语音信号频带传输通信系统仿真课程设计基于PCM编码和PSK调制.doc

语音信号频带传输通信系统仿真基于PCM编码和PSK调制摘 要 本课程设计主要是设计一个基于PCM编码和PSK调制语音信号频带传输通信系统并对其进行仿真。本课程设计仿真平台为MATLAB/Simulink。在设计此语音信号频带传输通信系统时，首先对语音信号进行PCM编码和PSK调制，再通过加入高斯白噪声传输信道，接着在接收端对信号进行PSK解调和PCM译码，最后把输出的信号和输入的信号进行比较。通过最后仿真结果可知，该语音信号频带传输通信系统已初步实现了设计指标并可用于解决一些实际性的问题。关键词 PCM编解码；PSK调制解调；高斯白噪声；MATLAB/Simulink1 引 言通信按照传统的理解就是信息的传输。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为社会的“命脉”。信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。而通过作为传输信息的手段或方式，与传感技术、计算机技术相互融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。可以预见，未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信具有以下一些优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好。数字通信的缺点是，一般需要较大的带宽。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。因此，数字通信的应用必将越来越广泛1。本课程设计主要是设计一个基于PCM编码和PSK调制的语音信号频带传输通信系统并对其进行仿真。在设计此语音信号频带传输通信系统时，首先对输入语音信号利用相关的模块进行PCM编码和PSK调制，再通过加入高斯白噪声传输信道，接着在接收端对信号进行PSK解调和PCM译码，最后把输出的语音信号和输入的语音信号进行比较。1.1 课程设计的目的首先在MATLAB/Simulink模块下，学会对信号进行PCM编码、解码以及PSK调制解调的方法。然后设计一个基于PCM编码和PSK调制的语音信号频带传输通信系统，并对一段信号进行PCM编码后再进行PSK调制，送入加性高斯白噪声信道传输，在接收端对其进行PSK解调和PCM解码以恢复原信号。最后录制一段语音信号，对其进行PCM编码后再进行PSK调制，送入加性高斯白噪声信道传输，在接收端对其进行PSK解调和PCM解码以恢复原信号。1.2 课程设计的要求（1）本设计开发平台为MATLAB/Simulink。（2）模型设计应该符合工程实际，模块参数设置必须与原理相符合。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。1.3 设计平台MATLAB/Simulink2 设计原理2.1 带通通信概述数字信号的传输方式分为基带传输（baseband transmission）和带通传输（bandpass transmission）。实际中的大多数信道（如无线信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字调制（digital modulation）。在接收端通过解调器把带通信号还原称数字数字基带信号的过程称为数字解调（digital demodulation）。通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统1。虽然数字基带传输系统可以在距离比较短的情况下直接传送，但是如果要远距离传输时，特别是无线或光纤信道传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输2。一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法:利用模拟调制的方法去实现数字式的调制，即把数字调制看成是模拟调制特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（Amplitude Shift Keying,ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying,FSK）和相移键控（Phase Shift Keying,PSK）三种基本的数字调制方式1。语音信号是模拟信号，在对模拟信号进行远距离传输时。应先通过编码，将模拟信号变换为数字信号。在对语音信号进行编码的方法主要可以分为三类：波形编码（波形编码常用的编码类型有PCM、ADM、ADPCM、APC、SBC、ATC），参数编码和混合编码2。2.2 PCM编码原理PCM是脉冲编码调制的简称，实际上就是实现模拟信号数字化的一个完整过程：首先对模拟信号波形进行时间离散化，再对每个样值幅度独立进行量化和编码，接收端则做完全相反的处理。