、量化、编码原理，利用MATLAB软件编程和绘图功能，完成了对脉冲编码调制（PCM）系统的建模与仿真分析。课题中主要分为三部分对脉冲编码调制（PCM）系统原理进行建模与仿真分析，分别为采样、量化和编码原理的建模仿真。通过对脉冲编码调制（PCM）系统原理的仿真分析，设计者对PCM原理及性能有了更深刻的认识，并进一步掌握MATLAB软件的使用。 第一章绪论 数字通信系统由于具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而日常生活中大部分信号都是模拟信号。相对于模拟通信来说，数字通信有抗干扰能力强、保密性好、可以再生、没有噪声积累等优势。但是，现实生活中有很多模拟新源，模拟信源输出的信号是模拟信号，要将其在数字通信系统中进行传输，则必须经过相应的处理。研究模拟信号的数字化传输有着极其重要的意义。 在1937年，英国人里费（A.H.Reeves）提出了脉冲编码调制（PCM）方式。从此揭开了近代数字传输的序幕。PCM系统的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。另外，由于PCM可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合通信方式，而且还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。故它能较好地适应信息化社会对通信的要求。PCM的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。但是，随着数字技术的飞跃发展这些缺点也不重要。因此，PCM是一种极有发展前途的通信方式。 第二章MATLAB简介 2.1 MATLAB软件简介 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一 “计算机程序设计员（数字化设计与制造）”赛项 第一阶段：“三维扫描与创新设计”阶段 (总时间：2.5小时) 任 务 书 二〇一八年九月 注意事项 1.参赛选手在比赛过程中应该遵守相关的规章制度和安全守则，如有违反，则按照相关规定在考试的总成绩中扣除相应分值。 2.参赛选手的比赛任务书用参赛证号、场次、工位号标识，不得写有姓名或与身份有关的信息，否则视为作弊，成绩无效。 3.比赛任务书当场启封、当场有效。比赛任务书按一队一份分发，竞赛结束后当场收回，不允许参赛选手带离赛场，也不允许参赛选手摘录有关内容，否则按违纪处理。 4.各参赛队注意合理分工，选手应相互配合，在规定的比赛时间内完成全部任务，比赛结束时，各选手必须停止操作计算机。 5.请在比赛过程中注意实时保存文件，由于参赛选手操作不当而造成计算机“死机”、“重新启动”、“关闭”等一切问题，责任自负。 6.在提交的电子文档上不得出现与选手有关的任何信息或特别记号，否则将视为作弊。 7.若出现恶意破坏赛场比赛用具或影响他人比赛的情况，取消全队竞赛资格。 8.请参赛选手仔细阅读任务书内容和要求，竞赛过程中如有异议，可向现场裁判人员反映，不得扰乱赛场秩序。 9.遵守赛场纪律，尊重考评人员，服从安排。 10.所有电子文件保存在一个文件夹中，命名为“三维造型设计+工位号”，文件夹复制到赛场提供的U盘移动存储器中，装入信封封好，选手和裁判共同签字确认。 一、任务名称与时间 1.任务名称：三维扫描与创新设计。 2. 竞赛时间：2.5小时。 二、已知条件 电动剃须刀组件说明，图1是电动剃须刀实物照片。 图1 电动剃须刀组件照片(整个组件视为一整体) 图1中，1为品牌logo，2为指示灯，3为电源开关，4为剃须刀刀头部件。 三、数据采集与再设计任务、要求、评分要点和提交物 竞赛任务一：样品三维数据采集（15分） 参赛选手使用赛场提供的PowerScan型三维扫描装置和样件，选手自行将三维扫描仪重新标定，保证标定结果中的水平和垂直距离的标准偏差≤0.01mm。并将该状态截屏保存，格式采用图片jpg或bmp文件，文件命名为“工位号-biaoding”。“biaoding”是“标定”两个字的全拼。如图： 数字化设计及仿真 祝楷天 （盐城工学院优集学院江苏盐城224051） 摘要：制造业信息化的发展促使许多企业建立起了相应的CAD/CAM软件环境平台，并应用CAD/CAM软件进行产品的设计、分析、加工仿真与制造，取得了显著的效果。利用计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件系统来完成机床夹具设计过程是加速夹具设计效率、提高设计质量的一种重要手段。但现有的通用CAD/CAM软件没有针对机床夹具设计的完整技术手册资料和三维标准件图库系统，设计人员仍然需要使用传统的纸质工具手册书籍进行资料查询和标准件三维实体图绘制工作，影响了机床夹具设计的效率和质量。