單路數(shù)字語音通信系統(tǒng)的仿真

1、 湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計課程名稱 通信原理課程設(shè)計 課題名稱 單路數(shù)字語音通信系統(tǒng)的仿真 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 曾志剛 2015 年 1 月6 日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱 通信原理 題 目 單路數(shù)字語音通信系統(tǒng)的仿真 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)號： 指導(dǎo)老師 曾志剛 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 2014 年12 月 22 日設(shè) 計 完成日期 2015 年 1 月 6 日 設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求一、設(shè)計內(nèi)容：利用SystemView對一個單路語音數(shù)字通信系統(tǒng)進行仿真，信道視為理想信道，語音編碼方式和調(diào)制方式不限。1、確定一個單路語音通信系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖；2、利用

2、SystemView對系統(tǒng)進行仿真。二、設(shè)計要求1、給出系統(tǒng)框圖以及仿真電路圖，說明各模塊參數(shù)設(shè)置；2、給出語音編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼的仿真結(jié)果，并對其進行分析；主要設(shè)計條件SystemView軟件；說明書格式1. 課程設(shè)計封面；2. 任務(wù)書；3. 說明書目錄；4. 設(shè)計基本原理與系統(tǒng)框圖。5. 各單元電路設(shè)計；6. 系統(tǒng)進行調(diào)試結(jié)果；7. 總結(jié)與體會；8. 附錄；9. 參考文獻。進度安排12月22日：下達(dá)設(shè)計任務(wù)書，介紹課題內(nèi)容與要求； 12月23日：查找資料；12月24日12月27日：設(shè)計系統(tǒng)框圖、完成仿真電路圖的連接；12月28日31日：設(shè)置調(diào)試仿真參數(shù)，得出仿真結(jié)果并進行分析；1月1日

3、1月5日：編寫并打印設(shè)計報告；1月6日：答辯。參考文獻1、樊昌信主編，通信原理，國防工業(yè)出版社。2、南利平主編，通信原理簡明教程，清華大學(xué)出版社。 3、浣喜明，通信原理實驗指導(dǎo)書，湖南工程學(xué)院。4、羅衛(wèi)兵等，SystemView動態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計，西安電子科技大學(xué)出版社。 目錄一 設(shè)計思路1二 各模塊電路設(shè)計與仿真2.編碼與譯碼21基本原理22、設(shè)計與仿真5調(diào)制與解調(diào)71、基本原理72、設(shè)計與仿真9三、系統(tǒng)總體設(shè)計及調(diào)試13四、總結(jié)與體會16五 附錄17六、參考文獻23一 設(shè)計思路信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號，根據(jù)傳輸信號的不同，我們將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，一般

4、來說數(shù)字通信系統(tǒng)其有效性和可靠性都強于模擬通信系統(tǒng)，所以現(xiàn)實生活中的模擬信號通常被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便信號高效可靠的傳輸。數(shù)字傳輸一般分為數(shù)字基帶傳輸和數(shù)字調(diào)制傳輸，數(shù)字調(diào)制能提高信號的性能，特別是抗干擾能力，能有效利用頻帶，將信息變換為便于傳送的形式，所以通常將數(shù)字信號進行調(diào)制后再進行傳輸。在本次設(shè)計中我們要求實現(xiàn)單路數(shù)字語音的通信，在發(fā)送端為實現(xiàn)信號有效高速的傳輸，首先把模擬語音信號通過抽樣、量化、編碼轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字基帶信號，編碼后為了使數(shù)字信息在帶通信道中傳輸，須用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，將載有信息的信號頻率搬遷到信道的頻帶之內(nèi)，使信號與信道的頻譜特性相匹配，減少噪聲的干擾。在接收端，首先

5、將調(diào)制信號解調(diào)，得到數(shù)字基帶信號，通過解碼后，還原為原來的模擬信號。二 各模塊電路設(shè)計與仿真.編碼與譯碼1基本原理將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，要經(jīng)過抽樣、量化、編碼。常用的編碼方式有PCM、DPCM、DPCM等編碼方式，由于PCM抗干擾能力強，失真小，傳輸特性穩(wěn)定等眾多優(yōu)點，被廣泛用于在通信系統(tǒng)中完成將模擬信號數(shù)字化功能。通常把從模擬信號抽樣，量化，編碼，直到變換成為二進制符號的基本過程，稱為脈沖編碼調(diào)制PCM，簡稱脈碼調(diào)制。抽樣即是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下

