數(shù)字電話通信系統(tǒng)的模擬與仿真

1、大慶師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）大慶師范學(xué)院本科生畢業(yè)論文數(shù)字電話通信系統(tǒng)的模擬與仿真學(xué) 院 機電工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 研 究 方 向 應(yīng)用性 學(xué) 生 姓 名 黨 方 學(xué) 號 201101071516 指導(dǎo)教師姓名 王鳳嬪 指導(dǎo)教師職稱 講師 2015年 5月 17日摘 要當(dāng)今社會已經(jīng)進(jìn)入了信息發(fā)展時代，在各種各樣的信息技術(shù)中，信息的傳輸及通信起著重要作用。而對于信息的傳輸，數(shù)字通信已經(jīng)成為重要的手段，因此信號的調(diào)制方式也由模擬方式向數(shù)字方式轉(zhuǎn)變。本文根據(jù)當(dāng)代通信技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合數(shù)字電話通信系統(tǒng)的模擬仿真，利用Simulink工具箱建立數(shù)字電話通信系統(tǒng)的仿真模型，對PCM數(shù)字電話通信

2、系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬仿真，認(rèn)真說明仿真參數(shù)的設(shè)置，檢查仿真結(jié)果，并和實際結(jié)論進(jìn)行比較，該分析方法可以應(yīng)用到其他的通信系統(tǒng)仿真中，具有普遍的意義。關(guān)鍵詞: 通信系統(tǒng)； 數(shù)字電話； Simulink； 仿真AbstractNow it is information society,In the all of information technologies, the transmission and communication of informatio

3、n take an important effect. For information transmission, digital communication has become an important tool, so the way of signal modulation is converted from analog to 

4、the digital mode continuously and widely.Depending on the development of todays communication technologies.this thesis combining digital telephone communication system to  simulation, Establ

5、ish a simulation model of digital telephone communication system by using MATLAB toolbox. digital telephone system are dynamically simulated for the PCM , detail set of s

6、imulation data, analysis and compared with the actual conclusion. And that the analysis method can be applied to other communication systems simulation which has universal sig

7、nificance.Keywords：communication  systems ；digital  telephone；Simulink；analysisI目 錄第一章 前言11.1 數(shù)字電話的發(fā)展歷史11.2 本課題的模擬與仿真的分析1第二章 系統(tǒng)構(gòu)建32.1 系統(tǒng)構(gòu)建思路32.2 模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號32.3 信號調(diào)制解調(diào)42.4 傳輸信道52.5 信道編碼5第三章 系統(tǒng)運行與調(diào)試63.1 語音信號仿真63.2 仿真原理模型6第四章 模擬仿真的論述84.1 仿真結(jié)果84.2 模擬仿真的分析84.3 誤差分析9第五章 結(jié)束語105.1 對過程的討

8、論105.2 總結(jié)10參考文獻(xiàn)11附 錄12II第一章 前言1.1 數(shù)字電話的發(fā)展歷史何為“數(shù)字電話”，隨著網(wǎng)絡(luò)通訊和移動電話的的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的固定電話越來越不能滿足人們的需求，在新技術(shù)的不斷引導(dǎo)下1，新電話時代的革命隨之而來，利用當(dāng)今新興的 IT技術(shù)，結(jié)合老式的電話機，制造出的被稱作革命者的新的電話機才能真正被稱為“數(shù)字電話”。這種新的電話機從根本上說就是結(jié)合 IT技術(shù)和電腦的芯片，在舊式的電話機的類型上，生產(chǎn)出一種具有計算機和手機作用的新式電話機，是一種高端化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。二十一世紀(jì)初，國內(nèi)第一臺數(shù)字電話機產(chǎn)生，這是由漢王科技生產(chǎn)的，它集語音通話、PDA、Network、掃描等功能于一體，

9、漢王科技的總裁這樣理解自己的產(chǎn)品：“這種電話機涵蓋多種功能，包括炒股信息、中外媒體以及氣象消息等，數(shù)字電話機的未來發(fā)展方向就是：必須要有一定的前瞻性和高度的自動化。1.2 本課題的模擬與仿真的分析數(shù)字電話就是采用數(shù)字電路方式來處理語音信號，它的優(yōu)點是語音的辨別能力很高、抗干擾能力強、保密性能也比傳統(tǒng)的電話機好。 就現(xiàn)在來說，大部分家用的有線電話機都是模擬機，這種類型的電話機一般都不是數(shù)字的，因此電信公司的通訊設(shè)備大部分還是建立在模擬基礎(chǔ)上，數(shù)字型的大都用在高科技上，用于子機與主機之間的通訊，然而主機與電信局的通訊方式還不是數(shù)字的。數(shù)字電話機具有智能性，版本低的移動電話擁有類似QQ的留言板、數(shù)據(jù)