PCM的组成方框图如图2-1所示。图2-1 PCM通信系统方框图对于语音信号，通常采用8kHz的抽样速率，由于是对每个样值独立编码，要求码组允许的信号动态范围就是原语音信号的动态范围。该范围很大，为保持一定的精度，需要较多的编码位数。PCM编码系统每一样值编码采用的是8位非线性码，对应线性编码需要11位，实际编码速率为64kbit/s。为了便于用数字电路实现对数量化和8位非线性编码，现在采用的都是A律13折线和率15折线近似的对数压扩特性，分别对应的参数为A=87.56，=255。A率的对数压缩率满足式（2-1）。（2-1）率的对数压缩公式满足式（2-2）。（2-2） 现以A率13折线压扩为例描述。假设信号在量化前已经过归一化处理，即动态范围统一为-1，1。A率13折线的画法是：先在0和-10上分别把y轴均匀的分为8段；在x轴上，采用对折线法把0和-10之间的线段分别分为8个不均匀段，正半轴各段的分界点为1/128、1/64、1/32、1/16、1/8、1/4、1/2、1，负半轴和正半轴关于原点对称，从原点出发把个段对应的分界点连接成折线。在每段折线内，再进行16级均匀量化，因此总的量化级数为L=256，对应的编码位数是8位。显然不同段落上的量化间隔不同，最小量化间隔位于第I、II段，该间隔称为一个量化单位，因此正负信号区间(0, 1)和(-1, 0)内各包括2048个量化单位2。A=87.56对数压扩特性与13折线的比较（正半轴）如表2-1所示。 表2-1 A=87.56对数压扩特性与13折线的比较（正半轴）PCM编码及译码的模型如图2-2所示。 图2-2 PCM编码及译码的模型图2.3 PSK调制原理 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息的，而振幅和频率保持不变。在PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，PSK信号的时域表达式为式（2-3）。 （2-3）其中，表示第n个符号大的绝对相位。当发送“0”时，为0; 当发送“1”时，为。因此式（2.3-1）可改写为式（2-4）。 （2-4）其中 的概率为P，的概率为-P。由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，即式（2-5）。 （2-5）其中的表达式为式（2-6）。 （2-6）这里，是脉宽为的单个矩形脉冲。发送二进制符号“0”时（取1），取0相位；发送二进制符号“1”时（取-1），取相位。这种以载波的不同相位直接去表示二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式1。PSK信号的调制原理框图如图2-3和图2-4所示。图2-3 PSK信号模拟调制方法图图2-4 PSK信号键控法调制图PSK信号的解调通常采用相干解调法，如图2-6所示。 图2-6 PSK信号相干解调法3设计步骤3.1 PCM编码与译码本课程设计中将运用A率压扩的PCM编码方法，对输入的信号进行非均匀量化，最后进行编码，再将得到的信号进行译码输出。它的设计步骤如下：运行MATLAB，打开模块库。新建一个拓展名为MDL的文件。找到Signal wave模块作为信号源。找到Saturation、Abs、Lookup Table、Gain、Quantizer、Integer to Bit Converter和Mux等模块，组成编码端。其设计的仿真电路图如图3-1所示。图3-1 PCM编码端仿真电路图其中Saturation模块用于限幅，将输入的信号幅度限制在-1 1之间。Relay模块用于保持极性保持。Lookup模块用于查表。各模块参数设置如图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6所示。图3-2 Saturation模块参数设置图3-3 Relay模块参数设置图3-4 Lookup模块参数设置图3-5 Quanziter模块参数设置图3-6 Integer to Bit Converter模块参数设置 译码端的仿真电路图如图3-7所示。图3-7 译码端的仿真电路图译码端的各模块参数设置如图3-8、图3-9、图3-10所示。图3-8 Relay模块参数设置图3-9 Bit to Integer Converter模块参数设置图3-10 LookupTable参数设置所以PCM编译码的仿真电路图如图3-11所示。图3-11 PCM编译码的仿真电路图将系统进行仿真便可由示波器得到波形仿真图，如图3-12所示。图3-12 原信号与信号经编译码后的波形对比图由图3-12我们可清晰地看到，原信号和经过编译码后的波形基本一致。所以本次设计的PCM编译码仿真系统是符合设计要求的。3.2 PSK调制与解调整个PSK的仿真系统的调制与解调过程为：首先将信号源的输出信号经过码型变换后与载波通过相乘器进行相乘，送入信道中传输。在接收端通过带通滤波器后再次与载波相乘，接着通过低通滤波器、抽样判决器，最后由示波器显示出各阶段波形，并用误码器观察误码率。