语音信号PCM系统的实现与测试.doc

洛 阳 理 工 学 院课 程 设 计 报 告 课程名称 通信原理 设计题目 语音信号PCM系统的实现与测试 课 程 设 计 任 务 书设计题目： 语音信号PCM系统的实现与测试 设计内容与要求：设计内容：1.从wav文件中提取语音信号，通过A律压扩编码，并转换成8位串行数据发送；2.信道中混有高斯噪声；3.接收信号转换成7位并行数据，并A律压扩译码，再恢复成8位并行数据，生成新的wav文件；设计要求：1.独立完成语音信号PCM系统；2.通过短时wav文件测试仿真系统；3.分析A律编码前后语音信号频谱的变化。 指导教师： 刘庆伟 2013年12月16日课 程 设 计 评 语 成绩： 指导教师：_ 年 月 日一PCM系统原理PCM是实现语音信号数字化的一种方法 一语音信号的数字化 语音信号是连续变化的模拟信号，实现语音信号的数字化必须经过抽样、量化和编码三个过程。 1 抽样 把连续信号变为时间轴上离散的信号的过程称为抽样 抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。 低通连续信号抽样定理内容：一个频带限制在 赫内的时间连续信号 ,若以 的间隔对它进行等间隔抽样，则 将被所得到的抽样值完全确定。 语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。 2 量化 把幅度连续变化的模拟量变成用有限位二进制数字表示的数字量的过程称为量化。量化误差：量化后的信号和抽样信号的差值。量化误差在接收端表现为噪声，称为量化噪声。 量化级数越多误差越小，相应的二进制码位数越多，要求传输速率越高，频带越宽。 为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多，通常采用非均匀量化的方法进行量化。 非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔，幅度小的区间量化间隔取得小，幅度大的区间量化间隔取得大。 非均匀量化的实现方法有两种：一种是北美和日本采用的律压扩，一种是欧洲和我国采用的A律压扩。 在PCM-30/32通信设备中，采用A律13折线的分段方法，具体是：Y轴均匀分为8段，每段均匀分为16份，每份表示一个量化级，则Y轴一共有168128个量化级。；X轴采用非均匀划分来实现非均匀量化的目的，划分规律是每次按二分之一来进行分段。13折线示意图如下图1-1：图1-1由于分成128个量化级，故有7位二进制码（27128），又因为Y轴有正值和负值之分，需加一位极性码，故共有8位二进制码。 3 编码 在实际的PCM设备中，量化和编码是一起进行的。 通信中采用高速编码方式。 编码器分为逐次反馈型、折叠级联型和混合型三种，在 PCM-30/32通信设备中通常采用逐次反馈型的编码器。 二 时分复用 所谓时分复用，是将某一信道按时间加以分割，各路信号的抽样 值依一定的顺序占用某一时间间隔（也成时隙），即多路信号利用同一信道在不同的时间进行各自独立的传输。 时分复用的特点： 1 复用设备内部各通路的部件基本通用 2 要求收、发两端同时工作，要求有良好的同步系统。 时分复用的目的：一个信道传输多路信号，即若干路信号可以采用时分复用方式以一定的结构形式复接成一路高速率的复合数字信号群路信号。 数字复接包括bit复接和码组复接。 PCM-30/32路通信设备是采用码组复接的时分复用系统。 PCM-30/32路系统的帧结构如下图1-2所示： 图1-2 图中帧周期T=1/8000秒125us,将其平均分成32个时隙，每个时隙的时间间隔为125/323.91us，每一时隙传送8位编码，每个码的时间间隔为3.91us/8=488ns，每帧共传送328256位码字。 在30/32路PCM系统中，帧结构中第一个时隙TS0用于传送帧同步信号，TS16用于传送话路信令，故只有30个时隙用于传送话音信号，所以只能提供30个话路。当采用共路信令传送方式时，必须将16帧再构成一个更大的帧，称为复帧。复帧的重复频率为500Hz，周期为2ms。 目前数字电话都采用PCM方式。对PCM系统，国际上采用PDH（准同步）复接技术。此技术有两种制式，一种是北美和日本采用的24路话音信号复接成一个基群的T制，速率是1554kbit/s;一种是欧洲和我国采用的30/32路话音信号复接成一个基群的E制，速率为2048kbit/s。为了进一步提高信道利用率，国际电联规定四个基群复接成一个二次群，四个二次群复接成一个三次群，四个三次群复接成一个四次群。 PDH系列存在诸如传输速率、帧结构和光纤接口等无世界性规范，逐级复用插入分支不灵活等问题，不能适应现代电信网的发展需要。国际电联于19881993年提出并完善了同步数字系列（SDH）。其复用结构如下图1-3所示：图1-3 在SDH中，其基础传输信号是同步传输模块（STM）。STM-1的传输速率为155520kbit/s,STM-N的传输速率为N155520kbit/s，目前N的取值为1、4、16和64。