單路數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)仿真--通信原理課程設(shè)計(jì)

1、目錄一 設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)總框圖1二 各模塊電路設(shè)計(jì)與仿真2 編碼與譯碼21、根本原理22、設(shè)計(jì)與仿真4 調(diào)制與解調(diào)71、根本原理72、設(shè)計(jì)與仿真9三 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及調(diào)試12四 總結(jié)與體會(huì)15一 設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)總框圖實(shí)際中的語(yǔ)音信號(hào)為模擬信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效高速的傳輸，首先須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的過(guò)程稱為語(yǔ)音編碼。語(yǔ)音編碼分為抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟。這樣，把取值連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為了離散的數(shù)字基帶信號(hào)。實(shí)際中大多數(shù)通信通道都是帶通信道，即頻率通帶遠(yuǎn)離f=0的信道?；鶐盘?hào)只適合在低通型信道中傳輸。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(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，將載有信息的信號(hào)

2、頻率搬遷到信道的頻帶之內(nèi)。頻帶調(diào)制可以有效地使信號(hào)與信道的頻譜特性相匹配，使信道噪聲的影響減小到最低。至此，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送。經(jīng)過(guò)理想信道的傳輸，在接受端收到了無(wú)損耗的調(diào)制信號(hào)。對(duì)應(yīng)于調(diào)制，在接收端首先對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)成原來(lái)的基帶信號(hào)。得到恢復(fù)出來(lái)的數(shù)字基帶信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)譯碼，便可將數(shù)字信號(hào)復(fù)原為原始的模擬語(yǔ)音信號(hào)。由此得到的系統(tǒng)框圖如圖1所示。模擬語(yǔ)音信號(hào)編碼調(diào)制解調(diào)譯碼信道傳輸圖1 系統(tǒng)總框圖二 各模塊電路設(shè)計(jì)與仿真 編碼與譯碼1、根本原理脈沖編碼調(diào)制PCM是將模擬信號(hào)變換成二進(jìn)制信號(hào)的根本和常用方法。在脈沖編碼調(diào)制中，首先對(duì)模擬信號(hào)最低以奈奎斯特速率進(jìn)行抽樣，然后對(duì)抽樣值進(jìn)行量

3、化和編碼，從而得到數(shù)字信號(hào)。從通信的調(diào)制概念看，可以認(rèn)為PCM編碼過(guò)程是用模擬信號(hào)調(diào)制一個(gè)二進(jìn)制的脈沖序列，載波是脈沖序列，調(diào)制改變脈沖序列的有無(wú)為“1、“0的過(guò)程。模擬信號(hào)輸入抽樣保持電路量化器編碼器PCM信號(hào)譯碼器低通濾波器圖2 PCM系統(tǒng)的原理方框圖模擬信號(hào)輸出實(shí)質(zhì)上，脈碼調(diào)制和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)一回事。PCM系統(tǒng)的原理方框圖如圖2所示。 圖中模擬信號(hào)經(jīng)抽樣后得到了樣值序列，樣值序列在時(shí)間上是離散的，但在幅度上的取值還是連續(xù)的，即有無(wú)限多種取值。這樣，就必須對(duì)樣值進(jìn)一步處理，使它成為在幅度上是有限種取值的離散樣值。對(duì)樣值幅度進(jìn)行離散化處理的過(guò)程稱為量化。1量化根據(jù)量化器的特性，量化又分為均勻量

4、化和非均勻量化，以量化間隔相等與否來(lái)區(qū)分。在數(shù)字 通信中，均勻量化那么有明顯的缺乏，主要是小信號(hào)的信噪比小，大信號(hào)的信噪比大，同時(shí)，在保證 通話質(zhì)量的前提下，編碼位數(shù)較多。為了減少編碼位數(shù)和提高小信號(hào)的信噪比，可采用非均勻量化的方法。非均勻量化可通過(guò)對(duì)信號(hào)非線性變換后再進(jìn)行均勻量化來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行非線性變換也即進(jìn)行壓縮變換。為了對(duì)不同的信號(hào)強(qiáng)度保持信號(hào)量噪比恒定，在理論上要求壓縮特性為對(duì)數(shù)特性。國(guó)際電信聯(lián)盟ITU提供兩種建議，即A壓縮律和壓縮律。我國(guó)大陸采用A壓縮律。實(shí)際中采用13折線法來(lái)近似A壓縮律的曲線。2編碼得到量化電壓后，有不同的編碼方法對(duì)其編碼。即自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼。由于折疊碼的