PSK调制与解调仿真电路图如图3-13所示。图3-13 PSK调制与解调仿真电路图其中各模块参数设置如图3-14、图3-15、图3-16、图3-17、图3-18、图3-19、图3-20所示。图3-14 信号源模块参数设置图3-15 载波的参数设置图3-16码变换器的参数设置带通滤波器的最低频率设置为载波频率与调制信号频率之差，即200*pirad/s;最高频率设置为载波频率与调制信号频率之和,即为600*pirad/s。如图3-17所示。图3-17 带通滤波器参数设置低通滤波器的频率设置应为信号频率，即200*pirad/s。如图3-18所示。图3-18 低通滤波器参数设置抽样判决器的频率设置应为信号频率，即200*pirad/s。如图3-19所示。图3-19 抽样判决器的参数设置图3-20 误码器的参数设置最后示波器的波形如图3-21所示。图3-21 PSK调制与解调波形图3-21中由上到下的各波形依次为：载波波形、矩形脉冲信号波形、信号经调制后的波形、已调信号经过带通滤波器后的波形、调制信号经过低通滤波器后的波形和经抽样判决后的波形。由各波形我们可看出该PSK调制解调系统符合设计要求。3.3 将PCM系统与PSK系统组合并加入高斯白噪声将PCM和PSK进行组合时，首先对信号进行PCM编码与PSK调制，然后将调制信号送入已加入高斯白噪声的信道中传输。再将信号进行PSK调制和PCM译码。组合系统的仿真电路图如图3-22所示。图3-22 PCM系统与PSK系统组合仿真电路图PCM编码子系统仿真电路如图3-23所示。图3-23 PCM编码子系统仿真电路图有所不同的是在进行PSK调制前信号必须进行帧转换这一阶段，即系统将经过PCM编码量化的n个比特序列以帧的形式输出，即每一帧含有n个比特。在PSK解调后再对其进行码变换。对应的帧变换子系统电路图及相关模块参数设置如图3-24、图3-25、图3-26所示。图3-24 帧变换子系统仿真电路图图3-25 Buffer模块参数设置图3-26 Unbuffer模块参数设置PSK调制与解调子系统仿真电路图如图3-27所示。图3-27 PSK调制与解调子系统仿真电路图各主要模块参数设置如图3-28、图3-29、图3-30、图3-31、图3-32、图3-33所示。图3-28 载波模块参数设置带通滤波器的最低频率设置为载波频率与调制信号频率之差，即2400*pirad/s;最高频率设置为载波频率与调制信号频率之和,即为4000*pirad/s。如图3-29所示。图3-29 带通滤波器参数设置低通滤波器的频率设置应为信号频率，即1600*pirad/s。如图3-30所示。图3-30 低通滤波器的参数设置图3-31 抽样判决器的参数设置图3-32 误码器的参数设置图3-33 高斯白噪声的参数设置最后由示波器我们可看出各点的波形图。如图3-34所示。图3-34 PSK调制与解调波形图3-34中由上到下的各波形依次为：载波波形、输入信号波形、信号经调制后的波形、已调信号经过带通滤波器后的波形、调制信号经过低通滤波器后的波形和经抽样判决后的波形。由各波形我们可看出该PSK调制解调系统符合设计要求。信号误码率如图3-35所示。图3-35 误码率显示图由图3-35我们看出在7998个码元当中出现了18个误码，系统的误码率提高了。延时子系统的仿真电路图如图3-36所示。图3-36 延时子系统的仿真电路图延时参数设置如图3-37所示。图3-38 延时参数设置PCM解码子系统仿真电路图如图3-39所示。图3-39 PCM解码子系统仿真电路图系统的输出波形如图3-40所示。图3-40 系统输入信号与输出信号波形对比图 由图3-40中的输入信号与输出信号波形我们可看出，在加入了高斯白噪声后输出信号波形在局部出现了失真，但是整体的系统抗噪声性能还是符合设计要求的。3.4 以语音信号为信源建立一个语音信号输入模块。其仿真电路图如图3-41所示。图3-41 语音信号输入模块框图From Wave Device模块参数设置如图3-42所示。图3-42 From Wave Device模块参数设置To Wave File模块参数设置如图3-43所示。图3-43 To Wave File模块参数设置加入语音信号的系统仿真电路图如图3-44所示。图3-44 加入语音信号的系统仿真电路图各子系统的仿真电路图如图3-45、图3-46、图3-47、图3-48、图3-49所示。图3-45 PCM编码子系统仿真电路图图3-46 帧变换子系统仿真电路图图3-47 PSK调制与解调子系统仿真电路图图3-48 延时子系统仿真电路图图3-49 PSK解调子系统仿真电路图在本系统中，它的5个子系统的模块和3.3小节中的子系统的模块图形是一样的，不同的只是在参数设置方面。在本课程设计中，语音的录制的时候语音的采样时间是1/8000s，所以以下的参数设置根据这个时间进行计算。PCM的编码子系统的参数设置不变，关键是在调制和解调方面的设置的变化。帧变换子系统设置：将Buffer模块的参数设个8。