10、顯示、拒接來電、來電分辨功能等。版本比較高的移動電話，除了包含那些普通電話機的全部功能，還具有額外的一些用處，比如可以像QQ一樣，雙方可以面對面交流。因此，數(shù)字電話通訊體系也就是在移動數(shù)字范圍內(nèi)能仿真出來模擬聲音。圖1-1 數(shù)字通信原理框圖本項目針對數(shù)字電話通信系統(tǒng)進(jìn)行模擬與仿真分析，經(jīng)過對各種仿真軟件的分析比較，再結(jié)合具體情況，最終決定采用MATLAB語言。 MATLAB語言中的2Simulink能模擬動態(tài)結(jié)構(gòu)的編程，這種工具可以使用戶把注意力集中于模型的搭建，而不再是復(fù)雜的程序設(shè)計過程，節(jié)約了用戶的時間和精力。這種工具的優(yōu)點就是好學(xué)好用，利用鼠標(biāo)簡單的移動，就可以變動模塊框圖的位置，從而能

11、夠快速的構(gòu)造這個體系的模具結(jié)構(gòu)，由于具有這種優(yōu)勢， Simulink不斷的在數(shù)控系統(tǒng)和信號與線性系統(tǒng)的復(fù)雜仿真和現(xiàn)實工具中得到很多的應(yīng)用。第二章 系統(tǒng)構(gòu)建2.1 系統(tǒng)構(gòu)建思路模擬信號經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，用數(shù)字的方式來傳送模擬的話音信號的形式就是數(shù)字電話系統(tǒng)， 固然，在調(diào)制器被正確使用的時候，即便是老式的固定通訊系統(tǒng)同樣能實現(xiàn)移動信息的傳輸。移動通訊技術(shù)指的是模擬聲音信號在數(shù)字通信體制中運行，每當(dāng)輸入一段連續(xù)的模擬信號，就必須在數(shù)字通信系統(tǒng)的信源編碼處對模擬信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，也就是我們常說的“模/數(shù)”變換，將輸入的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號時，可將數(shù)字電話通信系統(tǒng)分為抽樣、量化、編

12、碼、調(diào)制、信道五大模板。再根據(jù) Matlab語言來描述移動通訊技術(shù)的仿真，把 simulink工具箱中不同的模塊拖曳到一塊，之后將構(gòu)建好的模塊結(jié)合在一起，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)定，最后進(jìn)行整體仿真，得到仿真結(jié)果。 圖2-1 語音信號編譯碼的構(gòu)成2.2 模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號脈沖編碼調(diào)制( PCM， Pulse Code Modulation)具有這樣的作用，能夠在通訊體制中完成模擬信號變化為數(shù)字信號， 這也是一種模數(shù)變換的抽樣技能，進(jìn)行 A/ D變換的編碼方法，對音頻信號的變換尤其重要。PCM 對信號每秒鐘取樣 8000 次，一次取8位，總共 64 kbps。PCM的實現(xiàn)主要包括三個步驟：抽樣、量

13、化、編碼。首先進(jìn)行抽樣處理，輸入的話音信息是模擬信號，最開始進(jìn)行抽樣時，一般是按等時間間隔進(jìn)行抽樣的，盡管在理論上并不是必須如此。 抽樣信號是模擬信號被等間隔取樣得到的離散模擬信號。其次是量化，量化就是將之前抽樣的時間離散的模擬信號轉(zhuǎn)化為取樣值也離散的數(shù)字信號。 所以從根本來說，最后得到的就是數(shù)字脈沖信號。按照量化級的劃分方式，一種是均勻量化，另一種是非均勻量化，均勻量化有著固定的量化級，還具有量化噪聲的均方根值不容易變化的不足，因此，隨著量化信號不斷減弱時，信號量化噪聲功率也隨之減小，如果給出小頻率信號，量化信噪比就永遠(yuǎn)得不到規(guī)定的數(shù)值，很明顯，假如決定使用均勻量化的方式，那么信號的動態(tài)范圍

14、將會被控制在一定的條件下，在應(yīng)用中，對于小信號，非均勻量化具有更高的效率。量化間隔是按照相鄰兩個電平直接的距離來確定的，非均勻量化是電平間的取值不均勻得到的，所以量化間隔與取值區(qū)間的大小息息相關(guān)。最后進(jìn)行編碼，脈沖編碼調(diào)制（PCM）是通信原理實驗中經(jīng)常使用的方式，編碼可以采用二進(jìn)制、四進(jìn)制等方法，但我國一般采用13折線法進(jìn)行編碼。 除此之外，增量調(diào)制和差分脈沖編碼調(diào)制被普遍認(rèn)為是一些簡易的壓縮編碼方式。2.3 信號調(diào)制解調(diào)圖2-2 如果想得到二進(jìn)制信號，可以采用PCM編碼方式。 信號調(diào)制是將原始的基帶信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?，簡單的說也就是基帶信號隨著載波信號幅值大小變化，由于基帶信

