DPCM編碼和BCH碼

1、語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)仿真基于DPCM編碼和BCH碼學生姓名：XX 指導老師：XXX摘 要 本課程設計的主要任務是完成語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)基于DPCM編碼和BCH碼的仿真，觀察仿真波形，并進行結果分析。本課程設計的系統(tǒng)開發(fā)平臺為MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真模塊，程序運行平臺為Windows98/2000/XP。本次課程設計通過DPCM編解碼和BCH編解碼原理，運用Simulink仿真模塊進行繪圖、設置參數，最后完成仿真。 關鍵詞 MATLAB7.0；Simulink平臺；DPCM編解碼；BCH編解碼；仿真；1 引 言本課程設計是通過DPCM編碼和BCH碼對語音信號基帶通信

2、傳輸系統(tǒng)進行仿真1 2。根據DPCM編解碼和BCH編解碼原理，運用DPCM Encoder等模塊，對語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)進行繪制，設置模塊參數，然后運行，最后通過示波器得到相應的仿真波形。通過對仿真波形的觀察，能夠檢驗該系統(tǒng)功能是否正確實現。1.1 課程設計目的學習并熟悉MATLAB平臺及Simulink仿真模塊的一般操作和運用3，在加深對通信原理課本知識的理解的基礎上，學會運用已學的知識設計或分析一個簡單的通信系統(tǒng)4，并且進一步理解通信系統(tǒng)的基本組成、模擬通信和數字通信的基礎理論、通信系統(tǒng)發(fā)射端信號的形成及接收端信號解調的原理、通信系統(tǒng)信號傳輸質量的檢測等方面的相關知識，使學生在知識的綜

3、合運用能力上以及分析問題、解決問題能力上得到一定的提高。1.2課程設計的要求（1）、學習MATLAB的基本知識，熟悉MATLAB集成環(huán)境下的Simulink仿真平臺的特點、規(guī)范及語法結構、編寫方法。（2）、利用通信原理中學習的內容，在Simulink仿真平臺中設計基帶傳輸系統(tǒng)，并按題目要求運行、檢測系統(tǒng)仿真結果。（3）、按要求編寫課程設計報告書，能正確闡述設計和實驗結果。（4）、在老師的指導下，要求每個學生獨立完成課程設計的全部內容。1.3設計平臺MATLAB7.0MATLAB編程語言被業(yè)界稱為第四代計算機語言，它允許按照數學推導的習慣編寫程序。MATLAB7.0的工作環(huán)境包括當前工作窗口、命

4、令歷史記錄窗口、命令控制窗口、圖形處理窗口、當前路徑選擇菜單、程序編輯器、變量查看器、模型編輯器、GUI編輯器以及豐富的函數庫和MATLAB附帶的大量M文件。2 設計原理本次課程設計是進行語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)基于DPCM編碼和BCH碼的仿真，運用MATLAB中的Simulink仿真模塊，根據DPCM編解碼和BCH糾錯碼的原理完成對語音信號的仿真。2.1 MATLAB技術MATLAB是由美國Math Works公司生產的一個為科學和工程計算專門設計的交互式大型軟件，是一個可以完成各種計算和數據處理的、可視化的、強大的計算工具。它集圖示和精確計算于一身，在應用數學、物理、化工、機電工程、醫(yī)藥、

5、金融和其他需要進行復雜計算的領域得到了廣泛應用。MATLAB作為一種科學計算的高級語言之所以受歡迎，就是因為它有豐富的函數資源和工具箱資源，編程人員可以根據自己的需要選擇函數，而無需再去編寫大量繁瑣的程序代碼，從而減輕了編程人員的工作負擔，被稱為第四代編程語言。2.2Simulink仿真模塊Simulink仿真模塊以MATLAB核心數學運算、圖形處理和編程語言為基礎，結合了含有框圖界面和交互仿真能力飛非線性動態(tài)系統(tǒng)的仿真工具，使仿真編程更為方便、快捷。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛

6、應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。 2.3 系統(tǒng)功能介紹進行語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)基于DPCM編碼和BCH碼的仿真，首先要對輸入信號進行DPCM編碼。DPCM編碼是經過抽樣、量化、編碼等過程，將輸入的模擬信號編程數字信號

7、。DPCM編碼是廣泛運用的預測編碼方法之一。在DPCM編碼中，每個抽樣值不是獨立的編碼，而是將前一個抽樣值當做預測值，然后再取當前抽樣值和預測值之差進行編碼并傳輸。DPCM譯碼同樣是將前一個值當做預測值，然后取當前值與預測值之差進行解碼，將一個個脈沖碼組轉換成對應的量化采樣值，最后經過一個低通濾波器重建原模擬信號。DPCM系統(tǒng)原理方框圖如圖2.1所示。抽樣量化器編碼器信道譯碼器延遲Ts延遲Ts圖2.1 DPCM系統(tǒng)原理方框圖根據課程題目，在進行完DCPM編碼后，要利用BCH碼進行糾錯編解碼。BCH碼是一種獲得廣泛應用的能夠糾正多個錯碼的循環(huán)碼。BCH碼是一類能夠先確定糾錯能力t，然后設計碼長和

8、生成多項式的碼。對于任意的整數m和可達到的糾錯數t，都可以構造出一個設計距離為的二元本原BCH碼滿足：BCH碼的碼長n與監(jiān)督位、糾錯個數t之間的關系如下：對于正整數m（m>3）和正整數t<m/2，必定存在一個碼長為,監(jiān)督位為，能糾正所有不多余t個隨機錯誤的BCH碼。若碼長n=(-1)/I (i>1，且除得盡 (-1)，則為非本原BCH碼。3設計步驟本次課程設計是運用Simulink仿真模塊完成通信系統(tǒng)中的信源編碼和糾錯編碼。輸入一個正弦信號，對其進行DPCM編碼后再進行BCH編碼，送入二進制對稱信道傳輸，在接收端對其進行BCH解碼和DPCM解碼以恢復原信號。完成正弦信號的編解

9、碼后，用自己錄制的一個信號替代正弦信號，進過編解碼，回放比較傳輸前后的語音質量3.1 正弦信號基帶傳輸通信系統(tǒng)仿真進行正弦信號的系統(tǒng)仿真，首先要新建一個Simulink文件起步驟是：打開MATLAB單擊工具欄中的Simulink選項打開Simulink對話框選擇菜單欄中的File/New/Modle，這樣就完成了Simulink文件的新建。完成文件的新建后，就可以進一步進行正弦信號的模型建立及仿真了。進行正弦信號的系統(tǒng)仿真，首先要在Simulink模塊庫中找到正弦信號的模塊，然后調用模塊產生模擬正弦信號?；蛘邌螕鬍dit/Find block，在彈出的對話框中輸入要尋找的模塊名稱，即可方便快捷

10、的找到需要的模塊。找到正弦信號模塊后，可直接將模塊拖入模型建立對界面，也可以右擊模塊，選擇下拉菜單中的“Add to the current modle”選項添加模塊。在模型建立界面中加入正弦信號后，雙擊正弦信號模塊，可對正弦信號進行設置。在Frequency欄中填入正弦信號的頻率，本次課程設計中我用的是頻率為2*pi的模擬正弦信號。進行完正弦信號模塊參數的設置后，添加一個示波器模塊觀察正弦信號的仿真波形。雙擊示波器設置示波器的參數，單擊示波器Scopes界面左上角第二個Parameters鍵，在彈出的對話框中設置參數：在General 頁面的Numbers of Axes項中設置需要觀察的波