6、限是由抽樣定理確定的。量化即是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。編碼即是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模/數(shù)變換，可記作A/D。1）抽樣抽樣可以看做周期性單位沖激脈沖與模擬信號相乘，由奈奎斯特定理可以得出，要想還原模擬信號，其抽樣頻率必須大于模擬信號最高頻率的兩倍。2）量化在量化時可以采用均勻量化，也可以采用非均勻量化，均勻量化是在抽樣信號的取值范圍內(nèi)均勻劃分量化等級的量化方法。它產(chǎn)生的

7、量化噪聲也是均勻的，與信號在取樣點的幅度無關(guān)。因此，均勻量化會出現(xiàn)話音弱時的信噪比低、干擾大，而話音強時的信噪比高、干擾小的反常情況。故本次課程設(shè)計采用非均勻量化。非均勻量化的具體辦法是壓縮、擴張法，即在發(fā)送端對抽樣信號先進行壓縮處理再均勻量化，壓縮器特性曲線在小信號時的斜率大，大信號時的斜率小，使抽樣信號的小樣值部分被充分放大，大樣值部分被適當(dāng)壓縮。被壓縮的抽樣信號雖然再經(jīng)過均勻量化，但在接收端，解碼后的被壓縮量化抽樣信號之量化信噪比卻得到了均衡，故能在較高的信噪比下，用與壓縮器特性正好相反的擴張器恢復(fù)被壓縮抽樣信號的本來面目。國際電信聯(lián)盟ITU提供兩種建議，即A壓縮律和壓縮律。我國大陸采用

8、A壓縮律。實際中采用13折線法來近似A壓縮律的曲線。3）編碼量化后的信號，已經(jīng)是取值離散的數(shù)字信號。下一步的問題是如何將這個數(shù)字信號編碼。得到量化電壓，可以采取不同的編碼方法對其編碼。即自然二進制碼和折疊二進制碼。由于折疊碼使編碼電路變得簡單，且其誤碼對小電壓的影響較小，有利于較小語音信號的平均量化噪聲，故采用折疊碼進行編碼。近似A壓縮律的13折線法中采用的折疊碼有8位。其中第一位表示量化值的極性正負(fù)，后面的7位分為段落碼和段內(nèi)碼兩部分。其中第24位是段落碼，其他4位為段內(nèi)碼。段內(nèi)碼代表的16個量化電平是均勻劃分的，但是各個段落的斜率不等，長度不等，所以不同段落的量化間隔是不同的。 2、設(shè)計與

9、仿真根據(jù)PCM原理的系統(tǒng)框圖，用SystemView做出的仿真如圖2-2所示。圖2-2PCM系統(tǒng)的仿真圖在SystemView系統(tǒng)仿真軟件中，提供了A律和 律兩種標(biāo)準(zhǔn)的壓縮器和擴張器，在此仿真中我們采用A律。系統(tǒng)時間設(shè)置，采樣頻率為200Hz，抽樣點數(shù)為256各圖符功能及參數(shù)設(shè)置：（1）圖符14的掃頻信號和圖符15的低通濾波器來產(chǎn)生隨機模擬信號。（2）圖符2為A率壓縮器，用于對模擬信號的非均勻量化。（3）圖符3為8位的A/D轉(zhuǎn)換器，用于實現(xiàn)對信號的抽樣及編碼，其中每一個抽樣值編碼為8位的二進制碼。（4）圖符13為D/A轉(zhuǎn)換器，用于將鎖存器送來的8位二進制碼進行譯碼，轉(zhuǎn)換為模擬值。（5）圖符5為

10、A率的擴張器，用于對還原的壓縮信號進行擴張恢復(fù)。（6）圖符11為截止頻率為25Hz的低通濾波器，用于對還原的信號濾除高頻分量，恢復(fù)出原始信號。圖2-3分別為信號源波形，壓擴后的波形，恢復(fù)的波形。圖2-3仿真結(jié)果調(diào)制與解調(diào)1、基本原理信號的調(diào)制有幅度鍵控調(diào)制2ASK，頻率鍵控調(diào)制2FSK，相移鍵控2PSK和差分相移鍵控法2DPSK這四種基本方法。在前三種調(diào)制中2PSK有最好的誤碼性能，但在傳輸系統(tǒng)中存在相位不確定性，容易造成接收碼元“0”和“1”的顛倒，產(chǎn)生誤碼，所以我們一般用差分相移鍵控法2DPSK對數(shù)字信號進行調(diào)制。1）調(diào)制2DPSK信號的產(chǎn)生過程是，首先對數(shù)字基帶信號進行差分編碼，即由絕對