15、號的不同，調(diào)制可以被劃分為模擬相位調(diào)制和數(shù)字基帶調(diào)制。調(diào)制的目的有兩個：便于發(fā)送、提高信道的利用率。解調(diào)是調(diào)制的逆過程，所以信號解調(diào)也即是從通信體系中恢復(fù)出原來的信息。2.4 傳輸信道我們把發(fā)送端解調(diào)器輸出端至接收端解調(diào)器輸入端之間的部分稱為信道，其中包括放大器、變頻器和天線等裝置。 信道(information channels)4通信專業(yè)術(shù)語)是信號的傳輸媒質(zhì)，可分為有線信道和無線信道兩類。對于模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的傳輸，我選擇有限信道，因為由電纜構(gòu)成的光纖有線信道具有易于控制的優(yōu)點5，若是采用在大范圍內(nèi)利用電磁波傳播的無線信道，會對本次項目的仿真結(jié)果造成比較大誤差。2.5 信道編碼信道

16、編碼主要的作用是進(jìn)行差錯控制6，數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程中會遇到不同的情況，這些不確定性，會導(dǎo)致接收端接收到的信號變成一些亂碼的符號或者發(fā)生重疊。 因此信道編碼是一不可或缺的步，通過信道編碼，不僅可以使輸入的話音信號具有更強的抵抗外界擾亂的能力，還可以在很大程度上避免數(shù)碼流在流通中產(chǎn)生不能必要的錯誤碼元。信道編碼還具備在發(fā)送端發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤碼元的功能。信道編碼可以簡單概括為信道編碼原則，從消息到信道波形或者是矢量的反射，可以從基本上把編譯碼帶有的缺陷消除， 一般來講，如果信道的最大信息量，超過了實際中允許的數(shù)值，信道編碼能及時處理類似問題7。另外，具體的實驗顯示數(shù)字信號的糾錯編碼對可視電話、高清電

17、視的音頻識別能力等增加效果。第三章 系統(tǒng)運行與調(diào)試3.1 語音信號仿真自然聲音的頻率一般都在3003400Hz之間，本項目實際是要輸入一段話音，比如：幾句話、一首歌等。通過抽樣板塊、量化板塊、編碼板塊，轉(zhuǎn)化成離散型的數(shù)字信號，然后再應(yīng)用Simulink工具箱進(jìn)行模擬仿真，由于實驗條件和個人能力的限制，為了仿真和分析簡單方便，使得實驗得以順利進(jìn)行，在此決定選用頻率為1Hz的余弦波作為信源，代替語音信號直接就進(jìn)行仿真輸入，這樣做的結(jié)果和實際數(shù)據(jù)誤差并不大。3.2 仿真原理模型圖3-1 PCM仿真系統(tǒng)模型圖當(dāng)一段語音信號輸入信號發(fā)生器，經(jīng)過抽樣量8化編碼器后，轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，建立PCM系統(tǒng)時需

18、要將量化器的輸出作為解調(diào)器的輸入，其他模塊不變，需要在模型窗口中建立一個固定的示波器來觀察系統(tǒng)模型的輸出，同時也可以考慮建立一個游離的示波器以此同步觀察各個模塊的波形輸出，這種做法有利于觀察系統(tǒng)狀態(tài)，方便調(diào)試。點擊simulink語言模型庫中的動作開關(guān)，開始或者結(jié)束仿真。圖3-2 信號源波形第4章 模擬仿真的論述4.1 仿真結(jié)果圖4-1 PCM譯碼時經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化并用A律擴(kuò)張后的輸出波形圖4-2 譯碼后恢復(fù)源信號的輸出波形由以上數(shù)據(jù)波形可以看出在PCM編碼的過程中，譯碼輸出的波形具有一定的延遲現(xiàn)象，其波形基本上不失真的在接收端得到恢復(fù)，傳輸?shù)倪^程中實現(xiàn)了數(shù)字化的傳輸過程4.2 模擬仿真的分析語