11、形路數，在Data History頁面的Limit data points to last項中設置采集點數。示波器參數設置如圖3.1、圖3.2所示。圖3.1 示波器觀察路數設置圖3.2 示波器采樣點數設置正弦信號的模型圖如圖3.3所示。圖3.3 正弦信號模型圖模擬正弦信號參數設置如圖3.4所示。圖3.4 模擬正弦信號參數設置模擬正弦信號仿真波形圖如圖3.5所示。圖3.5 輸入正弦信號的仿真波形圖完成正弦信號的調用及觀察后，接下來要對產生的模擬信號進行DPCM編碼，調用一個DPCM Encoder，雙擊模塊進行參數設置。DPCM模塊的參數設置程序如一下程序段所示：>> t=0:0.1

12、:10;x=sin(2*pi*t);>> help dpcmopt>> PREDICTOR,CODEBOOK,PARTITION = DPCMOPT(x,1,4)依據以上程序可得到DPCM Encoder的參數：PREDICTOR = 0 0.8172CODEBOOK = -0.5129 -0.1816 0.1816 0.5129PARTITION = -0.3473 0.0000 0.3473將計算所得的結果相應的填入DPCM Encoder模塊參數設置對話框中，單擊“OK”完成DPCM Encoder模塊參數設置。運用示波器觀察DPCM編碼后仿真波形。DPCM編碼模

13、型圖如圖3.6所示。圖3.6 DPCM編碼模型圖DPCM Encoder參數設置如圖3.7所示。圖3.7 DPCM Encoder參數設置DPCM編碼仿真波形如圖3.8所示。圖3.8 DPCM編碼仿真波形圖進行完模擬信號的DPCM編碼后，就將模擬信號轉化為了數字信號，此時的數字信號是以整數的形式表示的，在進行下一步的糾錯編碼前，要將信號從整數形式轉化為比特形式，因此需要調用一個Integer to Bit Converter模塊進行數碼轉化。雙擊模塊進行參數設置，在彈出的對話框中填入每個整數所轉換的比特數，單擊“OK”完成設置。本次課程設計中我是將一個數轉化為2 bit，故在參數設置對話框中應

14、填入“2”。用示波器觀察數碼轉換后仿真波形圖。模擬信號DPCM編碼數碼轉換模型圖如圖3.9所示。圖3.9 數碼轉換模型圖數碼轉換模塊參數設置如圖3.10 所示。圖3.10 數碼轉換模塊參數設置數碼轉換仿真波形圖如圖3.11所示。圖3.11 數碼轉換仿真波形圖如圖3.9中的第三欄所示，模擬信號經過DPCM編碼、數碼轉換后的波形在示波器中是并行輸出的，為了便于觀察，我們需要進行串并轉換，調用模塊Frame Conversion、Buffer、Unbuffer，并在Buffer中設置輸入的并聯數據路數，單擊“OK”完成設置。由于要多次運用串并轉換，為了簡化模型建立，我們可以將串并轉換模型打包，作為一

15、個模塊使用。串并轉換模塊如圖3.12所示。圖3.12 串并轉換模塊Buffer模塊參數設置如圖3.13所示。圖3.13 Buffer模塊參數設置完成串并轉換后用示波器觀察結果。串并轉換后模擬信號DPCM編碼模型如圖3.14所示。圖3.14 串并轉換后DCPM編碼模型圖串并轉換后DPCM仿真波形如圖3.15所示。圖3.15 串并轉換后DPCM仿真波形圖根據課程目的，完成模擬信號的DPCM編碼后，要將編碼后的信號調用通信模塊庫中的BCH Encoder模塊再進行糾錯編碼。BCH編碼需要調用Buffer、BCH Encoder及串并轉換模塊。本次課程設計中由于BCH Encoder采用默認參數，即N