5、誤碼對(duì)小電壓的影響較小，有利于較小語(yǔ)音信號(hào)的平均量化噪聲，故采用折疊碼進(jìn)行編碼。在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)碼兩局部。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(gè)量化電平是均勻劃分的。2、設(shè)計(jì)與仿真根據(jù)PCM原理的系統(tǒng)框圖，用SystemView做出的仿真如圖3所示。圖3 PCM系統(tǒng)的SystemView仿真各圖符功能及參數(shù)設(shè)置：用圖符0的高斯噪聲和圖符9的低通濾波器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)400Hz的隨機(jī)模擬信號(hào)。圖符3為A率壓縮器，用于對(duì)模擬信號(hào)的非均勻量化。圖符6為8位的A/D轉(zhuǎn)換器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的抽樣及編碼，其中每一個(gè)抽

6、樣值編碼為8位的二進(jìn)制碼。圖符10為D/A轉(zhuǎn)換器，用于將鎖存器送來(lái)的8位二進(jìn)制碼進(jìn)行譯碼，轉(zhuǎn)換為模擬值。圖符11為A率的擴(kuò)張器，用于對(duì)復(fù)原的壓縮信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)張恢復(fù)。圖符13為400Hz的低通濾波器，用于對(duì)復(fù)原的信號(hào)濾除高頻分量，恢復(fù)出原始信號(hào)。運(yùn)行該P(yáng)CM系統(tǒng)得到的仿真圖形如圖5所示。圖5中，第一個(gè)波形為輸入的模擬信號(hào)，第二個(gè)波形為模擬信號(hào)經(jīng)A率壓縮后的信號(hào)。可以看出，信號(hào)源波形經(jīng)過(guò)壓擴(kuò)后，小信號(hào)明顯進(jìn)行了放大。第三個(gè)波形為譯碼后得到的波形。第四個(gè)波形為經(jīng)過(guò)低通濾波復(fù)原出來(lái)的波形。除了細(xì)微的地方，信號(hào)根本得以恢復(fù)。圖5 PCM系統(tǒng)仿真波形圖 調(diào)制與解調(diào)1、根本原理數(shù)字調(diào)制的三種根本方式為幅度鍵控

7、調(diào)制ASK、頻率鍵控調(diào)制FSK和相位鍵控調(diào)制PSK。三者中，2PSK信號(hào)具有最好的誤碼率性能。但是2PSK信號(hào)傳輸系統(tǒng)中存在相位不確定性，造成接受碼元“0和“1的顛倒。為此，采用差分相移鍵控法2DPSK。1調(diào)制2PSK是利用載波的絕對(duì)相位傳送數(shù)字信息，因此又稱為絕對(duì)調(diào)相。而2DPSK是用前后碼元的載波相位相對(duì)變化來(lái)傳送數(shù)字信息的，因此又稱為相對(duì)調(diào)相。2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程是，首先對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行碼反變換，即由絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼，然后再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相。碼反變換的規(guī)那么為： (1.1)式1.1中為模2加，為的前一個(gè)碼元，最初的可任意設(shè)定。模2加2PSK調(diào)制延遲Ts2DPSK信號(hào)圖6 2DPSK調(diào)制

8、框圖2DPSK調(diào)制框圖如圖6所示。.2解調(diào)abcdcp解調(diào)信號(hào)對(duì)2DPSK信號(hào)的解調(diào)有兩種方法，一種是相干解調(diào)，另一種是差分解調(diào)。用差分解調(diào)法時(shí)不需要恢復(fù)本地載波，只需由收到的信號(hào)單獨(dú)完成。將2DPSK信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間隔Ts，然后與2DPSK信號(hào)本身相乘。相乘器起相位比擬的作用，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7所示。延遲TsLPF抽樣判決位同步2DPSK信號(hào)圖7 差分解調(diào)框圖差分解調(diào)又稱延遲解調(diào)，只有2DPSK信號(hào)才能采用這種方法解調(diào)。差分相干解調(diào)不需要相干載波，但是抗噪聲能力差，而且要做到精確的延遲一個(gè)碼元周期也較難實(shí)現(xiàn)。2、設(shè)計(jì)與仿真根據(jù)以上框圖

9、在SystemView做出仿真圖如下列圖所示。 各圖符功能及參數(shù)設(shè)置：圖符0為偽隨機(jī)信號(hào)，頻率為1600Hz，用以產(chǎn)生一系列的隨機(jī)數(shù)字信號(hào)。圖符4、3用于相對(duì)碼的絕對(duì)調(diào)相。圖符5、6解調(diào)，將收到的信號(hào)與當(dāng)前信號(hào)相乘。圖符7為三階的Butterworth低通濾波器，頻率為320Hz，濾除高頻分量。圖符9、10、17、16、12組成抽樣判決局部，復(fù)原出信號(hào)。運(yùn)行該模塊得到的仿真結(jié)果如圖10所示。圖10 2DPSK差分解調(diào)仿真波形圖圖10中，第一個(gè)波形為原始數(shù)字信號(hào)，即絕對(duì)碼；第二個(gè)波形為碼反變換后的波形，即相對(duì)碼，可以看到該波形符合“1變，0不變的規(guī)那么。第三個(gè)波形為調(diào)制后的波形，該波形屬于對(duì)相對(duì)

