通信原理三級(jí)項(xiàng)目數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 郭 耀 華 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)：通信工程 1 班 課程名稱：通 信 原 理 指導(dǎo)教師：許 成 謙 月 4 年 2015數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 郭耀華 （燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院） 摘要：本文是關(guān)于一個(gè)數(shù)字語音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先介紹數(shù)宇通信系統(tǒng)的基本原理，然后分別從信源編碼、信道編碼和數(shù)宇調(diào)制與解調(diào)三個(gè)方面介紹本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)信源編碼中脈沖編碼調(diào)制采用非均勻量化，A 律壓縮 13 折線法編碼，非均勻量一可以得到較高的信噪比并且非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。信道編碼采用循環(huán)碼，

2、循環(huán)碼的編碼和解碼設(shè)備都不太復(fù)雜，而且糾錯(cuò)的能力較強(qiáng)。在數(shù)宇調(diào)制中采取了二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制方式，此方法利用數(shù)字基帶信號(hào)控制在波的頻率來傳送信息，解調(diào)時(shí)用了相干解調(diào)，方法簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵字:信源編碼與譯碼 信道編碼與譯碼 數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 1 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本原理 1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)的模型 信息源 1.2 它的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，信源分為模擬信源和數(shù)字源。本文的偷入信號(hào)采用模擬信源，通過 A/U 轉(zhuǎn)換把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)包括三個(gè)步驟:抽樣、量化和編碼。模擬號(hào)首先被抽樣。通常抽樣是按照等時(shí)間間隔進(jìn)行的，雖然在理論上并不是必須如此的。模擬信號(hào)被

3、抽樣后，成為抽樣信號(hào)，它在時(shí)間上是離散的，但是其值仍然是連續(xù)的，所以是離散模擬信號(hào)。第二步是量化。量化的結(jié)果使抽樣信號(hào)變成量化信號(hào)，其取值是離散的。故量化信號(hào)已是數(shù)宇信號(hào)了，它可以看成是多進(jìn)制的數(shù)字脈沖信號(hào)。第三步是編碼。 第一步:抽樣的定理。設(shè)一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào) m(t)中的最高頻率fh 介且?guī)捠艿较拗茣r(shí)，則以間隔時(shí)間為T1/2 fH 的周期性沖擊脈沖對(duì)它抽樣時(shí)，信號(hào)不發(fā)生混疊，即奈全斯特的定理。 第二步:量化。模擬信號(hào)的抽樣值為 m (KT)，其中 T 是抽樣周期，k 是整數(shù)。量化原理公式:mg(kT=qi;當(dāng)mi-1m(KT)m 在非均勻量化時(shí)，量化間隔是隨信隨號(hào)抽樣值的不同而變化的。信

4、號(hào)抽樣值小時(shí)，量化間隔也小;信號(hào)抽樣值大時(shí)，量化間隔也大。非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法通常是在進(jìn)行量化之前，先將信一號(hào)抽樣值壓縮，再進(jìn)行均勻量化。其壓縮是用一個(gè)非線性電路將輸入電壓 x 變換成輸出電壓 y：y=f(x) 第三步:脈沖編碼調(diào)制。通常把從模擬信號(hào)抽樣、量化，直到變換成為二進(jìn)制符號(hào)的過程， 稱為脈沖編碼調(diào)制。 1.31.3 信源編碼與譯碼 它的基本功能一是提高信息傳愉的有效性，即通過某種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率。碼元速率決定傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬反映了通信的有效性。二是完成模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，即當(dāng)信息源給出的是模擬信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的

5、數(shù)字化傳輸。信源譯碼是信源編碼的逆過程。 1.41.4 信道編碼與譯碼 信道編碼的目的是增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力。數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)受到噪聲等影響后將會(huì)引起差錯(cuò)。為了減小差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分(監(jiān)督碼)，組成所謂的“抗干擾編碼” 。接收端的信道譯碼器按相應(yīng)的逆規(guī)則進(jìn)行解碼，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，提高通信系統(tǒng)的可靠性。 數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 1.5 二進(jìn)制頻移鍵控，是用載波的頻率來攜帶二進(jìn)制信息的調(diào)制方式。也就是說，0 值對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率 f1, 1 對(duì)應(yīng)另一個(gè)頻率 f2。二進(jìn)制頻移鍵控可以采用模擬信號(hào)調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn);但更容易實(shí)現(xiàn)的方法是鍵控法。 由于二進(jìn)制頻移鍵控已

6、調(diào)信號(hào)可以看作兩個(gè)不同載波的幅度鍵控已調(diào)信號(hào)之和，它的頻帶寬度是兩倍的基帶信號(hào)寬度(B)和|f2-f1|之和，2FSK 鍵控法理論框圖如圖所示。 2FSK 的解調(diào)有很多方法，本系統(tǒng)采用相干解調(diào)，原理圖 3 如圖所示 2 脈沖編碼調(diào)制 2.12.1 脈沖編碼調(diào)制 脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)是概念上最簡(jiǎn)單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM 的編碼原理比 系統(tǒng)的原理框圖：PCM較直觀和簡(jiǎn)單，下圖為圖中，輸入的模擬信號(hào) m(t)經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號(hào)（PCM 信號(hào))，經(jīng)信逆?zhèn)鬏數(shù)竭_(dá)接收