二SystemView介绍一SystemView 的基本特点SystemView 基本属于一个系统级工具平台，可进行包括数字信号处理（DSP）系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析，并配置了大量图符块（Token）库，用户很容易构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。SystemView 的设计者希望它成为一种强有力的基于个人计算机的动态通信系统仿真工具，以实现在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂的通信系统设计与仿真。其主要特点如下：1 能仿真大量的应用系统该平台提供了大量可选择的库，允许用户有选择地增加通信、逻辑、DSP 和射频模拟功能模块。特别适合无线电话（GSM，CDMA，FDMA，TDMA，DSSS）、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（GPS，DVBS，LEOS）等的设计；能够仿真DSP 结构；可进行各种系统时域/频域分析和谱分析；对射频模拟电路（混合器，放大器，RLC 电路和运放电路）进行理论分析和失真分析。2 快速方便地动态系统设计与仿真使用熟悉的Windows 界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），SystemView 可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP 滤波器，并输入、输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户的子系统库（MetaSystem）。 SystemView 图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。信号源和接收端图标允许在SystemView 内部生成和分析信号，并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。3先进的信号分析和数据块处理SystemView 提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细情况的交互式可视环境。分析窗口还提供一个能对仿真生成数据进行先进的块处理操作的接收计算器。 接收计算器块处理功能十分强大，内容也相当广泛，完全满足通常所需的分析要求。这些功能包括：应用DSP 窗口，余切，自动关联，平均值，复杂的FFT，常量窗口，卷积，余弦，交叉关联，习惯显示，十进制，微分，除窗口，眼图模式，功能比例尺，柱状图，积分，对数基底，求模，相位，最大最小值及平均值，乘波形，乘窗口，非，覆盖图，覆盖统计，自相关，功率谱，分布图，正弦余弦，平滑（移动平均），谱密度，平方，平方根，窗口相减，波形求和，窗口求和，正切，层叠，窗口幂，窗口常数等。 SystemView 还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查系统波形。内部数据的图形放大，缩小、滚动、谱分析、标尺以及滤波等，全都是通过敲击鼠标器实现的。4可扩展性SystemView 允许用户插入自己用C/C+编写的用户代码库，插入的用户库自动集成到SystemView 中，如同系统内建的库一样使用。二SystemView 系统视窗1主菜单功能进入SystemView 后，屏幕上首先出现该工具的系统视窗，如图2-1 所示。图2-1系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File）、编辑（Edit）、参数优选（Preferences）、视窗观察（View）、便笺（NotePads）、连接（Connetions）、编译器（Compiler）、系统（System）、图符块（Tokens）、工具（Tools）和帮助（Help）共11 项功能菜单。执行菜单命令操作较简单，例如，用户需要清除系统时，可单击“File”菜单，出现一个下拉菜单，单击其中的“Newsystem”工具条即可。各菜单下的工具条及其功能可参照Systemview帮助文件。2快捷功能按钮在主菜单栏下，SystemView 为用户提供了常用快捷功能按钮，按钮功能如下：清除系统 删图符块 切断连线 布放连线复制图符 根轨迹 终止运行 系统运行系统时间设定 分析窗口 波特图 重画图形 3图符库选择按钮系统视窗左侧竖排为图符库选择区。图符块（Token）是构造系统的基本单元模块，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅是代表某一数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所具有的仿真数学模型决定。创建一个仿真系统的基本操作是，按照需要调出相应的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来。这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。进入系统后，在图符库选择区排列着8 个图符选择按钮，即：信源库 子系统库 加法器 输入/输出操作库 函数库 乘法器 信宿库在上述8 个按钮中，除双击“加法器”和“乘法器”图符按钮可直接使用外，双击其它按钮后会出现相应的对话框，应进一步设置图符块的操作参数。