10、碼的絕對(duì)調(diào)相。第四個(gè)波形為解調(diào)后經(jīng)抽樣判決得到的波形，可以看到，波形與第一個(gè)波形相同，即信號(hào)得以成功解調(diào)。三 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及調(diào)試將以上PCM編解碼局部及2DPSK調(diào)制和解調(diào)局部連接起來(lái)，就得到一個(gè)能實(shí)現(xiàn)單路語(yǔ)音通話的系統(tǒng)?？傁到y(tǒng)圖如下列圖所示。調(diào)試結(jié)果： 11所示為輸入的模擬語(yǔ)音信號(hào)。圖12所示為模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A律壓縮后的波形。圖13所示為壓縮信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼后的PCM信號(hào)。圖14所示為待發(fā)送的PCM信號(hào)經(jīng)碼反變換后的圖。圖15所示為PCM信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的圖。圖16所示為發(fā)送的PCM信號(hào)解調(diào)得到的信號(hào)圖。圖17所示為原始語(yǔ)音信號(hào)譯碼復(fù)原出來(lái)的信號(hào)的圖。從圖17可看出，除了一些細(xì)小的地方，信號(hào)根本上得

11、到恢復(fù)。四 總結(jié)與體會(huì)為期兩周的課程設(shè)計(jì)已接近尾聲，雖然有兩周的時(shí)間但感覺卻那么的短暫，每天都過(guò)得很充實(shí)。在這兩周的時(shí)間里，我收獲了很多，感觸也很多。 剛拿到課程設(shè)計(jì)的任務(wù)書時(shí)，感覺很迷茫，有種無(wú)從下手的感覺，因?yàn)樵诖酥?，我從沒接觸過(guò)system view這個(gè)軟件，仔細(xì)看了下設(shè)計(jì)要求我就去圖書館借了幾本介紹這個(gè)軟件的書及相關(guān)的資料。前兩天都是不斷的在熟悉軟件和了解設(shè)計(jì)的原理，在運(yùn)用軟件的時(shí)候因?yàn)橛性S多元器件我都不熟悉，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但老師都會(huì)給我們指導(dǎo)，遇到很難理解的地方，老師總是很耐心的給我們講解，經(jīng)過(guò)自己查找資料和老師的講解，于是慢慢的對(duì)軟件熟悉了，遇到一些問(wèn)題

12、便自己反復(fù)的思考，解決不了的再和與同學(xué)們的討論，終于我逐漸明白了單路數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)原理，它由四個(gè)單元模塊組成：編碼，調(diào)制，解調(diào)，解碼。在了解了這些單元電路的根本性質(zhì)和原理后，我就開始逐步研究每個(gè)單元電路的組成。很快，每個(gè)單元模塊的仿真都很成功，波形也都出來(lái)了。 但是在把單元電路連接成總電路時(shí)，卻總出不最后的波形，這讓我很著急，試著改了幾次，波形還是不對(duì)，老師說(shuō)是參數(shù)設(shè)置的不正確，我在書上找到了功率譜密度的計(jì)算方法，并仔細(xì)查看了帶通濾波器與低通濾波器的截止頻率與輸入語(yǔ)音信號(hào)之間的關(guān)系，不斷的調(diào)試后，終于把總波形也調(diào)出來(lái)了。 課程設(shè)計(jì)其實(shí)并沒有我想象的那么難，當(dāng)我們遇到不懂的地方，只要自己能夠耐心的去弄明白，去翻書，掌握更系統(tǒng)的知識(shí)，答案在不知不覺中就出來(lái)了。 這次的課程設(shè)計(jì)使我深刻認(rèn)識(shí)到課程設(shè)計(jì)并不是走過(guò)場(chǎng)，它不僅彌補(bǔ)了理論知識(shí)的缺乏，讓我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到理論聯(lián)系實(shí)踐的重要性，而且很好的穩(wěn)固了自己專業(yè)課的理論知識(shí)，讓我對(duì)通信原理這門課程有了一個(gè)很系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，一份耕耘一份收獲，如果我們付出了足夠的努力，一定能收獲很多。我相信雖然我不一定做到最好，但我一定會(huì)竭盡全力做到更好。&