11、碼變?yōu)橄鄬Υa（差分碼）然后進行絕對調(diào)相。差分碼可取傳號差分碼和空號差分碼。傳號差分碼的編碼規(guī)則為：式中為模2加，為的前一個碼元，最初的可任意設(shè)定。在使用傳號差分碼的條件下，載波相位遇1變遇0不變，載波相位的相對變化攜帶了數(shù)字信息。2DPSK調(diào)制框圖如圖2-4所示：2）解調(diào)對2DPSK信號的解調(diào)有兩種辦法，第一種是相位比較法，又稱差分解調(diào)，直接比較相鄰碼元的相位，從而判決接收碼元是“0”還是“1”。為此，需將前一碼元延遲一碼元時間，然后將當(dāng)前碼元相位和前一碼元相位作比較。另一種是相干解調(diào)，解調(diào)出來是相對碼，所以需將其做逆碼變換。用差分解調(diào)法時不需要恢復(fù)本地載波，只需由收到的信號單獨完成。將2DP

12、SK信號延時一個碼元間隔Ts，然后與2DPSK信號本身相乘。相乘器起相位比較的作用，相乘結(jié)果經(jīng)低通濾波后再抽樣判決，即可恢復(fù)出原始數(shù)字信息。差分解調(diào)框圖如圖2-5所示2DPSK信號位同步抽樣判決LPF延遲Ts圖2-5差分相干解調(diào)框圖2、設(shè)計與仿真根據(jù)以上框圖在SystemView做出仿真圖如圖2-6所示。圖2-6 2DPSK差分解調(diào)仿真圖各圖符功能及參數(shù)設(shè)置：（1）圖符0為偽隨機信號，用以產(chǎn)生一系列的隨機數(shù)字信號。（2）圖符1（異或）、7（延遲）組成了碼反變換部分，把信號延遲一個碼元周期后與當(dāng)前碼元相異或，得到相對碼。圖符7的抽樣保持用于延遲一個碼元周期。（3）圖符2、9用于相對碼的絕對調(diào)相。

13、（4）圖符3、8為延遲解調(diào)，將收到的信號延遲一個碼元周期后與當(dāng)前信號相乘。（5）圖符4為三階的Butterworth低通濾波器，截止頻率為20Hz，濾除高頻分量。（6）圖符5、10為抽樣保持，6、11組成抽樣判決部分，還原出信號。 系統(tǒng)時間設(shè)置:采樣頻率為1000HZ，采樣點數(shù)為2048。運行該模塊得到的結(jié)果如圖2-7所示：圖2-7 2DPSK差分解調(diào)仿真波形從上到下依次為調(diào)制波形、差分碼；DPSK信號、乘法器輸出；濾波器輸出和最后經(jīng)過抽樣判決得到的解調(diào)信號；第一個波形為原始數(shù)字信號，即絕對碼；第二個波形為碼反變換后的波形，即相對碼，可以看到該波形符合“1變，0不變”的規(guī)則。第三個波形為調(diào)制后

14、的波形，該波形屬于對相對碼的絕對調(diào)相。第四個波形為解調(diào)時延遲相乘后的波形；第五個波形為經(jīng)過低通濾波器后的波形；第六個波形為解調(diào)后經(jīng)抽樣判決得到的波形，第一和第六個位輸入輸出比較圖，可以看出解調(diào)基本成功。三、系統(tǒng)總體設(shè)計及調(diào)試在實際傳輸中， 在發(fā)送端，A/D轉(zhuǎn)換后將一個抽樣值轉(zhuǎn)換為并行的8位二進制碼，所以發(fā)送時須先經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換方能發(fā)送。在總體設(shè)計圖中圖符79為8選一數(shù)據(jù)選擇器，用于實現(xiàn)編碼得到的8位二進制碼的并串轉(zhuǎn)換及分時傳送。圖符12、13、19、20組成了一個8進制計數(shù)器，用于控制8選一數(shù)據(jù)選擇器的分時發(fā)送。在接收端同樣要先串并轉(zhuǎn)換再鎖存才能進行D/A轉(zhuǎn)換。同時在接收端要正確區(qū)分8位數(shù)據(jù)的開

