语音信号基带传输通信系统仿真.doc

长沙理工大学通信原理课程设计报告赵 旋学 院 计算机与通信工程 专 业 通信工程 班 级 通信10-03 学 号 33 学生姓名 赵 旋 指导教师 廖太长 课程成绩 完成日期 2012年12月28日课程设计成绩评定学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 课程成绩 完成日期 指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩 指导教师签字 年 月 日课程设计任务书计算机与通信工程学院 通信工程 专业 课程名称通信原理课程设计时间20122013学年第一学期1617周学生姓名赵旋指导老师廖太长题 目语音信号基带传输通信系统仿真基于PCM编码和线性码主要内容： 本课程设计的目的主要是仿真通信系统中的信源编码和纠错编码。录制一段语音信号，对其进行PCM编码后再进行线性编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行线性码解码和PCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，改变信道差错率绘制误码率曲线，并结合理论进行说明。要求：（1）本设计开发平台为MATLAB中的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。应当提交的文件：（1）课程设计学年论文。（2）课程设计附件（主要是模型文件和源程序）。目录 1引言.1 1.1 课程设计的目的.1 1.2 课程设计的要求.2 1.3 设计平台.22设计原理.2 2.1 基带通信概述.2 2.2 PCM的编码方法.3 2.3 线性码编码方法.43 系统设计.5 3.1 系统设计框图.5 3.2 PCM编码器系统设计.5 3.3 PCM译码器系统设计.9 3.4 加入线性码后的系统设计.13 3.5 语音信号的PCM和线性编解码仿真.20 3.6 误码率曲线绘制.224仿真电路的分析与总结.245 结束语.25语音信号基带传输通信系统仿真基于PCM编码和线性码学生姓名：赵 旋 指导老师：廖太长摘 要 本课程设计的目的主要是仿真通信系统中的信源编码与纠错编码。在课程设计中实验平台为MATLAB中的Simulink模块。绘制误码率曲线用的是MATLAB中的M文件。语音信号通过PCM编码，线性编码，然后通过二进制对称信道，在经过线性解码和PCM解码后经过低通滤波器滤波，最后还原出语音信号，从而仿真信号在基带系统中传输。改变信道误码率，用M文件计算并绘制误码率曲线图。绘制出的系统误码率曲线随着信道误码率的增大而增大，符合理论要求。本次课程设计中，语音信号在基带中传输后能较完美的还原，成功的做到了信源编解码和纠错编解码。关键词 PCM；线性码；MATLAB；Simulink；M文件1 引 言本课程设计的目的主要是仿真通信系统中的信源编码和纠错编码。录制一段语音信号，对其进行PCM编码后再进行线性编码，送入二进制对称信道传输，在接收端对其进行线性码解码和PCM解码以恢复原信号，回放比较传输前后的语音质量，改变信道差错率绘制误码率曲线，并结合理论进行说明。1.1 课程设计目的在MATLAB中的Simulink模块上模拟通信系统的信源编码和纠错编码，对语音信号进行基带传输。链接通信系统的基带传输与编解码技术。熟悉Simulink模块的使用，会用M文件绘制误码率曲线图。1.2 课程设计的要求 调用模块产生模拟正弦信号，对模拟信号进行采样、量化PCM编码，将编码后的信号进行线性纠错编码，对信号通过二进制对称信道，再进行线性纠错解码。解码后的信号再进行PCM解码，还原出原信号。改变信道误码率，计算并绘制误码率曲线图，成功后用自己录入的语音信号代替正弦信号进行调制。1.3 设计平台本课程设计的平台是MATLAB7.0下的Simulink6.0。MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，他的交互式集成界面能够帮助用户快速的完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建筑、系统控制。优化等功能。而Simulink是MATLAB提供的用于对动态系统进行建筑方针和分析的工具包。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。2 设计基本原理2.1 基带通信概述基带：信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。基带信号：信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号。