16、=15，K=5，故Buffer模塊的參數應設置為5，模擬信號DPCM編碼后進行BCH編碼模型圖如圖3.16所示。圖3.16 BCH編碼模型圖BCH Encoder參數設置如圖3.17所示。圖3.17 BCH Encoder參數設置BCH編碼后仿真波形圖如圖3.18所示。圖3.18 BCH編碼仿真波形圖完成BCH編碼后，將編碼后的信號通過二進制對稱信道，并用示波器觀察輸出的仿真波形圖。本次課程設計的碼元干擾設為0。調制信號經過二進制對稱信道后的仿真模型圖如圖3.19所示。圖3.19調制信號通過二進制對稱信道模型圖二進制對稱信道參數設置如圖3.20所示。圖3.20 二進制對稱信道參數設置調制信號通

17、過二進制對稱信道仿真波形如圖3.21所示。圖3.21 調制信號通過二進制對稱信道仿真波形圖完成DPCM編碼、BCH編碼后，就要進行相應的解碼，并用低通濾波器還原出原始波形。首先進行的是BCH糾錯解碼。調用BCH Decoder模塊，進行串并轉換后用示波器觀察仿真波形圖。本次課程設計采用BCH Decoder的默認參數。BCH解碼模型圖如圖3.22所示。圖3.22 BCH解碼模型圖BCH解碼仿真波形如圖3.23所示。圖3.23 BCH解碼仿真波形圖接下來進行DPCM解碼。因為DPCM解碼只能針對數字信號而言，故先要將信號進行數碼轉換，將二進制碼元轉化為數字。將上圖用放大鏡選項將X軸進行放大后，可

18、以發(fā)現BCH編碼前的波形與BCH解碼后的波形相比，有7個碼元的延時，因為必須要使碼元的延時為數字轉換為碼元數值的整數倍，即為2的整數倍，故需在數碼轉換模塊前加入一個數值為奇數的碼元的延時模塊。碼數轉換模塊的參數設置和數碼轉換模塊參數設置應當一致。放大后仿真波形如圖3.24所示。圖3.24 放大仿真波形圖延時模塊參數設置如圖3.25所示。圖3.25 延時模塊參數設置BCH解碼后信號進行數碼轉換的模型圖如圖3.26所示。圖3.26 碼數轉換模型圖碼數轉換模塊參數設置如圖3.27所示。圖3.27 碼數轉換參數設置碼數轉換后仿真波形如圖3.28所示。圖3.28 碼數轉換仿真波形圖進行完信號的碼數轉換，

19、即可調用DPCM Decoder模塊對信號進行DPCM解碼。使用DPCM模塊首先要雙擊進行模塊的參數設置。DPCM Decoder?？斓膮翟O置與DPCM Encoder模塊的參數設置應當一致。進行完參數設置后，可通過示波器觀察DPCM解碼后的仿真波形圖。DPCM解碼的模型如圖3.29所示。圖3.29 DPCM解碼模型圖DPCM Decoder參數設置如圖3.30所示。圖3.30 DPCM Decoder參數設置DPCM解碼仿真波形如圖3.31所示。圖3.31 DPCM解調仿真波形圖最后還原出原始信號，需要通過一個低通濾波器。本課程設計選擇的是巴特沃茲低通濾波器。在通信模塊庫中選擇一個低通濾波

20、器模塊，雙擊設置模塊參數，在Passband edge Frequency一欄中填入與輸入正弦波信號相同的頻率，單擊“OK”完成設置。因為剛開始輸入的模擬正弦信號的頻率設定為2*pi，故巴特沃茲低通濾波器的頻率也應當設置為2*pi。用示波器觀察還原信號。通過低通濾波器模型如圖3.32所示。圖3.32 通過低通濾波器模型圖巴特沃茲低通濾波器參數設置如圖3.33所示。圖3.33 巴特沃茲低通濾波器參數設置通過低通濾波器還原出來的信號如圖3.34所示。圖3.34 通過低通濾波器還原出的信號仿真波形圖最后調用一個Error Rate Calculation模塊和一個Display觀察糾錯編碼前后的誤碼