7、端，由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列，再由低通濾波器濾出模擬基帶信號(hào) rn (t)。通常，將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器(A/D 變換器);而譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A 變換器)。前者完成由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換，后者則相反，即完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的變換。 PCM 在通信系統(tǒng)中完成將語音信號(hào)數(shù)字化功能，它的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù) CCITT 的建議，為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化，有兩種建議方式，分別為 A 律和 律方式，我國(guó)采用了 A 律方式，由于A 律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折

8、線法編碼，采用非均勻量化 PCM 編碼。 2.2 PCM 編碼原理 抽樣 所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。 量化 量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來表示。 從數(shù)學(xué)上來看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。一個(gè)模擬信一號(hào)經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。 如下圖所示，量化器輸出 L 個(gè)量化值 y，k=1，

9、2 ，3，L。y 常稱為重建電平或量化電kk平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度 X 落在 x 與 x 之間時(shí)，量化器輸出電平為 y。這個(gè)量化過程可以kkk+1表達(dá)為: y=Q(x)=Qxxx=y, k =1,2,3, kkk+1這里 x 稱為分層電平或判決閥值。通常 k=x-x 稱為量化間隔。 kk+1k模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。 (a).均勻量化： 用這種方法量化輸入信號(hào)時(shí)，無論對(duì)大的輸入信號(hào)還是小的輸入信號(hào)一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號(hào)，同時(shí)又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對(duì)話音信號(hào)來說，大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這

10、個(gè)不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法。 (b).非均勻量化： 非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其量化間隔v 也小;反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度(實(shí)際中常常是這樣)時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比;其次，非任均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào) 抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。 實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)

11、數(shù)壓縮律是 壓縮律和 A 壓縮律。美國(guó)采用 壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用 A 壓縮律，所謂 A 壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律: 由于 A 律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 13 折現(xiàn)法編碼，壓擴(kuò)特性如下圖所示 A 律 13 折線壓擴(kuò)特性圖 這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所用到的 PCM 編碼正是采用這種壓擴(kuò)特性來進(jìn)行編碼的。 編碼編碼 所謂編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的編碼和譯碼與差錯(cuò)控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。 在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分，大致可分為兩大類:低速編碼和高速編

12、碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類:逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型、棍合型。在逐次比較型編碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合 13 折線的量化來加以說明。 在 段內(nèi)量化 折 1 段落段落序號(hào)線 111115 中 1110141118 無 110113 輸 110012 110 7 信號(hào) 1011 11 是正 1010 10 101 6 是 1001 9 負(fù)，100 5 1000 8 均按 0111 7 段 8011 4 0110 6 折線 0101 5 8（010 3 0100 4 個(gè)段 0011 3 落）001 2 0010 2 進(jìn)

13、行 0001 1 編 000 1 0000 0 碼。位折疊二進(jìn)制碼來表示輸入信號(hào)的抽樣量化值，其中用第一位表示量化值的極性，其余 8 若用 第二位至第八位(七位)則表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。個(gè)段落的起點(diǎn)種可能狀態(tài)來分別代表 8:具體的做法是用第二至第四位表示段落碼，它的 8 個(gè)均勻劃分的量化 16 種可能狀態(tài)來分別代表每一段落的 16 電平。其余四位表示段內(nèi)碼，它的級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8 個(gè)段落被劃分成 128 個(gè)量化級(jí)。段落碼和 8 個(gè)段落之間的關(guān)系如表 1 所示;段內(nèi)碼與 16 個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表 2。 3 3 信道編碼和譯碼信道編碼和譯碼 在數(shù)字電視和通信系統(tǒng)中，為提高信息傳輸可靠性

14、，廣泛使用了其有一定糾錯(cuò)能力的信道編碼技術(shù)，如奇偶校驗(yàn)碼、行列監(jiān)督碼、恒比碼、漢明碼、循環(huán)碼(CRC)等編碼技術(shù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性，或者一說增加整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性。對(duì)信逆編碼有以下要求:1.透明性：要求對(duì)所傳消息的內(nèi)容不加任何限制;2.有糾錯(cuò)能力;3.效率高：為了與信道頻譜匹配和具有糾錯(cuò)能力，通常要向原信號(hào)添加一些碼，要求加入最少的比特?cái)?shù)而得到最大的利益;4.包含適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)信息。在這些要求中，除編碼的必須信息外，所作的處理主要有兩條:一是要求碼列的頻譜特性適應(yīng)信道的頻譜特性從而使傳輸過程中能量損失最小，提高信噪比。減少發(fā)生差錯(cuò)的可能性;二是增加糾錯(cuò)能力，使得即便出現(xiàn)差錯(cuò)，也能得