15、始與結(jié)束，才能正確還原出原始信號，否則，接收端譯碼出來的信號與原始信號將不一致。圖符24為8位移位寄存器，用于實現(xiàn)8位分時傳送的數(shù)據(jù)的接收及串并轉(zhuǎn)換。圖符30為8位鎖存器，用于將接收到的數(shù)據(jù)每8位作為一個整體鎖存。輸入的模擬信號頻率為30Hz，根據(jù)奈奎斯特定理，A/D轉(zhuǎn)換器的抽樣頻率（即圖符22）取30Hz。每個抽樣值轉(zhuǎn)換為8位的二進制碼，在仿真中因為數(shù)據(jù)選擇器（圖符79）為邊沿觸發(fā)，計數(shù)器（圖符19）的計數(shù)頻率為抽樣信號的16倍即480Hz才能達(dá)到預(yù)期效果。同理，移位寄存器（圖符24）的頻率也為480Hz。每接收8位數(shù)據(jù)，鎖存器（圖符30）鎖存一次，故鎖存器的頻率要與數(shù)據(jù)選擇器一致。為使其信

16、號同步，故使用同一個脈沖信號即圖符13，經(jīng)過八分頻輸入19、133兩個計數(shù)器，分別輸入數(shù)據(jù)選擇器和鎖存器。在解碼端JK觸發(fā)器（圖符98）用來鎖存初始信號。將以上PCM編解碼部分加上并串、串并接口及2DPSK調(diào)制和解調(diào)部分連接起來，就得到一個能實現(xiàn)單路語音通話的系統(tǒng)。總系統(tǒng)圖及有關(guān)參數(shù)見附錄。下圖分別為輸出波形，壓擴后波形，PCM編碼輸出（2DPSK調(diào)制解調(diào)輸入）波形，2DPSK解調(diào)波形（PCM解碼輸入），解壓后的波形，解碼輸出。由第一個波形和最后一個來看，除了一些細(xì)小的地方，信號基本上得到恢復(fù)單路語音通信系統(tǒng)仿真成功。四、總結(jié)與體會 剛剛接到課題時，我像大多數(shù)同學(xué)那樣，感覺很茫然，有很多知識自

17、己還不懂，所以我去了圖書館借了幾本通信原理教程書，專門針對幾個仿真模塊好好的看了遍課本。然后就是去熟悉system view仿真軟件。通過一邊看老師的課件一邊練習(xí)一些簡單的操作慢慢的熟悉了軟件的繪圖仿真，其實熟悉了軟件的圖庫后去繪圖是蠻簡單的，最復(fù)雜的是參數(shù)的設(shè)置。一開始仿真的時候我總是得不到正確的仿真圖形，最后沒有辦法又去同學(xué)那借來通信系統(tǒng)仿真一書，按照書上的參數(shù)去設(shè)置最后才得到正確的仿真圖形。當(dāng)然在仿真的時候還遇到了其他問題，比如數(shù)據(jù)選擇器，移位寄存器和鎖存器工作原理。此次的設(shè)計還算成功，但有些地方還是做得不足，如設(shè)計中的延時，抽樣保持等，從而導(dǎo)致仿真圖形沒能達(dá)到同步。這些需要我們在以后的

18、學(xué)習(xí)中進一步探索。這次的課程設(shè)計不僅加深了對課本知識的理解，有利于接下來的通信原理考試外，同時對整個單數(shù)語音通信系統(tǒng)也有了更好的理解。最后衷心的感謝曾老師的悉心指導(dǎo)和朋友的熱情幫助，謝謝大家！五 附錄總體仿真圖如圖所示：各圖符具體參數(shù)設(shè)置如表5.1所示。表5.1 各圖符參數(shù)TokenAttributeTypeParameters0SourceGaussNoiseS,td Dev = 500e-3 vMean = 0 v4CommCompanderA-Law, Max Input = ±112LogicInvertGate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-

19、3 vTrue Output = 1 v,False Output = 0 v,Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec13Source Pulse TrainAmp = 1 v,Freq = 480 Hz,PulseW = 1.04167e-3 sec,Offset = -500e-3 v, Phase = 0 deg14OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR 5 Poles Fc = 10 Hz,Quant Bits = None,Init Cndtn = 0,DSP Mode Disable15LogicADCTw

20、o's Complement,Gate Delay = 0 secThreshold = 500e-3 v,True Output = 1 vFalse Output = 0 v,No. Bits = 8 Min Input = -1.28 v,Max Input = 1.27 vRise Time = 0 sec,Analog = t4 Output 0Clock = t22 Output 0,Output 0 = Q-0 t79 , Output 1 = Q-1 t79 ,Output 2 = Q-2 t79 ,Output 3 = Q-3 t79 ,Output 4 = Q-4