因此，研究机床夹具数字化设计手册软件和三维标准件图库系统对满足数字化时代工程技术人员的需要具有重要的作用。 关键词：机械产品；数字化；设计仿真。 Digital design and simulation ZHU Kai-tian （UGS College，Yancheng Institute of Technology，Yancheng，Jiangsu 224051）Abstract: The development of manufacturing industry has led many enterprises to set up the corresponding CAD/CAM software environment platform, and the application of CAD/CAM software for product design, analysis, processing simulation and manufacturing, has achieved remarkable results. Using computer aided design and manufacturing (CAD/CAM) software system to accomplish machine tool fixture design process is an important means to accelerate fixture design efficiency and improve design quality. But the existing general CAD/CAM software does not have the complete technical manual data and the 3D standard part library system for the machine tool fixture design, the design personnel still need to use the traditional paper tools manual books to inquire and the standard piece three-dimensional entity chart drawing work, has affected the efficiency and the quality of the machine tool jig design. Therefore, it is important to study the software and 3D standard part library system of the digital design of machine tool fixture to meet the needs of engineering and technical personnel in the digital age. Keywords: Mechanical products, Digitization , Design simulation. 基于matlab的模拟信号数字化仿真 作者：李亚琼 学号：1305160425 摘要 本文研究的主要内容模拟信号数字化Matlab软件仿真。若信源输出的是模拟信号，如电话传送的话音信号，模拟摄像机输出的图像信号等，若使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A变换。模拟信号数字化由抽样、量化、编码三部分组成。由于数字信号的传送具有稳定性好，可靠性高，方便传送和传送等诸多优点，使得被广泛应用到各种技术中。不仅如此，Matlab仿真软件是常用的工具之一，可用于通信系统的设计和仿真。在科研教学方面发挥着重要的作用。Matlab有诸多优点，编程简单，操作容易、处理数据迅速等。 本文主要阐述的是模拟信号数字化的理论基础和实现方法。利用Matlab提供的可视化工具建立了数字化系统的仿真模型，详细讲述了抽样、量化、编码的设计，并指出了在仿真建模中要注意的问题。在给定的仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。 关键词：Matlab、模拟信号数字化、仿真 1.1基本原理 模拟信号的数字传输是指把模拟信号先变换为数字信号后，再进行传输。由于与模拟传输相比，数字传输有着众多优点，因而此技术越来越受到重视。此变化成为A/D变换。A/D变换是把模拟基带信号变换喂数字基带信号，尽管后者的带宽会比前者大得很多，但本质上仍属于基带信号。这种传输可直接采用基带传输，或经过熟悉调制后再做频带传输。A/D变化包括抽样、量化、编码三个步骤，如图。 图1.模拟信号数字化 1.1.1抽样定理 抽样就是把模拟信号在时间上的连续变成离散的抽样值。