其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。）其由信源决定。由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。基带传输：不经过调制直接传输。基带通信亦为基带传输。它的基本结构如图2-1所示。PCM量化解码PCM量化编码线性纠错编码线性纠错解码低通滤波正弦信号还原信号二进制对称信道图2-1 基带传输系统的基本结构2.2 PCM的编码方法 PCM（脉冲光编码调制）：数字通信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。 模拟信号数字化必须经过三个过程，即抽样、量化和编码，以实现话音数字化的脉冲编码调制。抽样是将模拟信号转换为时间离散的样本脉冲序列；量化是将离散时间连续幅度的抽样信号转换成为离散时间离散幅度的数字信号；编码是用一定位数的脉冲妈祖表示量化采样值。其原理图如图2-3所示。量化分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化时，对编码范围内小信号或大信号都采用等量化级进行量化，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。我国一般采用A压缩率，即13折线法。图2-2 13折线编码器抽样保持 模拟信号 PCM 信号量化器 输入 输出 冲击脉冲 （a）编码器低通滤波器译码器 PCM信号 模拟信号输入 输出 (b)译码器图2-3 PCM原理方框图2.3 线性码编码方法 在计算机系统中，信息均按字节或字组成，故一般采用分组码。对信源输出的序列，若按每组长k位进行分组，则在二进制情况下共有2k个不同的组合，若按某一种规则，将每一组k位增加r位校验位（r=n-k，n是含有码元的个数）。使之成为具有一定纠错或检错能力的码字，则在2k个码字集合构成分组码。分组码的规律性是局限在一个码组之内的，如果这种规律性是以一线性方程组来表示的，则这种分组码就叫做线性分组码。 分组码一般可用符号（n,k）表示，其中k是每组的信息元数目，n是码组的总位数，又称为码组的长度（码长）。r=n-k 为码组的监督元数目。长为n的所以二进制组（或称n重）共有2n个，但长为k的信息组只有2k个，因此分组码实际上就是以一定的规则从2n个n重中挑选出2k个n重，使2k个信息组与2k个n重之间建立一一对应关系，这2k个n重组成了一个（n,k）分组码。通常称这2k个n重为许用码组，简称码组，码矢或码字，而其余的2n-2k个n重为禁用码组。 在（n,k）线性分组码中，常用编码效率R衡量码的有效性，它定义为信息位在码字中所占的比重：R=k/n ，R越大，表明码的冗余度越小。 两个码组对应位上数字不同的个数称为码组的距离，简称码距，也叫汗明距离。对于（n,k）线性码来说，2k个码字中所有可能码字对之间的汗明距离中最小的距离称为该码的最小汉明距离，用dmin表示，这是衡量这种编码检错和纠错能力的重要参数。 3 系统设计3.1 系统设计框图调用模块产生模拟正弦信号，对模拟信号进行采样、量化、PCM编码，将编码后的信号用通信模块库中的模块再进行线性纠错编码，让信号通过二进制对称信道传输，然后进行线性纠错解码。解码后的信号再进行PCM解码，还原出原信号。设计原理图如图3-1所示。PCM量化解码PCM量化编码二进制对称信道线性纠错解码线性纠错编码抽样低通滤波还原信号正弦信号 图3-1设计原理图3.2 PCM编码器系统设计图3-4 13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果 测试模型和仿真结果如图3-4所示。其中以Saturation作为限幅器，将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内，以A-Law Compressor作压缩器，Relay模块的门限值设置为0，其输出即可作为PCM编码输出的最高位极性码。样值取值绝对值后，用增益模块将样值放大到0-127，然后用间隔为1的Quantizer进行四舍五入取整，最后将整数编码为7位二进制序列，作为PCM编码的低7位。各模块具体参数设置如下：图3-5 Saturation参数设置(将输入信号幅度值限制在PCM编码的定义范围内)图3-6 Abs参数设置(取绝对值)图3-7 A-Law Compressor参数设置(A率13折线)图3-8 Relay参数设置(作用是生成极性位)图3-9 Gain参数设置图3-10 Quantizer参数设置图3-11 Integer to Bit Converter参数设置(将十进制转换为七位二进制)图3-12 Mux1 参数设置图3-13 Display 参数设置图3-14 封装后的PCM编码子系统图标3.3 PCM译码器系统设计图3-15 13折线近似的PCM译码器测试模型和仿真结果测试模型和仿真结果如图3-5所示。