19、音編解碼電路模型對準(zhǔn)確輸入的模擬話音系統(tǒng)進(jìn)行PCM編碼，也可能對輸出的移動數(shù)字體系進(jìn)行PCM解碼，復(fù)原起始的話音信號。編解碼要求用A壓縮律或壓縮律，抽樣頻率為8000Hz，編解碼速率為64kbps。當(dāng)代應(yīng)用的壓擴(kuò)技術(shù)是對數(shù)組型的A壓縮律和u壓縮律。u壓縮律公式如下圖4-3為律壓縮特性曲線其中為歸一化的量化器輸入，為歸一化的量化器輸出。常數(shù)越大，那么小信號的壓擴(kuò)程度越高，現(xiàn)在一般是255。4.3 誤差分析（1）PCM脈沖編碼沒有錯誤檢測及糾錯編碼的功能，不能預(yù)測差錯，具體的可靠性不高，可以在發(fā)送端輸入信道編碼來解決類似情況。（2）在一般情況下，數(shù)字電話通信系統(tǒng)具有頻帶利用率不高的特點9，為了解決

20、數(shù)字通信中缺點，可以通過降低每一路信號的頻帶寬度，也就是盡量壓縮編碼率，將表示信號的碼位數(shù)減少，比較可行的系統(tǒng)就是ADPCM(Adaptive DPCM)系統(tǒng)。另外可以在一定的頻帶內(nèi)引用復(fù)用技術(shù)，根據(jù)每個輸入信息不一樣的頻率大來傳送。針對上述試驗中不可避免的不足，為了增加通信體系的有效性，在此可以考慮引用復(fù)用技術(shù)，以此來盡量提高頻帶的利用率；為了加強通信體系的可靠性可以在進(jìn)行調(diào)制時加入糾錯碼。第五章 結(jié)束語5.1 對過程的討論本項目主要是以MATLAB/Simulink為仿真工具，按照當(dāng)代移動電話通訊10體系的發(fā)展趨勢，結(jié)合PCM通信原理結(jié)構(gòu)的組成，在Simulink模塊庫中查找出對應(yīng)的仿真模

21、塊，然后把正確的模塊拖到新建的文件庫中，對比電路圖，連接模塊框圖，再根據(jù)題目要求設(shè)置恰當(dāng)?shù)膮?shù)，這樣PCM移動電話通訊體系仿真模型就建立成功，然后點擊開始，對示波器顯示的波形進(jìn)行分析，之后主要對這種通信系統(tǒng)進(jìn)行模型構(gòu)建、系統(tǒng)設(shè)計、仿真演示、顯示結(jié)果、誤差以及綜合性能分析。通過對仿真結(jié)果的比較分析，可以看出來，誤差還是比較小的，總體上達(dá)到了我們實驗的目的。本項目專注于構(gòu)建對輸入的話音信息的項目解析以及利用該程序演示移動通訊的仿真，該分析方法同樣可擴(kuò)展到其它通信系統(tǒng)，對未來的通信系統(tǒng)都著不可估量的指引。從此次項目成果分析來看，在世界各種通信類型中，仍以電話為主，在電話通信系統(tǒng)中，則以遠(yuǎn)程交換和移動

22、數(shù)字電話發(fā)展最快。目前模擬通信系統(tǒng)還存在，但是隨著人們對各類通信業(yè)務(wù)的要求的劇增，模擬通信終將被數(shù)字電話通信以高級化、新型化、快速超能力的方式取代。5.2 總結(jié)對這次畢業(yè)設(shè)計，感觸很大，從選題到論文的撰寫及仿真程序的設(shè)計，感覺自己學(xué)到了許多東西。通過論文的編寫，模型框圖的搭建連接，對PCM編譯碼的原理及PCM系統(tǒng)的運行過程有了更深的理解，同時也加強了對仿真軟件MATLAB平臺的運用，提高了采用SIMULINK建立模擬工具箱的具體操作能力。而且學(xué)會了如何通過軟件仿真來達(dá)到各類通信設(shè)備模擬仿真的目的，學(xué)會了把在課堂上學(xué)的比較系統(tǒng)化的理論成果知識，嘗試性的應(yīng)用到現(xiàn)實設(shè)計工作中去，并從學(xué)說的深度和實踐的目的出發(fā)，對現(xiàn)代化的設(shè)計工作提出了一些富有創(chuàng)造性的建議和設(shè)想，及時的去檢查學(xué)習(xí)成果，了解到課堂上的理論學(xué)習(xí)與現(xiàn)實中的工作的到底有多大差距，通過仔細(xì)的綜合分析，能找出在學(xué)習(xí)中的缺點，更好的為今后的學(xué)習(xí)方式提供具體的模式，為盡量完善學(xué)習(xí)實踐內(nèi)容，并且能較好的鍛煉了自己的動手能力和思維方式，而且對以后的學(xué)習(xí)和工作都起到了一定的促進(jìn)作用，更能鍛煉分析問