而能不能用这一系列抽样值重新恢复原信号，就需要抽样定理来解决了。所以说，如果我们要传输模拟信号，可以通过传输抽样定理的抽样值来实现而不是非要传输原本的模拟信号。模拟信号数字化的理论基础就是抽样定理，抽样定理的作用不言而喻。 抽样定理：设时间连续信号) f，其最高截止频率为m f，如果用时间间 (t 飞机装配数字化应用 10503532 李凯 1 数字化装配协调技术 数字化协调方法也可称数字化标准工装协调方法，是一种先进的基于数字化标准工装定义的协调互换技术，将保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件与组件之间的尺寸和形状协调互换。 数字量传递协调路线: (1)飞机大型结构件(与飞机外形及定位相关)如框、梁，桁、肋、接头等用NC 方式加工， (2)在飞机坐标系下，工装设计人员以产品工程数模为原始依据，进行工装的数字化设计，并且在工装与产品定位相关的零件上用N C方式加工出所有的定位元素； (3)工装在装配时利用数字标工(数据)协调，采用激光自动跟踪测量系统测量，通过坐标系拟合，定位出零件的安装位置，满足安装基准的空间坐标及精度要求； (4)飞机钣金件模具数字化设计以及用NC方式加工，钣金零件数控加工。 2 数字化装配容差分配技术 容差数值直接影响产品的质量与成本，因而根据产品技术要求，进行零、组件的容差分析和设置，可以经济合理地决定零部件的尺寸容差，保证加工精度，提高产品质量，在满足最终设计要求的同时使产品获得最佳的技术水平和经济效益。 在产品装配前仅凭以往的经验或某个方案分配给每个零件公差，装配成产品后公差能不能达到产品设计的要求，难以定论。现在可通过数理统计的方法来模拟装配过程和次数，可看到最终形成产品的公差与零件的公差、零件的装配顺序等因素有关。在零件数模的基础上，对于我们关注的关键的质量特征，设定公差 和装配顺序，通过数理统计的方法仿真，分析各种因素对质量特性的影响程度，为查找质量问题的原因和改进容差分配提供了依据，不断仿真找出最优的公差分配方案。 3 自定位与无型架定位数字化装配技术 现代的飞机设计遵循面向制造的原则，在零件设计的时候就必须考虑以后零件的加工和装配。在工艺人员的建议下，飞机设计时对主要结构件(梁、框、肋和接头等)建立装配的自定位特征，如小的突耳、装配导孔、槽口和形成定位表面等，或者在产品结构设计的同时，把用来安放光学目标的工艺定位件设计到结构件上。但这些零件的自定位特征需要用数控方式精确加工，在实际装配过程中这些零件自己就能利用自定位特征定位，或应用激光跟踪仪和光学目标定位。 基于飞机产品数模和数字量尺寸协调，无型架定位数字化装配技术采用模块化、自动化的可重新配置的工装系统，大大简化了或减少了传统的复杂型架，缩短了工装设计与制造的时间，降低了工装成本，并提高了装配质量。 4 数字化装配工艺设计技术 数字化装配工艺设计技术是根据企业结构和制造流程在软件环境中构建企业的制造体系结构，包括产品、工艺和资源3个主要部分，完全可描述什么人、在什么地方、用什么工具、用什么方法、制造什么产品，当然也包含成本和时间。其中产品部分又分为EBOM、PBOM和MBOM三个分支，工艺又分为根据工艺分离面设计的工艺Process Plan和根据生产工位设计的工艺Production Plan，资源分为结构化的资源，包括工厂，车间、工段、工位、设备、工装、工具和人。资源又分为资源规划Resource Plan(又称制造概念)。其中成本包含在产品里，时间包含在工艺里，设备利用率包含在资源规划里。 利用设计部门发放的产品三维数模和EBOM，在三维可视环境下进行产品的装配工艺规划及工艺设计。将三维数模数据(属性)导入产品节点，并将三维数模数图形的路径关联到每个零件上，在编制工艺的任何时候都可预览零件和组件的三维图形，直观地反映装配状态。 在产品工艺分离面划分的基础上，对每个工艺大部件进行初步装配流程设 基于MATLAB的模拟信号数字化系统的研究与 仿真 摘要 本文研究的主要内容是《通信原理》仿真实验平台的设计与实现---模拟信号数字化Matlab软件仿真。若信源输出的是模拟信号，如电话传送的话音信号，模拟摄像机输出的图像信号等，若使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A变换。模拟信号数字化由抽样、量化、编码三部分组成。由于数字信号的传送具有稳定性好，可靠性高，方便传送和传送等诸多优点，使得被广泛应用到各种技术中。不仅如此，Matlab仿真软件是常用的工具之一，可用于通信系统的设计和仿真。在科研教学方面发挥着重要的作用。Matlab有诸多优点，编程简单、操作容易、处理数据迅速等。 本文主要阐述的是模拟信号数字化的理论基础和实现方法。利用Matlab提供的可视化工具建立了数字化系统的仿真模型，详细讲述了抽样、量化、编码的设计，并指出了在仿真建模中要注意的问题。