21、率。雙擊Error Rate Calculation模塊設置參數。因為前面已經求出碼元延遲個數為7個，所以應當在Error Rate Calculation模塊設置對話框中的Receive delay一欄中填入接收碼元延時數目7，單擊“OK”完成設置。檢驗誤碼率模型圖如圖3.35所示。圖3.35 檢驗誤碼率模型圖Error Rate Calculation模塊參數設置如圖3.36所示。圖3.36 Error Rate Calculation模塊參數設置根據圖3.35所示，接收碼元的誤碼率為0 ，故表明正弦信號的DPCM調制解調、BCH調制解調正確，基帶信號傳輸系統(tǒng)得以實現。編寫M文件計算解碼后

22、的誤碼率，M文件編寫如下所示：snr=0:2:20;for i=1:length(snr) var=0.5./(10(0.1*snr(i); sim('wangjing.mdl'); error(i)=ErrorVec(1);endplot(snr,error)保存文件名稱為“erbfig”。將Simulink文件和M文件保存在work文檔中，在MATLAB命令窗口中輸入“erbfig”可得到誤碼率曲線。在誤碼率原理框圖中設置二進制對稱信道的Error probability為“var”。二進制對稱信道參數設置如圖3.37所示。圖3.37 二進制對稱信道參數設置求誤碼率的模型圖

23、如圖3.38所示。圖3.38 誤碼率模型圖誤碼率曲線如圖3.39所示。圖3.39誤碼率曲線 3.2 語音信號基帶傳輸通信系統(tǒng)仿真進行語音信號的幾代通信傳呼系統(tǒng)的仿真，是在模擬正弦信號基帶通信系統(tǒng)仿真的基礎上，將模擬正弦信號替代為自己錄制的語音信號，然后設置相關的參數，經過調制解調還原出原語音信號。語音信號的錄制，首先在開始菜單中選擇程序/附件/娛樂/錄音機，然后設置錄音機的屬性，本次課程設計中我需要的是22025Hz、16bit、單聲道的語音信號。完成屬性設置后就可以開始錄音了。錄音設備如圖3.40所示。圖3.40 錄音機錄音機屬性設置如圖3.41所示。圖3.41 錄音機屬性設置完成錄音后保存

24、文件。只有將錄音文件和Simulink文件保存在MATLAB的work文檔中，文件才能運行。保存文件后，將模擬正弦信號傳輸系統(tǒng)中的正弦信號模塊用一個語音信號調用模塊取代，因為要調用的語音信號名稱為123.WAV，故在設置調用時應當在File name一欄填入語音信號名稱。From Wave File模塊參數設置如圖3.42所示。圖3.42 From Wave File模塊參數設置因為輸入信號的參數發(fā)生了改變，故傳輸系統(tǒng)中所用到的有些模塊的參數也要進行相對應的更改。語音信號的DPCM Encoder和DPCM Decoder參數設置計算為：>> x,fs,bits=wavread(&

25、#39;123.wav');>> PREDICTOR,CODEBOOK,PARTITION = DPCMOPT(x,1,16)PREDICTOR = 0 0.9832CODEBOOK = Columns 1 through 13 -0.0459 -0.0322 -0.0226 -0.0153 -0.0100 -0.0063 -0.0036 -0.0016 0.0000 0.0022 0.0048 0.0082 0.0130 Columns 14 through 16 0.0199 0.0328 0.0590PARTITION = Columns 1 through 13 -

26、0.0391 -0.0274 -0.0190 -0.0126 -0.0082 -0.0050 -0.0026 -0.0008 0.0011 0.0035 0.0065 0.0106 0.0164 Columns 14 through 15 0.0264 0.0459將上列參數相對應的輸入參數設置模塊中，單擊“OK”完成DPCM編解碼模塊參數設置。進行數碼、碼數轉換模塊的參數設置，將Numbers of bit per integer設置為16，單擊“OK”完成設置。運行觀察仿真波形，放大波形的X軸數值后，可以看到BCH編解碼前后有9個碼元的延時，故需加入一個9個碼元的延時模塊。語音信號放大仿真

