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

1、目錄一 設(shè)計思路及系統(tǒng)總框圖1二 各模塊電路設(shè)計與仿真2 編碼與譯碼21、根本原理22、設(shè)計與仿真4 調(diào)制與解調(diào)71、根本原理72、設(shè)計與仿真9三 系統(tǒng)總體設(shè)計及調(diào)試12四 總結(jié)與體會15一 設(shè)計思路及系統(tǒng)總框圖實際中的語音信號為模擬信號，為實現(xiàn)信號有效高速的傳輸，首先須將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的過程稱為語音編碼。語音編碼分為抽樣、量化、編碼三個步驟。這樣，把取值連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成為了離散的數(shù)字基帶信號。實際中大多數(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盘栔贿m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)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，將載有信息的信號

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，可以實現(xiàn)信號的發(fā)送。經(jīng)過理想信道的傳輸，在接受端收到了無損耗的調(diào)制信號。對應(yīng)于調(diào)制，在接收端首先對調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)成原來的基帶信號。得到恢復(fù)出來的數(shù)字基帶信號后，再經(jīng)過譯碼，便可將數(shù)字信號復(fù)原為原始的模擬語音信號。由此得到的系統(tǒng)框圖如圖1所示。模擬語音信號編碼調(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是將模擬信號變換成二進(jìn)制信號的根本和常用方法。在脈沖編碼調(diào)制中，首先對模擬信號最低以奈奎斯特速率進(jìn)行抽樣，然后對抽樣值進(jìn)行量

3、化和編碼，從而得到數(shù)字信號。從通信的調(diào)制概念看，可以認(rèn)為PCM編碼過程是用模擬信號調(diào)制一個二進(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為“1、“0的過程。模擬信號輸入抽樣保持電路量化器編碼器PCM信號譯碼器低通濾波器圖2 PCM系統(tǒng)的原理方框圖模擬信號輸出實質(zhì)上，脈碼調(diào)制和A/D轉(zhuǎn)換時一回事。PCM系統(tǒng)的原理方框圖如圖2所示。 圖中模擬信號經(jīng)抽樣后得到了樣值序列，樣值序列在時間上是離散的，但在幅度上的取值還是連續(xù)的，即有無限多種取值。這樣，就必須對樣值進(jìn)一步處理，使它成為在幅度上是有限種取值的離散樣值。對樣值幅度進(jìn)行離散化處理的過程稱為量化。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，主要是小信號的信噪比小，大信號的信噪比大，同時，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)和提高小信號的信噪比，可采用非均勻量化的方法。非均勻量化可通過對信號非線性變換后再進(jìn)行均勻量化來實現(xiàn)。進(jìn)行非線性變換也即進(jìn)行壓縮變換。為了對不同的信號強(qiáng)度保持信號量噪比恒定，在理論上要求壓縮特性為對數(shù)特性。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A壓縮律。實際中采用13折線法來近似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。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個量化電平是均勻劃分的。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的低通濾波器來產(chǎn)生一個400Hz的隨機(jī)模擬信號。圖符3為A率壓縮器，用于對模擬信號的非均勻量化。圖符6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

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，用于對復(fù)原的壓縮信號進(jìn)行擴(kuò)張恢復(fù)。圖符13為400Hz的低通濾波器，用于對復(fù)原的信號濾除高頻分量，恢復(fù)出原始信號。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，第一個波形為輸入的模擬信號，第二個波形為模擬信號經(jīng)A率壓縮后的信號?？梢钥闯觯盘栐床ㄐ谓?jīng)過壓擴(kuò)后，小信號明顯進(jìn)行了放大。第三個波形為譯碼后得到的波形。第四個波形為經(jīng)過低通濾波復(fù)原出來的波形。除了細(xì)微的地方，信號根本得以恢復(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信號具有最好的誤碼率性能。但是2PSK信號傳輸系統(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是利用載波的絕對相位傳送數(shù)字信息，因此又稱為絕對調(diào)相。而2DPSK是用前后碼元的載波相位相對變化來傳送數(shù)字信息的，因此又稱為相對調(diào)相。2DPSK信號的產(chǎn)生過程是，首先對數(shù)字基帶信號進(jìn)行碼反變換，即由絕對碼變?yōu)橄鄬Υa，然后再進(jìn)行絕對調(diào)相。碼反變換的規(guī)那么為： (1.1)式1.1中為模2加，為的前一個碼元，最初的可任意設(shè)定。模2加2PSK調(diào)制延遲Ts2DPSK信號圖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)信號對2DPSK信號的解調(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碼元周期也較難實現(xiàn)。2、設(shè)計與仿真根據(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，頻率為1600Hz，用以產(chǎn)生一系列的隨機(jī)數(shù)字信號。圖符4、3用于相對碼的絕對調(diào)相。圖符5、6解調(diào)，將收到的信號與當(dāng)前信號相乘。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。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)那么。第三個波形為調(diào)制后的波形，該波形屬于對相對

10、碼的絕對調(diào)相。第四個波形為解調(diào)后經(jīng)抽樣判決得到的波形，可以看到，波形與第一個波形相同，即信號得以成功解調(diào)。三 系統(tǒng)總體設(shè)計及調(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，就得到一個能實現(xiàn)單路語音通話的系統(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音信號。圖12所示為模擬信號經(jīng)過A律壓縮后的波形。圖13所示為壓縮信號經(jīng)過編碼后的PCM信號。圖14所示為待發(fā)送的PCM信號經(jīng)碼反變換后的圖。圖15所示為PCM信號經(jīng)過調(diào)制后的圖。圖16所示為發(fā)送的PCM信號解調(diào)得到的信號圖。圖17所示為原始語音信號譯碼復(fù)原出來的信號的圖。從圖17可看出，除了一些細(xì)小的地方，信號根本上得

11、到恢復(fù)。四 總結(jié)與體會為期兩周的課程設(shè)計已接近尾聲，雖然有兩周的時間但感覺卻那么的短暫，每天都過得很充實。在這兩周的時間里，我收獲了很多，感觸也很多。 剛拿到課程設(shè)計的任務(wù)書時，感覺很迷茫，有種無從下手的感覺，因為在此之前，我從沒接觸過system view這個軟件，仔細(xì)看了下設(shè)計要求我就去圖書館借了幾本介紹這個軟件的書及相關(guān)的資料。前兩天都是不斷的在熟悉軟件和了解設(shè)計的原理，在運(yùn)用軟件的時候因為有許多元器件我都不熟悉，所以經(jīng)常會出現(xiàn)問題，但老師都會給我們指導(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)過自己查找資料和老師的講解，于是慢慢的對軟件熟悉了，遇到一些問題

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)字語音通信系統(tǒng)原理，它由四個單元模塊組成：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單元電路的組成。很快，每個單元模塊的仿真都很成功，波形也都出來了。 但是在把單元電路連接成總電路時，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，老師說是參數(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音信號之間的關(guān)系，不斷的調(diào)試后，終于把總波形也調(diào)出來了。 課程設(shè)計其實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，答案在不知不覺中就出來了。 這次的課程設(shè)計使我深刻認(rèn)識到課程設(shè)計并不是走過場，它不僅彌補(bǔ)了理論知識的缺乏，讓我們進(jìn)一步認(rèn)識到理論聯(lián)系實踐的重要性，而且很好的穩(wěn)固了自己專業(yè)課的理論知識，讓我對通信原理這門課程有了一個很系統(tǒng)的認(rèn)識，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，但我一定會竭盡全力做到更好。&