在给定的仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。 关键词：Matlab、模拟信号数字化、仿真 绪论 1837年，莫尔斯完成了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营，这可认为是电信或者远程通信，也就是数字通信的开始。 数字化可从脉冲编码调制开始说起。1937年里夫提出用脉冲编码调制对语声信号编码，这种方法优点很多。例如易于加密，不像模拟传输那样有噪声积累等。但在当代代价太大，无法实用化；在第二次世界大战期间，美军曾开发并使用24路PCM系统，取得优良的保密效果。但在商业上应用还要等到20世纪70年代。才能取代当时普遍采用的载波系统。我国70代初期决定采用30路的一次群标准，80年代初步引入商用，并开始了通信数字化的方向。数字化的另一个动向是计算机通信的发展。随着计算机能力的强大，并日益被利用，计算机之间的信息共享成为进一步扩大其效能的必需。60年代对此进行了很多研究，其结果表现在1972年投入使用的阿巴网。 由此可见，通信系统中的信息传输已经基本数字化。在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提前到日程上来，21世纪已经逐步取代模拟系统。尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。近年来提出的软件无线电技术，试图在射频进行模数，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化，这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展。 工业产品数字化设计与 制造赛项 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】 附件7： 高职装备制造大类工业产品数字化设计与制造赛项技能竞赛规程、评分标准及选手须知 一、竞赛内容 竞赛总时间为小时，分为两个阶段进行。第一阶段为“数据采集、建模与创新设计”，含四个竞赛任务，本阶段竞赛时间为小时。第二阶段为“创新产品加工、装配验证”，含3个竞赛任务，本阶段竞赛时间为2小时，不限制每个阶段内各项任务的完成时间。第一、二阶段成绩分别占总成绩的70%和30%。 1．第一阶段：数据采集、建模与创新设计 任务1：实物三维数据采集。参赛选手使用现场提供的三维扫描设备和辅助用品等，对给定的实物进行三维数据采集，要求扫描点云数据完整，按点云完整比例评分，并使用专业软件将扫描点云数据与标准模型进行精确度自动比对，以精确度等级进行评分。该模块主要考核选手利用三维扫描设备进行数据采集的能力。 任务2：三维建模。参赛选手根据任务1三维扫描所采集的数据，选择合适的三维建模软件，对上述产品外观面进行三维数据建模，其中包含点云数据处理和建模。该模块主要考核选手的三维建模能力，特别是曲面建模能力。 任务3：结构创新优化设计。参赛选手在完成任务2的基础上，选择合适的三维建模软件，进行结构创新优化设计：以上结构创新优化设计要求依据零件结构工艺性等机械制造知识，很好地控制成本，并适应大批量生产的需求。该模块主要考核选手应用机械综合知识进行机械创新设计的能力。 任务4a：数控编程与加工（编程）。根据任务2和任务3建立的三维数字模型和赛场所提供的机床类型、毛坯规格和刀具清单进行工艺设计，并选择合适的软件对产品进行数控编程，生成加工程序，并编制加工工艺卡。该模块主要考核选手工艺编制和程序编制方面的能力。 2．创新产品加工、装配验证 任务4b：数控编程与加工（加工）。参赛选手根据（第一阶段）制定的加工工艺方案和数控程序，并根据赛场提供的机床、刀具、毛坯等，对该产品(零件)进行数控加工（第二阶段不再提供编程软件）。主要考核选手选用刀具、工 数字化设计及仿真应用 [摘要]制造业信息化的发展促使许多企业建立起了相应的CAD/CAM软件环境平台，并应用CAD/CAM软件进行产品的设计、分析、加工仿真与制造，取得了显著的效果。利用计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件系统来完成机械设计过程是加速设计效率、提高设计质量的一种重要手段。 本文首先介绍了数字化设计的概念和发展历史，然后展望了数字化设计的发展趋势，最后主要探讨了数字化设计和仿真分析技术的应用及效益。 [关键词]：机械产品；数字化设计；仿真分析 目录 1. 引言 (1) 2.数字化设计技术 (1) 2.1 数字化设计技术的特点 (1) 2.2 数字化设计技术发展历史 (2) 2.3 数字化设计技术发展趋势 (2) 3.数字化仿真技术 (2) 3.1 数字化建模技术 (2) 3.2 数字化仿真与虚拟现实技术 (3) 3.3 有限元分析技术 (3) 4.