PSK解调与调制子系统的参数设置：语音采样频率为8000Hz;Sine Wave设置为256000*pirad/s;低通滤波器设置为：128000*pirad/s; 带通滤波器设置为：Lower passband edge frequency为128000*pirad/s ，Upper passband edge frequency为384000*pirad/s。延时设置为：1/64000s。其他子系统参数设置不变。From Wave File模块参数设置如图3-50所示。图3-50 From Wave File模块参数设置语音信号系统输入语音信号与输出语音信号波形对比图如图3-51所示。图3-51 输入语音信号与输出语音信号波形对比图由图3-51中的输入语音信号与输出语音信号波形来看，在加入了高斯白噪声的情况下仿真系统还是能够较好的将输入的语音信号还原出来，使输出的语音信号与输入的语音信号基本保持一致。4出现的问题及解决方法4.1 出现的问题：（1）信号在经过所设计的带通通信仿真系统后波形出现失真。（2）示波器图形只出现一半。（3）在没有加入高斯白噪声的情况下解调误码率不为0。（4）系统不能够传送并行数据。（5）加入噪声之后，误码率显著提高。（6）解调波形时无失真，但解码后波形严重失真。4.2 解决办法（1）这是因为信号进行抽样时没有满足奈奎斯特定理。为了能从取样信号中恢复原信号，抽样必须满足奈奎斯特定理，即抽样频率应大于或等于两倍的原始信号频率2。（2）在示波器图中修改data history中的limit data points to last的数据再重新运行simulink观察示波器即可看到准确图形。（3）在出现误码数据时，我们可以通过修改error rate calculation中receive delay的数据这种手段直到误码数据为零。在本设计中我们将receive delay设为2即可解决此种情况。（4）在传送PCM编码后的数据时，首先应该进行帧变换，送入缓冲模块Buffer中，再通过Unbuffer一个一个的将数据传送出去。（5）在本课程设计中通过提高载波的频率，并相应的改变带通滤波器的参数设置来解决此种情况的发生。（6）这是由于信号经过低通滤波器后会产生时延，而本次课程设计中信号是以帧的形式进行传输，因而在解调输出端若直接使用解调信号，将会产生波形失真。因此我们在解调输出端加入相对应的延时模块即可解决此种问题。 5 结束语此次通信原理课程设计虽然时间只有短短的两周时间，但是在两周时间内我收获到了很多原来没有体验过的东西。本课程设计的目的主要是让我们了解仿真通信系统中的信源编码和频带传输。这次课程设计使我学会了用MATLAB/Simulink仿真系统初步的设计方法。在这次课程设计中，我初步了解了如何用MATLAB/Simulink这个仿真软件进行PCM编码和译码系统的设计，以及PSK系统的调制和解调的设计。并且明白了如何将两个系统组合起来实现语音信号的频带传输。这次课程设计不仅巩固我们在书上学习的基本内容，还在一定程度上提高了我们的动手能力。同时，在这次课程设计中，我也遇到了许多问题。在解决这些问题时，我一边查找相关文献一边请教老师和同学，一一将问题解决了。这使我了解到在当今社会单凭一个人的力量和精力是无法将一件事给做成的。依靠团队的力量才能使我们更快更好的将各种工作和任务完成好。通信系统仿真的提出网络仿真是近年来兴起的一种网络研究技术，它是以计算机为主要工具，借助于软件工具，在网络建设的前期对网络性能和状态进行了解和规划。通过对通信网络的框架结构和协议构成建立数学模型，以数学形式描述网络行为，通过定义业务事件、协议流程等计算机手段仿真实际网络的运行，从仿真结果中给出所感兴趣问题的评估报告，及时发现并解决设计问题，提出改进和优化方案，通过这种方法，在协议开发、标准制定、网络规划设计和网络运营管理等各方面，可以极大地提高效率，节约投资，缩短开发设计时间，为通信网络的发展提供了强有力的支持3。因此对于我们来说了解通信仿真尤其重要。所以对于通信仿真我不会仅仅只停留在此次的课程设计上，在以后的学习、生活和工作中我也会不断的学习这方面的知识来充实自己。在这次课程设计中，我不仅巩固了过去学过的知识，同时还学到了许多书本上没有学到的知识培养了我对系统的分析能力。通过这次课程设计，我深刻的了解到，理论与实际的结合是十分重要的，单纯的理论知识远远不能适应时代的要求，只有把理论和实践结合起来，把理论作为实践的基础，把实践作为理论的延伸，使两者有机的结合在一起，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，从而真正的称为一个能为社会服务的人。两周的时间很快就过去了，但是这段时间里的收获和感触却是我的一大笔财富。在此我衷心感谢学校给予我们这样一个亲自体验设计的机会；衷心感谢在此期间不辞辛苦指导我们课程设计老师们；衷心感谢周围同学们的支持和无私的帮助！参考文献1 樊昌信,曹丽娜. 通信原理(第版). 北京:国防工业出版社,20082 桑林,郝建军,刘丹谱.数字通信. 北京:北京邮电大学出版社,20023 孙屹,戴妍峰. SystemView通信仿真开发手册. 北京:国防工业出版社,2004