单击图符库选择区最上边的主库开关按钮 main ，将出现选择库开关按钮 Option 下的用户扩展库（Custom）、通信库（Comm）、DSP 库（DSP）、逻辑库（Logic）、射频模拟库（RF/Analog）和数学库（M-Link）选择按钮，可分别双击选择调用。三PCM系统的设计与仿真表3-1 语音信号PCM系统仿真模型图符参数表图符号库：图符名称改变的参数设置27Source：Freq SweepFreq=5000Hz13Periodic：pulse trainFrequency=20000Hz，offset=0.5V23Noise：gauss noiseStd deviation=0.001V5Logic：ADCMax Input0=1,No.Bits=4,Min Input=120Systems：butterworthLow cutoff=500Hz，input rate16000Hz10,11,22,28,29,30,31,32,33,34,35Sample：samplerSample rate=1000Hz8Comm:TD MuxNumber of Input=8,Time per Input=10002Processors：campanderMax input=1V3Processors：dempandMax input=1V6Logic：DACMax Input0=1,No.Bits=4,Min Input=17Gain：gainGain=1仿真实验原理图如图3-1所示：图3-1四仿真结果与分析实验结果如下图4-1，4-2, 4-3, 4-4, 4-5所示：图4-1图4-2图4-3图4-4图4-5图4-6五设计心得经过一周的通信原理课程设计的学习让我受益菲浅。在通信原理课即将结束之时，我对在这一周来的学习进行了总结，总结这一周来的收获与不足。取之长、补之短，在今后的学习和工作中有所受用。 在这一周通信原理课程设计的学习中，让我受益颇多。一、让我养成了课前预习的好习惯。一直以来就没能养成课前预习的好习惯（虽然一直认为课前预习是很重要的），但经过这一周，让我深深的懂得课前预习的重要。只有在课前进行了认真的预习，才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。二、培养了我的动手能力。“实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理解的东西。”每个步骤我都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。经过这一周，让我的动手能力有了明显的提高。三、让我在探索中求得真知。那些伟大的科学家之所以伟大就是他们利用实验证明了他们的伟大。实验是检验理论正确与否的试金石。为了要使你的理论被人接受，你必须用事实（实验）来证明，让那些怀疑的人哑口无言。虽说我们的通信原理实验只是对前人的经典实验的重复，但是对于一个知识尚浅、探索能力还不够的人来说，这些探索也非一件易事。通信原理实验都是一些经典的给人类带来了难以想象的便利与财富。对于这些实验，我在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。通信原理实验让我慢慢开始“摸着石头过河”。学习就是为了能自我学习，这正是实验课的核心，它让我在探索、自我学习中获得知识。四、教会了我处理数据的能力。实验就有数据，有数据就得处理，这些数据处理的是否得当将直接影响你的实验成功与否。经过这一周，我学会了图像法等处理数据的方法，让我对其它课程的学习也是得心应手。 经过这一周的通信原理实验课的学习，让我收获多多。但在这中间，我也发现了我存在的很多不足。我的动手能力还不够强，当有些实验需要很强的动手能力时我还不能从容应对；我的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成；我的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂数据时我处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小程度 总之，通信原理课程设计让我收获颇丰，同时也让我发现了自身的不足。在实验课上学得的，我将发挥到其它中去，也将在今后的学习和工作中不断提高、完善；在此间发现的不足，我将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不应成为学习、获得知识的障碍。在今后的学习、工作中有更大的收获，在不断地探索中、在无私的学习、奉献中实现自己的人身价值！六参考资料1冯育涛. 通信系统仿真M. 北京：国防工业出版社.2009.2樊昌信.曹丽娜. 通信原理(第六版)M. 北京：国防工业出版社.2006.3刘开健.张海波.吴光敏. 基于SystemView的PCM通信系统仿真J. 石油仪器.2007.(5):20-22. 4张无名. 基于SystemView的通信系统仿真D. 中国人民大学硕士论文.2012:1-20.袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