数字化设计及仿真的应用和效益 (4) 4.1 数字化设计及仿真的应用 (4) 4.2 数字技术带来的效益 (5) 4.2.1 产品设计的效益 (5) 4.2.1 工艺规划的效益 (5) 4.2.3 业务规划和生产效益 (6) 5.数字化设计及仿真的意义 (6) 5.1 数字化设计技术的意义 (7) 5.2 数字化仿真的意义 (7) 6. 结束语 (8) 1.引言 随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业环境发生了重大的变化。为此，制造企业的战略从20世纪50年代和60年代资源经济的“规模效益第一”，经过70年代和80年代“价格竞争第一”和“质量竞争第一”发展到90年代“市场响应速度第一”及面向21世纪知识经济的“技术创新第一”。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于：在制造企业中全面推行数字化设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术、系统及集成技术的应用，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，促进传统产业在各个方面的技术更新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。 数字化设计与制造是计算机辅助技术、系统及集成技术的重要组成部分，它是向网络化制造和虚拟化技术发展的基础，它使原有的传统制造业变成了智力型的工业，使企业主要通过资源要素如劳动力、设备、资金竞争逐渐变为以创新能力知本型为焦点的竞争。这正是知识经济时代最重要的特征。 2.数字化设计技术 随着信息技术和通信技术的发展，数字化时代正在到来．数字化技术是指利用计算机软硬件及网络、通信技术，对描述的对象进行数字定义、建模、存贮、处理、传递、分析、综合优化，从而达到精确描述和科学决策的过程和方法。数字化技术具有描述精度高、可编程、传递迅速、便于存贮、转换和集成等特点，因此数字化技术为各个领域的科技进步和创新提供了崭新的工具。 数字化技术与传统制造技术的结合称为数字化制造技术。30年来数字化制造的应用范围不断扩大，数字化制造技术已逐渐成为制造业信息化中的主流技术和核心技术．由于数字化技术是科学分析和科学决策的理论基础，提供了从定性到定量、从模糊到精确、从直觉到科学的工具，因而数字化技术推动了制造科学的发展和进步。 目前制造业的几个重要发展方向，如精密化、自动化、集成化、虚拟化、网络化、全球化，无一不与数字化技术的发展密切相关。因此，面对制造业全球化竞争的日益激烈，必须重视数字化制造技术在我国的形成和发展。 2.1 数字化设计技术的特点 20世纪有许多重大高新技术的应用，但没有一项技术的影响像信息技术和数字化技术那样深，那样广。由于数字化技术的可控性、可变性、离散性、可视性、集成性，产生了很多新的现代设计方法、工艺技术和管理模式。 数字化设计及仿真应用 [摘要］制造业信息化的发展促使许多企业建立起了相应的CAＤ／CAＭ软件环境平台，并应用C ＡD/ＣAＭ软件进行产品的设计、分析、加工仿真与制造，取得了显著的效果。利用计算机辅助设计和制造(CＡＤ/CAM）软件系统来完成机械设计过程是加速设计效率、提高设计质量的一种重要手段。 本文首先介绍了数字化设计的概念和发展历史,然后展望了数字化设计的发展趋势,最后主要探讨了数字化设计和仿真分析技术的应用及效益。 [关键词]:机械产品;数字化设计；仿真分析 ? 目录 1．?引言 (1) 2.数字化设计技术1? 2.１数字化设计技术的特点 (1) 2.2 数字化设计技术发展历史......................................................... 错误!未定义书签。 ２.3 数字化设计技术发展趋势 (2) 3.数字化仿真技术2? 3.1 数字化建模技术2? 3.2 数字化仿真与虚拟现实技术 (3) 3.３有限元分析技术....................................................................... 错误!未定义书签。 4.数字化设计及仿真的应用和效益................................................................................. ４ ４．1 数字化设计及仿真的应用 (4) ４.2 数字技术带来的效益 (5) 4．２.1 产品设计的效益5? ４.2.１工艺规划的效益?错误!未定义书签。 4．2.3 业务规划和生产效益 (6) 5.?数字化设计及仿真的意义6? ５.１数字化设计技术的意义......................................................................................... ７ 5.2 数字化仿真的意义7? 