單路數(shù)字語音通信系統(tǒng)的仿真講解

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(jìn)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SystemView對系統(tǒng)進(jìn)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

2、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(jìn)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(jìn)行調(diào)試結(jié)果；7. 總結(jié)與體會；8. 附錄；9. 參考文獻(xiàn)。進(jìn)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(jìn)行分析；1月1日一1月5日：編寫并打印設(shè)計報告；1月6日：答辯。參考文獻(xiàn)1、樊昌信主編，通信原

3、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2I .編碼與譯碼 21基本原理22、設(shè)計與仿真4n調(diào)制與解調(diào) 71、基本原理7.2、設(shè)計與仿真8三、系統(tǒng)總體設(shè)計及調(diào)試12四、總結(jié)與體會 15五附錄 15六、參考文獻(xiàn) 214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)，一般來說數(shù)字通 信系統(tǒng)其有效性和可靠性都強(qiáng)于模擬通信系統(tǒng)，所以現(xiàn)實生

4、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(jìn)行調(diào)制后再進(jìn)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(jìn)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，首先將調(diào)制信號解調(diào)，得到數(shù)字基帶信號，通 過解碼

5、后，還原為原來的模擬信號。1二各模塊電路設(shè)計與仿真I .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(qiáng)，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(jìn)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(jìn)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。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。量

6、 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，把瞬時抽樣信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(jìn)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，具抽樣頻 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(qiáng)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(kuò)張法，即在發(fā)送端對抽樣信號先進(jìn)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(kuò)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

8、和N壓 縮律。我國大陸采用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(jìn)制碼和折疊二 進(jìn)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(jìn)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

9、，所以不同段落的量化間隔 是不同的。2、設(shè)計與仿真根據(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N律兩 種標(biāo)準(zhǔn)的壓縮器和擴(kuò)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(jī)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(jìn)制碼。(4)圖符13為D/A轉(zhuǎn)換器，用于

10、將鎖存器送來的8 位二進(jìn)制碼進(jìn)行譯碼，轉(zhuǎn)換為模擬值。(5)圖符5為A率的擴(kuò)張器，用于對還原的壓縮信號 進(jìn)行擴(kuò)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(kuò)后的波形，恢復(fù)的波 形。22串 M: Sink 7巨亙回Time in SecondsSy e*1圖2-3仿真結(jié)果n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“

11、 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(jìn)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(jìn)行 差分編碼，即由絕對碼變?yōu)橄鄬Υa（差分碼）然后進(jìn)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：bn = an 二 bn式中出為模2加，b為，的前一個碼元，最初的bp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

12、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2DPSK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(jī)信號，用以產(chǎn)生一系列的隨機(jī)數(shù) 字

13、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。(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；DP

14、SK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(jìn)制碼，所以發(fā)送時須先經(jīng)過并用轉(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，

15、 用于實現(xiàn)編碼得到的8位二進(jìn)制碼的并用轉(zhuǎn)換及分時傳 送。圖符12、13、19、20組成了一個8進(jìn)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。在接收端同樣要先用并轉(zhuǎn)換再鎖存才能進(jìn)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 o每個抽樣值轉(zhuǎn) 換為8位的二進(jìn)制碼，在仿真中因為數(shù)

16、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）用來鎖存初始信將以上PCM編解碼部分加上并用、用并接口及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)?？傁到y(tǒng)圖及有關(guān)參數(shù)見附錄。下圖分別為輸出 波形，壓擴(kuò)后波形，PCM編碼輸出（

17、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systemview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

18、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學(xué)習(xí)中進(jìn)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)Tok enAttributeTypePa

19、rameters0SourceGaussNoiseS,td Dev = 500e-3 vMean = 0 v4CommCompanderA-Law, Max Input = 1 土12LogicInvertGate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-3 vTrue Output = 1 v,False Output = 0 v,Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec13SourcePulse TrainAmp = 1 v,Freq = 480 Hz,PulseW = 1.04167e-3 sec,Offset = -500e-3 v,

20、 Phase = 0 deg14OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR 5 Poles Fc = 10 Hz,Quant Bits = None,InitCndtn = 0,DSP Mode Disable15LogicADCTwos Complement,Gate Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v,True Output = 1 v False Output = 0 v,No. Bits = 8 Min Input = -1.28 v,Max Input = 1.27 v Rise Time = 0 sec,An

21、alog = t4 Output 0 Clock = 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 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 =

22、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 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 =

23、 0 v21SourceStep FctAmp = 0 v,Start = 0 sec,Offset = 0 v24LogicShft-8inGate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-3 v,True Output = 1 v,False Output = 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 t3027Source

24、Step 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, Rise 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 334CommDe

25、CompandA-Law,Max Input = 1 35OperatorLinear SysButterworth Lowpass IIR 5 Poles, Fc = 10 Hz,Quant Bits = None,Init Cndtn = 0,DSP Mode Disabled79LogicMux-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 O

26、utput 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 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 099SourceSte

27、p FctAmp = 1 v,Start = 0 sec, Offset = 0 v101SinkAnalysisInput from t14 Output Port 0132LogicGate Delay = 0 sec,Threshold = 500e-3 vInvertTrue 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

28、 Rise Time = 0 sec,Fall Time = 0 sec P-Enable* = t134 Output 0 CEP = t134 Output 0,CET = t134Output 0,Clock = t13 Output 0,MR* = t132 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-C

29、ount134SourceStep FctAmp = 1 v,Start = 0 sec,Offset = 0 v141LogicDACTwos Complement,Gate Delay = 0 sec Threshold = 500e-3 v,No. 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 = t

30、30 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 = None156OperatorXORThreshold = 500e-3,True = 1False = -1157OperatorCompareComparison =True Output = 1 v False Output = 0 vA Input = t163 Output 0 B Input = t166 Output 0158OperatorDelayNon-InterpolatingDelay = 2e-3 sec,Output 0 = Delay t156 ,Output 1 = Delay - dT159OperatorDelayNon-Interpolating,Delay = 2e-3 sec Output 0 = Delay t161 ,Output 1 =Delay -