21、t79 ,Output 5 = Q-5 t79 ,Output 6 = Q-6 t79 ,Output 7 = Q-7 t79 ,Output 8 = Q-8 ,Output 9 = Q-9 ,Output 10 = Q-10 ,Output 11 = Q-11 , Output 12 = Q-12 ,Output 13 = Q-13 , Output 14 = Q-14 ,Output 15 = Q-1519LogicCntr-4Gate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-3 v,True Output = 1 v,False Output = 0 v,Rise

22、Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec,P-Enable* = t20 Output 0,CEP = t20 Output 0,CET = t20 Output 0,Clock = t13 Output 020SourceStep FctAmp = 1 v,Start = 0 sec,Offset = 0 v21SourceStep FctAmp = 0 v,Start = 0 sec,Offset = 0 v24LogicShft-8inGate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-3 v,True Output = 1 v,False Out

23、put = 0 v,Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec,Input A = t157 Output 0,Input B = t27 Output 0,Clock = t13 Output 0, MR* = t98 Output 0,Output 0 = Q-0 t3027SourceStep FctAmp = 1 v,Start = 0 sec,Offset = 0 v30LogicLatch-8TGate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-3 v,True Output = 1 v, False Output = 0 v,Ris

24、e Time = 0 sec, Fall Time = 0sec,Data D-0 = t24Output 7,Data D-1 = t24,Output 6,Data D-2 = t24 Output 5,Data D-3 = t24 Output 4,Data D-4 = t24 Output 334CommDeCompand A-Law,Max Input = ±135Operator Linear SysButterworth Lowpass IIR 5 Poles, Fc = 10 Hz,Quant Bits = None,Init Cndtn = 0,DSP Mode D

25、isabled79LogicMux-D-8Gate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3 v,True Output = 1 v,False Output = 0 v,Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec, S-0 = t19 Output 0,S-1 = t19 Output 1, S-2 = t19 Output 2,I-0 = t15 Output 0I-1 = t15 Output 198LogicFF-JK*Gate Delay = 0 sec, Threshold = 500e-3 v,True Output = 1

26、v,False Output = 0 v,Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec,Set* = t99 Output 0,J = t99 Output 0,Clock = t13 Output 0, K* = t99 Output 0,Clear* = t99 Output 099SourceStep FctAmp = 1 v,Start = 0 sec, Offset = 0 v101SinkAnalysis Input from t14 Output Port 0132LogicInvertGate Delay = 0 sec,Threshold = 500

27、e-3 v True Output = 1 v False Output = 0 v Rise Time = 0 sec Fall Time = 0 sec133LogicCntr-4Gate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-3 v True Output = 1 v,False Output = 0 v Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec P-Enable* = t134 Output 0 CEP = t134 Output 0,CET = t134 Output 0,Clock = t13 Output 0,MR* = t1

28、32 Output 0,Input P-0 = None,Input P-1 = None,Input P-2 = None,Input P-3 = None, Output 0 = Q-0 ,Output 1 = Q-1 , Output 2 = Q-2 ,Output 3 = Q-3 t132 t30 ,Output 4 = T-Count134SourceStep Fct Amp = 1 v,Start = 0 sec,Offset = 0 v141LogicDACTwo's Complement,Gate Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v,N

29、o. Bits = 8 Min Output = -1.28 v,Max Output = 1.27 v,D-0 = t30 Output 0,D-1 = t30 Output 1,D-2 = t30 Output 2,D-3 = t30 Output 3, D-4 = t30 Output 4,D-5 = t30 Output 5,D-6 = t30 Output 6,D-7 = t30 Output 7,D-8 = None,D-9 = None,D-10 = None,D-11 = None,D-12 = None,D-13 = None,D-14 = None,D-15 = None1

30、56OperatorXOR Threshold = 500e-3,True = 1 False = -1157OperatorCompare Comparison = <= True Output = 1 v False Output = 0 v A Input = t163 Output 0 B Input = t166 Output 0158OperatorDelayNon-Interpolating Delay = 2e-3 sec,Output 0 = Delay t156 ,Output 1 = Delay dT159OperatorDelayNon-Interpolating,Delay = 2e-3 sec Output 0 = Delay t161 ,Output 1 = Delay dT160MultiplierNon Parametric Inp