6．结束语8? 数字化设计与制造 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】 数字化设计与制造 一、背景 在计算机技术出现之前，机械产品的设计与加工的方式一直都是图纸设计和手工加工的方式，这种传统的产品设计与制造方式，这使得产品在质量上完全依赖于产品设计人员与加工人员的专业技术水平，而数量上则完全依赖于产品加工人员的熟练程度，而随着工业社会的不断发展，人们对机械产品的质量提出了更高要求，同时数量上的需求也不断增长。为了适应社会对机械产品在质量与数量上的需求，同时也为了能进一步降低机械产品的生产成本，人们在努力寻求一种全新的机械产品设计与加工方式，而二十世纪四五十年代以来计算机技术的出现及其发展，特别是计算机图形学的出现，让人们看到了变革传统机械产品设计与生产方式的曙光。于是，数字化设计与制作方式应运而生，人们逐步将机械产品的设计与加工任务交给计算机来做，这一方面使得机械产品的设计周期大大缩短，另一方面也使得产品的质量与数量基本摆脱了对于设计与加工人员的依赖，从而大大提升了产品的质量，降低了产品的生产成本，同时也使得产品更加适合批量化生产。 二、概念 数字化设计：就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术和网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。 数字化设计的内涵：支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等。 其基础是产品建模，主体是优化设计，核心是数据管理。 数字化制造：是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程。 数字化制造是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。 实验六数字化仿真技术 一、实验目的 1.掌握COSMOSWorks静态应力分析的方法和步骤 2.掌握COSMOSWorks优化设计的方法和步骤 二、实验内容 1.完成托架零件的静态应力分析 2.完成悬臂支撑架的形状优化 三、实验步骤 （一）零件的静态应力分析 托架由合金钢制作，在两个孔处固定，并承受有7Mpa 的力载荷，如图所示。 1.打开零件 打开零件“static.SLDPRT” 2.从 SolidWorks 材料库中指派合金钢材料： (1)单击菜单—>COSMOSWorks—>材料—>应用材料到所有，材质编辑器PropertyManager 出现。 (2)在材料下，执行如下操作： a.从下拉菜单中选择SolidWorks 材料。 b.单击钢后面的加号，然后选择合金钢。 c.合金钢的机械属性出现在物理属性框中。 (3)单击确定。 指派的材料名称显示在 FeatureManager 树中。 3.生成静态研究 (1)单击 COSMOSWorks 管理器标签。 (2)单击 COSMOSWorks 主工具栏上研究。 (3)在 PropertyManager 的名称下面： a.键入“静态-1”。 b.在网格类型中选择“实体网格”。 (4)在类型下，单击静态。 (5)单击确定。 COSMOSWorks 将在 COSMOSWorks 管理器树中生成研究。注意，实体图标上的复选标记表示您已指派了材料。 4.固定两个孔： (1)单击 COSMOSWorks 载荷工具栏上的约束。约束 PropertyManager 出现。 (2)在类型下，选择“不可移动（无平移）”。 (3)在图形区域中，单击两个孔的面（如图显示）。 面<1> 和面<2> 会出现在约束的面、边线、顶点框内。 要更改约束符号的颜色，单击“符号设定”下的“编辑颜色”。颜色调色板打开。选择所需的颜色，然后单击确定。 (4)单击确定。 COSMOSWorks 固定两个孔的面，在 COSMOSWorks 管理器树中的载荷/约束文件夹内生成名称为“约束-1”的图标。 5.应用压力： (1)单击 COSMOSWorks 载荷工具栏上的约束。压力 PropertyManager 出现。 (2)在“压力类型”下，单击“垂直于所选面”。 (3)在图形区域中，选择圆柱体的前面（如图显示）。面<1> 出现在“压力的面”框 内。 (4)在“压力值”下，设定单位为“SI”，然后在“压力值”框内键入7e6。 如果您通过键入新值改变了单位，COSMOSWorks 会将值转换成新的单位。单击确定。 数字化设计与制造的现状和关键技术 一、数字化设计与制造的发展现状 数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）、工艺设计（CAPP）、工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。 