27、波形圖如圖3.43所示。圖3.43語音信號放大仿真波形圖完成以上設置后加入一個誤碼率檢測模塊，檢驗系統(tǒng)是否出錯。語音信號基帶通信系統(tǒng)原理圖如圖3.44所示。圖3.44 語音信號基帶通信系統(tǒng)原理圖語音信號基帶通信系統(tǒng)仿真波形如圖3.45所示。圖3.45 語音信號基帶通信系統(tǒng)仿真波形圖語音信號基帶通信系統(tǒng)仿真完成后可以用一個語音文件輸出模塊輸出調制解調后的語音文件，該語音文件以1231.WAV的名字保存在wok文檔里面，打開這個語音文件回放調制解調后的語音信號，得到與輸入語音信號相同的語音信號。語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)如圖3.46所示。圖3.46 語音信號基帶傳輸系統(tǒng)3.3 結果分析正弦信號系帶傳

28、輸通信系統(tǒng)仿真結果如圖3.47所示。圖3.47 正弦信號基帶傳輸系統(tǒng)仿真結果從上圖可以看出輸入的模擬正弦信號經過DPCM編解碼、BCH編解碼后，通過一個巴特沃茲低通濾波器成功的還原出了正弦信號，說明該正弦信號基帶通信傳輸系統(tǒng)是正確的，它的結果符合理論結論，故該系統(tǒng)的功能成功實現。將模擬正弦信號替代為一個自己錄制的語音信號123.WAV后，該語音信號通過語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)得到了一個調制解調后的語音信號1231.WAV。比較兩個語音信號的語音質量，可以發(fā)現兩個語音信號基本上完全一致，該結果符合理論結論，故該語音喜好基帶通信傳輸系統(tǒng)的功能成功實現。4出現的問題及解決方法在查閱了書籍并且參照老師

29、給的參考原理圖的基礎上，我基本上設計出了模擬正弦信號基于通信傳輸系統(tǒng)，并且在同學的幫助下設置好了所用模塊的參數，但是還是在延時單元設置是出現了錯誤。在對比BCH編碼前的仿真波形和BCH解碼后的仿真波形，進行延時碼元的計算時，一定要仔細觀察，以免出錯。在本次課程設計中，首先我數出BCH編碼前的仿真波形和BCH解碼后的仿真波形相差8個碼元，因為是2的整數倍，所以我沒有加延時單元，結果在碼數轉換是我發(fā)現碼數轉換后的仿真波形圖與數碼轉換前的波形圖有很大的誤差。后來經過仔細的觀察，發(fā)現BCH編碼前的仿真波形和BCH解碼后的仿真波形相比實際上有7個碼元的延時，不是2 的整數倍，故必須加一個延時模塊延時一個

30、碼元，使總體延時變成2的整數倍，在進行碼數轉換時才不會出現錯誤。沒有加入延時模塊時出現的錯誤如圖4.1所示。圖4.1 沒有加入延時單元的錯誤當加入一個碼元單位的延時后，就得到了正確的結果。其正確結果如圖4.2所示。圖4.2 加入延時單元后方正確正波形5 結束語本次課程設計我們要根據已經學習過的通信原理的有過知識，運用MATLAB中的Simulink仿真模塊進行語音信號基帶通信傳輸系統(tǒng)基于DPCM編碼和BCH碼的仿真。雖然本學期我們已經學習過通信原理的有關知識，但是運用基本理論知識進行通信系統(tǒng)的設計難免還是讓人膽怯，但是在同學的鼓勵幫助下，我很快克服了這種感覺，開始認真的對待課程設計。MATLAB可以說是我們接觸得最多的軟件之一，但是Simulink仿真平臺卻是我們第一次使用。在老師的指導下，我知