其中PCM编码子系统是3.2中编码器封装之后的。PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性码）和7位数据。然后将7位数据转换位整数值，再进行归一化，扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。各模块具体参数设置如下： 图3-16 Demux参数设置图3-17 Mux参数设置图3-18 Bit to Integer Converter 参数设置(将七位二进制码转换为十进制码)图3-19 Relay 参数设置(相乘判断符号)图3-20 A-Law Expander 参数设置图3-21 Product 参数设置图3-22 Display 参数设置图3-23 封装后的PCM译码系统的图标3.4 加入线性码后的系统设计 图3-24 PCM与线性码原理图对模拟正弦信号进行采样、量化、PCM编码、成帧，进行线性编码再经二进制对称信道传输再进行线性解码，PCM解码滤波后恢复出原信号。示波器各个监测点波形如下图：图3-25 示波器波形观察PCM编解码的正弦信号波形，采样后的波形，成帧后的波形，量化解码后的波形，恢复后的波形。解码器前后波形基本相同，最后恢复的正弦信号有些延迟。各个元件参数设置如下： 图3-26 Sine Wave 参数设置图3-27 Zero-order Hold 参数设置(采样频率取二倍) 图3-28 Buffer2 参数设置(缓存8位送入后面) 图3-29 Binary Linear Decoder 参数设置(线性码的生成矩阵) 图3-30 Reshape 参数设置 图3-31 Analong Filter Design 参数设置(频率设为二倍原信号频率) 图3-32 Buffer3 参数设置(起到一个串并转换的作用)图3-33 Buffer1参数设置(7，4线性码缓存4个信息位) 图3-34 Binary Linear Encoder参数设置(线性码的生成矩阵) 图3-35 Buffer的参数设置(缓存7位送入线性解码器)图3-36 Binary Symmetric Channel 参数设置(误码率设置为0.01)3.5 语音信号的PCM和线性编解码仿真 图3-37 语音信号PCM和线性码编解码系统 用录制的语音信号替换正弦信号，需改动的器件参数如下：图3-38 From Wave File 参数设置 图3-39 Zero-Order Hold 参数设置(采样频率设置为8000hz) 图3-40 Analong Filter Design 参数设置(低通滤波频率调为5000hz3400hz)图3-41 示波器图像(上面的是输入的语音信号，下面为还原的语音信号) 由图3-41可以看出还原的语音与原波形基本一样，回放时能清晰地听出声音的内容，有少许嘈杂声音混入，应为误码造成的噪声，仿真成功。3.6 误码率曲线绘制 编写绘制误码率曲线的M文件，程序如下。 clear err=0:0.005:0.2; for i=1:length(err); q=err(i); sim(xuan); errb(i)=ErrorVec(1); end plot(err,errb) 将二进制对称信道的误码概率改为M文件相对应的q，如图3-42所示。 图3-42 Binary Symmetric Channel 参数设置 将仿真时间设为5，运行M文件得到图3-43。图3-43 误码率曲线横坐标为二进制对称信道的信道误码率，纵坐标为系统的误码率，随着信道误码率的增大，系统的误码率也逐渐增大。4 仿真电路分析与总结1 注意串并转换刚开始做这个课程设计的时候，一头雾水，仿真一直出错，后来才知道电脑很死板的，串并转换这种在脑海里一闪而过自动完成的东西，计算机不能自动转换，还要自己动手进行转换，转换完成后果然通过了。2 弄清元件参数 好多同学做的时候很盲目的看着网上的资料调参数，而不去用心想这些到底是干什么的，导致问题连连，参数应理解后再去调试，由于是英文的软件，理解方面比较难，实在看不懂的用有道词典查询一下，不要嫌费事，这是磨刀不误砍柴工的道理。3 及时更换参数 用语音信号替代正弦信号后好多参数没有重新设置导致仿真失败。4 仿真时间要合适 仿真时间过于冗长导致计算机崩溃等一系列问题，应合理设置仿真时间，做到效率最大化。5 结束语通过本次课程设计，我了解了PCM编码与解码原理以及PCM编码与解码（包括加噪声和不加噪声）电路原理框图的Simulink的实现与调制性能的分析。把本学期所学的通信原理和MATLAB等内容应用到本课程设计中来，以达到融会贯通。为进一步学习今后的课程打下坚实的基础。 经过两个星期的努力，课程设计终于设计了。在完成设计的过程中，我的收获很大不仅仅是对我