由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展。 作为制造业的一个分支，船舶行业要实现跨越式发展，必须以信息技术为基础。世界造船强国从CAX开始，逐步由实施CIMS、应用敏捷制造技术向组建“虚拟企业”方向发展，形成船舶产品开发、设计、建造、验收、使用、维护于一体的船舶产品全生命周期的数字化支持系统，实现船舶设计全数字化、船舶制造精益化和敏捷化、船舶管理精细化、船舶制造装备自动化和智能化、船舶制造企业虚拟化、从而大幅度提高生产效率和降低成本。所谓数字化设计就是运用虚拟现实、可视化仿真等技术，在计算机里先设计一条“完整的数字的船”。不仅可以点击鼠标进入船体内部参观一番，还可以在虚拟的大海中看它的速度、强度、抗风浪能力。这样一来船舶设计的各个阶段和船、机、舾、涂等多个专业模块在同一数据库中进行设计。 船舶是巨大而复杂的系统，由数以万计的零部件和数以千计的配套设备构成，包括数十个功能各异的子系统，通过船体平台组合成一个有机的整体。造船周期一般在10个月以上，既要加工制造大量的零部件，又要进行繁杂的逐级装配，涉及物资、经营、设计、计划、成本、制造、质量、安全等各个方面。这样的一个复杂的系统需要非常强大的信息处理能力。我国船舶行业今年来虽有很大的发展，但与国际造船强国相比，无论在产量，还是在造船技术上差距甚大，信息化水平落后是直接原因。其中，集成化设计系统与生产进程联系不紧密、船舶零部 飞机产品数字化设计制造技术以全面采用数字化产品定义．数字化预装配、产品数据管理、并行工程和虚拟制造技术为主要标志，从根本上改变了飞机传统的设计与制造方式，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平。 20世纪80年代后期以来，随着计算机信息技术和网络技术的发展，以美国为首的西方发达国家开始研究飞机产品数字化设计制造技术。这项技术以全面采用数字化产品定义、数字化预装配、产品数据管理、并行工程和虚拟制造技术为主要标志，从根本上改变了飞机传统的设计与制造方式，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平。 我国的飞机数字化装配技术尚处于起步阶段，与发达国家相比还存在较大差距，主要表现在： (1)飞机的研制过程仍采用串行模式； (2)虽然部分环节已经实现数字量传递，但仍存在信息孤岛现象，尚未打通飞机数字化设计、制造生产整个流程； (3)工艺、工装设计在时间、空闻与产品设计上存在滞后，造成飞机装配协调困难； (4)装配工人在现场工作需要仔细翻阅大量的图纸、工艺文件等，会出现工作上的失误，造成装配质量问题，影响装配周期。 飞机数字化装配技术 1数字化装配协调技术 数字化协调方法也可称数字化标准工装协调方法，是一种先进的基于数字化标准工装定义的协调互换技术，将保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件与组件之间的尺寸和形状协调互换。 数字量传递协调路线如下： (1)飞机大型结构件(与飞机外形及定位相关)如框、梁，桁、肋、接头等用NC方式加工， (2)在飞机坐标系下，工装设计人员以产品工程数模为原始依据，进行工装的数字化设计，并且在工装与产品定位相关的零件上用N C方式加工出所有的定位元素； (3)工装在装配时利用数字标工(数据)协调，采用激光自动跟踪测量系统测量，通过坐标系拟合，定位出零件的安装位置，满足安装基准的空间坐标及精度要求； (4)飞机钣金件模具数字化设计以及用NC方式加工，钣金零件数控加工。 2数字化装配容差分配技术 容差数值直接影响产品的质量与成本，因而根据产品技术要求，进行零、组件的容差分析和设置，可以经济合理地决定零部件的尺寸容差，保证加工精度，提高产品质量，在满足最终设计要求的同时使产品获得最佳的技术水平和经济效益。 在产品装配前仅凭以往的经验或某个方案分配给每个零件公差，装配成产品后公差能不能达到产品设计的要求，难以定论。现在可通过数理统计的方法来模拟装配过程和次数，可看到最终形成产品的公差与零件的公差、零件的装配顺序等因素有关。在零件数模的基础上， 第七章 模拟信号的数字传输 数字通信系统中信道中传输的是数字信号。但自然界中，有些信源是以模拟形式出现的，如话音、图像等。因此在进行数字通信往往需先对信号（模拟的）数字化。模拟信号数字化属信源编码范围，当然信源编码还包括并/串转换、加密和数据压缩。本章重点讨论模拟信号数字化的基本方法，主要有PCM 、Δm 、ADPCM,还有其它VQ 、LPC 和CELP 。 模拟信号数字化的过程（得到数字信号）一般分三步：抽样、量化和编码。 其中“抽样”指抽取样值，抽取样点。抽样的多少，快慢对通信的性能指标有决定影响。抽样类似物理实验中实验曲线的描绘方法，测样点太少容易失真，；太多即费时又费力。