15、到糾正。 3.1 差錯(cuò)控制的基本概念 差錯(cuò)控制的特點(diǎn) 由于通信線路上總有噪聲存在，噪聲和有用信息中的結(jié)果，就會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。噪聲可分為兩類，一類是熱噪聲，另一類是沖激噪聲，熱噪聲引起的差錯(cuò)是一種隨機(jī)差錯(cuò)，亦即某個(gè)碼元的出錯(cuò)具有獨(dú)立性，與前后碼元無關(guān)。沖激噪聲是由短暫原因造成的。 差錯(cuò)控制的基本方式 差錯(cuò)控制方式，基本上分為兩類，一類稱為“反饋糾錯(cuò)” ，另一類稱為“前向糾錯(cuò)” 。在這兩類基礎(chǔ)上又派生出一種稱為“混合糾錯(cuò)” 。 (1)反饋糾錯(cuò) 這種方式在是發(fā)信端采用某種能發(fā)現(xiàn)一定程度傳輸差錯(cuò)的簡(jiǎn)單編碼方法對(duì)所傳信息進(jìn)行編碼，加入少量監(jiān)督碼元，在接收端則根據(jù)編碼規(guī)則收到的編碼信號(hào)進(jìn)行檢查，一量檢測(cè)出(發(fā)

16、現(xiàn))有錯(cuò)碼時(shí)，即向發(fā)信端發(fā)出詢問的信號(hào)，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問信一號(hào)時(shí)，立即重發(fā)已發(fā)生傳輸差錯(cuò)的那部分發(fā)信息，直到正確收到為止。所謂發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)是指在若干接收碼元中知道有一個(gè)或一些是錯(cuò)的，但不一定知道錯(cuò)誤的準(zhǔn)確位置。 (2)前向糾錯(cuò) 這種方式是發(fā)信端采用某種在解碼時(shí)能糾正一定程度傳輸差錯(cuò)的較復(fù)雜的編碼方法，使接收端在收到信碼中不僅能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼，還能夠糾正錯(cuò)碼。采用前向糾錯(cuò)方式時(shí)，不需要反饋信道，也無需反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸時(shí)間，對(duì)實(shí)時(shí)傳輸有利，但是糾錯(cuò)設(shè)一備比較復(fù)雜。 (3)混合糾錯(cuò) 混合糾錯(cuò)的方式是:少量糾錯(cuò)在接收端自動(dòng)糾正，差錯(cuò)較嚴(yán)重，超出自行糾正能力時(shí)，就向發(fā)信端發(fā)出詢問信一號(hào)，要求重發(fā)。因此，

17、 “混合糾錯(cuò)”是“前向糾錯(cuò)”及“反饋糾錯(cuò)”兩種方式的混合。 對(duì)于不同類型的信道，應(yīng)采用不同的差錯(cuò)控制技術(shù)，否則就將事倍功半。 反饋糾錯(cuò)可用于雙向數(shù)據(jù)通信，前向糾錯(cuò)則用于單向數(shù)字信號(hào)的傳輸，例如廣播數(shù)字電視 系統(tǒng)，因?yàn)檫@種系統(tǒng)沒有反饋通道。 4 數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 為了使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸，必須用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。如同傳輸模擬信號(hào)時(shí)一樣，傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)也有三種基本的調(diào)制方式：幅度鍵控、頻 移鍵控、相移鍵控。它們分別對(duì)應(yīng)于用正弦波的幅度、頻率和相位傳遞數(shù)宇基帶信號(hào)，可以看成是模擬線性調(diào)制角調(diào)制的特殊情況。 4.1 2FSK 調(diào)制原理 2FSK 信號(hào)的產(chǎn)生 2FSK 是利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載

18、波的頻率來傳送信息。例如， “1”碼用頻率 fl 來傳愉， “0”碼用頻率 f2來傳輸，而其振幅和初始相位不變。故其表示式為 式中，假設(shè)碼元的初始相位分別為 1 和 2；w1=2f1 和 w2=2f2 為兩個(gè)不同的碼元的角頻率;幅度為A 為一常數(shù)，表示碼元的包絡(luò)為矩形脈沖。 2FSK 信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種: (1)模擬法，即用數(shù)字基帶信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。如下圖(a)所示。 (2)鍵控法，用數(shù)字基帶信號(hào) g (t)及其反相 g (t)分別控制兩個(gè)開關(guān)門電路，以此對(duì)兩個(gè)載波發(fā)生器進(jìn)行選通。如圖(b)所示。 這兩種方法產(chǎn)生的 2FSK 信號(hào)的波形基本相同，只有一點(diǎn)差異，即由調(diào)頻器產(chǎn)生的 2FSK 信號(hào)在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的，而鍵控法產(chǎn)生的 2FSK 信號(hào)，則分別有兩個(gè)獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，故相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。 由鍵控法產(chǎn)生原理可知，以為相位離散的 2FSK 信號(hào)可以看