在通信中抽样点太少容易失真；太多时数据量大，传输时间长，效率低。（带宽大，因Rb 大）。 如何抽样，由下面的抽样定理描述。 抽样定理是数字通信的基础。下面引出定理，给出必要的证明，再说明其具体应用。 7.1抽样定理 一 低通抽样定理 1、定理描述 频率受限于（0，H f ）的时间连续信号m(t) ,若抽样频率s f 不小于2 H f ，则m(t)可被其抽样值s m (t) 完全确定。（写完后解释，或强调两点）。 2、证明： s m (t)包含m(t)的全部信息；从s m (t)可无失真恢复m(t)。 抽样过程如图： T (t)m(t)(t)δ= s T 1 M ()M()()2ωωδωπ = * T s n (t)(t nT )δδ∞ =-∞= -∑ T s s n ()(n )δ ωωδωω∞ =-∞ =-∑ s s s n m (t)m(nT )(t nT )δ∞ =-∞ =-∑ s s n s 1 M ()M(n )T ωωω∞ =-∞ = -∑ s m(t)=m (t)h(t)* s M()M ()H()ωωω= H H 21,H(W)G ()0,ωωωω? ≤?==? ?? 其它 H H H a H H sin t h(t)S (t)t ωωωωππω= = s H f 2f ≥ 时，得到的M()ω不失真。 抽样频率s f 不同时，s M ()ω的变化如图： 实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析 一、实验目的 1. 进一步掌握Simulink 软件使用的基本方法； 2. 熟悉信号的压缩扩张； 3. 熟悉信号的量化； 4. 熟悉PCM 编码与解码。 二、实验仪器 带有MATLAB 和SIMULINK 开发平台的微机。 三、实验原理 3.1 信号的压缩和扩张 非均匀量化等价为对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量 化。中国和欧洲的PCM 数字电话系统采用A 律压扩方式，美国和日本 则采用μ律方式。设归一化的话音输入信号为[ 1, 1] x∈? ，则 A 律压缩器的输出信号y 是： 其中，sgn(x) 为符号函数。A 律PCM 数字电话系统国际标准中， 参数A=87.6。 Simulink 通信库中提供了“A-Law Compressor”、“A-Law Expander”以及“Mu-Law Compressor”和“Mu-Law Expander”来实 现 A 律和? 律压缩扩张计算。 压缩系数为87.6 的A 律压缩扩张曲线可以用折线来近似。16 段折 线点坐标是 其中靠近原点的4 段折线的斜率相等，可视为一段，因此总折线 数为13 段，故称13 段折线近似。用Simulink 中的“Look-Up Table ” 查表模块可以实现对13 段折线近似的压缩扩张计算的建模，其中，压 缩模块的输入值向量设置为 [-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] 输出值向量设置为[-1:1/8:1] 扩张模块的设置与压缩模块相反。 3.2 PCM 编码与解码 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。A 律PCM 数字电话系统中规定：传输话音信号频段为300Hz到3400Hz ，采样率为8000 次/ 秒，对样值进行13 折线压缩后编码为8bit二进制数字序列。因此，PCM 编码输出的数码速率为64Kbps 。 PCM 编码输出的二进制序列中，每个样值用8 位二进制码表示， 其中最高比特位表示样值的正负极性，规定负值用“0 ”表示，正值用“1 ”表示。接下来3 位比特表示样值的绝对值所在的8 段折线的段落号，最后 4 位是样值处于段落内16 个均匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM 编码的低7 位相当于对样值的绝对值进行13 折线近似压缩后的7bit 均匀量化编码输出。 四、实验内容 1. 设计一PCM 编码器，要求该编码器能够对取值在[-1 ；1] 内的归一 化信号样值进行编码； 2. 设计一个对应于以上编码器的PCM 解码器； 3. 在以上两项内容的基础上，建立PCM 串行传输系统，并在传输信 道中加入指定错误概率的随机误码。 五、实验过程 1、PCM编码器建模与仿真 框图 参数设置：saturation限幅器：上限值为1，下限值为-1. Relay：数字化设计与仿真考试
模拟信号和数字信号的对比
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基于matlab的模拟信号数字化仿真.
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